3. Пассивное использование солнечной энергии в снабжении зданий теплом
Пассивные солнечные здания - это те, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему. В пассивной солнечной системе сама конструкция здания выполняет роль коллектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинству наиболее простых систем, где тепло сохраняется в здании благодаря его стенам, потолкам или полам. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементы для накопления тепла, вмонтированные в конструкцию здания (например, ящики с камнями или заполненные водой баки или бутыли). Такие системы также классифицируются как пассивные солнечные.
При проектировании дома с учетом использования энергии Солнца в пассивном режиме основополагающим является 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.
Приоритетами при постройке здания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачное расположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северном полушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (и наоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобы ограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время); правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежать нежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время.
Расположение, изоляция, ориентация окон и тепловая нагрузка на помещения должны представлять собой единую систему. Стекло пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4-2,5 мкм. В результате поглощения света непрозрачными объектами, находящимися внутри помещения, и дальнейшего переизлучения, длина его волны увеличивается до 11 мкм. Стекло является непроницаемым барьером для электромагнитной волны этой длины. Свет, попадая в помещение, оказывается в ловушке. Количество света, проникающего сквозь стекло, зависит от угла падения. Оптимальный угол падения - 90o. Если солнечный свет падает на стекло под углом 30o или меньше, то большая часть солнечного света отражается.
Для уменьшения колебаний внутренней температуры изоляция должна быть помещена с внешней стороны здания. Однако в местах с быстрым внутренним обогревом, где требуется немного изоляции, или с низкой теплоемкостью, изоляция должна быть с внутренней стороны. Тогда дизайн здания будет оптимальным при любом микроклимате. Стоит отметить и тот факт, что правильный баланс между тепловой нагрузкой на помещения и изоляцией ведет не только к сбережению энергии, но также и к экономии строительных материалов.
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
Особое значение при проектировании 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.
Определенный интерес с точки зрения возможности использования солнечного тепла представляет собой гелиосистема, состоящая из солнечной теплицы, (веранды, балкона) расположенной около южной стены жилого дома. Такие теплицы позволяют без особых усилий аккумулировать солнечное тепло и одновременно с этим заниматься садоводством.
Ограждение теплицы или оранжереи, выполненное из стекла или прозрачной пленки, является в такой гелиосистеме тепловой защитой, препятствующей проникновению тепла наружу. Благодаря ей в теплице поддерживается сравнительно высокая температура. Через оконное заполнение тепло из солнечной ловушки поступает в помещение и обогревает его. Ограждающая теплицу наружная стена дома выполняет функцию коллектора и аккумулятора солнечного тепла, позволяющего увеличить теплопоступления в помещение в солнечную и холодную погоду, повысить температуру на внутренней поверхности стены и уменьшить затраты на отопление.
В США солнечная теплица считается одним из эффективных методов пассивного отопления. А в приморских и других районах, где господствуют сильные ветры, такие оранжереи и теплицы позволят уменьшить теплопотери через окна вследствие инфильтрации.
Устроить оранжерею можно под балконом, лоджией или выступающим вторым этажом. В этом случае тепло от воздуха, как и в предыдущем случае, поступает через окно в комнату первого этажа, а также через перекрытие, повышая температуру на поверхности пола. Эффективность такого решения состоит в том, что благодаря расположенной под выступающей частью второго этажа оранжерее с теплым воздухом нет необходимости сильно утеплять пол.
Около наружной стены дома можно сделать оранжерею не только на один, но и на два этажа. В этом случае снижаются теплопотери через стены и окна, обращенные в теплицу, и увеличиваются теплопоступления в холодные солнечные дни в помещения через стены и окна первого и второго этажей. Одновременно с этим уменьшаются расходы тепловой энергии, идущие на отопление дома. Кроме того, устройство зимних садов и оранжерей с наружной стороны имеет и другие преимущества. Подобрав определенные цветы и растения для зимнего сада, в течение круглого года обитатели дома будут иметь возможность видеть зеленую растительность через окно дома.
Как видим пассивные системы использования радиации Солнца достаточно разнообразны и включают в себя комплекс мероприятий архитектурного планирования, теплоизоляции, порядка остекления и планировки внутренних помещений.