Курс солнечного дизайна

 

   Тепло зимой - прохладно летом, именно так должно быть в доме, о котором мы мечтаем, верно? И все лишь выиграют, если для его охлажде­ния или обогрева потребуется мини­мум энергии. Этого можно достичь при помощи пассивного солнечного дизай­на. Использовав то же количество строительных материалов и труда, вы можете выстроить энергоэффектив­ный, светлый, недорогой в эксплуата­ции дом или дом, потребляющий мно­го энергии, дорогой в эксплуатации, мрачный и похожий на пещеру.

 

   Оче­видно, жить значительно приятнее в теплом, светлом и недорогом в доме, а все эти преимущества вы оцените вдвойне, если однажды решите его про­дать. О правилах постройки такого до­ма рассказывает американец Джим Кахадориан  в своей статье «Дом с пассивным солнечным обогревом», перевод которой мы предлагаем вашему вниманию.

 

   Пассивный солнечный дизайн

   Летом 1973 года экономика Соединенных Штатов переживала необычайный подъем. Все мы носились по хайвеям со скоростью 120 километров в час, на грани допустимого предела. Бензин стоил 8 центов за литр. В том году мы с женой Лин купили милый старый домик в Вер­монте, который отапливался угольным котлом, переделанным под жидкое топливо. В основа­нии этот котел составлял метр на два, и когда он работал, дом буквально ходил ходуном. Горя­чую воду для повседневных нужд мы получали прямиком из котла, поэтому вынуждены были пользоваться им круглый год. Всякий раз, когда нам нужна была горячая вода, мы включали котел в подвале. Каждый год мы сжигали около 9500 литров топлива, а в холодные зимние месяцы нам приходилось заказывать топливо каждые две недели.

 

   Так как у нас не было иного пути для обогрева дома, в холодные вермонтские зимы мы полностью зависели от прожорливого монстра и от поставщиков топлива. Единственным альтер­нативным источником тепла был камин. И хотя это очень красиво, в действительности камин забирал тепла гораздо больше, чем давал.

 

   В то время я был вице-президентом и генеральным менеджером предприятия по изготовле­нию каркасных конструкций для строительства домов. Как и большинство строителей, я разде­лял общепринятое мнение, что работа подрядчика состоит в том, чтобы установить в доме та­кую систему обогрева, которую желает иметь хозяин. Как дизайнеры и строители мы не несли ответственности за этот аспект строительства. Более того, в те дни местные условия, а именно особенности участка и сезонный угол подъема солнца над горизонтом, практически не учитыва­лись при планировке дома. Наши комплекты для строительства каркасов были снабжены эти­кетками «фасад», «задняя сторона», «правая сторона», «левая сторона», а не «южная сторона», «северная», «западная», «восточная». Мы практически никогда не давали советов по располо­жению будущего дома, только оговаривали, что нам понадобится достаточная по размеру пло­щадка, чтобы мог развернуться трактор или грузовик. Наши дискуссии в области дизайна редко затрагивали проблему энергоэффективности. Мы обсуждали в основном лишь то, как будет выг­лядеть дом, например, будут у него обычные или высокие потолки.

 

   Дело в том, что тогда мы еще не относились к дизайну и строительству интегрировано и осознанно. Тогда мы еще не усвоили, что все аспекты дизайна должны быть скоординирован­ными, и что каждый член команды дизайнеров, включая будущего жильца, должен думать о том, как дом будет обогреваться или охлаждаться, с того самого момента, как они впервые шаг­нули на строительную площадку. Как обществу, нам удалось «забыть» определенные основопо­лагающие законы строительства в гармонии с солнцем, временами года и ландшафтом — зако­ны, которые составляют основу многих архитектурных традиций на протяжении многих веков.

 

   Должен быть иной  путь

   Осенью 1973 года разразился международный кризис, который навсегда изменил отношение американцев к расходам на обогрев жилища. В ответ на победу Израиля в «Шестидневной вой­не» арабские страны — производители нефти, подняли цены, а затем инициировали эмбарго и прекратили поставки нефти Соединенным Штатам. Эти события привели к тому, что стало извес­тно как «энергетический кризис».

 

   В годы, последовавшие за этим кризисом, было предложено множество замечательных идей относительно солнечной энергии. Были проведены конференции по солнечной энергии, и люди поверили множеству статей в популярных изданиях, описывавших принципы нового солнечно­го дизайна. Эти коллективные усилия дали более чем положительный результат. Множество новых идей было испытано и проверено, некоторые из них признаны успешными. Строитель­ные стандарты в области энергоэффективности, предложенные в то время, сейчас стали общеп­ринятыми. Например, стеклопакеты сейчас используются повсеместно для остекления окон и дверей. В настоящее время теплоизоляционная способность крыш по строительным нормам дол­жна быть в 1,5 раза выше, чем до кризиса. Сейчас уже повсеместно используется новая и усовер­шенствованная, высокоэффективная гидроизоляция, например, материалы для наружной отделки Тураг и Tyvec. Домашнее оборудование также стало более эффективным. Кардинальные изме­нения претерпела система обогрева. Обобщая, следует заметить, что сейчас мы строим прекрас­ные энергоэффективные дома во многом благодаря встряске, которую пережили зимой 1973-1974 годов.

 

   Результатом этих возросших требований явилось то, что в настоящее время для строителей домов стало чрезвычайно выгодно в экономическом и практическом отношениях использовать древнее искусство пассивного солнечного дизайна. Фактически лишь разместив дом так, чтобы он получал наибольшее количество солнечной энергии, использовал энергию основных ветров и преимущества существующих особенностей ландшафта, таких как тень от деревьев или естес­твенные ветроломы, современный строитель может построить дом, который большую часть го­да будет сам себя обогревать и охлаждать, истратив при этом средств не больше, чем на строи­тельство такого же по размеру дома, но без пассивного солнечного обогрева. Но даже не смотря на одинаковую начальную цену, обычный дом со временем будет стоить вам гораздо дороже, потому что вы вынуждены будете оплачивать потребности его ненасытной отопительной систе­мы, потребности электроприборов и системы охлаждения.

 

   Почему боятся солнца?

   Несмотря на то, что мы стоим на рубеже третьего тысячелетия, кажется, большинство из нас страдает от коллективной амнезии. Мы продолжаем импортировать более половины нужной нам нефти из зарубежных источников. И количество импорта возрастает. Коммунальные служ­бы Вермонта недавно предложили вознаграждать тех потребителей, которые в текущем году использовали больше электроэнергии, чем в прошлом (к счастью, проект не приняли). Мы что, мчимся к новому энергетическому кризису?

 

   Из моего более чем двадцатилетнего опыта строительства домов с пассивным солнечным обогревом я определил, что люди отказываются строить такие дома по четырем основным при­чинам:

 

1 - Они боятся, что дом будет слишком тёплым.

2 - Они боятся, что дом будет слишком холодным.

3 - Они боятся, что такой дом по определению будет выглядеть футуристично, угловато и неуклюже.

4 - Они боятся, что для такого дома понадобятся дорогие и ненадежные приборы и материа­лы, стены будут целиком из стекла, а выкрашенные в черный цвет коллекторы  будут прикреплены к каждой стене и стропилине.

 

   Ни один из этих страхов не обоснован. Дизайн и технологии строительства, наиболее часто применяемые в наше время, тщательно разработаны и приспособлены для строительства сол­нечных домов в традиционном стиле без привлечения дополнительных средств на строительст­во. Суть нашего подхода — это новое отношение к материалам, которые используются для стро­ительства любого дома.

 

   Но гораздо важнее специальных материалов или особенных элементов обыкновенный здра­вый смысл и внимательное отношение к тому, что было, есть и будет на месте, где предстоит стоять вашему дому. Откуда встает солнце в вашей местности в разное время года? Откуда дуют основные ветры, и как дом можно укрыть от зноя, чтобы система вентиляции работала наиболее эффективно?

Давайте рассмотрим десять основных принципов солнечного дизайна. Вы поймете, что на самом деле это очень логичная, стройная и простая система.

 

   Солнечный принцип №1

   Правильно разместите дом, учитывая то, как солнце освещает участок. При помощи компаса найдите юг. А потом, после тщательных наблюдений, разместите дом так, чтобы он мог получать солнечные лучи с востока, юга и запада в течение как можно бо­лее длительного отрезка времени. Примите в рас­чет особенности ландшафта, такие как деревья и особенности рельефа, которые могут защитить дом от суровой погоды или ветра зимой, или укрыть его от слишком яркого солнца летом.

 

 

 

 

 

   Солнечный принцип №2

   При разработке дизайна учитывайте годич­ный цикл. Дом должен быть удобным как зимой, так и летом. Разрабатывая дизайн солнечного дома, тщательно изу­чите угол подъема солнца в разное время года и другие сезонные циклы. Прежде чем утвердить план строительс­тва, побывайте на участке в разное время года и в разное время дня и обратите внимание на солнце, ветер и пого­ду в целом.

 

   Солнечный принцип №3

   Предусмотрите достаточное количество термической массы, чтобы собирать солнечное тепло днем и использовать ночью. Продумайте, как разместить в доме термонакопители, чтобы эффективно собирать свободную солнечную энергию, когда она поступает в дом зимой, и чтобы избежать перегрева. Термическая масса, правильно подобранная по размеру, позволит достичь температурного баланса, что обеспечит потребности дома в тепле в течение ночи. Летом эта же термическая масса служит для охлаждения дома, играя роль буфера: поступающее тепло будет поглощаться в течение дня, а ко времени, когда масса разогреется, день подойдет к концу и собранное тепло можно «нейтрализовать», раскрыв окна и усилив циркуляцию воздуха в доме в течение ночи.

 

   Солнечный принцип №4

   Используйте надежную тепло- и гидроизоляцию. Стены и крыши должны быть хорошо сконструированы и долж­ным образом изолированы. Современные требования для изоляции стен и крыш очень хорошо применимы к солнечным конструкциям. Тщательно устанавливайте и закрепляйте гидроизоляцию на внутрен­них сторонах стен, потолочных перекрытиях и\или крышах, чтобы предотвратить проникновение влаги из окружающей среды в изоли­рующий слой и остановить тепло стремящееся вырваться наружу в направлении более холодной среды. Оборудуйте вход по принципу тамбура с двумя дверями.

 

   Солнечный принцип №5

Превратите окна в солнечные коллекторы и приспособления для охлаждения. Идея вполне очевидная, но многие на очевидное внимания не обращают и кучу денег тратят на при­обретение, обеспечение и ремонт отопительных сис­тем и кондиционеров, чтобы выполнять ту же функ­цию, которая вполне по плечу высококачественным и хорошо продуманным окнам. Вертикальное, ори­ентированное к югу остекление особенно эффектив­но для сбора солнечного тепла зимой. Эти же окна будут впускать гораздо меньше жаркого воздуха ле­том, так как угол подъема солнца над горизонтом летом значительно больше, чем зимой. Для жарких регионов можно порекомендовать применение ко­зырьков или выступающих конструкций над окна­ми, которые летом будут препятствовать проникно­вению солнечных лучей в дом, а зимнее солнце смо­жет беспрепятственно освещать и обогревать поме­щение тогда, когда это нужно больше всего. Исполь­зуйте шторы из теплоизолирующего материала, что­бы свести к минимуму ночные теплопотери в тече­ние зимы, и не допускать чрезмерного нагревания весной, летом и осенью. Через окна можно также вы­пустить излишнее тепло и впустить в дом прохлад­ный ветерок.

 

   Солнечный принцип №6

   Не переостеклите. Предусмотрите достаточно окон, чтобы было светло и свежий воздух мог проникать в дом для про­ветривания, но не совершайте типичной ошибки, ко­торая состоит в том, чтобы остеклить как можно боль­шую площадь стен дома. Переостекленный дом бу­дет перегреваться. Как уже указывалось в пятом прин­ципе, разместите окна в основном с южной стороны и некоторое количество с западной и восточной сторо­ны, а с северной стороны только самые необходимые окна, чтобы мог проникать свет и свежий воздух.

 

   Солнечный принцип №7

   Не злоупотребляйте размерами вспомогательной сис­темы обогрева и кондиционирования. Размер вспомогательной отопительной системы определи­те, исходя из основных ежедневных потребностей дома в тепле и прохладе. Хорошо изолированный дом с правильно разме­щенной термальной массой и окнами, нуждается в гораздо менее мощной вспомогательной системе обогрева, чем можно се­бе представить. Планируя системы дополнительного обогрева и охлаждения, примите в расчет солнечную энергию, ветры и тень. Не перегружайте дом нефтяными, газовыми или электри­ческими обогревателями, так как эти приборы неэффективны и неэкономичны, если они включаются периодически и рабо­тают не в полную мощность. Не завышайте мощность кондиционера, так как он тоже дорог в эксплуатации при работе не в полную мощность. Помните, что специалист по отопительным и вентиляционным системам, предлагая вам систему на выбор, может исходить из «наихудшей ситуации», а также может не иметь опыта работы с солнечной энергией.

 

   Солнечный принцип №8

   Обеспечьте соответствующую вентиля­цию дома без ущерба для его теплоизолирующих качеств. Чтобы обеспечить хороший и качественный воздух в хорошо изолированном и тщательно спла­нированном доме, необходимо предусмотреть пос­тоянный источник свежего воздуха, способный обеспечивать ежечасную смену его объема, экви­валентного двум третям объема здания. Этот воз­духообмен должен происходить через специальные отверстия во внешних стенах с вмонтированными вентиляторами в кухне и ванной, а не через щели в плохо изолированных дверях и окнах.

 

   Солнечный принцип № 9

   Используйте те же материалы, которые вы бы использовали для строительства обычного дома, но так, чтобы это было наиболее энергетически эффективно. Используя те же самые строительные материалы, мож­но построить и энергетически эффективный, светлый и удобный в эксплуатации солнечный дом, и темный и до­рогой в эксплуатации дом с неутолимыми энергетичес­кими потребностями. При разработке дизайна солнечно­го дома материалы используются так, чтобы послужить двум целям — максимально использовать солнечную энергию а также удовлетворить архитектурные и эстети­ческие требования. Например, большинство окон дома размещаются на южной стороне. Чтобы построить тща­тельно спланированный и разработанный солнечный дом, нужно столько же денег, как и для строительс­тва обычного дома такого же размера.

 

   Солнечный принцип №10

   Помните, что принципы солнеч­ного дизайна совместимы с различ­ными стилями архитектуры и стро­ительными техниками. Для того, чтобы быть удобным круг­лый год, солнечный дом не должен выг­лядеть странно, также как для его стро­ительства не нужно сложное, дорогое и неудобное в использовании оборудова­ние. В солнечном дизайне гораздо боль­шую роль играет тщательное планиро­вание и внимательное отношение к окру­жающей среде, по сравнению со специ­альными технологиями и оборудовани­ем. Многие тысячи лет древние культу­ры использовали солнце и другие при­родные источники, чтобы обеспечить круглогодичный обогрев и охлаждение: следует лишь вспомнить такие древние примеры, как пуэблос (разновидность землебитных сооружений - ред.) на Юго-Западе США и подобные земляные сооружения в Се­верной Африке и на Ближнем Востоке. Постройте ваш дом в том стиле, который вам нравится, но воспользуйтесь принципами солнечного дизайна для размещения окон, термальной массы и изоляции, чтобы получить максимальный положительный эффект от солнечной энергии.

 

   Принцип пассивного солнечного обогрева

 / - Тепло, образуемое от нагревания бетона солнцем

 

   Идея создания первого солнечного коллектора, состоящего из ориентированной к югу стек­лянной стены с воздушным пространством между ней и бетонной стеной, выкрашенной в черный цвет, приписывается французскому инженеру Феликсу Тромбу. Солнечная энергия проникает сквозь стекло и поглощается черной стеной (рис 1). По мере нагревания стены воздух в пространстве между стеной и стеклом начинает подниматься. Прямоугольные отверстия сверху и снизу стены Тромба позволяют теплому воздуху циркулировать в пределах жилого пространства. Это движение воздуха называется термосифоном. Ночью стена, выкрашенная в черный цвет, освобождает или отдает свое тепло.

 

   К сожалению, ночью процесс может идти вспять- теплый воздух из жилого помещения начнет перемещаться в прост­ранство между стеной и стеклом и таким образом охлаждать­ся. Этот охлажденный воздух будет опускаться к полу и в свою очередь вытеснять теплый воздух из жилого пространства. Чем холоднее снаружи, тем энергичнее термосифон Тромба будет работать в обратном направлении. Единственный спо­соб контролировать потери тепла — это механически перек­рывать на ночь прямоугольные отверстия, а затем, когда взой­дет солнце, вновь открывать их.

 

   Стена Тромба — это модель №1 в пассивном солнечном дизайне. И хотя она очаровывает своей простотой и надеж­ностью, эта модель претерпела множество изменений и сов­ременных усовершенствований. И даже если классические стены Тромба редко используются в современном строительстве, они иллюстрируют основные принципы, которые лежат в основе сол­нечного дизайна: система не требует ни движущихся частей, ни оператора, чтобы включать и выключать мотор, ни системы контроля. Правильно скон­струированная, она будет собирать и сохранять солнечную энергию, а по­том отдавать тепло жилому пространству, даже когда солнце уже скроется за горизонтом.

 

   Активный солнечный коллектор и другие активные системы, в отличие от пассивных систем (таких как та же стена Тромба), которые сами собирают, сохраняют и отдают помещению теп­ло, состоят из приспособлений, которые организуют процесс передачи тепла. Активные систе­мы также требуют дополнительных расходов, то есть средства сверх тех, которые требуются для обычного строительства. Активные системы не будут работать без насоса или дутья. Сол­нечные коллекторы в основном размещаются на крыше. Вода, разогретая в коллекторе, по тру­бам направляется в специальный бак, а оттуда по мере необходимости подается с помощью насоса. Эти системы не будут действовать сами по себе: они нуждаются в ком-то, кто должен будет включать насос или вентилятор, чтобы механически вызвать циркуляцию воды.

 

   «Пассивная» стена Тромба и система активного солнечного коллектора являются базовыми технологиями, на основе которых строятся системы солнечного обогрева, от простых до самых сложных.

 

   Придерживайтесь простого  и позвольте природе помочь вам

   Самые распространенные системы по сбору солнечной энергии очень просты, пассивны и не требуют дополнительных средств. Рассмотрим материалы, которые обычно приобретают для строительства дома, не зависимо от того, какой это будет дом. Нам нужен бетон, чтобы постро­ить фундамент дома и все мы любим окна и веранды. Эти же элементы, использованные долж­ным образом, становятся важными частями дома, обогреваемого и охлаждаемого естествен­ным образом. Также важно еще до утверждения окончательного проекта и макета не забыть внимательно изучить особенности участка, потому что для естественного обогрева и охлажде­ния дома очень многого можно достичь правильно сориентировав и разместив дом. Начнем с того, что определим сторону дома, которая будет ориентирована к югу. Для боль­шей наглядности давайте разместим наш дом в Хартфорде, штат Коннектикут, который нахо­дится на 40 градусе северной широты. Если дом будет ориентирован точно к югу, он будет полу­чать максимальное количество солнечной энергии. Но по мере отклонения оси дома от южной ориентации количество получаемой солнечной энергии будет уменьшаться.

 

   На рисунке изображена диаграмма, на которой по­казано соотношение угла отклонения оси дома от южной ориентации и количества получаемого теп­ла в солнечный февральский день для дома, пост­роенного в Хартфорде.

 

   Как вы видите, количество получаемой энергии значительно уменьшается по мере отклонения до­ма от южной ориентации. Но при отклонении в пре­делах двадцати градусов потери солнечной энергии минимальны, и их можно компенсировать, исполь­зовав особенности рельефа, такие как склоны и естественные неровности.

 

   В идеале с северной стороны участка должен быть ветролом из вечнозеленых деревьев и склона холма. Такой естественный ветролом будет защи­щать дом от холодного северного ветра и непого­ды. Листопадные деревья на востоке, юге и западе будут затенять дом летом, а зимой, сбросив листья, позволят солнцу обогревать дом.

 

   Изучите свой участок

   Побольше времени проводите на вашем участке. Побывайте там в разное время года, чтобы изучить сезонные особенности солнечного освещения. Есть смысл встретить восход и закат в разное время года. Обратите внимание, откуда дуют основные ветры. Отметьте контуры вашего будущего дома на земле при помощи колышков и веревки, а потом вообразите, какой вид будет из каждого окна. Вдобавок к солнечной ориентации обрати­те внимание на подъезды, вид, особенности погоды, толщину снежного покрова, энергообеспе­чение, направление стока и характер водоемов.

Длинная сторона солнечного дома должна быть ориентирована с запада на восток так, что­бы как можно большая площадь поверхности дома могла освещаться солнцем. Если ваш новый дом составляет 8 на 16 метров, ориентируйте 16-тиметровую сторону с востока на запад.

 

   Используйте окна в качестве солнечных коллекторов

   Если вы разместите большинство окон и веранд на восточной, южной и западной стенах дома, они смогут функционировать в качестве солнечных коллекторов и кондиционеров, со­бирая солнечную энергию, когда дом нуждается в обогреве, и впуская свежий воздух, когда необходима прохлада. Многие видели изображения солнечных домов с огромными окнами с южной стороны, установленными под прямым углом к солнечным лучам. Но давайте вспом­ним, что нам нужно, чтобы наш дом был удобен в течение всего года. И хотя наклонные окна более эффективны для сбора тепла в зимние месяцы, они очень неудобны летом, и из-за них жилое пространство будет перегреваться. Разрабатывая дизайн дома, очень важно принять в расчет изменение в интенсивности солнечного излучения и угол подъема солнца над горизон­том в зависимости от сезона.

 

   Рисунок показывает угол подъема солнца над горизонтом в разное время года на 40 граду­се северной широты - 21 декабря, 21 марта и 21 июня. В декабре низкие лучи солнца попадают в вертикальные окна, обращенные к югу, практически под прямым углом, и теперь мы еще раз видим, как важно ориентировать дом точно к югу.

21 марта и 21 июня, как показано на иллюстрации, увеличивается длина светового дня и высота подъема солнца над горизонтом. Так 21 марта солнце поднимается над горизонтом под углом 50 градусов, а 21 июня под углом 73,5 градуса.

 

   Разрабатывайте дизайн с учетом годового цикла

 

   В северных штатах, например в Вермонте, в день зимнего солнцестояния солнечный луч, проникающий в дверь веранды, ориентированной к югу, будет проникать в дом на 7 метров. В день же летнего солнцестояния луч проникнет в дом всего на несколько сантиметров.

 

 

   Зубной врач из Нью Хемпшира укрепил маленькое круглое зеркало дантиста на пороге две­ри веранды, ориентированной к югу и каждый день в пол­день отмечал на потолке точку, куда попадал отраженный луч. Как вы думаете, что за фигура образовалась на потол­ке через год? Продолговатая восьмерка. Самая приближен­ная к южной стене точка была поставлена в день летнего солнцестояния, а наиболее удаленная, в день зимнего солн­цестояния.

 

   Давайте вообразим окно, ориентированное к югу, в сол­нечный полдень. Если вы посадите листопадное дерево с южной стороны вашего дома, зимой солнце будет освещать окно беспрепятственно, так как листья опадут. Летом же крона дерева будет поглощать большую часть солнечной энергии. Сажайте листопадные деревья на расстоянии от дома, исходя из размера взрослого дерева и ширины расп­ространения кроны. Если на вашем участке уже растут лис­топадные деревья, вырубите лишь те, которые непосредст­венно мешают строительству вашего дома (не забудьте получить необходимое разрешение если этого требует местное законодательство - ред). Затем проредите кроны деревьев, но лишь после того, как изучите особенности освещения участка и зимой, и летом.

 

   Помните, что из-за большого угла подъема солнца летом, практически все его тепло будет отражаться от вертикального стекла, ориентированного к югу, тогда как зимой лучи будут осве­щать ваш коллектор практически под прямым углом. Этот «прибор» под названием солнечный дом будет включаться автоматически в холодные зимние месяцы и выключаться летом так, что­бы количество собранной солнечной энергии для обогрева было максимально, когда вам это наиболее необходимо, и минимально, когда лишнее тепло причиняет дискомфорт. Если вам удалось уловить эту основную динамику, значит, природа будет работать на вас.

 

   Таблица 1 показывает количество энергии, получаемое вертикальным стеклом, ориентиро­ванным к югу, северу и востоку/западу, а также горизонтальным стеклом в солнечный полдень на 40 градусе северной широты. Как вы видите, количество энергии, получаемое вертикальным стеклом, обращенным к югу в декабре или январе практически вдвое больше, чем в июне. Обратите внимание, как отличается график для стек­ла, ориентированного к югу от остальных.

 

Таблица 1. Различные виды остекления для 40 градуса северной широты

 

1. Южное остекление

2. Горизонтальное остекление

3. Восточное и западное остекление

4. Северное остекление

 

   А что же с окнами, ориентированными к запа­ду или востоку? Мы пели дифирамбы южным окнам, но в начале и в конце отопительного сезона окна, ориентированные к востоку или западу, так­же могут выполнять роль эффективных солнечных коллекторов. Однако из-за того, что когда солнце восходит, его угол перпендикулярен восточному окну, а когда солнце садится, то он перпендикуля­рен западному, западные и восточные окна в ка­честве солнечных коллекторов не «отключаются» автоматически летом. Поэтому место, где постро­ен дом, это основной фактор, от которого зависит размещение и количество западных и восточных окон. Например, солнечный дом, находящийся в центральной Калифорнии, который нужно охлаж­дать в течение лета, должен иметь меньше запад­ных и восточных окон, чем дом, размещенный в северном штате Вашингтон.

 

   Возможно, вы захотите снабдить хотя бы некоторые окна шторами из тепло-изолирующего материала: хоть они прекрасно впускают тепло днем, ночью это же тепло через них и уходит. Изоляция на окнах также может не пропускать теп­ло снаружи в слишком жаркое время. Широкие свесы крыши, карнизы или съем­ные тенты, которые затеняют ваши окна в наиболее жаркое время года, это еще одна техника, позволяющая уменьшить количество тепла, проникающего в дом. Теперь, когда вы узнали, как эффективно окна и двери веранд работают в качестве солнечных коллекторов, вы поняли, почему я обращаю внимание на то что при строительстве используются те же компоненты, которые вам приш­лось бы приобрести при сооружении любого дома, но конструкция создается таким образом, чтобы обеспечить автоматическую работу сис­темы солнечного обогрева.

 

   Пассивный и активный   солнечный обогрев

   Трудно собрать стакан воды, когда моросит

 

   Бетон и бетонные блоки — еще один важный материал для строительства нового дома. Для того, чтобы накапливать тепло, необходима термическая масса, иными словами, мате­риал, способный хранить тепло. В активных солнечных сис­темах в половине случаев выбор падает на воду. Бетон име­ет почти вдвое меньшую способность к теплопередаче, по сравнению с водой, но тут также есть и преимущество: строя новый дом, вы уже так или иначе вынуждены приобретать его тоннами. Использованный должным образом бетон ста­новится важнейшей составляющей системы обогрева и охлаж­дения солнечного дома.

 

   Системы обогрева, как правило, проектируются по прин­ципу передачи тепла от более теплого объекта более холод­ному. Типичный обогреватель разогревает воздух до темпе­ратуры 60 градусов, и горячий воздух доставляется в комна­ты по трубам. Когда термостат, установленный в жилом по­мещении, фиксирует температуру 20 градусов, или иную, уста­новленную заранее, печь выключается. Тепло было передано от горячего предмета (печь температурой 60 градусов) холод­ному предмету (дом температурой 20 градусов). Разработка обычной системы обогрева представляет собой обычную проблему, которая и решается обычным способом: определя­ется размер теплопотери дома, затем размер печи и трубопровода, чтобы обеспечить постоянные или «по требованию» поставки потерянного тепла.

 

   Активные системы видны сразу (котлы, печи, трубы или радиаторы), тогда как элементы пассивного накопления и сохранения тепла зачастую едва заметны. Вначале дизайнеры копи­ровали элементы активных, классических систем обогрева. Внешние солнечные коллекторы нагревались до высоких температур, а затем при помощи труб тепло передавалось дому, где оно сохранялось в каменных или водяных массах. Такие активные системы очень сложны, и с ними часто возникают механические проблемы. Оборудование достаточно дорогое, а системе необходим периодический ремонт и источник энергии для работы. Иногда активные солнеч­ные системы не оправдывают себя в финансовом отношении.

 

   «Солнечная энергия» — это бесплатное тепло, которое дает нам Солнце. Солнечный свет присутствует везде, но он рассеян. Системы, в которых используется каменная масса или ре­зервуары с водой в качестве попытки сконцентрировать рассеянную энергию, являются однов­ременно сложными и дорогими. Солнечную энергию можно сравнить с мелким моросящим дождем: в воздухе тонны воды, но очень трудно собрать ее хотя бы стакан. Пассивные солнеч­ные системы очень сложны в инженерном отношении: для разработки и вычислений необходи­мо собрать воедино множество элементов. Большинство дизайнеров не любят этот этап рабо­ты, кроме того, часто им не дают всей информации, необходимой, чтобы разработать надеж­ную систему, исходя не только лишь из общего принципа и наихудших возможных условий.

Очень легко вычислить размер печи и трубопровода, необходимых, чтобы при наихудших условиях доставить тепло от печи, температурой 60 градусов в помещение, с температурой 20 градусов. Но точно вычислить, что происходит, когда тепло попадает в дом от солнца, гораз­до сложнее — часть его используется сразу же для обогрева помещения, часть накапливается, а часть теряется снаружи. Более того, все эти процессы подвержены взаимному влиянию.

 

   Солнечный пол

   Стена Тромба, описанная выше, привлекает своей простотой, но эстетически отталкивает. И конечно же фотография выкрашенной в черный цвет бетонной стены с южной стороны дома едва ли появится среди блестящих фото журнала «Лучшие дома и сады» Вдобавок, для стены Тромба необходимо много теплого южного солнца. С технической точки зрения, движение теп­лого воздуха над поверхностью гладкой вертикальной стены порождает ламинарный (пластин­чатый) поток: а именно, у самой стены образуется тонкий пограничный слой воздуха, и теплый воздух, который проходит над этим пограничным слоем, не сможет достаточно эффективно отда­вать тепло бетону. Крыло самолета — это пример поверхности, также образующей погранич­ный слой. В полете, когда крыло проходит сквозь воздух, ему передается очень незначительное количество тепла.

С другой стороны, шероховатая поверхность будет препятствовать току воздуха, порождая завихрения, которые и способствуют лучшей передаче тепла. Представьте ребра радиатора и гладкую трубу у плинтуса. Ребра обеспечивают гораздо большую поверхность на погонный метр, чем обыкновенная труба. Это увеличение площади повер­хности позволяет нагретой воде, находящейся внутри тру­бы, эффективно отдавать тепло воздуху. На этом прин­ципе в основном и базируется конструкция солнечной пли­ты.

 

   Сохранение собранного солнечного тепла

   Тепло солнца приходит к нам в качестве световой энергии. Поскольку стекло пропускает свет, который сквозь стекло и попадает на предметы внутри дома. А так как солнечный свет падает, например, на половое покрытие, покрывающее солнечную плиту, световая энергия превращается  в тепловую. В хорошо изолированном солнечном доме это тепло можно собирать и накапливать. Температура вентилируемой плиты будет повышаться по мере поглощения тепла бетоном. Постольку бетон не имеет изолирующих свойств, то у него нет ни устойчивости, ни предела теплопередачи. Какое угодно количество тепла, переданное вентилируемой плите в любом месте дома, равномерно распространится по всей плите и бетонным блокам.

 

   Правильно спланированный солнечный и дом может ежедневно достигать термального баланса. Энергия, полученная восточными, южными и западными окнами, будет либо непосредственно удов­летворять потребности помещения в тепле, либо поглощаться теплонакопителем первого этажа. Если тепло поступает стишком быстро, чтобы его могла поглотить термальная масса, дом перегре­вается. В этом смысле проектирование системы охлаждения для дома с пассивным солнечным обог­ревом представляет непростую задачу.

 

   Площадь поверхности внутри блока солнечного пола, составляет 2400 квадратных сантимет­ров, тогда как площадь верхней грани 780 квадратных сантиметра. Отношение площади поверх­ности верхней грани к площади поверхности внутри блока составляет 1:3. Это означает, что воздух, проходя через блок, сообщается с поверхностью в три раза большей, чем если бы он просто прохо­дил над плоским блоком. Это отношение и неровная поверхность внутри блока делает солнечный пол эффективным приспособлением для теплообмена.

Вы безусловно сидели, когда-либо, на теплом камне после захода солнца. Он приятный, теплый, и очень медленно остывает. Солнечный пол создает тот же эффект. Помните, что задача дизайнера состоит в том, чтобы печь была задействована минимально. Тепло, собранное на первом этаже жилого пространства и рассеянное по всему дому, может чудесно его обогревать.

 

   Дом должен быть удобным весь день

   Правильно размещенный дом с пассивным солнечным обогревом и правильно определен­ной площадью остекления будет иметь стабильную температуру между 20 — 23 градусами и не будет перегреваться. Дом должен иметь правильное соотношение площади стеклянных сол­нечных коллекторов и размера эффективной массы, собирающей и хранящей тепло. Основная ошибка в солнечном дизайне — это использование слишком большого количества окон. Кажет­ся, люди думают, что если остекление — это хорошо, то чем больше его площадь, тем лучше. Но, переостекление повлечет за собой перегрев днем и слишком большие потери тепла ночью. Фак­тически, в некоторых случаях стоимость ночного обогрева переостекленного дома будет перек­рывать сумму, выигранную при его обогреве в солнечные дни. Теплица — это пример простран­ства, которое перегревается днем и становится очень холодным ночью. С другой стороны, слиш­ком большая термальная масса и недостаточное остекление для сбора тепла сделают дом холод­ным и напоминающим пещеру, в которой никогда не удастся создать комфортную температуру.

Эти моменты особенно важны для северо-востока США, где, к примеру, около 50 процен­тов солнечных дней приходится на зиму и где долгие холодные ночи. Хорошей новостью для северо-востока является то, что во время очень длинного отопительного сезона любая мера по накоплению и использованию бесплатной солнечной энергии влечет за собой ощутимую эко­номию тепловой энергии и средств.

 

   Давайте вернемся к нашему постулату о том, что печь работать не должна. Печь не работа­ет днем, когда солнечный дом собирает и накапливает тепло. Вечером жильцам понадобится очень немного добавочного тепла, чтобы поддержать температуру 20-23 градуса до 22 часов (когда обычно отправляются спать). Топить приходится потому, что температура на первом этаже опустилась до 20 градусов в 17 часов. Печь лишь восполняет разницу между температу­рой солнечной плиты и желаемой температурой. Если температура 20 градусов комфортна, то добавочное тепло не нужно. По мере того как солнечная плита отдает накопленное тепло пер­вому этажу, ее температура начинает понижаться. В 7 утра температура воздуха на первом этаже будет та же, что и температура солнечной плиты в это время. Собранное тепло было отдано дому в течение ночи, и теперь солнечная плита готова поглотить новую порцию сол­нечной энергии. Этот солнечный дом готов эффективно принять любое количество солнечной энергии. Даже если солнце появится из-за облаков всего на несколько минут, дом соберет это тепло.

 

   Вдобавок, солнечный дом может собирать тепло, образующееся при приготовлении еды, освещении и даже тепло человеческих тел. Один из возможных способов обогрева солнечного дома в холодный зимний день это организовать вечеринку и пригласить как можно больше гостей! Помните, тепло передается от теплых предметов холодным. Каждый из нас это ма­ленькая печка с температурой 36,6 градуса.

 

   Помните ли вы старые трактора Джона Дира, которые имели громадный маховик? Малень­кий мотор трактора медленно раскручивал огромные колеса. Но после набора скорости, трактору для поддержания движения нужно было очень небольшое количество энергии. Это явление назы­вается механической инерцией. Движущееся тело не хочет останавливаться. Точно так же солнеч­ный пол обеспечивает термоинерцию для дома, то есть дом «хочет» или стремится поддерживать стабильную температуру, потребляя при этом очень небольшое количество дополнительной энер­гии. Учтя термоинерцию при строительстве солнечного дома мы можем приобрети дополнитель­ную печь небольшого размера, вместо того, чтобы подбирать специальное оборудование для тех редких случаев, когда термическая стабильность дома нарушается из-за необычайно холодной зимы или жаркого лета.

 

   Солнечный дом можно построить где угодно

Все мы слишком часто слышим: «Здесь солнечный обогрев не подойдет». Но как может солнце не работать? И хотя в некоторых районах, как это известно, бывает больше солнечных дней, чем в других, все мы живем в солнечной местности. Разве то, что мы придаем такое зна­чение идеальной ориентации и размещению дома, обозначает, что солнечный дом можно стро­ить лишь при наличии идеальных солнечных условий? Нет. Любое вложение, сделанное солн­цем или ветром для обогрева или охлаждения дома, превратится в экономию топлива и элект­ричества.

 

   Основные принципы хорошего солнечного дома полностью совпадают с требованиями к обычному дому:

- Достичь наилучших результатов и всего максимально возможного как в отношении окру­жающей среды, так и в отношении материалов, которые планируется использовать при строи­тельстве дома.

- Позвольте природе работать на вас, а не против вас.

- Поработайте над тем, чтобы ваша печь и кондиционер не были задействованы, а также попробуйте свести к минимуму пользование системой вспомогательного обогрева, например дро­вяной печью.

 

   Бесплатна лишь солнечная энергия

   Дом площадью около 200 квадратных метров в Энн Эрборе, штат Мичиган, требует около 1500 литров топлива в год. Это утверждение звучит не так оптимистично, как в отношении тако­го же дома, но в Чейенне, Вайоминг, для которого нужно лишь 800 литров, ведь Вайоминг более холодное, но более солнечное место. Но даже если вы живете в Мичигане, вы все равно сделали все, что могли, и использовали всю поступающую в ваш дом солнечную энергию. Эти 1500 лит­ров топлива, купленные летом и по оптовой цене, будут стоить не так дорого. А ваш солнечный дом будет светлым и приятным.

 

   Слишком часто люди, желающие отапливать дом альтернативным топливом, проводят вес­ну, лето и осень, готовясь к зиме. Помните, что срубить и расколоть один кубометр дров зна­чительно проще, чем восемь кубометров. И вдобавок к экономии средств на обогрев, хорошо изолированный дом с хорошей гидроизоляцией, снаружи покрытый надежным натуральным материалом, будет требовать минимальной работы по ремонту летом. Более того, когда выпа­дает снег, правильно спроектированная крыша не будет оледеневать и протекать.

 

   Дом с пассивным солнечным обогревом, правильно размещенный, спроектированный и построенный, будет день за днем работать для вас, вместо того, чтобы вы сами всю вашу жизнь трудились на него.

 

Джим Кахадориан

Перевод Инны Гаврилюк