Одноквартирные жилые дома отличаются наибольшим разнообразием объемно-планировочных решений. Благодаря свободному размещению на участке и отсутствию затенения соседними зданиями они могут иметь любую форму плана и ориентацию.
Использованию в частных жилых домах пассивного солнечного энергообеспечения способствуют характерное для американского жилища:
свободное построение внутреннего пространства;
отсутствие жесткой фиксации помещений в зоне дневного пребывания.
Все это облегчает процесс естественной конвекции нагретого воздуха, являющийся основой пассивного солнечного отопления. Кроме того, в США отсутствуют санитарные ограничения на освещение помещений, даже жилых, вторым светом, на размещение жилых комнат ниже уровня земли, а иногда и просто в земле. Все это позволяет проектировщикам с гораздо большей свободой относиться к объемно-планировочной организации жилого пространства, хотя многие решения и кажутся подчас спорными.
В специальной литературе подробно описывались американские солнечные дома, построенные в 1930—70 гг. Не рассматривая эти, уже известные здания, остановимся на постройках и проектах последних десяти лет, публикуемых в периодических изданиях HUD. Разнообразные типы одноквартирных солнечных домов можно свести к трем основным принципиальным схемам:
компактной;
линейно-широтной;
павильонной.
Теоретически компактные жилые дома наиболее характерны для северных районов, линейно-широтные — для южных, где используется прямой, обогрев помещений, а павильонной структуры — для жаркого влажного климата, где требуется усиленное сквозное проветривание. Однако практически эти решения тесно переплетаются, так как в основу проектирования солнечного жилого дома кладется требование его максимальной термальной изолированности. В связи с этим компактные схемы рекомендуются и для жаркого климата, чтобы обеспечить минимум теплопоступлений. В особые группы выделены в силу специфичности их объемно-планировочных решений: заглубленные в грунт дома; массивные дома для пустынных районов.
Компактный жилой дом для холодного климата (Массачусетс)
Компактные планировочные схемы основаны на традиционных решениях домов первых поселенцев Новой Англии. Обычно это 2-этажный объем, перекрытый скатной кровлей. На 1-ом этаже — единое пространство обшей комнаты — столовой — кухни, к которым с северной стороны примыкают хозяйственные помещения и гараж для организации защитной буферной зоны. На 2-м или мансардном этаже — спальные комнаты.
Американские специалисты считают, что в холодном климате активные системы могут функционировать незначительную часть года, поэтому их рационально использовать лишь для сезонного горячего водоснабжения. Пассивные системы работают постоянно даже в условиях рассеянной радиации. Поэтому в солнечных домах, проектируемых для северных районов США, основными накопителями тепла служат:
теплицы;
атриумы;
наружные термальные массивы типа стены Тромба.
Прекрасным примером соединения современных технологических решений и традиционной объемно-планировочной структуры является 2-этажный дом в штате Массачусетс, в районе с сохраняемой исторической застройкой (рис. 1). В холодном климате Массачусетса требовалось максимально изолировать все элементы здания. Компактный 2-этажный дом с северной стороны слегка заглублен в склон и защищен от холодных ветров гаражом. Вход в дом — через тамбур с промежуточного уровня. Единое пространство 1-го этажа ориентировано на юг, в нем выделена кухня посредством использования раздвижной перегородки. В центре общей зоны находится оранжерея, которая может быть изолирована при помощи управляемой вручную драпировки.
Типы домов -
Компактный жилой дом с пристроенной гелиотеплицей для холодного климата
Накопление тепла происходит в простенках южного фасада по типу стены Тромба: бетонные стены толщиной 30 см покрашены снаружи в черный цвет и остеклены. Воздух циркулирует через вентотверстия на уровне пола и под потолком 1-го этажа. Излишки тепла поглощаются массивным бетонным основанием, покрытым темной керамической плиткой. В центре главного помещения находится отверстие в перекрытии (2,0х2,5 м), через которое теплый воздух поднимается на верхний уровень, обогревая спальни. Благодаря окну верхнего света в кровле этим же способом осуществляется активная вентиляция здания в летнее время. Отапливаемая площадь дома около 200 м2.
Жилой дом в штате Нью-Гемпшир также спроектирован для холодного климата (рис. 2). В этом компактном здании с традиционной скатной кровлей комбинируется непосредственный обогрев помещений 1-го этажа с получением тепла в примыкающей к дому, встроенной в склон теплице. Аккумуляторами тепла в ней служат вертикальные фибергласовые трубы с водой, окрашенные в черный цвет, а в жилых помещениях 1-го этажа — массивные стены, ограждающие лестницу, и бетонное основание. Стена толщиной 30 см и длиной 2,5 м расположена сразу за южным проемом. В спальнях 2-го этажа аккумулятором поступающей через проемы радиации служат емкости с водой, установленные в специальные ниши. Функционирование системы обеспечивается при помощи подвижных жалюзи под свесами кровли и на плоскости остекления теплицы, раздвижной двери между теплицей и жилым пространством, а также вентиляцией через лестницу и фонарь верхнего света в крыше.
Несмотря на то, что компактные планировочные решения наиболее популярны в холодных регионах, они могут применяться и в жарком
Необходимость ориентации жилых помещений на юг в первых солнечных домах привела к созданию линейно-широтной планировочной схемы. Линейная схема широко распространена в загородных и сельских домах в США. В основе ее обычно лежит принцип ранчо — американской фермы со свободным размещением объемов, дающим возможность дальнейшего развития и в то же время изоляции от внешей среды. Важным элементом дома является замкнутый или полузамкнутый двор, образованный жилыми и хозяйственными постройками.
На рис.изображен современный дом-ранчо, в котором применены различные способы пассивного солнечного отопления. Одноэтажное здание состоит из двух пересекающихся объемов (крестообразный план), наиболее протяженный из которых ориентирован на юг. В здании четыре энергоактивных зоны:
столовая и гостиная обогреваются непосредственно солнечными лучами, которые в гостиной попадают прямо на массив камина;
хозяйственные помещения цокольного этажа освещаются и отапливаются через южные окна благодаря естественному понижению уровня земли;
обогрев и инсоляция спален осуществляется через коридор, служащий накопителем тепла.
Летом солнцезащита помещений обеспечивается при помощи козырьков, перголы, свесов кровли. Отапливаемая площадь дома 340 м2.
В жарком климате павильонная планировка издавна служила целям борьбы с высокой влажностью и перегревом. Вытянутый план, сквозное проветривание, обилие террас и балконов, размещение кухонь, прачечных в отдельном объеме — характерные черты этого жилища.
Для зданий, расположенных в жарком влажном климате, особенно важна усиленная естественная вентиляция, которая достигается за счет специфической организации покрытий, образующих повышенные в центре пирамидальные пространства с усиленной тягой, создаваемой проемами в верхней его части.
Строительство жилища в районах сухого жаркого климата всегда подчинялось требованиям защиты от агрессивного влияния среды. Глинобитный дом в этих районах сам по себе является пассивной солнечной системой, т.к. его массивные стены великолепно стабилизируют внутреннюю температуру дома.
Пластические возможности глинобитной или глинобетонной массы, монолитной или в блоках, позволили создать своеобразный стиль этих домов с живописной лепкой формы основных объемов здания. Пассивное охлаждение в них осуществляется за счет аккумулирования тепла в наружных стенах и основании. Усиленная вентиляция создается при помощи смещения уровней и образования проемов в верхней части дома. Теплозащита обеспечивается навесами, козырьками, буферными пространствами (патио и полузакрытые дворики). Активные системы, наиболее успешно функционирующие в этом климате, обеспечивают горячее водоснабжение.
Достаточную популярность получила идея заглубления компактного здания в грунт. Благодаря теплоизолирующим свойствам грунта такое здание сразу приобретает большую энергетическую автономность, независимость от погодных условий.
Распространению подобных решений способствует улучшение качеств гидроизоляционных материалов и систем инженерного оборудования (вентиляции, дренажа). Основными требованиями к участку являются:
наличие сухих, не склонных к эрозии, желательно песчаных почв;
низкий уровень грунтовых вод;
наличие рельефа;
небольшая относительная влажность воздуха.
В качестве примера рассмотрим 2-этажный суперизолированный дом в холодном климате штата Миннесота. Здание имеет трапециевидную в плане форму с широким фасадом, обращенным на юг. Остальные фасады находятся в земле, т.к. участок поднимается к северу.
Типы домов -
Компактный дом с земляной обваловкой, общий вид.
Элементами пассивного солнечного отопления служат витражи и оранжерея южного фасада с тройным остекление проемов, массивные бетонные стены и кирпичные полы. Вход в дом — с промежуточного уровня. Вдоль северной стены расположены нежилые помещения. Для уменьшения энергопотребления использован дифференцированный режим эксплуатации помещений. На 1-ом этаже располагаются гостиная, кухня, столовая, которые требуют наибольшего отопления в дневное время, на 2-м этаже — спальни, пик потребления тепла в которых приходится на вечернее и ночное время. Теплопоступление регулируется системой клапанов и вентканалов. Для горячего водоснабжения имеются водяные коллекторы. Вертикальная вентиляция организована через двухсветную оранжерею и фонарь верхнего света. Плоскость остекления защищена от летнего перегрева специальным навесом.
На плоских участках используется земляная подсыпка, имитирующая заглубление в грунт. Компактный жилой дом такого типа имеет почти квадратную в плане форму и перекрыт вальмовой крышей. С северной стороны к дому примыкает гараж. По остальному периметру здания, за исключением атриума на южном фасаде, идет земляная подсыпка (берма) до уровня крыши.
Энергетический цент дома — двухсветный атриум, обогреваемый прямыми солнечными лучами через витраж и остекленную часть кровли. Теплоаккумулятором служат камин и массивные простенки, отделяющие атриум от гостиной. В остальные помещения чистый воздух подается за счет механического побуждения. Приточные и вытяжные отверстия системы размещены между балками перекрытия. Одна из спален, кухня, столовая и центрально расположенная гостиная освещаются вторым светом, главным образом через атриум.
В жарком климате заглубление в землю обеспечивает охлаждение здания за счет относительной стабильности температуры грунта ниже уровня промерзания.
Купольная форма уравновешивает внешнюю нагрузку во всех направлениях. Кроме того, нагрузка, воспринимаемая куполом, создает в нем нормальные мембранные напряжения с влиянием изгиба на относительно небольших участках поверхности. В современной практике чаще всего применяются купола, срединная поверхность которых описывается уравнением шара, эллипсоида вращения или кругового конуса (конические купола проще в изготовлении, но менее экономичны, чем сферические).
В куполах вращения, нагруженных распределенными нагрузками, по меридиональным направлениям возникают только сжимающие напряжения. По направлению параллелей в верхних участках возникают кольцевые сжимающие, а в нижних — кольцевые растягивающие напряжения, которые деформируют купол и вызывают напряжения изгиба.
Параллельно с куполами, имеющими гладкую поверхность, интенсивно развиваются различные виды куполов с каркасно-ребристой структурой поверхности, позволяющие собирать оболочки значительных размеров из небольших стандартных элементов.
Времена меняются, меняются вместе с ними и требования к произведениям
человеческого труда. Так компьютер пятидесятилетней давности, как и
кремниевое ружье, теперь музейные экспонаты. Особую актуальность это
имеет применительно к современному дому. Сейчас конструкции домов,
медленно менявшиеся на протяжении столетий, претерпевают революционные
трансформации. В мире формируется иной взгляд на характер массового
жилья. Новейшие технологии позволяют строить недорогие, безопасные, и
кардинально снижающие негативное воздействие на окружающую среду,
жилища. Стали появляться дома, которые назвали экологическими, или
экодомами.
