Проектирование "солнечных" домов

Энергетический кризис в середине 70-х годов поставил перед европейскими архитекторами и градостроителями новые задачи. Проблема экономного расходования энергии и более эффективного ее использования в экологически устойчивых формах приобрела огромное значение для многих реалистически мыслящих архитекторов. В те времена было разработано и создано множество новых конструкций, базирующихся на идее интенсивного использования экологичных форм энергии для отопления, охлаждения, естественной вентиляции, освещения и производства электричества.

В частности, для ограждающих конструкций зданий были созданы полупрозрачная теплоизоляция, усовершенствованные системы солнцезащиты, новые типы стекла и новые формы фасадных конструкций.

Замечательные стекла. Архитекторы и строители всего мира уже много сотен лет придерживаются мнения, что доступ естественного света через прозрачные конструкции улучшает качество жизни. Но со времени введения в большинстве европейских стран новых норм теплоизоляции, начавшегося с 90-х годов, обычные окна, световые фонари и другие светопрозрачные конструкции стали рассматривать в качестве главного проводника энергетического легкомыслия, заставляющего «топить улицу».

Изменившаяся позиция общественности заставила промышленность и строительную сферу перестать экономить стекло, делая окна с двойным и тройным остеклением, а также заняться изобретением новых типов стекла. Сами стекла перестали быть куском стеклопроката, превратившись в изделия высокой технологии. Стекла, покрытые специальным теплоизолирующим слоем, имеют характеристики по теплозащите выше, чем у обычных стекол в 2-2,5 раза, они обеспечивают высокую степень теплоизоляции и использования солнечной энергии.

Например, оконные блоки из стекла марки Айплюс ЗИкс обладают свойствами, особенно привлекательными для так называемого «экологического» остекления-, для оранжерей и для остекления в жарком солнечном климате. Коэффициент теплопередачи у этой марки стекла равен 0,4 Вт/кв. м °С, что существенно лучше, чем установлено европейскими стандартами по теплоизоляции. Такие стекла целесообразно применять в проектах энергопассивного жилища с нулевым потреблением энергии из внешних централизованных источников.

Защитно-преобразующие системы. Система трансформации солнечного света марки Хюппе обеспечивает оптимальную защиту от теплоты и слепящей яркости солнечного излучения, доставляя рассеянный свет вглубь помещений. Система состоит из двух жалюзийных слоев - солнцеотражающего и противоблескового, устанавливаемых внутри зданий.

Первый слой представляет собой систему прозрачных призматических ламелей из специального пластика. Устанавливаемые перпендикулярно вектору излучения, они отражают прямой солнечный свет, но пропускают рассеянный свет. Проникая через первый слой, световой поток отклоняется вглубь помещения с помощью второго слоя - противоблесковых жалюзи, которые представляют собой систему жестких ламелей параболического сечения из частично перфорированного алюминия. Верхняя часть ламелей имеет зеркальную отражающую поверхность, нижняя - матовую.

Экранирующие жалюзи из гофрированного пластика вставляются в оконные блоки и другие элементы двойного остекления, в том числе стеклопакеты, и помогают создавать светлые пространства, прохладные даже жарким летом. Основой конструкции является специально ориентированный гофрированный экран с зонами, блокирующими свет, и прозрачными. Прямой солнечный свет отражается от одной части поверхностей экрана, обработанных напылением, в то время как другая пропускает рассеянный свет. Коэффициент теплопередачи составляет около 1,6 Вт/кв. м °С.

Полупрозрачные системы изоляции. В современной европейской «солнечной» архитектуре стали нередкостью многофункциональные фасадные системы. Такие системы регулируют поступление потока солнечной энергии внутрь здания, гарантируя тепловую комфортность и достаточное дневное освещение помещений.

Система полупрозрачной изоляции марки Гелиоран может использоваться и как свето-прозрачное ограждение с теплоизолирующими свойствами, и как коллектор солнечной энергии для отопления. В качестве источника естественной освещенности система Гелиоран работает лучше, чем обычное остекление, так как перераспределяет световой поток равномерно-направлено и обеспечивает его поступление в темные углы. В качестве солнечного коллектора система Гелиоран экономит около 200 киловатт-часов энергии в год на одном квадратном метре поверхности. Фасады из Гелиорана не выцветают, пожаробезопасны и достаточно привлекательны.

Принцип действия полупрозрачной фасадной теплоизолирующей системы марок Капипэйн и Капилюкс основан на отдаче солнечной энергии поглощающей черной стене, которая через некоторое время отдает полученную энергию с другой стороны. То есть, наружные стены с помощью этих систем превращаются из поверхностей, теряющих тепло, в поверхности, «впитывающие» тепло солнца. Панели системы Капипэйн делаются из массы отрезков тонкостенных трубок-капилляров диаметром около 3,5 мм, расположенных перпендикулярно плоскости панели.

Панели системы Капилюкс представляют собой панель Капипэйн, защищенную с двух сторон стеклянными листами от загрязнения. Панели марки Капилюкс обычно в два раза тоньше трехслойных железобетонных панелей и имеют коэффициент теплопередачи 0,8 Вт/кв. м °С.

Полупрозрачный теплоизоляционный материал Солфас используется по трем направлениям: пассивное использование солнечной энергии, светопрозрачное и светораспределяющее ограждение, воздушно-водяной коллектор солнечной энергии. Материал представляет собой трубчато-волокнистый плексиглаз или оргстекло, ориентированный перпендикулярно ограждаемой плоскости. Пластиковая сотообразная масса помещена между листом стекла и абсорбирующей пластиной, а вся композиция заключается в раму. Система марки Солфас действует по принципу, аналогичному для системы Капилюкс, но требует защиты от прямой солнечной радиации экранирующими устройствами.

Отопительные коллекторы. Системы воздушного отопления зданий, основанные на тепловых коллекторах типа «солнце-воздух» представляют собой серьезную альтернативу обычным остекленным фасадам. Выполняя все стандартные фасадные функции, воздушные коллекторы экономят энергию на отопление зданий. Будучи незначительно дороже стандартных систем фасадного остекления, коллекторы имеют достаточно большие габариты. Это обстоятельство позволяет использовать их в качестве формообразующих конструкций на фасадах и крышах зданий. Высокая степень заводской готовности коллекторов требует только монтажа модульной конструкции и ее обвязки с помощью унифицированных муфтовых соединений.

Вакуумный отопительный трубчатый коллектор марки Астрон является сегодня наиболее передовой системой экологической солнечной энергетики в своей категории с КПД равным 67%.
Такой КПД показывает коллектор при уровне солнечного излучения около 800 Вт/кв.м °С. и разнице температур между коллектором и окружающей средой в 30 градусов. Высокая теплоизолирующая способность коллекторов системы Астрон приносит значительно большую теплоотдачу, чем обычные плоские коллекторы.

Отличные характеристики системы Астрон дополняются различными устройствами, поставляемыми в комплекте: автоматической системой защиты от перегрева, системой хранения нагретой воды, насосом, работающим от солнечных батарей, регуляторами.

Синергетические фасады. Фотогальванические или просто фотоэлементы, составляющие солнечные батареи, все чаще стали появляться на крышах домов в Европе, Азии, Америке и даже в Московии. Габариты блоков фотогальванических батарей сегодня достигают солидных размеров 2 х 3,5 метра. Эти системы солнечной энергетики устанавливаются не только на крышах, но и в фасадные элементы с двойным и многослойным остеклением, а также в окна с жалюзи. Производители, учитывая эстетические требования, поставляют на рынок солнечные батареи в рамах и без них двенадцати цветов: черного, всех оттенков серого, фиолетового, темно-синего, зеленого, красно-кирпичного, золотисто-желтого, бирюзового, голубого, коричневого, причем поверхность может быть как зеркальной, так и матовой.

Усадьба «Надежда». Дом, имеющий собственное имя «Надежда», построен по проекту Б. Данстера на небольшом участке земли на берегу реки в английском городке Ист Моулси. Несмотря на крутой рельеф, дом гармонично вписался в ландшафт, открываясь реке и солнцу.

Южная часть здания спроектирована таким образом, чтобы максимально использовать солнечное излучение: солнце работает для отопления помещений, освещения, выработки энергии и выращивания овощей и фруктов. Важнейшим элементом дома и в смысле использования инсоляции, и по части формообразования, выступает оранжерея, пристроенная к южному фасаду. Это самоорошающаяся, самовентилирующаяся, самозатеняющаяся система выполняет роль накопителя солнечной энергии, зимнего сада и жилого пространства. Дом строился в основном из местных материалов. Значительную часть строительных работ выполнили сами будущие хозяева, и дом вышел очень дешевым. Строительство финансировалось на 95% по ипотечной схеме за счет ссуды муниципального агентства по жилищному строительству.

Дом стал экспериментальным не только с точки зрения экологичности, ресурсосбережения и использования автономных источников энергии, но и в социальном аспекте. Как известно, в западных странах все больше людей становятся надомными работниками, обустроив домашний офис и связываясь с работодателем, партнерами, клиентами и контрагентами по компьютерным и другим видам телекоммуникационных сетей. Владельцы усадьбы «Надежда» зарабатывают себе на жизнь в рамках такой новой структуры занятости - работая в домашнем офисе на компьютере, выращивая овощи, ягоды, зелень в оранжерее и еженедельно торгуя ими на местном базаре.

Дождевая вода собирается и используется на хозяйственно-бытовые нужды, орошение тепличных растений, а также служит теплоносителем в системе солнечного отопления и аккумулятором тепла. По мере накопления средств хозяева планируют установить на крыше фотогальванические батареи, чтобы увеличить электрические мощности.

Дом в пригороде Оксфорда. Экологический дом в пригороде старинного английского университетского города Оксфорда спроектирован в простейших объемных формах (автор проекта С. Роуф), но имеет яркую особенность: один скат крыши покрыт панелями из фотогальванических батарей.

Лапидарность форм дома позволила применить традиционные экономичные конструкции, существенно упростить строительство и получить обширную плоскость крыши для установки фотоэлементов. Здание имеет рациональную планировку и комфортабельные, если не сказать роскошные, интерьеры. Некоторое удешевление строительной части проекта позволило, несмотря на высокую стоимость фотогальванических батарей, сохранить умеренную общую стоимость жилища - цена брутто одного квадратного метра общей площади составила 800 фунтов стерлингов, т.е. около 1300 долларов США.

Здание обладает большой массой и тепловой инерцией, кроме того, оно основательно теплоизолировано, что обеспечивает стабильную внутреннюю температуру круглый год. Тройное остекление и конструкция стен, включающая в себя слой высокоплотного бетона, делают дом практически звуконепроницаемым и гарантируют покой обитателей, несмотря на близко расположенную улицу. Свою лепту вносит в это и специально спроектированное многослойное и многоярусное озеленение участка. Крыша оранжереи зимнего сада остеклена на две трети, так как именно такой уровень светопрозрачости был рекомендован исследованиями по солнечной архитектуре.

Естественная вентиляция устроена так, что избыточное тепло отводится воздушным потоком, а в теплый сезон можно устраивать интенсивное сквозное проветривание.
При входе в дом устроено полностью остекленное крыльцо-веранда, дающее гарантию, что при открывании входной двери внутрь будет поступать только нагретый воздух, что снизит теплопотери. Веранда не только снижает теплопотери, но и повышает уровень безопасности жилища.Фотогальванические элементы установлены на крыше в таком количестве, что вырабатываемой электроэнергии достаточно для удовлетворения всех потребностей.

Дом на окраине Бристоля. Здание это удивительное - оно запроектировано в противоположность общепринятым объемно-планировочным решениям: функционально перевернуто «вверх ногами». На первом этаже, где массивные стены имеют высокий уровень тепловой инерции, располагаются спальни и другие приватные помещения. Конструкция стен устроена так, что они активно поглощают солнечную энергию днем и равномерно отдают ее ночью вовнутрь. На втором этаже размещены помещения общего пользования.

Дом построен на рекультивированном участке земли в окружении автомобильных и железных дорог. Раньше на нем стояла электроподстанция. Зеленые насаждения на участке были бережно сохранены, а затем использованы для воплощения экологических подходов. Огромный старый каштан служит защитой от интенсивного летнего солнца и пропускает сквозь голую крону солнечные лучи зимой. Кроме того, дом поставлен к каштану настолько близко, а остекление второго этажа настолько обширно, что создается впечатление жизни в «гнезде», находящемся среди ветвей гигантского дерева.

В качестве строительных материалов использованы местные материалы природного происхождения. Технологии строительства столь же просты и традиционны.
С южной стороны здания устроена веранда, играющая роль оранжереи и теплового аккумулятора. Теплый воздух из веранды перетекает внутрь здания и поступает в качестве теплоносителя в простейший теплообменник, через который пропускается свежий наружный воздух, который, в свою очередь, конвектируется в спальни, обеспечивая их вентиляцию и отопление. Для холодных зимних дней, когда солнечной энергии не хватает для обогрева, в доме предусматривается дровяная печь-камин, связанная с водяным теплоаккумулятором.

В Украине проблемой использования солнечной энергии ученые занимаются очень давно. Еще в 1976 году КиевЗНИИЭП, в те времена зональный институт, входивший в союзную систему институтов, по поручению Госгражданстроя, возглавил работы по разработке и внедрению солнечных коллекторов. В стране был проведен комплекс исследований, разработана техническая документация, изготовлены и апробированы опытные экземпляры, построены десятки экспериментальных объектов по всей Украине, в первую очередь в Крыму и южных областях.

В 1994 году по решению Президиума Академии строительства Украины был создан «Проблемный институт нетрадиционных энерготехнологий и инжиниринга» (ПИНЭИ), в состав которого вошли бывшие сотрудники КиевЗНИИЭП. Институтом разработана документация на солнечные коллекторы, он имеет договора с двумя заводами об их производстве. Эти коллекторы, хотя и в небольших масштабах, закупаются и устанавливаются на некоторых промышленных объектах (г. Киев) и даже общественных зданиях в южных районах Украины (Ильичевск, Феодосия и др.).

Институт выполняет функции головной организации при разработке раздела «Солнечная энергетика» в «Государственной программе поддержки развития нетрадиционных источников энергии и малой теплоэнергетики». Этой программой намечены основные этапы работы по внедрению систем солнечного теплоснабжения в практику строительства. Запланированный на 2010 г. объем их внедрения составляет 9 млн. м2.

Институтом разработаны: «Пособие по использованию солнечной энергии для отопления и кондиционирования воздуха»; «Технические решения и рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации установок солнечного теплохладоснабжения для жилых и общественных зданий»; Государственный стандарт Украины «Энергосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Коллекторы солнечные. Методы испытаний» и ряд других нормативов. Организована Украинская ассоциация по солнечному теплоснабжению, которая стала членом Европейской федерации солнечной индустрии.

Сегодня объемы использования солнечной энергии в Украине ничтожно малы. Но страны, в которых массовая «гелиофикация» стала повседневным явлением, шли к этому многие годы. Первооснова всего - это сочетание финансовых возможностей общества и его желание «жить в ладу с окружающей средой». У нас в стране принят целый ряд хороших законов и целевых программ, которые, к сожалению, остались только «декларациями о намерениях». Отсюда и соответствующий результат - имеющиеся заделы, кадры, разработанные технологии не используются в должном объеме.