Проектування "сонячних" будинків

Енергетична криза в середині 70-х років поставла перед європейськими архітекторами і містобудівниками нові завдання. Проблема економного витрачання енергії та ефективнішого її використання в екологічно стійких формах придбала величезне значення для багатьох реалістично мислячих архітекторів.

В ті часи було розроблено і створено безліч нових конструкцій, які базуються на ідеї інтенсивного використання екологічних форм енергії для опалення, охолодження, природної вентиляції, освітлення і виробництва електрики. Зокрема, для огороджувальних конструкцій будівель були створені напівпрозора теплоізоляція, вдосконалені системи сонцезахисту, нові типи скла і нові форми фасадних конструкцій.

Чудове скло. Архітектори та будівельники всього світу вже багато сотень років дотримуються думки, що доступ природного світла через прозорі конструкції покращує якість життя. Але з часу введення в більшості європейських країн нових норм теплоізоляції, що почався з 90-х років, звичайні вікна, світлові ліхтарі і інші світлопрозорі конструкції стали розглядати в якості головного провідника енергетичної легковажності, що змушує «топити вулицю».

Змінена позиція громадськості змусила промисловість та будівельну сферу перестати економити скло, роблячи вікна з подвійним і потрійним склінням, а також зайнятися винаходом нових типів скла. Саме скло перестало бути шматком склопрокату, перетворившись на вироби високої технології. Скло, покрите спеціальним теплоізоляційним шаром, має характеристики по теплозахисту вище, ніж у звичайного скла в 2-2,5 рази, воно забезпечує високий ступінь теплоізоляції і використання сонячної енергії.

Наприклад, віконні блоки зі скла марки Айплюс ЗІКС мають властивості, особливо привабливими для так званого «екологічного» скління-, для оранжерей і для скління в жаркому сонячному кліматі. Коефіцієнт теплопередачі у цієї марки скла дорівнює 0,4 Вт / кв. м ° С, що істотно краще, ніж встановлено європейськими стандартами по теплоізоляції. Такі скла доцільно застосовувати в проектах енергопасивного житла з нульовим споживанням енергії із зовнішніх централізованих джерел.

Захисно-перетворюючі системи. Система трансформації сонячного світла марки Хюппе забезпечує оптимальний захист від теплоти і сліпучої яскравості сонячного випромінювання, доставляючи розсіяне світло всередину приміщень. Система складається з двох жалюзійних шарів - солнцевідбиваючого і протиблікового, встановлюваних всередині будинків.

Перший шар являє собою систему прозорих призматичних ламелей із спеціального пластику. Встановлювані перпендикулярно вектору випромінювання, вони відображають пряме сонячне світло, але пропускають розсіяне світло. Проникаючи через перший шар, світловий потік відхиляється всередину приміщення за допомогою другого шару - протиблікових жалюзі, які представляють собою систему жорстких ламелей параболічного перетину з частково перфорованого алюмінію. Верхня частина ламелей має дзеркальну поверхню, що відбиває, нижня - матову.

Екранують жалюзі з гофрованого пластику вставляються у віконні блоки та інші елементи подвійного скління, в тому числі склопакети, і допомагають створювати світлі простору, прохолодні навіть жарким літом. Основою конструкції є спеціально орієнтований гофрований екран з зонами, блокуючими світло, і прозорими. Пряме сонячне світло відбивається від однієї частини поверхонь екрану, оброблених напиленням, в той час як інша пропускає розсіяне світло. Коефіцієнт теплопередачі складає близько 1,6 Вт / кв. м ° С.

Напівпрозорі системи ізоляції. У сучасній європейській «сонячній» архітектурі стали нерідко багатофункціональні фасадні системи. Такі системи регулюють надходження потоку сонячної енергії всередину будівлі, гарантуючи теплову комфортність і достатнє денне освітлення приміщень.

Система напівпрозорої ізоляції марки Геліоран може використовуватися і як світло-прозоре огородження з теплоізоляційними властивостями, і як колектор сонячної енергії для опалення. Як джерело природної освітленості система Геліоран працює краще, ніж звичайне скління, так як перерозподіляє світловий потік рівномірно-спрямоване і забезпечує його надходження в темні кути. В якості сонячного колектора система Геліоран економить близько 200 кіловат-годин енергії на рік на одному квадратному метрі поверхні. Фасади з Геліорана не вицвітають, пожежобезпечні і досить привабливі.

Принцип дії напівпрозорої фасадної теплоізолюючої системи марок Капіпейн і Капілюкс заснований на віддачі сонячної енергії поглинаючій чорній стіні, яка через деякий час віддає отриману енергію з іншого боку. Тобто, зовнішні стіни за допомогою цих систем перетворюються з поверхонь, які втрачають тепло, в поверхні, «вбираючі» тепло сонця. Панелі системи Капіпейн робляться з маси відрізків тонкостінних трубок-капілярів діаметром близько 3,5 мм, розташованих перпендикулярно площині панелі.

Панелі системи Капілюкс представляють собою панель Капіпейн, захищену з двох сторін скляними листами від забруднення. Панелі марки Капілюкс зазвичай в два рази тонші тришарових залізобетонних панелей і мають коефіцієнт теплопередачі 0,8 Вт / кв. м ° С.

Напівпрозорий теплоізоляційний матеріал Солфас використовується за трьома напрямками: пасивне використання сонячної енергії, світлопрозоре і светлорозподільча огорожа, повітряно-водяний колектор сонячної енергії. Матеріал являє собою трубчасто-волокнистий плексиглаз або оргскло, орієнтований перпендикулярно огороджуваючої площини. Пластикова сотоподібна маса поміщена між листом скла і абсорбуючою пластиною, а вся композиція поєднується  в рамі. Система марки Солфас діє за принципом, аналогічним для системи Капілюкс, але вимагає захисту від прямої сонячної радіації екранують пристроями.

Опалювальні колектори. Системи повітряного опалення будівель, засновані на теплових колекторах типу «сонце-повітря» являють собою серйозну альтернативу звичайним заскленим фасадам. Виконуючи всі стандартні фасадні функції, повітряні колектори економлять енергію на опалення будівель. Будучи трохи дорожче стандартних систем фасадного скління, колектори мають досить великі габарити. Ця обставина дозволяє використовувати їх як формотворчі конструкції на фасадах та дахах будівель. Високий ступінь заводської готовності колекторів вимагає тільки монтажу модульної конструкції і її обв'язки за допомогою уніфікованих муфтових з'єднань.

Вакуумний опалювальний трубчастий колектор марки Астрон є сьогодні найбільш передовою системою екологічної сонячної енергетики в своїй категорії з ККД рівним 67%.
Такий ККД показує колектор при рівні сонячного випромінювання близько 800 Вт / кв.м ° С. і різниці температур між колектором і навколишнім середовищем в 30 градусів. Висока теплоізолююча здатність колекторів системи Астрон приносить значно більшу тепловіддачу, ніж звичайні плоскі колектори.

Відмінні характеристики системи Астрон доповнюються різними пристроями, що поставляються в комплекті: автоматичною системою захисту від перегріву, системою зберігання нагрітої води, насосом, що працює від сонячних батарей, регуляторами.

Синергетичні фасади. Фотогальванічні або просто фотоелементи, що становлять сонячні батареї, все частіше стали з'являтися на дахах будинків у Європі, Азії, Америці і навіть в Московії. Габарити блоків фотогальванічних батарей сьогодні досягають солідних розмірів 2 х 3,5 метра. Ці системи сонячної енергетики встановлюються не тільки на дахах, а й в фасадні елементи з подвійним і багатошаровим склінням, а також у вікна з жалюзі. Виробники, враховуючи естетичні вимоги, постачають на ринок сонячні батареї в рамах і без них дванадцяти кольорів: чорного, всіх відтінків сірого, фіолетового, темно-синього, зеленого, червоно-цегельного, золотисто-жовтого, бірюзового, блакитного, коричневого, причому поверхня може бути як дзеркальною, так і матовою.


Садиба «Надія». Будинок, що має власне ім'я «Надія», побудований за проектом Б. Данстера на невеликій ділянці землі на березі річки в англійському містечку Іст Моулсі. Незважаючи на крутий рельєф, будинок гармонійно вписався в ландшафт, відкриваючись річці і сонцю.

Південна частина будівлі спроектована таким чином, щоб максимально використовувати сонячне випромінювання: сонце працює для опалення приміщень, освітлення, вироблення енергії та вирощування овочів і фруктів. Найважливішим елементом будинку і в сенсі використання інсоляції, і за частиною формоутворення, виступає оранжерея, прибудована до південного фасаду. Це самозвололжуюча, самовентильована, самозатіняюча система виконує роль накопичувача сонячної енергії, зимового саду та житлового простору. Будинок будувався в основному з місцевих матеріалів. Значну частину будівельних робіт виконали самі майбутні господарі, і будинок вийшов дуже дешевим. Будівництво фінансувалося на 95% за іпотечною схемою за рахунок позики муніципального агентства по житловому будівництву.

Будинок став експериментальним не тільки з точки зору екологічності, ресурсозбереження та використання автономних джерел енергії, але і в соціальному аспекті. Як відомо, в західних країнах все більше людей стають надомними працівниками, облаштувавши домашній офіс і зв'язуючись з працедавцем, партнерами, клієнтами і контрагентами по комп'ютерним та іншим видам телекомунікаційних мереж. Власники садиби «Надія» заробляють собі на життя в рамках такої нової структури зайнятості - працюючи в домашньому офісі на комп'ютері, вирощуючи овочі, ягоди, зелень в оранжереї і щотижня торгуючи ними на місцевому базарі.

Дощова вода збирається і використовується на господарсько-побутові потреби, зрошення тепличних рослин, а також служить теплоносієм в системі сонячного опалення і акумулятором тепла. У міру накопичення коштів господарі планують встановити на даху фотогальванічні батареї, щоб збільшити електричні потужності.

Будинок в передмісті Оксфорда. Екологічний будинок в передмісті старовинного англійського університетського міста Оксфорда спроектований в найпростіших об'ємних формах (автор проекту С. Роуф), але має яскраву особливість: один скат даху покритий панелями з фотогальванічних батарей.

Лапідарність форм будинку дозволила застосувати традиційні економічні конструкції, істотно спростити будівництво і отримати велику площину даху для установки фотоелементів. Будівля має раціональне планування і комфортабельні, якщо не сказати розкішні, інтер'єри. Деяке здешевлення будівельної частини проекту дозволило, незважаючи на високу вартість фотогальванічних батарей, зберегти помірну загальну вартість житла - ціна брутто одного квадратного метра загальної площі склала 800 фунтів стерлінгів, тобто близько 1300 доларів США.

Будівля має велику масу і теплову інерцією, крім того, вона грунтовно теплоізольована, що забезпечує стабільну внутрішню температуру цілий рік. Потрійне засклення і конструкція стін, що включає в себе шар високощільного бетону, роблять будинок практично звуконепроникним і гарантують спокій мешканців, незважаючи на близько розташовану вулицю. Свою лепту вносить в це і спеціально спроектоване багатошарове і багатоярусне озеленення ділянки. Дах оранжереї зимового саду засклений на дві третини, тому що саме такий рівень світлопрозорості був рекомендований дослідженнями з сонячної архітектурі.

Природна вентиляція влаштована так, що надмірне тепло відводиться повітряним потоком, а в теплий сезон можна влаштовувати інтенсивне наскрізне провітрювання.
При вході в будинок влаштовано повністю засклена ганок-веранда, що дає гарантію, що при відкриванні вхідних дверей всередину буде надходити тільки нагріте повітря, що знизить втрати тепла. Веранда не тільки знижує тепловтрати, але і підвищує рівень безпеки житла.
Фотогальванічні елементи встановлені на даху в такій кількості, що виробляється достатньо для задоволення всіх потреб.

Будинок на околиці Брістоля. Будинок цей дивний - він запроектований на противагу загальноприйнятим об'ємно-планувальних рішень: функціонально перевернуто «догори ногами». На першому поверсі, де масивні стіни мають високий рівень теплової інерції, розташовуються спальні і інші приватні приміщення. Конструкція стін влаштована так, що вони активно поглинають сонячну енергію вдень і рівномірно віддають її вночі всередину. На другому поверсі розміщені приміщення загального користування.

Будинок побудований на рекультивованій ділянці землі в оточенні автомобільних і залізних доріг. Раніше на ньому стояла електропідстанція. Зелені насадження на ділянці були дбайливо збережені, а потім використані для втілення екологічних підходів. Величезний старий каштан служить захистом від інтенсивного літнього сонця і пропускає крізь голу крону сонячні промені взимку. Крім того, будинок поставлений до каштану настільки близько, а вікна другого поверху настільки широко, що створюється враження життя в «гнізді», що знаходиться серед гілок гігантського дерева. В якості будівельних матеріалів використані місцеві матеріали природного походження. Технології будівництва настільки ж прості і традиційні.

З південного боку будівлі влаштована веранда, яка грає роль оранжереї і теплового акумулятора. Тепле повітря з веранди перетікає всередину будівлі і надходить в якості теплоносія в найпростіший теплообмінник, через який пропускається свіже зовнішнє повітря, який, у свою чергу, конвектуєтся в спальні, забезпечуючи їх вентиляцію та опалення. Для холодних зимових днів, коли сонячна енергії не вистачає для обігріву, в будинку передбачається дров'яна піч-камін, пов'язана з водяним теплоаккумулятором.

В Україну проблемою використання сонячної енергії вчені займаються дуже давно. Ще в 1976 році Київ ЗНДІЕП, в ті часи зональний інститут, який входив в союзну систему інститутів, за дорученням Держгргромадтстрою, очолив роботи з розробки та впровадження сонячних колекторів. В країні було проведено комплекс досліджень, розроблена технічна документація, виготовлені та апробовані досвідчені екземпляри, побудовані десятки експериментальних об'єктів по всій Україні, в першу чергу в Криму та південних областях.

У 1994 році за рішенням Президії Академії будівництва України був створений «Проблемний інститут нетрадиційних енерготехнологій та інжинірингу» (ПІНЕІ), до складу якого увійшли колишні співробітники Київ ЗНДІЕП. Інститутом розроблена документація на сонячні колектори, він має договори з двома заводами про їх виробництві. Ці колектори, хоча і в невеликих масштабах, закуповуються і встановлюються на деяких промислових об'єктах (м. Київ) і навіть громадських будівлях в південних районах України (Іллічівськ, Феодосія та ін.)

Інститут виконує функції головної організації при розробці розділу «Сонячна енергетика» в «Державну програму підтримки розвитку нетрадиційних джерел енергії і малої теплоенергетики». Цією програмою намічені основні етапи роботи з впровадження систем сонячного теплопостачання в практику будівництва. Запланований на 2010 р. обсяг їх впровадження становить 9 млн. м2.

Інститутом розроблені: «Допомога по використанню сонячної енергії для опалення та кондиціювання повітря», «Технічні рішення і рекомендації з проектування, монтажу та експлуатації установок сонячного теплохладоснабженія для житлових і громадських будівель»; Державний стандарт України «Енергозбереження. Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії. Колектори сонячні. Методи випробувань »і ряд інших нормативів. Організована Українська асоціація по сонячному теплопостачання, яка стала членом Європейської федерації сонячної індустрії.

Сьогодні обсяги використання сонячної енергії в Україну мізерно малі. Але країни, в яких масова «геліофікація» стала повсякденним явищем, йшли до цього багато років. Першооснова всього - це поєднання фінансових можливостей суспільства і його бажання «жити в ладу з навколишнім середовищем». У нас в країні прийнято цілу низку хороших законів і цільових програм, які, на жаль, залишилися тільки «деклараціями про наміри». Звідси і відповідний результат - наявні заділи, кадри, розроблені технології не використовуються в належному обсязі.