архитектурные статьи

Пусть солнце входит в дом. Проектирование с учетом солнечной энергии

Возможность запрячь солнечную энергию может увести нас в сторону и толкнуть на ее использование такими способами, которые затеняют и не учитывают некоторые причины, заставившие нас обратиться к ее использованию.

Например, проблема экономии энергии не столь увлекательна, как изобретение хитроумных средств для поимки солнечного тепла. Нет ничего нового и волнующего в работе над тем, чтобы солнечные лучи нагревали здание зимой и по возможности не воздействовали на него летом; мы предпочли бы сконструировать «умную», высокоспециализированную машину для выполнения этой простой задачи.

Природа, однако, создает простые и в то же время сложные механизмы, чтобы компенсировать ненадежность и нерегулярность солнечного излучения и температуры. Понаблюдайте за цветами, которые открываются и закрываются с восходом и заходом солнца, за животными, которые находят укрытие, чтобы защитить себя от сильной жары, как это бывает в пустыне, и которые зарываются в землю, спасаясь от зимних холодов.

В процессе исторического развития человек создавал свой кров и одежду. Но по мере того, как мы учились преодолевать многие трудности борьбы за существование и делать себя невосприимчивыми к идиосинкразиям природы, мы также создавали пропасть, которая отделяет нас от существенного понимания и оценки природных явлений. Все больше и больше мы полагаемся на технику и нашу собственную способность решать проблемы не только без содействия природы, но и в прямом конфликте с ее законами. В части I содержится краткое введение в некоторые концепции использования солнечной энергии. Одна из наиболее важных из них касается свойств стекла, которые дают возможность проникать через него коротковолновому излучению и задерживать обратное длинноволновое тепловое излучение. Этот принцип, названный «парниковым эффектом», справедлив также и для нашей атмосферы.

В определенном смысле Земля является гигантским солнечным коллектором. Солнечные лучи интенсивностью более 1250 Вт/м2 достигают атмосферы, проделав свой путь от Солнца до Земли. Определенная часть тепла отражается атмосферой, некоторая часть задерживается атмосферными частицами, которые нагреваются в процессе облучения. Остальная часть достигает поверхности Земли, которая часть энергии солнечной радиации отражает обратно в атмосферу, а часть поглощает и вторично излучает в атмосферу.

Этот процесс вторичного излучения может быть мгновенным, например когда лучи попадают на отражающую поверхность, или же может быть задержан на миллионы лет, например на период образования ископаемого топлива. Эта накопленная солнечная энергия отдается в атмосферу в виде тепла, когда мы сжигаем топливо. Атмосфера вторично излучает некоторую часть своего тепла обратно в космос. Если бы не огромное количество тепла, которое передается в атмосферу в результате ядерных реакций деления и синтеза и сжигания ископаемого топлива, Земля поддерживала бы температурное равновесие с космическим пространством на постоянном уровне. Иначе говоря, без этого освобождения энергии человеком Земля повторно излучала бы тепло в космос с той же скоростью, с какой она получает его от Солнца. В противном случае, средняя температура Земли меняется, становясь либо выше, либо ниже, пока не достигается равновесие.

Имея в виду это обстоятельство, многие подвергают сомнению целесообразность собирания солнечной энергии для использования потом с целью выработки электроэнергии или отопления зданий. К счастью, влияние этой деятельности на температуру Земли ничтожно. В течение очень короткого периода времени, обычно самое большее 2 или 3 дня, используемая солнечная энергия (например, для отопления здания) преобразуется в тепло, которое в конечном счете переносится в атмосферу (например^ вследствие тепловых потерь через стены здания).

Определенные участки земной поверхности испытывают температурные колебания в широких пределах, однако большая теплоаккумулирующая способность Земли (и атмосферной оболочки) не дает поверхности Земли слишком охладиться ночью и перегреться днем. Из-за большой теплоаккумулирующей способности Земле требуется долгое время для охлаждения после захода солнца и долгое время для прогревания после его восхода. Этим объясняется тот факт, что полуденные температуры выше утренних, несмотря на примерно равные количества солнечной радиации в оба периода времени. Этим же объясняется сдвиг во времени между земными и солнечными сезонами. Серединой лета для Солнца является летнее солнцестояние - примерно 21 июня в северных широтах, однако самая теплая погода обычно бывает в июле и августе.

Строительное проектирование должно основываться на аналогичных принципах. Оно не должно «замечать» резкие изменения погоды от часа к часу или от холодных ночных часов к теплым дневным. По возможности оно даже не должно «замечать» более резко контрастируемых летних и зимних экстремумов.

Существуют бесчисленные примеры архитектурных решений, выполненных с учетом местных условий и основанных на этих критериях. Хорошо известным примером является тяжелая глинобитная постройка «индейского пуэбло», характерная для юго-запада США.

пуэбло
Индейское поселение Таос-Пуэбло, США, штат Нью Мексико

В течение дня толстые стены из затвердевшей глины накапливают солнечное тепло, преграждая ему путь внутрь дома. Ночью, когда температура в пустыне резко падает, накопленное тепло обогревает внутренние помещения. Теперь уже стены накапливают прохладу ночного воздуха для того, чтобы охлаждать дом в течение дня.

Здания, строящиеся из таких тяжелых материалов, как камень и бетон, будут вести себя подобным образом во многих климатических зонах. Помимо устранения влияния суточных колебаний в проекте должно предусматриваться, чтобы здание самомодулировалось и «не замечало» крайностей времен года.

Например, в пещерах круглый год наблюдается довольно постоянная температура и влажность. Аналогично этому здания, покрытые слоем земли, со стенами, заваленными снаружи землей или вплотную примыкающие к склону холма, будут меньше подвержены сезонным температурным колебаниям. В то же время здание должно проектироваться так, чтобы иметь возможность реагировать на внешнюю среду и другими способами.

В солнечные зимние дни здание должно в некотором смысле «раскрываться», чтобы впустить внутрь солнечную радиацию, а затем «наглухо закрываться», как кокон, чтобы удержать полученное тепло. В летние дни оно должно «закрываться», чтобы уберечься от жары, а ночью «раскрываться», чтобы впустить прохладный ночной воздух. Если здание спроектировано правильно, оно будет функционировать подобно солнечному коллектору, собирая тепло, когда светит солнце, и сохраняя его для дальнейшего использования.

Здание прекращает работать как коллектор, когда в аккумуляторе накапливается достаточно тепла или когда поступление солнечной энергии прекращается. Например, в летний день коллектор здания не должен работать, так как отопление не требуется.

Но он способен работать в обратном порядке как радиатор, прогоняя теплоноситель через здание, как если бы оно «раскрывалось» на ночь. Важность проектирования здания с учетом взаимодействия с климатом, мощное воздействие которого оказывает большое влияние на здание как жизнеобеспечивающей системы, невозможно переоценить.

Исключительно важно, чтобы методика использования солнечной энергии правильно оценивалась с позиций вышеизложенного. Это заставит нас обратиться прежде всего к наиболее простым методам изучения солнечной энергии без применения сложного и специализированного оборудования и технологии. Среди специалистов, занимающихся солнечной энергией, эти методы получили название технологии слабого воздействия и пассивных.

Это значит, что конструкция имеет мало подвижных частей и что не применяются механизмы управления и специальное оборудование, подобное используемому в космической программе или требующее массового производства.

Если же такое оборудование применяется, то оно является лишь дополнением к другим компонентам этой эффективной и в то же время простой системы.

Проектировщики таких систем считают, что контроль со стороны человека часто более надежен, чем контроль автоматический. Если же оказывается, что это не так, то этот контроль, по крайней мере, более гибок в отношении способностей удовлетворить потребности живущих в доме. Кроме того, проектировщики должны тщательно сопоставлять потребление энергии и наличие ресурсов при производстве этих систем и материалов с экологическими выгодами при их применении. Одной из самых наглядных иллюстраций преимуществ контроля со стороны человека по сравнению с автоматикой является применение открываемых или неоткрываемых окон в зданиях.

Все больше новых зданий имеют окна, которые невозможно открыть вручную изнутри; такие окна получили наименование «неоткрываемых». Существует мнение, что внутренний климат здания более эффективно контролировать с помощью автоматов, чем людьми, живущими или работающими в нем.

Автоматы призваны обеспечивать условия, которые для человека в среднем считаются наиболее комфортными. Но существует несколько «средних» людей: многие испытывают неудобство в «средних» условиях и еще большее число чувствует себя неуютно, если эти автоматы неудачно сконструированы или часто выходят из строя.

Когда выходят из строя системы кондиционирования воздуха (обычно в самую жаркую погоду) в зданиях с неоткрываемыми окнами, люди внутри не имеют возможности впустить прохладный наружный воздух и вынуждены ждать, когда будет отремонтировано оборудование.

Поэтому наилучшим способом использования энергии солнца для отопления явится проектирование и эксплуатация здания, играющего роль естественного солнечного коллектора, по возможноети без применения специальных технических средств. Для достижения этой цели необходимо, чтобы здание удовлетворяло трем основным требованиям.

1. Здание должно выполнять функции солнечного коллектора. Оно должно впускать солнечные лучи, когда требуется тепло, и препятствовать их проникновению, когда такой потребности нет. При необходимости здание должно также впускать внутрь прохладу. Это осуществляется главным образом путем ориентации и проектирования здания так, чтобы дать возможность лучам солнца проникать через ограждающие конструкции и окна зимой и не допускать этого летом, используя для этого такие затеняющие средства, как деревья, навесы, жалюзи и многие другие способы.

2. Здание должно быть солнечным аккумулятором. Оно должно сохранять тепло, чтобы его можно было использовать в прохладное (и холодное) время, когда солнце не светит, а также хранить прохладу во время теплых (и жарких) периодов, когда солнце светит. Наиболее эффективны в этом отношении здания; построенные из тяжелых материалов, таких, как камень и бетон.

3. Здание должно быть хорошей тепловой ловушкой. Оно должно эффективно использовать тепло (или прохладу) и терять его очень медленно. Это осуществляется главным образом путем снижения тепловых потерь здания благодаря эффективному применению изоляции, уменьшению инфильтрации воздуха и устройству ставней. Каждая из этих особенностей здания будет рассмотрена в следующих трех частях.

Поскольку основное внимание в этой книге уделяется отоплению, охлаждение будет рассмотрено не столь подробно. Теория тепловых явлений довольно подробно излагается в разделе ресурсов и поэтому в этой части рассматриваться не будет, за исключением нескольких основных положений. Физиологические факторы, влияющие на комфорт человека, также будут рассмотрены в разделе ресурсов, основными из которых являются: выделение и регуляция тепла в теле человека; потери тепла и влаги человеком; влияние холодных и горячих окружающих человека предметов; стратификация воздуха и величина эффективной температуры (сочетание влияний параметров воздуха, включая температуру, содержание влаги и характер движения).

Существует много других факторов, которые влияют на величину потребления энергии в здании помимо его потребностей в отоплении и охлаждении, а именно: вентиляция и движение воздуха внутри здания; очистка этого воздуха (особенно в городских зданиях); контроль влажности этого воздуха; использование энергии для освещения, для работы насосов, вентиляторов, механизмов управления и другого механического оборудования, а также наличие внутренних специальных помещений в здании (например, кладовых комнат и лестничных клеток в холодном северном торце здания).

Поскольку проектировщики стремятся обеспечить комфорт для человека, постольку пользователи зданий должны участвовать в их эксплуатации.

Благодаря объединенным усилиям проектировщиков и пользователей потребление ископаемого топлива будет уменьшено, что способствует снижению его стоимости и уменьшению загрязнения окружающей среды.

Среди простых средств снижения потребления топлива при участии пользователя можно отметить такие, как выключение термостата когда возможно, задергивание занавесей, опускание затеняющих штор закрывание жалюзи и ставней; установка зимних оконных переплетов; устройство нащельных реек на окнах и дверях; поддержание чистоты и эффективности работы отопительного котла, установка зимой временных щитов для защиты от ветра. Очевидно, что усилия пользователей-владельцев уменьшить потребление энергии будут способствовать расширению эффективного использования солнечной энергии.

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