архитектурные статьи

Использование солнечной энергии в наши дни

В последние годы, особенно в период после известного нефтяного эмбарго в отопительный сезон 1973/74 гг., солнечная энергия признается в качестве энергетической альтернативы, к реализации которой можно приступить немедленно.

В течение двух последующих лет федеральные расходы на эти цели выросли с 13 до 75 млн. долл, в 1975/76 финансовом году. Следует отметить, что частный сектор, конкурируя с государственными организациями, принимает активное участие в реализации имеющихся решений и поисках новых.

За те же два года количество солнечных зданий в США возросло от считанных единиц до нескольких тысяч, в том числе и находящихся в стадии проектирования. Солнечная энергия для отопления и охлаждения помещений, по-видимому, будет пользоваться широким признанием в случае, если: потребитель сможет использовать эту энергию в течение большей части года; в данной местности солнечные дни преобладают; обычные виды топлива дороги; применение солнечных установок возможно при умеренных температурах. В противоположность часто высказываемому мнению следует отметить, что солнечные тепловые установки можно применять не только для теплого, но и для холодного климата. Очевидно, что чем продолжительнее и холоднее отопительный сезон, тем больше требуется тепла, которое должно поглощаться и храниться солнечной установкой. Однако горячее водоснабжение за счет солнечной энергии может применяться круглый год, и в этом случае применение солнечной энергии более эффективно, чем для отопления.

В плане долгосрочного рассмотрения энергетических потребностей тот район страны оказывается в лучшем положении, в котором имеется больше солнечных дней. В то же время любой район страны испытает на себе влияние роста цен на традиционные виды топлива. Как отмечалось выше, солнечное теплоснабжение целесообразно, когда температура горячей воды или воздуха, нагретого в солнечной установке для отопления помещений, получения горячей воды, охлаждения и кондиционирования воздуха, не превышает 90° С.

В 1968 г. эти потребности составили около 11% всего национального потребления энергии. Пожалуй, более показательно то, что это составляло 76% энергии, потребляемой промышленными предприятиями. Около 28% всей энергии на промышленные цели приходилось на такое теплоснабжение, составляя 11,5% всего национального потребления в 1968 г. Исходя из традиционных экономических критериев солнечная энергия теперь нередко конкурирует с ископаемым топливом и электроэнергией, в первую очередь в части отопления зданий и подогрева воды для бытовых нужд.

Солнечная энергия может использоваться в большинстве типов зданий: школах и других общественных зданиях, передвижных домиках, существующих и новых жилых домах.

Школы особенно пригодны для использования солнечной энергии по нескольким причинам:

1) их высокие требования к качеству отопления и кондиционирования вызывают соответствующие требования к коллекторам;

2) школы обычно имеют не более трех этажей с достаточной площадью крыши для установки коллекторов. Кроме того, коллекторы дополнительно могут быть размещены на стенах, не имеющих окон, и крышах таких помещений, как спортзалы;

3) при сравнительно большой массивности школьные здания не испытывают значительных температурных колебаний по сравнению с легкими зданиями, а это в свою очередь налагает на систему солнечного теплоснабжения более равномерную нагрузку и дает возможность быстрее окупать первоначальные капиталовложения;

4) хотя фонды на школьное строительство ограничены и получить ассигнования непросто, процентная ставка довольно низкая, что обеспечивает меньшую первоначальную стоимость и меньшие издержки за срок службы, чем для промышленных и жилых зданий, и

5) там, где школьный совет обычно встречает трудности при получении ассигнований на эксплуатацию и ремонт (которые уменьшаются при использовании солнечной энергии), он сможет сравнительно легко получить такие ассигнования и при более значительных первоначальных расходах, если принято решение использовать солнечные коллекторы.

Это особенно характерно для нашего времени всеобщей озабоченности экологическими и энергетическими проблемами. Если занятия в школе начинаются не с утра, а несколько позже, то можно более эффективно использовать солнечную энергию, поступающую непосредственно через окна, используя при этом тепловую инерцию здания. Это даст возможность в безоблачное утро до начала занятий обогревать солнечной радиацией классные помещения, окна которых обращены на восток и юг. Это мероприятие обеспечит также более эффективное использование тепловой энергии солнечного излучения, которая накапливается в течение дня со времени не ранее чем через час или два после восхода солнца.

Благодаря этому уменьшается количество энергии, потребной для пуска системы отопления, вентиляции и кондиционирования, что в свою очередь уменьшает нагрузку на систему коммунальных сетей в период сравнительно большого спроса. Избыточное тепло от системы солнечного отопления школы может быть использовано соседними зданиями. Пытаясь более эффективно содействовать широкому использованию солнечной энергии и представить конгрессу некоторые результаты, Национальный научный фонд в январе 1974 г. заключил четыре контракта на строительство экспериментальных систем солнечного отопления для средней школы, двух зданий младших классов средней школы и начальной школы.

Эта программа под названием «Солнечная энергия: эксперименты по отоплению школьных зданий» нацелена «на совершенствование технологии применения солнечной энергии для отопления помещений и приготовления горячей воды, а также на получение информации о том, при каких условиях такие системы могут быть экономически оправданными и социально приемлемыми».

Строительство объектов было закончено в марте 1974 г. Во всех школьных зданиях солнечные установки обеспечивали только теплоснабжение. Солнечные коллекторы площадью 464,5 м2 для здания младших классов средней школы «Норд Вью» (г. Оссео, шт. Миннесота) и коллекторы площадью 232 м2 для средней школы «Фокьер» (г. Уоррентон, шт. Виргиния) были установлены на земле на специальных опорах.

Солнечные коллекторы площадью 418 м2 для младших классов средней школы «Гровер Кливленд» (г. Дорчестер, шт. Массачусетс) и коллекторы площадью 529 м2 для школы в Балтиморе (шт. Мэриленд) были установлены на крышах школьных зданий. Главная задача при создании этих объектов заключалась в сборе данных по «эксплуатационным характеристикам коллекторов, надежности систем, уточнению оценок по эксплуатационным и ремонтным расходам, социальному воздействию, приемлемости для разных школьных зданий в различных районах, а также для существующих и проектируемых сооружений».

В стоимость контракта входили расходы на оборудование, его монтаж и эксплуатацию и на обработку данных. Управление по энергетическим исследованиям и разработкам (ЗРДА) ассигновало средства группе фирм для переоборудования еще одной школы («Джордж А. Таунс»), находящейся в Атланте, шт. Джорджия.

Этот объект, законченный в 1975 г., должен был продемонстрировать возможность использования солнечной энергии как для отопления, так и для кондиционирования. Помимо учреждений федерального правительства учебные здания, отапливаемые и охлаждаемые при помощи солнечной энергии, строят и другие организации. Департамент общественных работ шт. Колорадо поручил фирме «А. Б. Р. Партнершип, Аркитектс» (г. Денвер, шт. Колорадо) спроектировать северный студенческий городок Коммьюнити-колледжа в Денвере.

Весь комплекс площадью более 30 000 м2 должен отапливаться за счет солнечной энергии. Солнечное отопление и другие мероприятия по экономии энергии увеличивают стоимость объекта на 10%. Законодатели шт. Колорадо беспрецедентно единогласно проголосовали за финансирование дополнительных издержек.

Капиталовложения должны быть возвращены штату за 10 - 15 лет, после чего штат начнет реализовывать накопления, которые составят в среднем более 60 000 долл, в год. Помимо школ солнечная энергия используется и в других общественных зданиях. Управление служб общего назначения федерального правительства взяло на себя инициативу построить в качестве показательных объектов два административных здания.

Цель создания показательного объекта в г. Сагино (шт. Мичиган) заключается в том, чтобы подчеркнуть твердую приверженность управления заботе об окружающей среде при проектировании, строительстве и эксплуатации федеральных зданий, а также в создании крупномасштабной лаборатории для проверки как признанных, так и новаторских методов создания таких объектов и оборудования, способствующих сохранению окружающей среды.

Преследуется также цель дать пример другим представителям строительной отрасли в отношении усилий, направленных на улучшение защиты окружающей среды. Второй объект (г. Манчестер, шт. Нью-Гэмпшир) является показательным в отношении только экономии энергии без рассмотрения экологических проблем в широком плане, как это было предусмотрено программой для объекта г. Сагино.

Почтовая служба США (ЮСПС), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) И Национальное бюро стандартов (НБС) также способствуют на федеральном уровне развитию работ по использованию солнечной энергии. Обогреваемое солнечной энергией почтовое отделение в Ридли-Парке (шт. Пенсильвания) служит в качестве образца для будущих проектов таких зданий ЮСПС. Если эксперимент в Ридли-Парке окажется успешным, то ЮСПС применит этот опыт в большинстве зданий почтовых отделений.

В 1974 г. НАСА объявило о своих планах построить инженерный корпус площадью около 5000 м2 в исследовательском центре Лэнгли в шт. Виргиния, который будет отапливаться и охлаждаться при помощи солнечной энергии.

Проект предусматривает установку коллектора площадью 1390 м2. Национальное бюро стандартов, расположенное в Гейтесбурге (шт. Мэриленд), играет активную роль в поощрении работ по использованию солнечной энергии. В 1974 - 1975 гг. бюро разработало стандарт на методику испытаний для определения характеристик как солнечных коллекторов, так и теплоаккумулирующих устройств. Первоначальные рекомендации будут уточняться в НБС после экспериментальной проверки.

Другой объект НБС представляет собой жилой дом на одну семью, который эксплуатируется с 1972 г. для изучения срока службы сооружения и изучения воздействия на него окружающей среды. Дом имеет все необходимое оборудование и обстановку. Первоначально он был помещен в большую камеру искусственного климата, в которой температура могла меняться в пределах от - 45 до +65° С.

В своих расчетах НБС предсказывает спрос на энергию с ошибкой 10% (часто гораздо меньше) при различных летних и зимних эксплуатационных условиях. В 1974 г. после того, как бюро спроектировало систему солнечного отопления и охлаждения для этого дома, дом был удален из камеры, и испытания были продолжены.

Нью-Йоркский ботанический сад применяет систему солнечного отопления и другие новые методы экологической технологии в своем административном и научно-исследовательском здании в районе Миллбрук (Нью-Йорк), а также в своем древесном питомнике.

Это здание было спроектировано архитектором-консервационистом Малькольмом Б. Уэллсом из шт. Нью-Джерси, который сказал, что оно будет «добрым к природе». Среди особенностей здания следует отметить наличие рециркуляции воздуха, воды и отходов, а также покрытие крыши землей. Грунтом также засыпаны северные и восточные стены. Кроме того, с северной стороны здания посажены деревья для защиты здания от холодных зимних ветров. Стены выполнены из бетона, а изоляция положена на стены с наружной стороны с тем, чтобы увеличить теплоемкость здания. Окна имеют двойное остекление, а ставни, которые могут закрываться на ночь для уменьшения потерь тепла, расположены с внутренней стороны.

Коллекторы площадью от 745 до 930 м2 размещены на крыше в виде зубьев пилы и состоят из семи параллельных наклонных панелей, следующих одна за другой. Участок крыши между панелями дополнительно отражает радиацию на расположенную перед ним панель. Оборудование изготовлено фирмой «Дабин- Минделл- Блум, ассошиэйтс» (Нью-Йорк).

Помимо жилых домов и ряда школьных проектов, финансируемых Национальным научным фондом, проводятся модификации зданий в крупных масштабах в промышленности, в частности фирмой «Дженерал электрик» на своем заводе в Вэлли- Фордже (шт. Пенсильвания).

Солнечные коллекторы площадью 455 м2 обеспечивают основную долю нагрузки в отоплении и приготовлении горячей воды для пищеблока площадью 1850 м2. Переоборудование существующих зданий, в том числе пяти школьных объектов, финансирование которого осуществляется Национальным научным фондом, является одной из наиболее существенных областей применения солнечного отопления. Большинство из миллионов зданий в США в следующем веке не будет существовать и потреблять энергию. Через 20 - 30 лет количество зданий и построек в стране удвоится. Для многих существующих зданий сейчас проще снизить расход топлива на отопление благодаря применению солнечной установки, а не в результате усиления изоляции стен и крыш. Солнечные коллекторы можно устанавливать на земле в виде отдельно стоящих сооружений или в ряде случаев прикреплять к стенам зданий. Чаще всего их можно размещать поверх скатных и плоских крыш. Переоборудование существующих зданий будет рассмотрено более подробно ниже, в том числе в разделе «Отдельно стоящие коллекторы» и в части III.

Первые две системы солнечного отопления, одна была предложена Дж. Лёфом, г. Боулдер, шт. Колорадо (1945), другая - Рэймондом Блиссом и Мэри Донован, г. Амадо, шт. Аризона (1954), были разработаны применительно к существующим зданиям. Одним из самых старых действующих солнечных домов является здание, переоборудованное для использования солнечной энергии, которое находится вблизи студенческого городка университета шт. Флорида в г. Гейнесвилл.

Этот дом был построен в 1955 г. механико-техническим факультетом сначала с целью измерения потоков тепла, поступающих и выходящих из здания. В 1968 г. дом был переоборудован под солнечное отопление. Доктор Эрик Фарбер, один из признанных авторитетов в области солнечной энергетики, является руководителем группы специалистов по использованию солнечной энергии этого факультета, которая занимается широким кругом проблем, в том числе разработкой двигателей на солнечной энергии, солнечных насосов, плит, солнечного холодильного оборудования, солнечных подогревателей воды в бассейнах и солнечных опреснителей воды.

Солнце нагревает воду для бытовых нужд, отапливает и охлаждает дом, подогревает воду в плавательном бассейне и приводит в действие систему рециркуляции жидких отходов (посредством дистилляции). Солнце также вносит вклад в питание системы электропреобразования для телевидения, радио, освещения, бытовых приборов и солнечного электромобиля.

По словам Ричарда Дж. Стейна, городского архитектора Нью-Йорка, в следующие два десятилетия во всем мире будет построено полтора миллиарда жилых единиц. Только в США до начала 80-х годов ежегодно будет строиться в среднем 1,5 млн. домов. Естественно, что специалисты, занимающиеся проблемой использования солнечной энергии, предпочитают рассматривать строящиеся дома, в которых они имеют большие возможности воплощать свои замыслы.

К 1976 г. были построены сотни солнечных домов, а еще несколько тысяч находились в стадии проектирования или строительства. Пожалуй, наиболее сложным в техническом смысле является солнечный дом университета шт. Делавэр. По словам первого директора университетского института по экономии энергии д-ра Карла Бэра, «это - первый дом, в котором предпринята серьезная попытка собрать как электрическую, так и тепловую энергию». Тепловая энергия используется для отопления и охлаждения здания, а также для подогрева воды для бытовых нужд. Электроэнергию получают при помощи солнечных элементов на основе сульфида кадмия. Электроэнергия, поступающая от солнечных элементов, накапливается в свинцовых автомобильных аккумуляторах и используется для освещения и других целей, где возможно применение постоянного тока 115 В.

Эти фотоэлементы являются частью тех же плоских кол-лекторов, через которые проходит и нагревается воздух. Теплоаккумулирующая система была разработана д-ром Марка Телкес, которая работала в области солнечной энергии начиная со времени создания первых солнечных домов Массачусетского технологического института (40-е годы).

Система состоит из пластмассовых контейнеров, содержащих эвтектические соли. По мере плавления эти химические соединения поглощают большое количество тепла; при затвердевании соли отдают накопленное тепло. Основной недостаток этого работающего на солнечной энергии дома состоит в нынешней высокой стоимости солнечных элементов.

И все же такие элементы из сульфида кадмия или аналогичные им будут в конечном счете достаточно дешевы, чтобы получить широкое распространение. В университете шт. Колорадо проводятся испытания и оценка трех жилых домов, использующих солнечную энергию.

В первом доме, построенном в 1974 г., применяется жидкостная система солнечного отопления, охлаждения и горячего водоснабжения., Насколько известно, это первая система солнечного теплоснабжения жилого дома, спроектированная, построенная и исследованная при использовании традиционного оборудования и имеющая кондиционер воздуха на бромиде лития.

Установка другого дома также представляет собой жидкостную систему, но другой конструкции.

В третьем доме применена воздушная система.

Эксплуатационные характеристики всех трех домов подвергаются проверке и сравнению. В 1975 г. в Гилфорде (шт. Коннектикут) проф. Эверетт Барбер из Йэльского университета построил для своей семьи солнечный дом площадью 110 м2. В экономичном в отношении использования энергии доме применялись плоский солнечный коллектор и система, спроектированная и построенная фирмой Барбера «Сануоркс, инк.».

Барбер считает, что за счет солнечной энергии обеспечивается примерно 60% потребностей его дома в отоплении и приготовлении горячей воды. Затем предполагалось установить два ветряных двигателя, которые на 80% должны заместить расход электроэнергии, поступающей от местной электрической компании. В августе 1974 г. на Лонг-Айленд-Саунд в шт. Коннектикут был сооружен дом, инженерную часть проекта которого вел проф. Барбер, а архитектором был Дональд Уотсон (Американский институт архитекторов) из Гилфорда, шт. Коннектикут.

В этом доме на одну семью, предназначенном для круглогодичного использования, более половины потребностей в конвекционном отоплении и почти все потребности в энергии для приготовления горячей воды удовлетворяются с помощью модульной системы плоских коллекторов конструкции Барбера. Согласно архитектурным ограничениям высоты домов, принятым в этой зоне, крыша любого здания не должна возвышаться более чем на 6 м. Поэтому три ориентированных на юг коллектора были расположены в виде зубьев пилы, что в свою очередь обеспечивало верхнее освещение и прекрасную естественную вентиляцию внутренних помещений. Каждый модульный элемент имел ширину 0,6 м и высоту около 1,8 м.

Кроме системы солнечного отопления в здании был применен ряд направленных на экономию энергии решений, среди которых можно отметить размещение и размеры окон для естественного дневного освещения и вентиляции. Козырьки над окнами большой площади уменьшают летнее избыточное тепло, но позволяют солнечным лучам проникать в дом зимой. Дом имел очень хорошую изоляцию. В попытке упростить системы солнечного теплоснабжения проектная фирма «Тотал энвайронментал экшн, инк.» (г. Хар- рисвилл, шт. Нью-Гэмпшир) спроектировала солнечный дом для строительства близ Манчестера, Нью-Гэмпшир. Дом сочетает в себе тщательно продуманный архитектурный замысел и систему солнечного отопления, которая сочетается с многочисленными окнами в южной стене дома.

Единственным механическим оборудованием отопительной гелиоустановки является передвижная изоляция, которая дает возможность открывать коллектор лучам солнца в течение дня и защищать его от потерь тепла ночью. Коллектором, который кроме поглощения тепла может еще и аккумулировать его, является бетонная стена толщиной 300 мм. Концепция такого коллектора была в свое время применена Феликсом Тромбом и Жаком Мишелем в г. Одейо, Франция (см. часть III). Между бетонной стенкой — коллектором-накопителем и внешней средой устанавливается прозрачная стеновая панель. Когда светит солнце, панель прозрачна, и через нее видна бетонная стена. Когда солнца нет, стена покрывается крошечными капельками полистирола, образующими изоляционный барьер между теплым бетоном и холодной внешней средой.

Тепло поступает в жилые помещения дома в результате теплопроводности материалов и естественной конвекции воздуха. Эта концепция была разработана фирмой «Зоумуоркс корпорейшн». Примером поиска решений полной независимости от внешних источников энергии является ферма супругов Роберта и Эйлин Рейнесов, расположенная недалеко от Альбукерке (шт. Нью- Мексико). Рейнесы построили обогреваемый солнцем купол, который, как они заявили, является первым в мире жильем, на 100% отапливаемым солнцем и снабжаемым энергией за счет ветра. Они спроектировали дом и построили свой образ жизни в соответствии с требованием минимальных затрат энергии.

Энергия, которой они пользуются, поступает от солнца в виде тепла и от ветра в виде электричества. Система солнечного отопления конструктивно отделена от купола. Для отопления помещения внутри купола применяются радиаторы, в которые поступает вода из теплоаккумулирующего бака емкостью 11 350 л. Тепло в куполе может поддерживаться в течение 10 дней облачной погоды при температурах, близких к отрицательным. Внутри купола температура могла поддерживаться в пределах 18—29 °С. Приводимые в действие ветром генераторы заряжают 16 аккумуляторных батарей большой емкости, которые питают электронагреватели воды для бытовых нужд и приводят в действие бытовые электроприборы.

Запасен-ная энергия является единственным источником электроэнергии для дома. Электролампы общей мощностью до 150 Вт обеспечивают достаточную освещенность в любой части дома. Боб Рейиес считает, что обычное сооружение тех же габаритов потребует примерно в десять раз больше тепловой энергии для поддержания той же температуры и примерно в пять раз больше электроэнергии. Он и его коллеги продолжают работать над разработкой энергоэкономичных холодильников, светильников, кухонного оборудования, устройств для водоснабжения и удаления отходов, а также закрытых систем производства продуктов питания, которые круглый год могут обеспечивать жителей дома свежими овощами и фруктами. Помимо домов с автономными системами солнечного теплоснабжения проектируются также и солнечные общины с тем, чтобы воспользоваться возможностью снизить затраты и повысить эффективность работы системы.

Исследования, проведенные лабораториями «Сандиа» в Альбукерке (шт. Нью-Мексико), показали, что солнечная община в Альбукерке может удовлетворять свои энергетические потребности на 60%; за счет солнца. Солнечная энергия будет централизованно собираться и храниться, а затем распределяться по отдельным домам и предприятиям в виде электричества, тепла, горячей воды или кондиционированного воздуха.

Проектная численность поселка составляет от 100 до 1000 единиц, включая дома, квартиры и небольшие мастерские. Эту концепцию можно также применить к существующим поселкам сравнимого размера. Для проверки этой концепции планируется строительство подобного опытного объекта.

Одним из наиболее впечатляющих проектов использования солнечной энергии является поселок Грасси-Брук-Вилледж в Бруклине (шт. Вермонт). Первая очередь этого объекта предусматривала строительство 10 жилищных единиц; вторая очередь - еще 10 единиц. По словам застройщика Ричарда Блазея, жилищные единицы «спроектированы таким образом, чтобы были обеспечены принципы экологической целостности в процессе их строительства и эксплуатации..., чтобы на окружающую среду оказывалось минимальное воздействие и была обеспечена схема коммунальных и жизнеобеспечивающих систем, получающих энергию от природных и незагрязняющих источников, над которыми владелец или постоянный житель может осуществлять финансовый и качественный контроль».

Использование солнечной энергии в общине предусматривается для отопления домов, приготовления горячей воды, получения электроэнергии за счет ветра (во второй очереди) и для обработки отходов в очистной системе, работающей в нескольких режимах рециркуляции без загрязнения. Кроме того, предусмотрены мероприятия по экономии энергии.

Дома на одну семью площадью около 110 м2 каждый объединены в две группы по 10 единиц. Каждая группа имеет свою собственную систему солнечного центрального отопления, систему удаления отходов, а такие о общие пешеходные дорожки, пастилы, общественный сквер, центральную прачечную, мастерские, кладовые, автостоянки и бассейн, используемый и для пожарных целей.

Архитектором был Роберт Шэнном, компаньон фирмы «Пипл/Спейс компани» (Бостон, шт. Массачусетс). Система солнечного отопления в Грасси-Брук-Вилледж характерна тем, что один коллектор и одна аккумулирующая система обслуживают всю группу из 10 домов. Коллектор длиной 30 м и высотой 5 м располагается на трех отдельных опорных конструкциях в стороне от домов, что расширяет возможности архитектурного проектирования.

Три таких конструкции расположены в виде зубьев пилы для уменьшения влияния ветровых нагрузок и упрощения обслуживания. Под некоторыми домами размещается водяная теплоаккумулирующая система. Помимо теплового насоса, работающего совместно с системой солнечного отопления, предусмотрен и нефтяной котел, предназначенный для работы во время периодов продолжительной облачности или слишком холодной погоды. Кроме того, в каждом доме есть дровяная печь. Приведенные примеры использования солнечной энергии для теплоснабжения зданий убедительно иллюстрируют большой интерес, который проявляется к разработке систем солнечного отопления и охлаждения. Несмотря на то что в настоящее время проектируется и строится еще несколько тысяч объектов, темпы их признания и внедрения в стройиндустрию являются чрезвычайно низкими, особенно если иметь в виду миллионы строящихся каждый год зданий.

Брюс Андерсон Харрисвилл, Нью-Гэмпшир, Солнечная энергия : (Основы строительного проектирования). Total Environmental Action, Inc. 1977

Солнечная энергия: условия рационального использования

Введение в солнечную энергетику

Использование солнечной энергии в наши дни

Пусть солнце входит в дом. Проектирование с учетом солнечной энергии

Проектирование домов

Дизайн фасадов