Рассылка Mensh.ru #21

Полное иллюстированное описание суперсолнечного дома Cliff House, оборудованного уникальной солнечной системой отопления, охлаждения и вентиляции

Правила проектирования и строительства Пассивных Солнечных Домов в Лос-Аламосе, Нью-Мексико

Источник: Дж. Дуглас Балкомб (J. Douglas Balcomb)

Пер. с англ. О. Б. Меньшенин

(Окончание. Начало в #20)

Пределы использования солнечной энергии

Термин «тепловая масса» относится к материалу, расположенному внутри теплового конверта дома и способному аккумулировать тепло. Наличие тепловой массы очень важно по ряду причин:

Без дополнительной термической массы площадь окон южного фасада не должна превышать 7% площади пола.

Дом с окнами такой площади называется «условно-солнечным» домом.

Даже в том случае, если добавлена требуемая термическая масса, например, добавлены внутренние каменные стены или полы с каменной кладкой толщиной более 1 дюйма, то и тогда площадь окон южного фасада может быть увеличена не более чем до 12% площади пола.

При добавлении требуемой термической массы солнцевоспринимающая площадь системы косвенного обогрева (например, стены Тромба) тоже может быть увеличена, но не более чем до 8% площади пола.

Общая площадь поверхности, улавливающей солнечный свет в доме с добавленной термической массой, в любом случае не должна превышать 20% общей площади пола.

Правильное количество, размещение и цвет термической массы

Самое простое правило — то, что площадь термической массы должна быть, по крайней мере, в 6 раз больше площади поверхности остекления системы прямого обогрева.

Эффективность термической массы увеличивается пропорционально ее толщине до 4 дюймов. После этого эффективность ее растет незначительно. Следовательно, термическая масса должна обладать большой площадью без чрезмерной толщины.

Вопреки распространенному убеждению, не важно располагать всю тепловую массу таким образом, чтобы на всю ее поверхность солнечные лучи падали под углом, близким к прямому. Просто стремитесь располагать тепловую массу во всех освещаемых солнцем поверхностях.

Главная задача состоит в том, чтобы рассеять свет внутри теплового конверта. Попав внутрь дома, за счет отражения и теплового излучения солнечная энергия может передаваться от освещенных солнцем поверхностей к другим поверхностям с термической массой. Совсем не освещенная солнцем поверхность пола, например, не будет функционировать хорошо в качестве термической массы по сравнению с участками пола, на которые попадает отраженный солнечный свет.

Также, вопреки распространенному убеждению, нежелательно окрашивать все поверхности термической массы в темные тона, за исключением стен Тромба в системе косвенного обогрева или контейнеров «водяной стены», которые должны быть очень темными. Стены, освещенные клересториями (окнами верхнего света), например, лучше окрашивать в белый цвет, чтобы они отражали свет на другие поверхности большой термической массы, например, полы. Если стена станет слишком горячей, термосифонный воздушный поток будет направляться вверх и перегревать воздух в помещении.

Вообще, термическая масса стен и потолков должна быть светлой, в то время как полы должны иметь темную окраску. Окрашивая полы в темный цвет, мы делаем их более теплыми.

За пределами шести правил, описанных выше, существует более точный расчет для добавления термической массы сверх базовой (в 7%) с учетом некоторых из этих соображений:

Ресурс строительных деталей

Самое значительное количество информации можно получить у Energy Efficient Building Association (EEBA). Ее сайт http://www.eeba.org/, тел. 952-881-1098. Руководство по строительству в холодном климате стоит $40. В этом руководстве прекрасно описаны методы предотвращения утечек тепла, материал сопровождает большое количество иллюстраций.

Преграды солнечному свету

Основная задача состоит в том, чтобы добиться освещения южного фасада прямым солнечным светом с 9 до 15часов в зимние месяцы.

Основное правило — преграды должны отсутствовать в пределах 60° от направления на географический юг от южных углов дома по возможности или как минимум в пределах 45° (см. рисунок).

Для преград в пределах этого диапазона южной экспозиции на широте Лос-Аламоса (36° с.ш.) мы имеем следующее:

Вышеупомянутая информация об углах солнечного затенения получена в итоге в соответствии со следующей диаграммой (см. рис.).

Солнечные диаграммы должны быть использованы для определения протяженности преград. Солнечная диаграмма — график, показывающий путь солнца по небу для каждого месяца. На диаграмму Вы можете нанести линию горизонта и преграды, чтобы видеть, как и когда они блокируют прямой солнечный свет.

Деревья

Вопреки постоянному, но ошибочному убеждению, присутствия лиственных деревьев с южной стороны дома следует по возможности избегать.

Лиственные деревья, растущие с восточной и западной сторон, могут быть выгодны. Они позволят получить некоторое дополнительное солнечное тепло с восточной и западной сторон поздней весной, когда теплопоступление все еще необходимо в существенных количествах, а поступления солнечной радиации с южной стороны еще не достаточно. Аналогично, до опадания листьев осенью, они помогут затенить восточные и западные окна в то время, когда солнечное тепло поступает еще в достаточном количестве.

Правильная внутренняя планировка

Расположение помещений следует выполнять таким образом, чтобы можно было использовать утренний солнечный свет для освещения кухни и, возможно, спальни, зимний солнечный свет для гостиной и, кроме того, использовать подсобные помещения и гаражи в качестве дополнительных северных и западных буферных пространств, как показано на следующем рисунке.

Значительный эффект дает расположение теплицы с южной стороны гостиной.

Правильная ориентация

Здание может быть ориентировано с отклонением направления на географический юг до 15° к западу или востоку без существенного снижения эффективности теплопоступлений.

Любой ценой избегайте больших открытых ориентированных на запад стен.

Клерестории

Клерестории — окна с вертикальным остеклением, смонтированные на крыше. Они очень эффективны для освещения и обогрева северных комнат и настоятельно рекомендуются для Лос-Аламоса. Клерестории должны рассматриваться как часть системы прямого солнечного обогрева. По своим характеристикам они превосходят мансардные окна, т.к. через них не происходит теплопоступления в летнее время.

Правила косвенного обогрева (стена Тромба)

Системы косвенного обогрева, такие, как стены Тромба и «водяные» стены являются эффективным средством добавления более 8% солнечного теплопоступления и, прежде всего, предназначены для поступления тепла в дом в ночное время.

Стена Тромба — это ориентированная на юг, темная стена большой термической массы с остеклением. Она обычно выполнена в виде тяжелой каменной кладки, но иногда при ее строительстве используются вода или фазопереходные соли. Солнечное тепло, поглощенное непосредственно этой стеной, может выпускаться в комнату в течение относительно длительного времени.

И эстетически и термически стены Тромба работают лучше всего тогда, когда они объединены с окнами южной ориентации. Например, стены Тромба весьма эффективны при устройстве окон между ними, или тогда, когда окна расположены над стенами Тромба.

Внешняя поверхность должна быть массивной с коэффициентом поглощения более 0,92. Достигается это применением специальных селективных покрытий. Использование селективных покрытий позволяет увеличить эффективность стены до 30% (более 60% в более холодном климате).

Подробную информацию о применении селективных покрытий можно получить здесь:

MTI Solar Inc., 220 Churchill Ave. Somerset, NJ 08873. Phone: (201) 246-1000
.

Селективное покрытие — медная фольга (для лучшей теплопроводности) с клеевым слоем сзади, покрытая хромом (для низкого теплового излучения) и затем покрытая окисью меди (которая имеет черный цвет и обеспечивает высокую поглощающую способность в видимой части солнечного спектра).

Селективное покрытие должно наклеиваться очень тщательно для достижения 100% адгезии с массивной стеной. MTI Solar Inc. дает для выполнения этой работы некоторые хорошие советы.

При использовании селективного покрытия, как правило, достаточно однослойного остекления стены Тромба. Без селективного покрытия необходимо двойное остекление.

Расстояние между массивной стеной и остеклением должно быть в пределах 2,5...7,5 см. Большее расстояние может привести к конвекции в этом пространстве и ухудшить аккумуляцию тепла.

Стены Тромба не должны вентилироваться, т.е. не должно быть никаких открытий между застекленным пространством и интерьером.

Некогда популярные, вентилируемые стены Тромба показали свою неэффективность. Идея вентилирования стен развилась, вероятно, от Феликса Тромба, использовавшего вентиляционные трубы в его первой стене, которая нуждалась в вентиляционных трубах потому, что была чересчур толста (0,6 м!) для того, чтобы тепло передавалось через нее непосредственно. Вентиляционные трубы не только работают плохо, но они также имеют тенденцию забиваться пылью, насекомыми и другими нежелательными объектами.

Избегайте использовать древесину на внешней стороне стены Тромба, т.к. при высоких температурах древесина быстро деградирует.

Компания Brother Sun в Санта-Фе продает каркасную систему "Sure Seal" для монтажа остекления стены Тромба и не препятствующую температурному расширению стекла без потери герметичности.

Материалы высокой плотности предпочтительны для теплоаккумулирующей части этой системы. Вообще, не желательно увеличивать толщину стены более 0,3 м. Рекомендуемая толщина стены несколько зависит от плотности применяемых материалов, согласно следующей таблице:

Материал Плотность Толщина, м
Бетон 2,2 0,2...0,6
Бетонный блок 2,1 0,18...0,46
Глиняный кирпич 1,9 0,18...0,41
Пустотный бетонный блок 1,8 0,15...0,30
Кирпич-сырец 1,6 0,15...0,30

Теплицы

Расположите теплицу с южной стороны. Если она имеет остекленную крышу, то в крыше следует использовать теплоотражающее стекло, для предотвращения перегревания в летнее время.

Площадь теплоаккумулирующей массы, расположенной в теплице, должна приблизительно в 3 раза превышать площадь остекления. Заметьте, что это меньше чем значение, приведенное в Правилах для термической массы вообще. Это потому, что в теплице можно допустить значительно большие температурные колебания, чем в доме (обычно до 17°С в зимнее время).

Не следует теплоизолировать теплицу от остальной части дома. Фактически, Вы должны стремиться к естественному конвективному потоку воздуха через существующие архитектурные проемы. Наличие нескольких открывающихся дверей и окон обеспечивает идеальные условия и для движения воздушных потоков и для перемещения людей.

Наличие специальных открытий не рекомендуется просто потому, что двери и окна им адекватны.

Общая площадь открытий между теплицей и домом должна составлять 15% площади остекления теплицы.

Разновидности: Строительство из соломенных блоков и самана

Конструкции из соломенных блоков и самана значительно отличаются от каркасной конструкции специфическими подходами к пассивному солнечному проектированию. Дома из соломенных блоков обладают исключительно высокой теплоизоляцией (коэффициент теплового сопротивления R=7...9 для стен), но иногда имеют недостаточную термическую массу. Саманные конструкции, с другой стороны, обладают огромной термической массой, но они, как правило, имеют недостаточную теплоизоляцию (современная саманная стена в Нью-Мексико имеет коэффициент теплового сопротивления R=2,6). Они представляют два противоположных направления в проектировании, каркасная же конструкция находится приблизительно посередине между ними.

Следовательно, дома из соломенных блоков целесообразнее всего строить там, где солнечной радиации меньше, чем предполагают Правила, особенно, если эти дома имеют небольшую теплоаккумулирующую массу. Недостаточное количество поступающей солнечной радиации компенсируется чрезвычайно высокой теплоизоляцией стен.

Саманные же дома целесообразнее всего строить в таких районах, где имеется значительно большее количество поступающей солнечной радиации, чем предполагают Правила. Эти очень большие поступления солнечного тепла аккумулируются огромной термической массой, и аккумулированное тепло используется в ночное время для компенсации низкой теплоизоляции стен.

В обоих случаях необходимо иметь оптимальные коэффициенты теплового сопротивления ограждений дома рассчитанных программой такой, например, как Energy-10. Дома из соломенных блоков, вероятно, будут особенно чувствительны к изменениям площади остекления окон, потому что для них самые большие потери тепла в ночное время будут происходить именно через окна. Кроме того, если термическая масса низка, то легко перегреть дом, в который поступает значительное количество солнечной радиации.

Проектный процесс

Сначала, должен быть создан приблизительный набор проектных данных, предшествующий разработке определенной планировки дома. Эти спецификации должны быть перепроверены с Energy-10 и соответствующим образом скорректированы.

Затем спецификации передаются архитектору, который рисует план дома в соответствии со скорректированным проектным заданием.

После разработки эскизного проекта дома повторяется анализ с помощью Energy-10 для проверки и утверждения окончательных проектных решений.