Принципы передачи солнечной энергии в жильё

В 1978 году исследователи Н. Барду и В. Арзуманьян создали классификацию жилых домов по четырем основным принципам передачи солнечной энергии в жильё:

• — первый принцип: получение солнечной энергии непосредственно через проемы и накопление её в массивных стенах дома;
• — второй принцип: поглощение солнечной энергии массивом станы и её передача конструкцией (перенос тепла теплопроводностью) и конвенцией (видом теплопередачи, при котором тепло передается путем перемешивания больших объемов вещества, например перемешивание холодного и теплого воздуха, где теплый воздух поднимается вверх);
• — третий принцип: улавливаемая коллекторами солнечная энергия передается в аккумулятор, а затем, по мере необходимости, расходуется в доме;
• — четвертый принцип: солнечная энергия преобразуется в фотоэлектрических батареях в электрический ток, который аккумулируется и хранится практически без потерь. По мнению автора первые два принципа можно объединить как биоклиматические, а третий и четвертый как технологические принципы, что можно сопоставить с разделением на «пассивные» и «активные» системы сбора солнечной энергии, предложенные С. В. Заколеем [3]. Для «пассивных» систем он вводит класификацию, в которой рассмотрены четыре основных типа «пассивной» системы и их варианты, а пятый тип, состоящий из двух термосифонных систем, которые вполне можно рассматривать как «активной» так и «пассивной» системой, так как там не применяются насосы или вентиляторы [3, 4].

Первый вид «пассивной системы» по мнению Заколея — это непосредственный нагрев помещения через окно, который позволяет в архитектурном смысле развить верхние ряды окон и чердачные окна. Второй вид рассматривает стену одновременно как коллектор и как аккумулятор, и по мнению исследователя, к этому типу относится стена Тромба, теплица с аккумулирующей стеной, теплица с подвальным гравийным аккумулятором. Третий вид — это водяные стены (стена, состоящая из баков с водой), стена типа «тепловой диод». Четвертый вид — это водяные крыши [1, С. 25−26], крыши, в пространстве которых находится вода как носитель тепла. С архитектурной точки зрения интересной является классификация предложения П. Р. Сабади в отношении «солнечного дома», и которая систематизирует «активные» системы по принципу расположения коллекторов на здании. Подобные коллекторы могут размещаться на стенах, ограждениях балконов или подоконных стенках, совмещаться с конструкцией крыши (чердачным, или мансардным пространством), быть вмонтированными в систему здания или в нише, могут являться частью шедовых элементов [5]. тепло энергоэффективный жильё аккумулирование В пассивных системах используются различные модификации традиционных элементов здания для накапливания и распределения жилья, которые требуют незначительного дополнительного технологического оборудования, более экологичны, однако не достаточно производительны, для их получения не требуется специального обслуживающего персонала. Большой интерес у архитекторов всего мира, занимающихся энергоэффективной архитектурой, вызывали вопросы прогрессивных научных разработок и передовых инновационных открытий в области энергосбережения (в том числе в разработках «пассивного» и «активного» дома) поскольку они, непосредственно находясь на крыше дома или на его фасадах, безусловно оказывают влияние на окончательные архитектурно-планировочные решения подобного жилья. В зависимости от существующих на данный период технологий, архитектурное решение энергоэффективного жилого дома не только формирует приемы его организации (компактный, открытый, закрытый тип), но и влияет на градостроительные и композиционные вопросы пространственной организации целых жилых микрорайонов.

Простейшие «активные» системы в отличие от «пассивных» состоят из большого количества технических средств (плоские воздушные и водяные коллекторы, система распределения тепла и контроля теплообеспечения всего дома, специальные аккумуляторы тепла), что требуют квалифицированного монтажа и эксплуатации и соответственно удорожает строительство. Активное преобразование солнечной энергии в её доступные виды по мнению Н. А. Сапрыкина осуществляется двумя основными способами: прямое преобразование солнечной энергии в электрическую — фотоэлектрическое преобразование; преобразование световой энергии в тепловую, а затем при помощи пара в электрическую — фототермическое преобразование [6, С. 86].

Известный ученый А. Н. Сахаров в своей работе «Жилые дома для сельского строительства на Севере» расширил данную классификацию «активных» и «пассивных» систем дополнительными подгруппами. Для «пассивных» систем существует подтип, в котором солнечная энергия улавливается окном (световой проем в крыше или стене, специальное помещение-теплица) и подтип, где солнечная энергия улавливается конструктивным термальным массивом (ограждающая конструкция стены или всей крыши). А в структуре «активной» системы есть подтип, где специальный коллектор не включается в конструкцию здания, а расположен либо на крыше дома либо вблизи от него; и подтип, где специальный коллектор установлен непосредственно на ограждающую конструкцию дома (крыша, стена) [7, 8, 9].

В 2004 году инженер-исследователь Вильям Макофске предложил классифицировать «пассивные» системы использования солнечной энергии, выделив пять основных типов:

• 1 — прямой солнечный обогрев;
• 2- система термальных крыш;
• 3- стена Тромба или Массивная Стена;
• 4- «Зеленый дом» или солнечная комната;
• 5 — термосифонная система. Сьюзен Роаф в книге «Экодом 2» (в 2007 году) разделила пассивные системы на три основные группы:
• 1 — массивная стена (как разновидность — водяная стена, стена Тромба);
• 2 — гелиотеплица (полупрямой обогрев, непрямой обогрев, термосифонная система);
• 3 — отопление через гравийный аккумулятор в подвале (аккумулятор, нагреваемый от гелиотеплицы; термосифонная система).

Исследователи А. Дэвис и Р. Шуберт в книге «Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании» разделили все энергоэффективные жилые дома на два типа: солнечные дома, использующие солнечную энергию для частичного покрытия нужд жильцов в теплои энергообеспечении; экологические дома, использующие не только солнечную энергию, но и другие виды нетрадиционных источников энергии (близкие к автономности с энергетической точки зрения и с точки зрения удовлетворения потребностей жителей в пище и воде; они практически безотходны и помимо жилых помещений, включают целый комплекс помещений растениеводческого, животноводческого, рыболовного хозяйства, а также помещений для переработки отходов сельского производства для обеспечения полного замкнутого цикла теплоснабжения жилья [2].

В проектировании энергоэффективных домов максимально учитываются местные природно-климатические условия; при проектировании такого дома учитывается рельеф окружающей местности, соседние постройки и зеленые насаждения; дома четко ориентированы по сторонам света, что отражается на внутренней функционально-планировочной структуре здания; учитывается также направление господствующих ветров и возможных песчаных бурь. В подобном доме энергопотери сведены к минимуму, поскольку внешний периметр ограждающих конструкций хорошо изолирован от неблагоприятных воздействий внешней среды. При проектировании «энергонезависимых домов» («климатических домов») проектировщики используют для энергообеспечения возобновляемые источники энергии, которые частично или полностью покрывают все энергетические расходы дома. «Автономные дома» — это энергонезависимые дома, включающие в себя систему жизнеобеспечения замкнутого цикла, в которую входят помещения и оборудование, обеспечивающие жильцов пищей и водой, а отходы жизнедеятельности перерабатываются и используются вторично, формируя безотходный автономный комплекс жилого дома [1, С. 29−30].

Этим автором также была предложена классификация «пассивных» и «активных» систем жилого дома, включающие систему гелиослежения:

• 1 — «пассивные» системы включают в себя: прямое солнечное отопление, нагрев изолированного остекленного объема, обогрев (охлаждение) здания посредством ограждающих конструкций;
• 2 — «активные» системы включают в себя: использование солнечного коллектора, применение панели фотоэлементов, регулирование внутреннего микроклимата и температурного режима.

Одним из самых прогрессивных новых предложений в сфере гелиослежения «пассивных» и «активных» систем является идея динамичного дома и вращающегося гелиооборудования (под оптимальным углом к солнцу), чтобы достичь максимального эффекта от улавливания солнечных лучей при использовании солнечной энергии.