Что такое «Солнечная архитектура»?

В настоящее время мы стремимся снизить затраты на энергообеспечение зданий всеми возможными способами. Однако, один из наиболее эффективных и дешевых способов является использование концепции «Солнечной архитектуры» при проектировании и строительстве.

Уже сегодня в Германии, Великобритании, Швейцарии, Финляндии, США и др. странах для большинства вновь возводимых объектов применяют принципы «Солнечной архитектуры» и пассивные конструкции, снижающие теплозатраты на 30…60% до уровня 10…40 кВтч/м² в год при сроке окупаемости 2…4 года. «Солнечная архитектура» (пассивное отопление) подразумевает под собой накопление солнечной энергии в элементах здания (стены, полы и т.д.) и последующее распределение его внутри помещений.

И так, рассмотрим подробнее. Существует три способа организации пассивного отопления: прямой солнечный обогрев, косвенный и изолированный.

Что такое прямой солнечный обогрев?

Огромным энергетическим потенциалом обладают здания с большими окнами, через которые зимнее солнце попадает прямо в рабочее пространство. Поступающая солнечная энергия служат либо для удовлетворения текущих потребностей здания в отоплении, либо накапливаются для удовлетворения возникающих позже (в ночное время) потребностей в тепловой энергии.

В здании с пассивной системой солнечного обогрева свет проникает непосредственно внутрь через остекление. Поступающее тепло нагревает внутренние поверхности здания, как правило, бетонный пол или кладка стен (обычно они темного, черного цвета), некоторая часть тепла с поверхностей немедленно отводится обратно в помещение, а оставшаяся часть аккумулируется и продолжает обогревать помещение в ночной период (рисунок 1а, б).

Теплоаккумулирующая поверхность должна обладать достаточной теплоемкостью для накопления и последующей отдачи тепловой энергии. Рекомендуемые характеристики аккумулирующей массы представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Рекомендации для использования теплоаккумулирующего материла в системах с прямого солнечного обогрева.

Стоит отметить, что площадь теплоаккумулирующей поверхности важнее, чем её толщина при сохранении объема.

При реализации пассивного солнечного отопления южные окна здания должны иметь сопротивление теплопередаче не ниже требуемого (от 1 м^{2 0}С/Вт) без отражающего ИК-излучение покрытия. Площадь окон не должна превышать 20% площади помещения. В тех случаях, когда площадь остекления превышает 20%, лучше использовать комбинацию с системой косвенного солнечного отопления («Trombe walls» – «стена Тромба»).

Что такое косвенные система солнечного обогрева («Trombe walls» – «стена Тромба»)?

В данной пассивной системе теплоаккумулирующая стена находится непосредственно в помещении за стеклом, стена покрыта специальным поглощающим солнечную радиацию материалом либо покрашена в черный цвет. На протяжении дня солнечное излучение нагревает стену, где стена Тромба довольна толстая (около 30 см) и время нагрева довольно велико, поэтому тепловой поток достигает внутренней поверхности стены, которая находится непосредственно в помещении, только к вечеру.

Если стена достаточна массивна, то она работает как обогреватель на протяжении всей ночи. Данное решение идеально подходит, если в помещении нет необходимости в дневном освещении, а потребность в тепловой энергии присутствует. Так как освещение почти всегда необходимо, стена Тромба обычно используется в сочетании с системой прямого солнечного обогрева. При таком решении, в течении дня помещение нагревается за счет прямого солнечного нагрева, а стена Тромба аккумулирует тепло, которое обогревает помещение в ночное время.

Стена Тромба может быть использована как на всю величину оконного проема с устройством проемов для солнечного света (рисунок 5), так и в виде парапетной или боковой (у окна) стены (рисунок 6). Хороший дизайн с использованием стены Тромба показан на рисунке 7, где помещение обогревается и освещается прямым солнечным светом в дообеденное время (после того как стена остыла ночью), а вечером тепло поступает от стены Тромба, при этом дневное освещение присутствует на протяжении всего дня.

В таблице ниже представлены рекомендуемые характеристики стены Тромба.

*более тонкая стена осуществляет обогрев вечером, толстая всю ночь.

В пространстве между окном и стеной Тромба может быть установлен занавес, который будет препятствовать потере лучистой энергии через окна в ночное время. В наше время данная система может работать в автоматическом режиме (днем открыта, ночью закрыта), сокращая лучистые теплопотери от стены на улицу в три раза.

Летом необходимо организовать затенение стены для предотвращения аккумуляции тепла, для этого используют козырьки, занавеса и другие системы.

Что такое изолированная система солнечного отопления («Sun space» - «Солнечная комната»)?

Солнечные пространства являются одной из самых популярных пассивных систем, не из-за их эффективности, а из-за удобства. Аккумуляция тепла происходит в изолированной комнате с большими окнами (солнечная комната), которая нагревает соседние помещения ночью.

Данная система применяется в случае, если требуется дополнительное солнечное жилое пространство, которое является скорее удобством, чем функциональной необходимостью.

Системы затенения.

Пассивное солнечное отопление работает, а летом оно работает еще лучше, потому что летом солнечное излучение намного интенсивнее, а наружная температура намного выше.

Летнее затенение необходимо для предотвращения перегрева помещения.

В сущности, все сводится к тому, чтобы не допустить попадания прямых солнечных лучей в помещение летом, но обеспечить беспрепятственное попадание в зимний период. Такую систему можно организовать благодаря тому, что в разный период года солнечный лучи падают под разными углами к горизонту.

С этой целью используются различные системы затенения:

• Козырьки;
• Жалюзи;
• Естественное затенение (лиственные деревья);
• Динамические системы затенения.

Однако, такой подход удобен для применения на южной стороне здания, с востока и запада, угол падения лучей приближается к горизонтальному, поэтому каждая сторона здания должна иметь свою стратегию затенения.

Для затенения могут быть использованы лиственные деревья, которые создают тень летом, а в зимнее время сбрасывают листву открывая окна прямым солнечным лучам.

Динамические системы затенения являются комбинацией приведённых выше с возможностью изменения положения затеняющего устройства в зависимости от внешних условий (время суток, время года, температура окр. среды, освещенность и пр.), такие системы, безусловно является лучшим решением, но в тоже время более дорогим.

Во всех случаях, затенение является отличным решением для предупреждения перегрева помещения в летний период и естественного обогрева в зимний.

Концепция «Солнечной архитектуры» широко используется при строительства «пассивных домов», потребность в тепле которых, полностью покрывается за счет энергии солнечного излучения. Опыт применения таких систем доказывает, что внедрение концепции «Солнечной архитектуры» снижает затраты на отопление здания на 30-60% при относительно низких капитальных затратах.