Проектирование солнечного дома

Первым этапом проектирования солнечного дома считается выбор оптимальной формы здания. Как правило, рекомендуется компактная, близкая к квадрату форма плана с минимальным периметром наружных стен.

Показателем компактности служит коэффициент, равный отношению площади наружных стен к внутреннему объему
здания. Для уменьшения поверхности наружных стен могут использоваться цилиндрические, полусферические и другие нетрадиционные формы.

Для уменьшения энергопотребления пересматриваются многие нормативы проектирования ограждающих элементов здания, усиливаются их теплоизолирующие свойства путем применения более совершенных изоляционных материалов, ликвидации инфильтрации и продувания через дверные и оконные проемы, применения тройного остекления в холодных районах.

Большой эффект дает дифференциация помещений по энергопотребностям и режиму эксплуатации. Малоотапливаемые помещения (шкафы, кладовые, санузлы, гаражи и др.) рекомендуется размешать вдоль северной стены как буферные элементы.

Ориентация дома

Особое значение при проектировании солнечного дома приобретают планировка участка и правильная ориентация. Для эффективного использования солнечной радиации южная стена или кровля жилого дома должны облучаться прямыми солнечными лучами с 9.00 до 15.00 даже в самый неблагоприятный день.

Для этого солнцевоспринимающий фасад должен быть ориентирован на юг с отклонением не более чем на 10..20°. В тесной городской застройке возникает юридическая проблема защиты южных фасадов солнечных домов от затенения.

Вентиляция

В летнее время в большинстве районов требуется усиленная естественная вентиляция здания для защиты от перегрева. Рекомендуемый ориентировочный воздухообмен в солнечном доме составляет 0,5 от общего объема здания в час.

Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат.

Использование принципа «солнечной трубы», положенного в основу всех этих решений) является причиной обилия в американском жилише двухсветных пространств, верхних окон, фонарей верхнего света.

Организация усиленной естественной вентиляции здания:

1 - остекление южного фасада; 2 - массивные перекрытия и полы; 3 - фонарь верхнего света (солнечная труба) с регулируемыми вентиляционными отверстиями.

Выполнение перечисленных выше мероприятий практически не удорожает строительство, а лишь оптимизирует его результаты. Только сведя таким образом к минимуму энергопотребности здания, можно думать о проектировании каких-либо технологических устройств.

СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

По способу преобразования солнечной энергии наиболее распространено раэделение солнечных энергетических систем на пассивные и активные.

Их подробная характеристика, соответствует принятым в отечественной литературе классификациям.Пассивные системы используют модификацию традиционных элементов здания для накапливания и распределения тепла.

Они требуют незначительного дополнительного оборудования и поэтому более экономичны, хотя и недостаточно производительны. Для эксплуатации их не требуется специального обслуживающего персонала.

Активные системы, даже простейшие, включают значительный арсенал технических средств (плоские водяные и воздушные коллекторы, специальные аккумуляторы тепла, системы распределения тепла и контроля за теплопоступлением), что удорожает строительство и требует квалифицированного монтажа.

В реальной практике мы обычно встречаемся с комбинацией различных систем и планировочных приемов.Обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой здания и изолирующими ставнями является потенциально самой простой и в то же время наиболее удобной системой солнечного отопления. Также несложными являются термосифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагреватели.

Простейшая система солнечного отопления использует солнечные коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие солнечные коллекторы можно на зиму устанавливать на открытых площадках около дома, а летом демонтировать.

Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем поступает снова в помещение. Вентилятор включается по сигналу разности двух температур.

В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет солнечный коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет.

Этот чувствительный прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом использования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включения или выключения вентилятора).

Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятор тепла для его дальнейшего использования, то здание должно действовать как контейнер солнечного теплоаккумулятора.

Таким образом, оно должно нагреваться до такой температуры, которую могут выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности и тем выше будет общий КПД этой простой системы.

Покрытые землей и подземные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку массивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло. Система следующего уровня сложности накапливает солнечное тепло в теплоаккумуляторе.

Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы солнечного коллектора.

Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор «заряжен», потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления.

Типологические исследования американских специалистов позволяют объединить все виды пассивного энергообеспечения в 3 основных группы:

* прямой обогрев помещений через различные типы остеклений южного фасада: витражи и окна, фонари верхнего света, вертикальные окна, расположенные в верхней части двусветного пространства и др. (direct gain);
* нагревание наружного термального массива;
* нагревание иэолированного объема, теплый воздух из которого затем распространяется по всему зданию (isolated gain).

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ДОМОВ

При детальном проектировании зданий (ориентация, инсоляция и т. д.) должны также учитываться по возможности энергетические требования. Солнечные дома необходимо проектировать очень тщательно, и этот принцип должен соблюдаться в мельчайших деталях.

Вот основные правила, которых следует всегда придерживаться:

* строить с учетом климата и изучать естественные условия;
* проект, не учитывающий сохранение энергии, в большинстве случаев не имеет успеха и всегда неэкономичен;
* хорошая инсоляция всего здания обеспечивает снижение его энергетических потребностей;
* значение R для стен и крыши должно составлять не менее 5;
* применять по возможности тройное остекление;
* располагать отверстия и солнечные коллекторы с южной стороны и правильно ориентировать здание;
* избегать затенения южного фасада здания;
* учитывать взаимосвязь эстетических и технических сторон при проектировании солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла;
* учитывать, что технически и конструктивно многократное использование энергии всегда находит применение в доме (отработанная вода, освещение и т. д.);
* предусматривать защиту дома от холодного ветра (деревьями, склонами, тепловыми буферными зонами и т. д.);
* в ветренных районах широко использовать мощность ветрогенераторов;
* тщательно рассчитывать оптимальное соотношенне между объемом здания и наружной поверхностью (максимально возможный объем при наименьшей поверхности);
* предусматривать проектирование тепловой буферной зоны (т.е. двойные двери, крытые террасы и др.);
* использовать редкое физическое явление экзотермии (теплоотдачи);
* использовать термические свойства аккумуляторов здания с точки зрения оптимального решения резервуара для возмещения дневных (ночных) теплопотерь и удовлетворения сезонных тепловых энергетических требований;
* учитывать оптимальное соотношение комфортной, автономной и наружной энергий;
* уменьшать теплопотери через окна, увеличивая величину R (окно днем обеспечивает нас меньшим количеством тепла, чем теряет его ночью. Если окна ночью изолировать, положительный тепловой баланс можно получить через окна южного фасада дома.).

В нашей стране, с ее разнообразием природно-климатических условий, вообще нельзя говорить о солнечном доме как некоем однозначном понятии. Недаром в отечественной литературе все чаще появляются термины «энергоактивное здание», «энергоэкономичное здание».

Энергетически эффективное здание в районе Средней Азии, оборудованное различными технологическими устройствами для накопления солнечной радиации, будет коренным образом отличаться от такого же здания на Крайнем Севере, где вообще может не быть технологических устройств, но компактная планировка, конструктивное решение и выбор строительных материалов будут направлены на сведение к минимуму теплопотерь.

Тут уместно вспомнить парадоксальное на первый взгляд высказывание Д. Уотсона о том, что в некоторых случаях идеал солнечной энергетики не дом с оптимальной отопительной системой, а дом, в котором отопительная система не нужна вообще.

К сожалению, практически во всех регионах нашей страны жилые здания не могут функционировать без отопительных устройств. Переход на альтернативные решения должен быть обеспечен созданием индустриальной базы и квалифицированными кадрами.

С этой точки зрения ориентация на первоочередное внедрение систем горячего водоснабжения как наиболее автономной части энергообеспечения дома безусловно правильна. Солнечный коллектор, различные типы мобильных теплоизоляционных устройств, аккумуляторов тепла должны стать такими же привычными элементами жилого дома, как радиатор традиционного отопления.

Только после этого можно решить более сложную задачу использования солнечной энергии и для отопления здания. В солнечных жилых домах редко встречается одна какая-либо система в чистом виде.

К упомянутым типам пассивных систем обычно присоединяются несколько коллекторов активного типа, хотя бы для горячего водоснабжения. В большинстве солнечных домов имеется дублирующий источник энергообеспечения.