Основы проектирования солнечного дома

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.

На архитектуру солнечного дома существенное влияние оказывает форма солнечного коллектора и его размеры. В этой связи для архитекторов важны такие показатели, как отношение площади солнечного коллектора к отапливаемой площади здания — коэффициент гелиообеспечения К1г.п и угол наклона солнечного коллектора α.

Архитектор В. А. Акопджанян рекомендует для солнечных домов любой этажности и планировочной структуры К1г.п = 0,5. Однозначный ответ в данном случае представляется не совсем верным.

Д. А. Даффи и У. А. Бекман считают, что при оптимизации площади солнечного коллектора, основное внимание следует обратить на стоимость солнечной установки. По их мнению, минимальная стоимость солнечной установки обеспечивается при К1г.п = 0,33...0,66 (в каждом конкретном случае это зависит от планировочного и конструктивного решения здания, типа солнечной установки и климата). Они также отмечают, что Г. Леф и А. Тибоут исследовали зависимость стоимости используемой энергии от доли солнечной энергии в теплопотребности малоэтажного здания в Бостоне (43° с.ш.), Омахе (42° с.ш.) и Альбукерке (35° с.ш.). Наименьшая стоимость единицы тепловой энергии отмечалась при 40...70% доле солнечной энергии в тепле, потребляемом зданием.

Рис. 1. Зависимость площади солнечного коллектора Fг.у (м2) и показателя используемости выработанной солнечной энергии И( от планируемой эффективности ( солнечной установки и угла наклона солнечного коллектора:
Fг.п/Vзд - отношение площади солнечного коллектора к объему здания;
Fг.п/Vзд - отношение площади солнечного коллектора к площади здания.

Нецелесообразность чрезмерного увеличения площади солнечных коллекторов Fг.п, а значит К1г.п, отмечает М. М. Захидов. Результаты исследования позволили ему установить определенную зависимость между К1г.п и эффективностью солнечной установки (долей солнечной энергии в теплопотребности здания), а также показателем используемости выработанной солнечной энергии. Так, увеличение К1г.п в 2 раза (с 0,25 до 0,5) повышает эффективность солнечной энергосистемы более чем в 2 раза (с 25 до 50...55 . Дальнейшее повышение эффективности солнечной энергосистемы в 2 раза (до 100 требует увеличения площади солнечного коллектора почти в 3 раза; при этом резко снижается показатель используемости солнечной энергии, что показано на рис. 1, где эффективности солнечной энергетической установки, равной 40...70%, соответствует К1г.п = 0,45...0,70.

Угол наклона солнечного коллектора оказывает влияние не только на эффективность гелиосистемы, но и на формирование архитектурного образа солнечного дома. М. М. Захидов рекомендует решать малоэтажные солнечные дома только с вертикальным размещением солнечных коллекторов на южном фасаде дома. При таком расположении солнечные коллекторы меньше запыляются, не задерживают снег, что говорит об их эксплуатационных преимуществах по сравнению с наклонными коллекторами.

Однако большинство авторов, как отмечает С. В. Зоколей, рекомендует угол наклона солнечного коллектора, равный широте местности. С. В. Зоколей считает необходимым учитывать климатические условия при выборе оптимального угла наклона коллектора. Для Лондона, где 54% годовой солнечной радиации падает на диффузную составляющую, максимальное тепловосприятие обеспечивается при угле наклона 34°. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора, по мнению С. В. Зоколея, лежит между широтой местности и горизонталью, причем его значение определяется долей диффузной радиации.

Для условий Средней Азии, где преобладают ясные дни и доля диффузной радиации незначительна, А. А. Саидов предлагает определять угол наклона солнечного коллектора α в зависимости от прямой солнечной радиации, а также от широты местности и периода эксплуатации солнечной установки. Подсчитав количество теплопоступлений от прямой солнечной радиации на поверхности разного наклона и ориентации, А. А. Саидов предлагает:

* для систем круглогодичного действия α = φ + 10...15°, где φ — широта местности;
* для установок солнечного отопления α = 90 - hλ, где hλ — высота солнца в полдень15 января;
* для солнечных установок, действующих только в теплое время года α = φ.

Эти же расчеты позволили А. А. Саидову определить оптимальную ориентацию рабочей поверхности солнечного коллектора, функционирующей круглогодично, в пределах 165...195° ю.ш., в теплое время года — в пределах 150...210° ю.ш.

С. В. Зоколей допускает возможность отклонения от строго южной ориентации солнечного коллектора на восток или запад до 30°, что, по его мнению, дает уменьшение суммарного геплопоступления всего лишь на 2%.

В. А. Акопджанян рекомендует ориентировать поверхность солнечных коллекторов не строго на юг, а со смещением на запад на 15°. По его мнению, такая ориентация позволяет получить наибольшее суммарное дневное теплопоступление от солнца.

В рекомендациях отмечена другая закономерность для условий Средней Азии; поверхности, ориентированные на восток, получают больше солнечной радиации, чем поверхности, ориентированные на запад. Причиной такого положения является увеличение запыленности воздуха во второй половине дня.
Дома с пассивной системой солнечного отопления

Солнечные дома имеют различную систему солнечного теплообеспечения. Разнообразие солнечных энергосистем обусловило различную архитектуру солнечных домов. Американский архитектор С. В. Зоколей классифицирует солнечные дома по типу применяемой солнечной энергетической системы на 3 группы:

* с пассивной гелиосистемой;
* с активной;
* с активной, имеющей тепловой насос.

В. А. Акопджанян, также разделивший солнечные дома на 3 вида, в отличие от С.В. Зоколей из группы с активной системой солнечного отопления выделил солнечные дома со смешанной системой (активная + пассивная) и назвал ее интегральной. Солнечные дома с интегральной системой имеют свою специфику, характерное объемно-планировочное решение жилища, присущее группе как с пассивной, так и с активной системой.

К солнечным домам с пассивной системой солнечного отопления можно отнести все жилые здания со светопроемами, ориентированными на южную половину горизонта. Пассивная система солнечного отопления основана на непосредственном обогреве солнечными лучами и на естественной циркуляции воздуха. При этом желательно однорядное расположение помещений.
Солнечные дома с активной системой

Активная система, в отличие от пассивной представляет собой инженерную систему, состоящую из следующих основных компонентов:

* приемника и преобразователя солнечной энергии в тепловую (солнечный коллектор);
* аккумулятора тепла;
* прибора отопления;
* системы распределения тепла. Для бесперебойного теплоснабжения дома в пасмурные дни предусмотрен дублер (газовый или электрический).

Активная солнечная энергетическая система отличается многофункциональностью, ее можно использовать для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Это явилось одной из причин преобладания солнечных домов с активной системой. В этих домах нет определенных требований к взаиморасположению помещений. Однако архитектура (экстерьер) солнечных домов этого типа определяется характером расположения гелиоприемников по отношению к объемной структуре здания.
Солнечные дома с интегральной системой

В этих домах эффективность и гибкость активной солнечной энергетической системы сочетается с надежностью и простотой пассивной системы.
Выводы и рекомендации

При проектировании солнечных домов следует учитывать комплекс гелиотехнических факторов:

* коэффициент гелиообеспечения К1г.п;
* угол наклона гелиоприемника α;
* теплоустойчивость зданий. На стадии формирования объемно-планировочной структуры здания К1г.п следует принимать К1г.п = 0,5...0,65. Угол наклона гелиоприемника рекомендуется принимать в зависимости от назначения гелиосистемы:
o для круглогодичного использования α = φ + 10...15°, где φ — широта местности;
o для теплого периода года α = φ;
o для солнечного отопления α = φ + 20°.

Объемно-планировочную структуру солнечного дома следует предусматривать компактной, с наименьшей площадью наружных стен на единицу отапливаемого объема.

Солнечные дома с пассивной солнечной энергосистемой отличаются простотой исполнения, надежностью, небольшой стоимостью. При этом в холодный период система обеспечивает существенную долю теплопотребности здания.

Большинство существующих солнечных домов с пассивной солнечной системой энергообеспечения построено с однорядным размещением жилых комнат вдоль южной стены гелиоприемника. Общая комната, как правило, ориентируется на гелиофасад; в двухярусных домах она часто выполняется двухсветной, что облегчает доставку теплого воздуха в комнаты северной ориентации и создает своеобразие архитектурного решения пространства.

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.

Дата добавления: 2015-07-11