Солнечный пассивный дом — энергоэффективный и экологический

Солнечный пассивный дом — это здание с усиленным поглощением солнечного излучения, способное накапливать значительную внутреннюю энергию. Это экологически адаптированный энергоэффективный дом, который предусматривает использование солнечной энергии для создания комфортных условий проживания путем раскрытия жилой среды к благоприятным сторонам горизонта, в частности на солнце, и защищенности от неблагоприятных погодных воздействий.

В летний период солнечный пассивный дом аккумулирует солнечную энергию и создает прохладу внутри помещений, а в зимний — согревает комнаты за счет накопленной внутренней энергии и тепла зимнего солнца. Такой подход к строительству не является новым и уходит своими корнями в далекое прошлое.

Когда древние греки столкнулись с нехваткой топлива, так же как и современный мир, они начали больше думать о том, как строить здания, чтобы увеличить приток солнечного тепла в холодное время года. Они начали ориентировать здания и целые города таким образом, чтобы те имели южную экспозицию, дабы захватить солнечные лучи от низко расположенного в небе зимнего солнца.

Римляне со временем сделали шаг дальше, добавив стекло в свои окна, чтобы сохранить больше тепла, собранного от солнечного света, используя парниковый эффект. Зимой лучи от низко расположенного солнца через двор и портик проникали в дом, нагревая основные комнаты. Северные стены делали из сырцового кирпича толщиной около полметра, чтобы защитить от холодных северных ветров зимой.

Все дома строились вокруг ориентированного на юг двора. Дома с северной стороны улицы и обращенные на юг, располагались в глубине и имели вход с улицы через внутренний двор. Дома с южной стороны улицы и обращенные на юг, имели вход с улицы через проход, который вел через основной корпус дома во внутренний двор, из которого открывался доступ во все другие помещения.

Жизнь обитателей Мезоамерики была тесно связана с Солнцем. Пассивное использование солнечной энергии и защита от жаркого летнего солнца, которую обеспечивала нависающая над поселением скала, это только один из примеров. Толстые глинобитные стены поглощали и аккумулировали солнечное тепло в течение зимнего дня. Этого количества солнечного тепла вполне было достаточно для отопления в ночное время помещений, расположенных глубоко в скальном массиве.

Скальный навес над поселением в летнее время, когда солнце находится в зените, создавал затенение, защищая внутренние помещения от перегрева. При строительстве зданий они очень точно определяли расположение стен и проемов, высоту потолков, учитывая суточные и годовые перемещения солнца. Здания фактически были солнечными индикаторами и календарями для определения времен года, в том числе солнцестояний.

Древние китайцы при строительстве дома или города искали ландшафт, который скрывает от ветра и сохраняет энергию. Практика определения особенностей ландшафта, выбора и устройства мест обитания стала называться фен шуй. Место с горой позади и водой спереди, которое окружено холмами, считалось наиболее благоприятным. Дом, расположенный на южном склоне холма, обращен к теплому солнцу, защищен от суровых северных ветров, и недоступен для наводнений.

Сначала фен шуй использовался для поиска благоприятных мест для проживания, позже он начал применяется более широко — как при выборе места, так и для его создания или улучшения. Кроме того, принципы фен шуй стали применять и в дизайне зданий. Стены, ограждения и постройки отображали горы, а открытые пространства — воду. Древние китайцы использовали концентрированную солнечную энергию как для отопления, так и для приготовления пищи.

Современный энергоэффективный дом есть не что иное, как дальнейшее развитие этих особенностей дизайна на более высоком технологическом уровне.

Адаптация зданий к местности и климатическим условиям способствует возникновению нового образа жизни — более приближенного к природе и более экономного в плане потребления энергии.

Основными элементами дизайна солнечного пассивного дома являются ландшафт, форма и структура здания, которые улавливают и накапливают солнечную энергию и создают естественную вентиляцию.

Ландшафт можно использовать для создания более благоприятного микроклимата участка, тем самым улучшая климат внутри дома. Конфигурация элементов ландшафта должна обеспечивать доступ и фокусирование солнечной энергии, защиту от негативного воздействия внешней среды.

Потери тепла через стены дома будут существенно выше в незащищенных местах и существенно ниже — в защищенных местах. Природный рельеф, растительность, искусственные насыпи, ограждающие стены должны использоваться для уменьшения влияния холодного северного ветра. Элементы ландшафта образуют своеобразный «гелиоконцентратор» и «демпферное пространство».

Открытое пространство с юга устраняет затенение дома и создает доступ к солнечному свету. Кроме того, инсолируемые стены и поверность внутреннего двора также фокусируют солнечные лучи. Летом солнце находится в зените и отражается от вертикальных стен, фокусируясь на поверхности внутреннего двора; зимой солнце располагается низко и солнечные лучи отражаются от поверхности земли (наличие снега увеличивает отражение), фокусируясь внутри помещений через окна или на стенах. После зимнего солнцестояния солнце движется на север, после летнего солнцестояния солнце движется к югу. Двигаясь между югом и севером, солнце сменяет сезоны. Вместе с солнцем перемещается фокус солнечных лучей. Зимой внутрь дома, чтобы отапливать, нагревая стены; летом во внутренний двор, чтобы охлаждать, создавая восходящий поток воздуха.

Солнечный дом и окружающий ландшафт формируют воздушные потоки для создания хорошей естественной вентиляции. Летом, нагретый во дворе воздух, поднимается и замещается более прохладным воздухом, который опускается сверху, или воздухом, который охлаждают растения в озелененной части участка вокруг двора. Зеленые насаждения вокруг двора будут способствовать снижению температуры воздуха летом (затенение и испарительное охлаждение), увеличивать его влажность, контролировать потоки воздуха и обеспечивать приватность. В зимнее время, когда листья опадут, растения не будут препятствовать проникновению солнечного света.

Форма дома определяет площадь поверхностей и объем внутреннего пространства, а также возможности использования потенциала солнечного света и естественной вентиляции. Планирование солнечного дома должно согласовываться с ежедневным и сезонным перемещением солнца. Объемно-пространст­венное решение солнечного дома характеризуется сочетанием большой площади остекления южного фасада с массивными элементами, аккумулирующими солнечное тепло. Солнечный пассивный дом может иметь три основные конфигурации (с большим числом вариантов).

1. Прямой нагрев: солнечный свет проникает вглубь дома через окна и нагревает внутренние поверхности жилого пространства.

2. Непрямой нагрев: солнечный свет нагревает через стекло массивный элемент (стену) снаружи, который затем излучает тепло в жилое пространство.

3. Изолированный нагрев: солнечный свет нагревает остекленный изолированный объем, примыкающий к южному фасаду или встроенный в него, и конвекция перемещает нагретый воздух в жилое пространство.

Обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой является самой простой и в то же время наиболее удобной системой солнечного отопления.

Квадратный в плане дом имеет недостаточную площадь поверхности южного фасада и большую глубину объема. Для максимального использования теплопоступлений с солнечной радиацией целесообразно увеличить площадь южного фасада, одновременно уменьшая глубину внутреннего пространства, поскольку солнечный свет теряет свою мощность продвигаясь вглубь.

Солнечный дом, имеющий удлиненную прямоугольную форму по оси восток-запад, получает максимальный приток солнечного тепла зимой. Защита от перегрева в летнее время обеспечивается навесами, козырьками, растительностью, демпферными пространствами (патио и полузакрытые дворы).

Планировочные решение солнечного дома следует основывать на тепловом зонировании, обеспечивая ориента­цию жилых помещений на юг и размещение второстепенных помещений на северной стороне дома как буферных элементов. Второстепенные помещения смягчают воздействие холодного северного ветра. Объем помещений северной части дома предусматривают меньше объёма комнат, выходящих на южную сторону, а площадь северных фасадов уменьшают до минимума.

Глухая стена с севера (или с небольшими окнами с тройным остеклением или ставнями), заглубление дома с северной стороны в естественный склон или устройство искусственной земляной насыпи защищают дом от холодных ветров. Обтекаемая форма дома и ориентация вдоль направления северного ветра уменьшает теплопотери. Лучше, когда на запад выходят небольшие окна, это препятствует западному перегреву помещений летом.

Расположение северных комнат на более высоком уровне, чем южных, может быть выгодным, так как охлажденный воздух под действием силы гравитации перетекает вниз на уровень южных комнат, где нагревается. Теплый воздух из южных комнат поднимается вверх, согревая северные комнаты.

Типичными для солнечных домов являются объемно-планировочные решения с перетекающими пространствами, вертикальной организацией внутреннего пространства по типу атриума. Атриум — двухсветное или многосветное пространство, которое выполняет функцию световой шахты, а в летнее время является «солнечной трубой», охлаждающей дом.

В зоне холодного климата распространены компактные дома с ассиметричными двускатными крышами. Крутой скат крыши ориентирован на юг, более длинный и пологий — на север, что уменьшает ветровую нагрузку. В зоне умеренного климата традиционными являются дома из нескольких объемов, сгруппированных вокруг открытого двора. Ориентация к солнцу, группировка помещений вокруг внутреннего двора и форма дома способствуют максимальному улавливанию солнечного света и тепла при низком зимнем солнцестоянии.

Структура дома определяет его способность накапливать и сохранять внутреннюю энергию. Использование материалов с низкой плотностью, снижает переток тепла и способствует его сохранению; применение плотных и массивных материалов способствует накоплению тепла и регулированию микроклимата жилого пространства.

Массивные материалы такие как бетон, кирпич, дерево обладают значительной теплоемкостью, могут поглощать и удерживать энергию солнечного света, увеличивая свою собственную внутреннюю энергию. Наилучший эффект достигается если термическая масса имеет значительную площадь без чрезмерной толщины.

Полы должны иметь темную и матовую поверхность, чтобы лучше поглощать солнечное излучение, а не отражать его. Стены должны быть светлыми, так как темная стена, может чрезмерно нагреваться, что увеличивает поток тепла наружу и создает некомфортные условия.

За счет тепловой инерции массивные материалы регулируют домашний комфорт, сглаживая суточные перепады температуры и поддерживая энергетический баланс. В дневное время суток, термическая масса, поглощая тепло, охлаждает помещение, а ночью, при понижении температуры воздуха, медленно охлаждаясь, нагревает помещение. Если в доме нет достаточно больших аккумулирующих масс, то он быстро остывает. Летом, когда тепло в избытке, оно накапливается в массивных стенах и основании дома; при похолодании — постепенно и равномерно возвращается в жилое пространство. Термальную массу дома следует объединять с термальной массой земли под домом, чтобы увеличить потенциал накопления внутренней энергии и создать сезонный аккумулятор тепла.

Солнечные лучи при летнем солнцестоянии преимущественно падают на пол, нагревая его, и тепло из него переходит в землю, охлаждая внутреннее пространство. Земля также поглощает избыточное тепло из стен и предметов внутри помещений. Тепло естественно накапливается в земле, и возвращается при снижении температуры, а плита пола работает как термальная диафрагма, выравнивая температурные тенденции внутри дома благодаря большой тепловой инерции массива грунта.

Размещение массивных материалов изнутри, а пористых материалов снаружи стены является эффективным механизмом, блокирующим тепловой поток, направленный наружу. Однако, следует избегать применения теплоизолирующих материалов с высокой гигроскопичностью, поскольку они способствуют накоплению влаги в стенах, из-за чего они теряют свои теплоизолирующие свойства.

Расположение снаружи стен, обогреваемых солнцем, сверхпористых материалов также нежелательно, поскольку они имеют незначительную теплоемкость, препятствуют усвоению солнечной энергии и наружному нагреванию стен. В связи с аккумулированием солнечной энергии теплоизоляционные свойства стен улучшаются.

Для предотвращения поднятия влаги из грунта и увлажнения стен фундамент и цоколь следует устраивать из мелкопористых материалов с высокой плотностью, а стены – из крупнопористых материалов с меньшей плотностью. Движение влаги происходит только из крупных пор в более мелкие. Защита стен от осадков достигается тем же простым способом — внутренний слой из более крупнопористого материала, наружный – из мелкопористого. Например, штукатурка должна иметь мелкопористую структуру, которая способствует выводу влаги из стен и быстрому высыханию.

Капиллярный транспорт надежно прерывается как в переходах от фундамента к стене, так и при переходе от внешнего к внутреннему слою стены, защищая стены от проникновения влаги из окружающей среды и грунта, обеспечивая сухие стены.

Использование внутри помещений устойчивой против влажности и хорошо сохнущей штукатурки из воздушной извести или глины, которые легко впитывает и испаряют влагу, позволяет куда более эффективно решить проблему с влажностью в помещениях, чем механическая вентиляция. Глиняная или известковая штукатурка усиливают и поддерживают процессы естественного охлаждения (нагрева) и естественного увлажнения (осушения) воздуха. Испарение с внутренних поверхностей (в дневное время) приводит к охлаждению поверхностей и охлаждает воздух, а также ограничивает уменьшение уровня влажности воздуха. Конденсация на повержностях (в ночное время и утром) приводит к нагреву поверхностей и воздуха и этим ограничивается увеличение уровня влажности.

Количество солнечного тепла, поступающего через окна с двойным остеклением южных стен домов, превышает неизбежные потери тепла через стекло. Зимой через выходящие на юг окна поступает в два раза больше солнечной энергии, чем летом. Это объясняется тем, что количество часов возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом; плотность потока солнечной радиации летом и зимой примерно одинакова; зимой солнечные лучи направлены в окна под более прямым углом, чем летом; диффузное излучение зимнего неба в два раза превышает излучение летнего неба.

Стекло имеет свойство пропускать видимый солнечный свет в помещение и блокировать тепловое излучение изнутри помещения, создавая «парниковый эффект», поэтому солнечные лучи могут существенно нагревать помещение. Эффективность работы солнечной системы отопления зависит наибольше от температуры наружного воздуха и стабильности солнечной погоды. Солнечная система отопления работает и в условиях рассеянной радиации, но с меньшей эффективностью.

Селективные стекла, покрытые с одной стороны специальным слоем, обеспечивают высокую степень использования солнечной энергии. В таком типе стекол сниже­на теплопередача по сравнению с обычными и температура на по­верхности внутреннего стекла мало отличается от температуры поверхности стен и воздуха в помещении, что способствует сокращению теплопотерь, поскольку тепло поглощается только холодными поверхностями.

Окна в доме должны быть расположены таким образом, чтобы максимально использовать естественное освещение. Хорошо инсолируемые комнаты, имеющие солнцезащитные устройства, которые помогают создавать светлые пространства, прохладные даже жарким летом, — комфортны и с точки зрения бактерицидного режима (солнечные лучи убивают или значительно ослабляют действие бактерий), и с точки зрения психологического состояния (солнечный свет благотворно действуют на психику человека).

Окна могут быть устроены в виде солнечного коллектора для обогрева внутреннего пространства зимой или охлаждения летом. За счет «парникового эффекта» происходит улавливание солнечного тепла, а за счет эффекта «солнечной трубы» осуществляется естественная вентиляция помещений.

Для этого в полостях между остекле­нием располагают венецианские жалюзи. Они используются для поглощения энергии света стороной, имеющей матовое покрытие темного цвета или для отражения солнечных лучей другой стороной с отражающей поверхностью. Положение пластин по отноше­нию к солнцу регулируется в зависимости от необходимости поглощения или отраже­ния солнечной энергии. В окнах в верхней и нижней ча­стях предусмотрены каналы для притока и для выхода воздуха. Летом, когда жалюзи ориенти­рованы отражающей по­верхностью в сторону солнечного света, его большая часть отражается. Между остеклением возникает легкий восходящий поток теплого возду­ха, который выводится наружу пред­отвращая проникновение горячего воздуха внутрь.

Зимой, когда жалю­зи обращены в сторону солнечной радиации тем­ной стороной, наружный воздух, прежде чем попасть в дом, нагревается в промежутке между стеклами под воздействием солнечной радиации. В зависимости от необходимости большего или меньшего ос­вещения помещения, его обогрева или охлаждения и вентиляции, можно отра­жать или поглощать солнечную радиацию, комбинируя положение и ориентацию пластин жалюзи, положение верхних и нижних задвижек вентиляционных каналов. Вентилируемые окна обеспечивают эксплуатацию возможностей естественной вентиляции и имеют больше преимуществ, чем герметичные, поскольку создают оптимальный воздухообмен как зимой, так и летом, удаляют излишнюю влагу, обеспечивают возврат уходящего тепла и подогрев приточного воздуха зимой.

Организация вертикальных воздушных потоков в доме за счет атриумов, двухсветного пространства, высоких потолков в комнатах в сочетании с размещением вентиляционных каналов как в нижней, так и верхней зонах, позволит создать эффективную систему вентиляции летом и распространения зимнего солнечного тепла из зоны обогрева по помещениям, использующую эффект «солнечной трубы».

В пассивном доме следует предпочитать естественную вентиляцию, которая осуществляется под действием гравитационных сил и ветрового давления. Параллельное расположение вентиляционных каналов с перегородкой, имеющей высокий коэффициент теплопередачи, создает возможность возврата тепла уходящего воздуха зимой. Летом нагревшийся воздух выводится наружу, унося углекислый газ и избыточное тепло, а прохладный опускается вниз, доставляя кислород.

Выбор ориентации дома должен учитывать направление преобладающего в летнее время ветра, что позволяет повысить эффективность естественной вентиляции за счет ветрового напора. Ветер попадает в наружные ветроулавливатели, затем в приточные каналы, которые мягко рассеивают его по комнатам и, наконец, этот поток выводится наружу через дымоходы.

Солнечная система отопления может обеспечить достаточное количество тепла только в мягком климате, в холодном климате необходимо дополнительное отопление. Раньше использовалось отопление, основанное на тепловом излучении, согревающее людей и жилое пространство. Оно опирается на опыт солнечного излучения, которое для человека является естественным и здоровым. Человека всегда согревало солнечное тепло, его тело приспособлено к этому.

В солнечном доме наиболее выгодно темперирование — нагревание внутренних поверхностей наружных стен посредством источников теплового излучения (печей, каминов, мраморной плиты и др.). Нагретые стены равномерно распространяют тепло, излучая его на другие холодные поверхности и предметы, благодаря чему создается равномерный нагрев всех внутренних поверхностей, и отсутствуют холодные зоны, в которых может образовываться конденсат. Важным является то, что нагревается только поверхность стены, с последующей эмиссией назад в жилое пространство. Поскольку стена имеет сопротивление теплопередаче, а излучение осуществляется свободно, то лишь незначительное количество тепла движется наружу.

При темперировании тепло передается самым эффективным способом; отсутствует чрезмерное нагревание воздуха; уменьшается охлаждение внутренних поверхностей остекления; предотвращается образование конденсата в наружных стенах; сглаживаются температурные колебания воздуха, обусловленные вентиляцией; требуется меньшее количество искусственной энергии для создания и поддержания комфорта. Темперирование характеризуется более низкой температурой воздуха и более высокой температурой поверхностей, что обеспечивает лучший комфорт, чем при теплом воздухе и холодных стенах.

Тело человека, находящегося в окружении холодных стен, теряет тепло слишком быстро. Чем больше доля излучения в отоплении, тем ниже может поддерживаться температура воздуха. Отсутствие интенсивного нагрева воздуха не приводит к снижению в нем кислорода и уменьшению его влажности, а снижение конвекции уменьшает движение пыли, что наряду с равномерным распределением тепла формирует в помещении здоровый микроклимат.



Солнечный пассивный дом поддерживает комфортный климат внутри помещений естественным образом и с минимальными затратами искусственной энергии на осуществление и регулирование процесса и минимальным техногенным вмешательством в сам процесс. Применение рассмотренных выше технологий практически не удорожает строительство, но оптимизирует его результаты.

Следующим шагом в использовании солнечной энергии является применение инженерных систем, состоящих из солнечных термопанелей, солнечных фотоэлектрических панелей, теплового насоса и теплоаккумуляторов.