При создании солнечного дома крайне важны: планировка и правильная ориентация; выбор оптимальной формы здания; эффективная теплоизоляция; эффективная система вентиляции.
Выполнение перечисленных 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.
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.
Архитектурная концепция солнечного дома широко известна и схематично может быть представлена следующим образом:
Пространство, защищенное от ветра и раскрытое солнцу, формируется развернутой к югу радиальной в плане ветрозащитной стенкой, собирающей солнечные лучи, и козырьком - кровлей, дающим тень от высокого летнего солнца. Форма и отделочные материалы внутренней поверхности стены должны способствовать концентрации солнечных лучей, или их поглощению для прогрева термальных массивов, при низком зимнем солнцестоянии. Отсекая внутреннее пространство «подковы» с юга от внешней среды витражом, мы используем парниковый эффект: при нанесении на поверхность стекла тончайшего металлического покрытия или теплоотражающей пленки лучистая составляющая тепловых потерь направляется обратно, внутрь помещения. Термальный массив (каменная стена за стеклом, пол – керамогранит по ж/б плите - или массивный камин под зенитным фонарем), сохраняя солнечное тепло, должен обеспечить комфортные температуры в помещении ночью. С наветренной стороны стена и кровля солнечного дома могут быть превращены в зеленый холм, что не только защитит от холодного северного муссона, уведя ветер вверх, но и будет способствовать дополнительному сбережению накопленного массивными конструкциями солнечного тепла. Летнее затенение юго-западных и западных секторов горизонта обеспечат внешние зеленые экраны из лиан. Аэрацию при перегреве - коньковые окна, при одновременном притоке прохладного воздуха из затененной части приусадебного участка, через проемы у основания витража.
Солнечная архитектура - это инвестиции в Ваше будущее. Здания традиционной архитектуры, как спринтер на короткой дистанции вне конкуренции: дешевле и сразу. Солнечная архитектура на 10-30% дороже и окупит себя примерно через 5-10 лет. Но владельцу «солнечного» коттеджа не нужно будет вкладывать деньги на отопление и горячую воду, а чистый воздух вообще оценке не поддается: http://www.pal-antvlad.narod2.ru
Проектирование жилища должно проводится на основе строгого учета природно-климатических особенностей региона с использованием достижений традиционного строительства. Основы подобного подхода были заложены еще Фрэнком Ллойдом Райтом.
Рассмотрим вопрос на примере проектирования жилища в США, всю территорию которых можно разделить на 4 больших зоны:
холодного;
умеренного;
жаркого сухого;
жаркого влажного климата.
В зоне холодного климата до сих пор распространены компактные объемы с асимметричными двускатными кровлями (Salt box, Cape cod). Крутой скат кровли ориентирован на юг, более длинный, пологий — на север, т.к. в этом случае он лучше противостоит снеговой и ветровой нагрузке. Подвальные и цокольные этажи, чердаки усиленно утеплены, вход в дом организован через тамбур. Городские дома блокируются для уменьшения теплопотерь. Основные проемы, защищенные ставнями, ориентированы на юг. Объемно-планировочные решения этих домов служат основой для проектирования солнечных домов в холодном климате США.
Особо следует выделить территорию Аляски. Спецификой этих районов является большое количество солнечных дней, несмотря на суровый климат. Вопросы строительства солнечных домов на Аляске рассмотрены в работах Hai-Toh Lim.
В зоне умеренного климата традиционным типом дома является ранчо из нескольких объемов, сгруппированных вокруг открытого двора.
В зоне жаркого сухого климата традиционными жилищами являлись глинобитные пуэбло. Именно здесь были сделаны первые попытки использования солнечной радиации для получения тепловой энергии и построены первые солнечные дома.
В зоне жаркого влажного климата наиболее распространена павильонная планировка домов с выделением кухни и прачечной в отдельный блок. Характерно сочетание легких и массивных конструкций, раздвижных перегородок. В массивных стенах обеспечивается защита от жары, в легких — проветривание. Широко применяются приемы, интенсифицирующие естественные процессы вентиляции:
увеличение высоты отдельных помещений;
размещение оконно-вентиляционных блоков в верхней части здания.
Именно здесь сложился своеобразный гонтовый стиль.
Таким образом, даже в традиционном жилище природно-климатические условия значительно изменяют облик дома. Особенно важна климатическая дифференциация при проектировании солнечных домов.
В условиях умеренного климата, например, разница между крайними зимними и летними температурами может быть небольшой. Тем не менее, в эти периоды возможны быстрые кратковременные изменения температуры, характерные для резко континентального климата. Именно такие температурные колебания можно сглаживать с помощью какой-либо массы, обладающей большой энергоемкостью.
Например, даже в период зимнего солнцестояния в ясный день поступающая солнечная радиация высокой интенсивности способна вызвать некоторый перегрев. В зависимости от того, закрыты ли при этом окна шторами или открыты, это тепло либо отражается, либо воспринимается помещением. Если бы это тепло могло быть аккумулировано в массивных строительных конструкциях, то его можно было бы сохранить и использовать затем в холодные ночные часы (обычно зимой самые холодные ночи бывают именно при ясном небе, а днем в эти периоды поступление солнечной радиации наиболее интенсивно).
Если изоляция размещается внутри энергоемкой массы, то в течение дня эта масса поглотит большое количество поступающего от Солнца тепла. Однако значительная часть этого тепла будет рассеяна в окружающую среду в ночные часы. Если же внутри изоляции разместить тепловую емкость, то получатся гораздо лучшие результаты, хотя при этом уменьшится количество тепла, поступающего в аккумулятор во время солнечного сияния.
Идеальным решением было бы применение какого-нибудь внешнего изолирующего подвижного покрытия, которое открывало бы доступ теплу к массивной стене во время поступления его от Солнца, а после захода Солнца закрывало бы стену и сохраняло накопленное тепло, давая ему возможность рассеиваться внутри помещения. Можно предложить и альтернативную систему, в которой тепло передается с какой-либо внешней поверхности к тепловой емкости, расположенной внутри надежной изоляции. На ночь систему, передающую тепло, следовало бы отключать.
Именно по такому принципу построены все солнечные отопительные системы. Солнечный коллектор, расположенный на внешней поверхности здания, воспринимает поступающее от Солнца тепло и передает его теплоаккумулятору, откуда оно отбирается по мере надобности.
Простые системы солнечного отопления с трудом поддаются регулированию. Стремление обеспечить надежное управление солнечной отопительной системой может привести к значительному ее усложнению. Большое разнообразие солнечных домов различается лишь деталями конструктивных решений систем солнечного отопления.
Новым достижением в области пассивного использования солнечной энергии являются такие архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий, благодаря которым обеспечивается максимальное использование дневного света и, следовательно, сокращаются затраты на искусственное освещение. Использование дневного света будет рациональным при условии компактного объемно-планировочного решения здания, уменьшающего тепловые потери.
Если обратится к примерам организации жилища в природных биологических сообществах, таких, например, как популяции пчел, ос, муравьев, термитов, то можно отметить, что эти популяции создают предельно компактные структуры, позволяющие довести теплопотери до минимума. Особенно высокой организацией отличаются жилища термитов. В термитниках создана уникальная система мелиорации внутренней среды, обеспечивающая постоянный комфортный температурно-влажностный режим, не зависимый от наружных погодных условий.
Жилище является своеобразным буфером между человеческим организмом и окружающей его тепловой средой. Поиски теплового комфорта привели к созданию большого числа разнообразных компактных типов зданий в различных регионах. Устройство в зданиях отверстий для улавливания воздуха в жарких влажных районах Пакистана, внутренние затененные дворы в среднеазиатской архитектуре, деревянный дом русского севера, объединяющий в одном объеме под крышей жилую, хозяйственную и складскую зоны, киргизская юрта, чум эскимосов — все это примеры интуитивного учета климата при создании жилища.
Подходы к экономии энергоресурсов при создании архитектурных объектов можно условно отнести к архитектурно-планировочным, конструктивным и техническим, благодаря которым используются различные принципы регенерации тепла, регулирования поступления солнечной энергии и других видов возобновляемой энергии. Компактность является основным принципом планировочного характера.
Традиционно дневной свет в помещения поступает через оконные проемы, расположенные на фасадах здания. Дневной свет, падающий из обычного окна или через открытый незастекленный проем, быстро теряет свою интенсивность. Уже на расстоянии 4...5 м от окна уровень освещенности ниже нормы (в помещениях средней высоты) независимо от силы светового потока, проходящего через окна. Напротив, слишком ярко освещенные окна создают нежелательный слепящий эффект. Кроме того, в настоящее время жестко нормируются вопросы инсоляции жилых помещений и, следовательно, ширина корпуса здания лимитируется высотой этих окон, высота же окон ограничена высотой этажа здания. Таким образом, при увеличении площади застройки глубинные зоны помещений не получают достаточного количества дневного света.
Все эти вопросы решены в атриумном здании. Понятие атриума восходит еще к временам древности. В те времена атриумом называли переднюю, гостиную, приемную или зал, а также первую комнату при входе в дом. В настоящее время атриум имеет многоцелевое назначение. Являясь основой объемно-пространственной структуры здания, атриум представляет собой ограниченное от внешней среды пространство, вокруг которого сосредоточены блоки жилых и служебных помещений, получающих из него дневной свет.
Реконструкция особняка в Бостоне, план 2-го этажа:
1 - гостиная; 2 - спальня; 3 - кухня-ниша; 4 - солнечная теплица; 5 - теплоизолирующий занавес.
При организации солнечного отопления в многоквартирных домах возникают трудности, связанные с ориентацией помещений, ограниченностью южного фронта и взаимным затенением зданий и солнечных коллекторов.
Перечисленные факторы должны учитываться с самого начала проектирования солнечного дома, т.е. при составлении генплана, трассировке улиц и определении ориентации солнечных домов. Тем не менее, существуют удачные решения не только проектирования и строительства солнечных домов, но и переоборудования существующих многоквартирных городских домов в солнечные дома во время реконструкции.
Многие планировочные и технические приемы пассивного солнечного отопления используются при реабилитации сложившейся городской застройки. Они сопровождаются повышением уровня комфортности и инженерного благоустройства жилого фонда. Примером может явиться проект реконструкции одного из красивейших викторианских особняков в Бостоне, где требовалось произвести перепланировку и улучшить инженерное благоустройство и теплоизоляцию, не увеличивая стоимости оплаты квартир и услуг.
В соответствии с перепланировкой на каждом этаже разместились 2 квартиры с разделением объема по диагонали, так что каждая квартира получила значительный южный фронт. Вдоль этого фасада пристроены солнечные теплицы. Теплоаккумуляторами в них являются цилиндрические емкости с водой.
Солнечный дом -
Нагретый воздух распространяется по каналам в перекрытии с помощью небольших вентиляторов. Обращенные на юг эркеры служат дополнительными накопителями тепла. Все проемы снабжены теплоизолирующими занавесями или жалюзи. Для горячего водоснабжения предусмотрены солнечные коллекторы.
Аналогичные реконструкции проводились во многих городах США.
Реконструкция жилого дома в Милуоки: а - фрагмент плана; б - разрез по солнечной теплице;
1 - гостиная; 2 - столовая; 3 - кухня; 4 - спальня; 5 - солнечная теплица; 6 - емкости с водой; 7 - теплоизоляция.
В связи с постоянным ростом цен на энергоносители у домовладельцев, проживающих в частных домах, возникает естественный вопрос об альтернативе общепринятым отопительным системам. Альтернативным источником энергии для отопления дома может являться солнечная энергия, но единого мнения о целесообразности использования солнечной энергии для отопления дома нет.
Часть домовладельцев наивно считает, что после установки на крыше нескольких панелей солнечных коллекторов их коттедж непременно превратится в солнечный дом. Приходится их разочаровывать, сообщив, что такая площадь панелей солнечных коллекторов достаточна лишь для солнечного нагрева воды, а для солнечной отопительной установки необходимо увеличивать площадь солнечных коллекторов в 10...15 раз, что в стоимостном выражении выльется в достаточно «кудрявую» сумму. Другие думают, что сам вопрос солнечного отопления настолько сложен, что простому смертному лучше за него и не браться.
Часто поступают письма от посетителей сайта, прочитавших книгу «Суперсолнечный дом Cliff House», c вопросом: «Можно ли построить суперсолнечный дом в средней полосе России?». На такой вопрос я всегда отвечаю: «Можно, но 100% солнечное отопление не должно быть самоцелью».
Действительно, в использовании Солнца в качестве источника теплоты нет ничего нового. Еще 2400 лет тому назад Сократ писал: «Сейчас в домах с видом на юг солнечные лучи проникают в галереи зимой, а летом путь солнца лежит над нашими головами и выше крыш так, что имеется тень. Если тогда это наилучшее устройство, то мы должны будем строить южный фасад дома более высоким, чтобы в дом поступали лучи зимнего солнца и северный фасад более низким, чтобы защитить дом от зимних ветров».
Общепринято равномерное распределение окон на фасадах дома. При этом, через окна северной ориентации происходят неоправданно большие потери теплоты, через окна западной ориентации в зимнее время потери теплоты тоже весьма значительны, т.к. ветра у нас преимущественно западные, а в летнее время окна на западном фасаде дома трудно защитить от перегрева.
Если суммарная площадь окон вашего дома составляет 20% суммарной площади фасадов, то при переносе всех окон на южный фасад, площадь его остекления составит 80%, что значительно увеличит солнечную инсоляцию при одновременном снижении теплопотерь, происходивших через окна западного, северного и восточного фасадов. Этот простой феномен получил название тепличный эффект. Сегодня дом, в котором используется эффект теплицы для отопления, мы называем пассивным солнечным домом.
Перенос всех окон на южный фасад — крайность, но желательно, конечно, до минимума уменьшить площадь окон западного, северного и восточного фасадов.
Одним из первых архитекторов, начавших закладывать подобные решения в проекты частных домов, был Фрэнк Ллойд Райт.
В качестве примера его новаций можно рассмотреть проект одноэтажного дома для холодного климата Миннесоты.
Таким образом, вы можете превратить ваш дом в солнечный дом прямого солнечного обогрева (Direct Gain) и для этого вам не понадобится каких-либо сложных расчетов.
Безусловно, такому дому свойственны определенные недостатки:
высокая блесткость света;
значительные колебания температуры.
С недостатками такой системы отопления борются, изолируя солнечное пространство от жилого объема дома. Нагрев изолированного остекленного объема (Isolated Gain) практически является модификацией прямого обогрева, но в американской специальной литературе выделяется особо в силу чрезвычайной распространенности этого приема. Остекленный объем теплицы (атриума, оранжереи) может примыкать к южному фасаду дома, либо встраиваться в него. Нагреваемый в теплице воздух распространяется по остальным помещениям путем естественной конвекции или по каналам с механическим побуждением и несложной системой датчиков.
Дом с солнечной теплицей (атриумом) для средней полосы России может представлять в плане трапецию или наконечник стрелы. Примерами удачных решений домов такого типа могут являться дом Дугласа Балкомба и дом Чемпионов.
Вышеуказанные приемы позволяют, кроме того, создать эффективную систему улавливания дневного света для освещения помещений, примыкающих к атриуму.
Безусловно, что для солнечного дома исключительно важно всемерное снижение тепловых потерь. При этом следует не бездумно увеличивать теплоизоляцию дома, а минимизировать суммарные затраты на весь период срока службы системы, которые включают в себя:
возможную потребность в монтаже теплоизолирующих ставен.
В расчете, конечно, следует учитывать стоимость топлива на этот период, то есть закладывать прогнозируемые будущие цены на него. Таким образом, выполняется расчет со многими неизвестными.
Существует общее эмпирическое правило, согласно которому грамотно спроектированный пассивный солнечный дом в сравнении с традиционно спроектированным домом той же площади поможет снизить затраты на отопление на 75% при удорожании строительства всего лишь на 5...10%.
После выполнения расчетов может выясниться, что оптимальным для вас явится дом не со 100%, а 70...80% солнечным отоплением, т.к. систему необходимо будет монтировать в уже существующем доме. При этом дом не будет нуждаться в традиционном отоплении с февраля до конца ноября, а в декабре-январе может понадобиться дополнительное отопление.
Дополнительной отопительной установкой в солнечном доме может являться дровяная каминопечь небольшой мощности, которая помимо выполнения чисто утилитарных функций создаст в доме островок уюта.
Возможность использования солнечного отопления в наше время общепризнанна. Хотя технология этого использования была известна уже очень давно, настоятельная необходимость обратиться к ней возникла только после энергетического кризиса 1973 г., когда во многих странах возникла потребность в новых источниках энергии. Теперь во многих странах ведется строительство домов, спроектированных на основе использования энергии солнца, и в настоящий момент уже возможно оценить этот опыт и дать соответствующие рекомендации.
