Размещено на http://www.allbest.ru/

Архитектурная концепция солнечного дома

ПТ, 2008-08-08 10:00 -- pavel_anat

· солнечный дом |

· энергосбережение

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

Климат и планировка солнечного дома

· солнечный дом |

· форма дома |

· типы домов |

· климат

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. климат солнечный дом энергопотребление

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.

Проектирование солнечного дома

ВТ, 2003-07-29 14:18 -- mensh

· солнечный дом |

· энергосбережение |

· форма дома |

· типы домов |

· теплоизоляция |

· солнечная энергия |

· климат |

· вентиляция

Солнечная энергия относится к возобновляемым видам энергии. Она с давних пор используется человеком. В последнее время в связи с обострением проблем экономии энергоресурсов и защиты окружающей среды интерес к ее использованию резко возрос.

Солнечная энергия может быть преобразована в механическую, электрическую и тепловую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят широкое применение в системах отопления и охлаждения зданий, получения горячей и опреснения морской воды, сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов.

Серьезное внимание следует уделять установкам солнечного горячего водоснабжения, поскольку их легко построить и применять в личном подсобном хозяйстве.



Рис. 1. Интерьер солнечного дома Nautilus.

· Энергопотребление

· Пути снижения энергопотребления

o Форма дома и уровень теплоизоляции

o Ориентация дома

o Вентиляция

· Способы преобразования солнечной энергии

o Прямой солнечный обогрев (Direct Gain)

o Стена Тромба (Indirect Gain)

o Нагрев изолированного остекленного объема (Isolated Gain)

o Обслуживание солнечных систем

o Правила проектирования солнечных домов

Энергопотребление

Специалистами AIA и HUD по уровню использования ресурсов окружающей среды выделяются несколько типов жилых зданий:

· энергетически эффективное здание, теплопотери которого сведены к минимуму за счет выбора оптимального объемно-планировочного решения и усиленной теплоизоляции;

· энергетически эффективное здание с усиленным поглощением солнечной радиации, но без устройств для аккумулирования полученного тепла;

· здание с минимальными энергопотерями, имеющее специальные системы поглощения, распределения и аккумулирования тепла (солнечный дом).

В соответствии с рекомендациями HUD и AIA, к первому типу принадлежат все вновь проектируемые дома, так как этого требует новый экологический подход к проектированию жилой среды. Здания второго типа эффективно функционируют во всех районах США, хотя и требуют некоторого увеличения стоимости строительства. Здания третьего типа целесообразно строить в благоприятных климатических условиях, так как применяемые в них технологические устройства значительно удорожают строительство. В настоящем обзоре термин солнечный дом употребляется применительно ко всем зданиям, в том или ином виде использующим солнечную энергию, как это принято в отечественной литературе.

Пути снижения энергопотребления

Форма дома и уровень теплоизоляции

Первым этапом проектирования солнечного дома считается 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. 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.

Ориентация дома

Особое значение при проектировании солнечного дома 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.

Вентиляция

В летнее время в большинстве районов требуется усиленная естественная вентиляция здания для защиты от перегрева. Рекомендуемый ориентировочный воздухообмен в солнечном доме составляет 0,5 от общего объема здания в час. Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат. Использование принципа «солнечной трубы», положенного в основу всех этих решений) является причиной обилия в американском жилише двухсветных пространств, верхних окон, фонарей верхнего света.



Рис. 2. Организация усиленной естественной вентиляции здания:

1 - остекление южного фасада; 2 - массивные перекрытия и полы; 3 - фонарь верхнего света (солнечная труба) с регулируемыми вентиляционными отверстиями.

Выполнение перечисленных выше 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.

Способы преобразования солнечной энергии

По способу преобразования солнечной энергии наиболее распространено раэделение солнечных энергетических систем на пассивные и активные. Их подробная характеристика, соответствует принятым в отечественной литературе классификациям.

Пассивные системы используют модификацию традиционных элементов здания для накапливания и распределения тепла. Они требуют незначительного дополнительного оборудования и поэтому более экономичны, хотя и недостаточно производительны. Для эксплуатации их не требуется специального обслуживающего персонала.

Активные системы, даже простейшие, включают значительный арсенал технических средств (плоские водяные и воздушные коллекторы, специальные аккумуляторы тепла, системы распределения тепла и контроля за теплопоступлением), что удорожает строительство и требует квалифицированного монтажа. В реальной практике мы обычно встречаемся с комбинацией различных систем и планировочных приемов.

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. Также несложными являются термосифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагреватели. В ту же категорию попадаютСкайтерм Гарольда Хэя, стена из цилиндров Стива Баэра и бетонная стена Тромба-Мишеля. Простые системы необязательно наиболее эффективные (хотя, нередко они достаточно эффективны), но вполне вероятно, что при продолжительном сроке службы они требуют меньшего расхода строительных материалов и меньше энергии для своего возведения, эксплуатации и ремонта.

Помимо вышеприведенных примеров простейшая система солнечного отопления использует солнечные коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие солнечные коллекторы можно на зиму устанавливать на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий.

В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем поступает снова в помещение. Вентилятор включается по сигналу разности двух температур. В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет солнечный коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет. Этот чувствительный прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом использования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включения или выключения вентилятора). Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятор тепла для его дальнейшего использования, то здание должно действовать как контейнер солнечного теплоаккумулятора. Таким образом, оно должно нагреваться до такой температуры, которую могут выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности и тем выше будет общий КПД этой простой системы. Покрытые землей и подземные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку массивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло.

Система следующего уровня сложности накапливает солнечное тепло в теплоаккумуляторе. Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы солнечного коллектора. Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор «заряжен», потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления.

Типологические исследования американских специалистов позволяют объединить все виды пассивного энергообеспечения в 3 основных группы

· прямой обогрев помещений через различные типы остеклений южного фасада: витражи и окна, фонари верхнего света, вертикальные окна, расположенные в верхней части двусветного пространства и др. (direct gain);

· нагревание наружного термального массива типа стены Тромба (indirect gain);

· нагревание иэолированного объема, теплый воздух из которого затем распространяется по всему зданию (isolated gain).

Прямой солнечный обогрев (Direct Gain)

Рис. 3. Дом с системой прямого солнечного обогрева.

Прямой обогрев -- наиболее простой, исторически сложившийся вид солнечного отопления. Он требует ориентации основных помещений на юг. Избытки тепла аккумулируются внутренним термальным массивом: кирпичными или каменными полами, внутренними стенами, каминами, емкостями с водой или другими жидкостями. Оптимальное расположение массива -- в зоне непосредственной радиации, что в несколько раз увеличивает его аккумулирующую способность. Отсюда необычное расположение каминов и просто массивных элементов: непосредственно в структуре витража, сразу за остеклением.

Ориентировочно рекомендуется на 1 м² остекления иметь 1 м³ термального массива с высокой теплопоглощающей поверхностью.

Необходимым элементом в солнечных системах этого типа является надежная система теплоизоляции и солнцезащиты помещений. Для этого используются стационарные или подвижные жалюзи, зашторивание, специальные занавеси, свесы кровель и пр.

Стена Тромба (Indirect Gain)

Рис. 4. Дом со стеной Тромба.

Нагревание наружного термального массива широко ипользуется в жилых домах с пассивными солнечными системами. Наиболее известный вариант этого массива -- так называемая стена Тромба представляет собой бетонную, кирпичную или каменную стену, размещаемую на южном фасаде и окрашенную в темный цвет. На небольшом расстоянии от стены выполняется стеклянная облицовка. Теплоносителем является воздух, нагреваемый в прослойке между стеной и облицовкой. Он нагревает стену, которая постепенно излучает полученное тепло в помещение. Таким образом, в этой конструкции совмещаются функции коллектора и аккумулятора. Для циркуляции воздуха имеются специальные клапаны.

Нагрев изолированного остекленного объема (Isolated Gain)

Рис. 5. Дом с пристроенной гелиотеплицей.

Нагрев изолированного остекленного объема 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. Обычно это термостат, который, регулирует открытие клапана, когда температура воздуха в теплице достигает требуемой. Аккумулирование тепла осуществляется внутренним термальным массивом аналогичным уже описанным. Помещение теплицы или атриума может быть полностью изолировано от дома. При правильной организации режима эксплуатации оно может использоваться для нужд семьи. Можно считать атриум (зимний сад) важнейшим элементом солнечного дома, который служит буферной зоной между интерьером и наружной средой.

Отопление зданий при помощи пристроенных оранжерей широко используется при реконструкции жилых домов, даже многоквартирных, особенно для семей с низким доходом.

Обслуживание солнечных систем

Обслуживание пассивных систем в малоэтажном жилом доме должно быть очень простым, так как часто владельцы не в состоянии справиться со сложными устройствами. По мнению американских специалистов, владелец должен тратить на это не более 15 минут в день (открыть и закрыть жалюзи, поднять рулонную теплоизоляцию, открыть или закрыть вентиляционное отверстие). Тем не менее, опросы, проводимыеASES, показывают, что многие домовладельцы даже это считают для себя обременительным, несмотря на предлагаемые государством дотации.

Правила проектирования солнечных домов

При детальном проектировании зданий (ориентация, инсоляция и т.д.) должны также учитываться по возможности энергетические требования. Солнечные дома необходимо проектировать очень тщательно, и этот принцип должен соблюдаться в мельчайших деталях.

Вот 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 американской практике в холодных районах, давно уже строятся суперизолированные дома с тройным остеклением северных фасадов и усиленной теплоизоляцией наружных поверхностей. Для всех климатических районов определяются оптимальная форма здания, ориентация основных помещений, особенности построения жилой ячейки.

В процессе этих поисков возникают своеобразные объемно-планировочные решения, представляющие интерес не только для специалистов в области гелиотехники, но и для проектировщиков жилиша: суперкомпактные дома, заглубленные в грунт, и глинобитные здания, различные варианты вертикальной организации внутреннего пространства по типу повышенного атриума и др. Большинство из них не имеют аналогов в отечественной практике, даже при наличии сходных природно-климатических условий. Традиционные дома оборудуются теплицами, световыми фонарями, массивными элементами, аккумулирующими тепло. Своеобразно решаются вопросы организации естественного освещения и вентиляции. Подобный путь совершенствования теплофизических характеристик и структуры дома особенно перспективен в районах с холодным климатом, составляющих большую часть территории России.

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.

Важнейшей задачей американские специалисты считают выработку методики оценки вклада солнечной системы в энергетический баланс здания. В окончательном виде доля солнечной энергии обычно выражается в процентах, соответствуя коэффициенту замещения нагрузки, используемому в наших расчетах. В публикуемых проектах солнечных жилых домов с комбинацией пассивных и активных систем доля солнечной радиации в удовлетворении энергопотребностей дома колеблется от 80% (в районах с максимальным уровнем радиации) до 40% (в северных районах). Это дает возможность хотя бы ориентировочно определять эффективность действия солнечной системы.

В основу расчетов кладется не непосредственная, сиюминутная экономия, а стоимостный анализ на протяжении всего срока функционирования системы, который ориентировочно составляет 20 лет. В работе Д. Уотсона приводится сопоставление стоимости функционирования обычного и солнечного домов за этот срок. Оно показывает, что, хотя применение солнечной системы дает увеличение капитальных затрат на строительстве на 10%, это увеличение компенсируется сокращением на 60% расходов на отопление. Конечная экономия в этом случае составила 18%. По данным публикаций ASES, затраты на традиционное топливо при использовании солнечной системы могут быть сокращены на 50...70% при увеличении капитальных затрат на строительство всего на 3%. Однако главным достижением американские специалисты считают все же социально-экологический эффект

Основы проектирования солнечного дома

ВТ, 2003-07-29 14:24 -- mensh

· солнечный дом |

· солнечные коллекторы |

· солнечное отопление

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 б.

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 приК1г.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%, соответствуетК1г.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 б 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 б = ц + 10...15°, где ц -- широта местности;

· для установок солнечного отопления б = 90 - hл, где hл -- высота солнца в полдень15 января;

· для солнечных установок, действующих только в теплое время года б = ц.

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 б;

· 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 б = ц + 10...15°, где ц -- широта местности;

o для теплого периода года б = ц;

o для солнечного отопления б = ц + 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.

Теплоемкость солнечного дома

СБ, 2005-04-09 14:27 -- mensh

· солнечный дом |

· теплоаккумулятор

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 домовразличается лишь деталями конструктивных решений систем солнечного отопления.

Bookmark/Search this post with

Дневной свет в солнечном доме

СБ, 2006-04-08 12:11 -- mensh

· солнечный дом |

· энергосбережение |

· форма дома |

· солнечная энергия |

· дневной свет |

· атриум

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.

Bookmark/Search this post with

Переоборудование здания в солнечный дом

ВТ, 2003-07-29 14:29 -- mensh

· солнечный дом |

· энергосбережение |

· солнечные коллекторы

Использование систем солнечного отопления и охлаждения в существующих домах должно стать одной из первоочередных задач. Это обеспечит не только реальное сокращение потребностей в ископаемом топливе, но и сэкономит значительные денежные средства.

Как и для новых зданий, переоборудование старых может осуществляться на различных уровнях технологической сложности, денежных и энергетических расходов и практического подхода.

Существуют три основных способа переоборудования зданий:

· крепление солнечных коллекторов к существующим или несколько видоизмененным наружным стенам или крышам домов;

· установка коллекторов на пристройку к зданию (крыльцо, гараж, новое крыло);

· строительство сооружения для размещения солнечных коллекторов отдельно от здания (отдельно стоящий сарай, гараж, амбар или сооружение, построенное исключительно для размещения коллектора.

Рис. 1. Размещение солнечных коллекторов применительно к существующим зданиям:

1 - на существующей крыше или стене; 2 - коллектор; 3 - только вертикальные стеновые коллекторы (для широт выше 35°с.ш.); 4 - на пристройке к зданию; 5 - на отдельной конструкции.

Из-за ограничений, связанных с использованием существующих зданий, ориентация и угол наклона солнечных коллекторов могут быть не оптимальными. Часто экономические соображения ограничивают возможность изменить имеющиеся условия применения коллекторов и тем самым суживают возможности оптимизации проекта. Конструкция солнечных коллекторов, используемых для нагрева воды, обладает несколько большей гибкостью благодаря меньшему размеру коллекторов. Этому способствует и режим круглогодичного их использования, поскольку положение солнечного диска на небосводе меняется в течение 12 месяцев гораздо больше, чем во время более короткого отопительного сезона. Коллекторы для системы солнечного охлаждения с трудом достигают требуемой эффективности даже в наилучших условиях инсоляции, и поэтому по возможности должны иметь оптимальную конструкцию и размещение, что затрудняет их приспособление к существующим зданиям. Для системы солнечного отопления размер коллектора должен быть более половины площади пола здания, но не менее 10 м². Для приготовления горячей воды коллектор может быть небольшим исходя из нормы 2,5...3 м² на человека.

Ориентация солнечных коллекторов для системы отопления должна быть в пределах от юг - юго-востока до юг - юго-запада и от юго-востока до юго-запада для системы приготовления горячей воды.

Угол наклона солнечных коллекторов для системы отопления помещений (измеряемый от горизонтали) может находиться в пределах б = ц + 10...15°, где ц -- широта местности. Для 40° с.ш. пределы составляют 40...90°. Наклон солнечных коллекторов для системы горячего водоснабжения находится в пределах б = -10<ц<+25°. Для 40° с.ш. этот диапазон составляет 30...75°.

Во всех вышеуказанных пределах сезонная или годовая общая эффективность системы будет отличаться не более чем на 10...20 % от оптимальной.

Один из самых простых способов использования солнечного тепла при существующих крышах заключается в пропускании воды поверх гонтовой поверхности. Теплоприемная поверхность должна быть как можно более черной, при необходимости окрашенной и свободной от мусора. К стропилам крепятся рамы для двух слоем остекления и конструкционного материала (например, полиэфирной смолы, армированной стекловолокном) с учетом мер для предупреждения протечек.

Крышу можно также покрыть волнистыми алюминиевыми листами, окрашенными в черный цвет и закрытыми стеклом. Вода подается через перфорированную трубу вдоль конька крыши и собирается затем в желоб. Коэффициент полезного действия такого коллектора невелик, но незначительные затраты, связанные с превращением существующей крыши в солнечный коллектор, могут оправдать невысокий КПД.

На рис. 2 показаны некоторые детали возможной конструкции солнечного коллектора. Участки стен южной ориентации можно превратить в воздушные коллекторы примерно также, как это было сделано с крышами. Водяные коллекторы при размещении на стенах менее практичны, поскольку отсутствует наклонная поверхность, по которой вода может стекать.

Рис. 2. Переделка существующей крыши в солнечный коллектор водяного типа с открытым потоком:

1 - верхняя накладка; 2 - труба с перфорациями; 3 - два слоя стекла или другого прозрачного материала; 4 - холодная вода; 5 - фильтр (для асфальтовой крошки); 6 - нагретая вода, стекающая в желоб; 7 - конопатка (типовая); 8 - стекло; 9 - металлическая кляммера; 10 - гонт; 11 - фанера; 12 - стропило.

Во дворах вне дома солнечные коллекторы могут размещаться на отдельно стоящих конструкциях. Пример такого устройства показан на рис. 3. Прохладный воздух из дома отбирается через нижнюю часть окна в солнечный коллектор, а подается обратно в помещение через верхнюю часть окна. Устройство похоже на оконный кондиционер. Более высокая степень регулирования достигается путем подачи прохладного воздуха в коллектор из одного окна и возврата теплого воздуха в другое.

Рис. 3. Портативный солнечный коллектор воздушного типа, устанавливаемый во дворе.

При переоборудовании существующих зданий можно применить быстрый и достаточно дешевый метод установки простых солнечных коллекторов воздушного типа в оконной коробке. На рис. 4, 5, 6 представлены модификации вертикальных термосифонных солнечных коллекторов. Такие коллекторы предназначены для установки в проемы существующих окон. На рис. 4 показана конструкция, приписываемая Баку Роджерсу из г. Эмбудо (Нью-Мексико, США). Прохладный воздух из помещения засасывается в солнечный коллектор нагретым воздухом, который из коллектора поступает в помещение. Вертикальный вариант этой конструкции, показанный на рис. 5, особенно приемлем для крупных зданий.

Рис. 4. Солнечный коллектор, встроенный в оконную коробку:

1 - стена дома; 2 - окно; 3 - теплый воздух; 4 - прохладный воздух; 5 - стекло; 6 - коллектор; 7 - фанера; 8 - изоляция.



Рис. 5. Вариант устройства солнечного коллектора в оконной коробке:

1 - существующая стена дома; 2 - существующее окно; 3 - нагретый воздух; 4 - прохладный комнатный воздух; 5 - стекло или пластмасса; 6 - черная пластина коллектора; 7 - пол в помещении.

Хотя солнечный коллектор в оконной коробке может быть почти любого размера , его эффективность, даже и значительная, основываясь на площади, в действительности будет мала, если размеры коллектора существенно не превышают размеров окна. Если для обеспечения 50%-ной потребности в отоплении требуется солнечный коллектор размером 25...50% от площади пола здания, то должно быть ясно, что для заметной экономии энергии требуются большие коллекторы. На рис. 6 показан солнечный коллектор значительно превышающий размеры окна.



Рис. 6. Солнечный коллектор, превышающий по размеру оконную коробку.

Трудная задача дополнения существующих зданий аккумулятором тепла была практически решена Дж. П. Гуптой и Р. К. Чопрой из лаборатории министерства обороны (г. Джодхпур, Индия). Они разработали простой солнечный обогреватель комнат не требующий механической энергии и встраиваемый в существующие здания.

Рис. 7. Простой солнечный обогреватель комнаты:

1 - холодная вода; 2 - солнечный коллектор; 3 - солнечная радиация; 4 - горячая вода; 5 - перелив; 6 - стена; 7 - фанера; 8 - изоляция (сухая трава); 9 - глинобитная крыша; 10 - джутовая изоляция; 11 - воздушный зазор; 12 - отверстие для сообщения с атмосферой и заливки; 13 - кран; 14 - стекловата; 15 - бак; 16 - подставка для бака; 17 - дверь.

Как видно из рис. 7, солнечный коллектор южной ориентации наклонно опирается на стену здания. Высокий бак с горячей водой без теплоизоляции находится в помещении, примыкая хорошо изолированной стенкой к наружной стене. В результате естественной конвекции вода циркулирует из плоского коллектора в бак и обратно в коллектор. Если в данном климате возможны отрицательные температуры, в воду добавляется антифриз. Тепло в помещение бак излучает своей передней стенкой.

Городской солнечный дом

ПН, 2006-03-13 15:15 -- mensh

· солнечный дом

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.

Рис. 1. Реконструкция особняка в Бостоне, общий вид.

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.