В пассивной солнечной конструкции здания окна, стены и полы осуществляют сбор, хранение и распределение солнечной энергии в виде тепла в зимнее время и предохраняют от солнечной радиации в летнее время. В этом заключается главное отличие пассивного солнечного дизайна от активного, поскольку в последнем обязательным элементом системы являются механические и электрические компоненты.
При создании пассивного солнечного здания огромную роль играют местные климатические и географические условия, которые обязательно должны учитываться при выборе площади и типа остекления, размещения окон, типа и толщины теплоизоляции, этажности здания и его внешнего облика. Методы пассивного солнечного проектирования наиболее эффективно могут быть применены для новых зданий, а также в той или иной степени для модернизации уже имеющихся строений. При проектировании здания учитываются такие аспекты как высота солнца над горизонтом, инсоляция, суточные и сезонные колебания наружной температуры, влажность воздуха, ветер, растительность и рельеф местности, препятствующие проникновению солнечного света.
Научные основы для пассивного солнечного дизайна зданий базируются на сочетании множества дисциплин. Базовые понятия для расчетов предоставляют климатология, термодинамика (перенос тепла, теплопроводность, конвекция, электромагнитное излучение), естественная конвекция/механика жидкостей и газов (естественное движение воздуха и воды без использования электричества, вентиляторов и насосов), тепловой комфорт для человека, основанный на индексе жары, контроле температуры, влажности и энтальпии в жилых и производственных помещениях, помещениях для размещения животных и выращивания растений.
Особое внимание уделяется местоположению и солнечной ориентации здания, местным видам солнечного излучения, преобладающему уровень инсоляции (широта/ солнце/облака/осадки), дизайну и качеству строительства/материалов, размеру здания, типу окон и стен, а также возможности размещения и размеру теплоаккумулирующих конструкций достаточной теплоемкости.
Несмотря на то, что эти соображения могут быть направлены на любое здание, достижение идеально оптимизированного соотношения цена/производительность требует тщательной, целостной системной интеграции всех перечисленных инженерных и научных компонентов. Современное уточненное компьютерное моделирование и применение десятилетиями накопленного опыта (начиная с энергетического кризиса 1970-х годов) помогает достичь значительной экономии энергии и сокращения ущерба окружающей среде без принесения в жертву функциональности или эстетики.
В среднем, согласно подсчетам, с помощью использования пассивных солнечных элементов здания можно добиться следующей экономии: 5-25 % для небольших, частично модернизированных систем; 40 % для оптимизированных систем; до 75 % для полностью реконструированных или вновь созданных систем; более 75 % для полностью реконструированных или вновь созданных систем в благоприятном климате.
Элементы пассивного солнечного дизайна жилых зданий в умеренном климате включают: размещение помещений, внутренних дверей и перегородок, а также оборудования и мебели в доме в соответствии с максимальной эффективностью пассивного солнечного дизайна; ориентация здания на юг или на несколько градусов на восток, чтобы захватить лучи утреннего солнца; размещение длинной стороны здания вдоль оси «восток-запад»; подбор размеров и местоположения окон на южной стороне с расчетом, чтобы они эффективно забирали солнечный свет в зимнее время, и в то же время защищали помещение от нагрева в летнее время; минимизация количества окон на других сторонах здания, особенно на западной; подбор размера и уклона крыши с учетом возможных затенений (деревья, соседние здания); использование подходящей теплоизоляции для сведения к минимуму сезонных перегревов/переохлаждений; использование термонакопителей для хранения избыточной солнечной энергии, накопленной за день (которая затем излучается в ночное время);
Факторы, которые могут ухудшить тепловые характеристики: отклонение от идеальной ориентации сторон север/юг/восток/запад; чрезмерная площадь остекления, в результате чего в летнее время происходит перегрев, а в зимнее — потери тепла; сложные конфигурации остекления или остекление малосолнечных сторон (например, западная сторона, угловое остекление); тепловые потери через неизолированные стены или незащищенное остекление; отсутствие адекватного затенения во время сезонных периодов высокой солнечной активности (особенно на западной стене); неправильный подбор термонакопителей для компенсации суточных колебаний температуры; открытые лестницы, ведущие к неравномерному распределению теплого воздуха между верхними и нижними этажами; большая площадь поверхности здания объем, слишком много углов; недостаточное утепление, приводящее к критической инфильтрации воздуха; отсутствие или неправильная установка радиационных барьеров в жаркий сезон (крыши с охлаждающей водяной прослойкой, зеленые крыши); изоляционные материалы, которые препятствуют основным способам передачи тепла.
Существует шесть основных разновидностей пассивного использования (или неиспользования) зданием солнечной энергии: прямое солнечное излучение; косвенное солнечное излучение; изолированное солнечное излучение; аккумулирование тепла; изоляция и остекление; пассивное охлаждение.
Система прямого солнечного излучения предполагает использование фактического жизненного пространства в качестве солнечного коллектора, теплопоглотителя и системы распределения тепла. Окна, выходящие на южную сторону, пропускают в дом солнечные лучи, где они падают под определенным углом, напрямую и косвенно на теплоизоляционные материалы стен и полов, обладающие теплонакопительными свойствами.
Система прямого солнечного излучения дает возможность использовать 60-75 % солнечной энергии, проникающей через окна. Более сложным и затратным вариантом является интеграция контейнеров с водой в конструкцию дома, которые также способны накапливать тепло.
В пассивной солнечной конструкции здания окна, стены и полы осуществляют сбор, хранение и распределение солнечной энергии в виде тепла в зимнее время
Теплоаккумулирующие конструкции позволяют снизить интенсивность поступления тепла в течение дня, поглощая его излишки, которые будут излучаться в жилые помещения в ночное время.
В системах косвенного солнечного излучения термоаккумулирующие конструкции находятся между солнцем и жизненным пространством. Это могут быть стены или крыши особой конструкции, которые поглощают падающий на них снаружи солнечный свет и передают его в жизненное пространство за счет теплопроводности и конвекции. Для усиления поглощения солнечной энергии ограждающие конструкции снаружи снабжают прозрачной поверхностью: стеклом (стены) или слоем воды в контейнере из пластика или стекловолокна (плоская крыша). За счет системы косвенного солнечного излучения можно использовать 30-45 % солнечной энергии, попадающей на ограждающие конструкции.
Эффективность системы может столкнуться с проблемами медленного реагирования (тепловая инерция) и потерь тепла в ночное время. Также немаловажной является довольно значительная начальная стоимость изготовления или модернизации существующих ограждающих конструкций, разработки эффективных систем перераспределения тепла по всем дому.
Система изолированного солнечного излучения предусматривает накопление тепла внутри помещений, примыкающих к жизненному пространству через стену или крышу. Примерами могут служить остекленные веранды, лоджии, теплицы, сушильные помещения. Для сбора тепла в таком помещении используется комбинация прямой и косвенной систем. Накопленное тепло транспортируется через общую стену или вентиляционные отверстия в жизненное пространство здания путем естественной конвекции.
Поскольку солнце светит не постоянно, в пассивном солнечном здании должна быть предусмотрена система хранения тепла, которая будет собирать энергию в дневное время и нагревать здание, когда получаемого снаружи тепла недостаточно.
В идеале система хранения должна позволять накапливать тепло на срок период от одного до нескольких дней. Стандартные системы хранения подразумевают конструкции из специальных материалов, обладающие определенной теплоемкостью. Это могут быть теплоаккумулирующие стены, вентилируемый бетонный пол, цистерна с водой в стене, водоем на крыше. Также целесообразно использовать тепловую массу самой земли либо непосредственно, либо с помощью специальных насыпных материалов.
Тепловая изоляция призвана уменьшить нежелательные потери тепла. Некоторые пассивные солнечные здания на самом деле полностью изготовлены из изоляции. Помимо стен и крыши в рамках теплоизолирующих мероприятий используются особые разновидности остекления и оконных покрытий (например, светоотражающие, спектрально селективные стекла, двойное и тройное остекление, мансардные и горизонтальные окна).
В летний период целесообразно в сочетании с теплоизоляционными мерами применять пассивное охлаждение здания, для которого характерны следующие физические механизмы: медленная передача тепла в здание за счет снижения эффективности теплопроводности, конвективного теплообмена, теплового излучения — сюда относится, например, внешнее затенение здания с помощью вьющихся растений, навесов, решеток; удаление нежелательного тепла из здания — в зависимости от климатических условий для этого могут использоваться горизонтальные и вертикальные вентиляционные каналы (сухой климат), солнечное кондиционирование, то есть испарительное охлаждение (влажный климат). Другими элементами, которые стараются использовать архитекторы и инженеры при создании пассивных солнечных зданий, являются пассивное солнечное освещение, в том числе элементы интерьера, отражающие свет; пассивный солнечный нагрев санитарной воды и др.
Более подробно о перечисленных в статье способах увеличения энергоэффективности здания посредством превращения его в пассивную солнечную конструкцию мы расскажем в одном из следующих номеров.
