Пасивний будинок

Якщо теплиця використовується як колектор сонячного опалення (рис. 23), максимальна ефективність буде досягнута  при похилому заскленні, малій кількості  рослин (стійких до перегрівання) і  теплоізольованих незасклених торцевих стінах. Більшу кількість надходження  теплової енергії у житлові приміщення буде отримано, якщо у теплиці будуть відсутні рослини, які поглинають велику кількість теплоти. Нагріте сонцем повітря може бути переміщене у будинок  через двері або відкриті вікна  у суміжній з теплицею стіні, а  також передане по повітроводу у  більш віддалені приміщення будівлі.

Рис. 23 "Пасивний будинок" з зимовим  садом у якості накопичувача сонячної енергії

Якщо теплиця є житловим приміщенням, необхідно проаналізувати комфорт, зручність і свободу  простору у доповнення до енергетичної ефективності. Кімната, у якій планують проживати, повинна бути теплою взимку, прохолодною влітку, мати невисоку контрастність освітлення та помірну  вологість. Тому використання житлових приміщень в якості теплиці потребує особливо ретельного моделювання кліматичного режиму або використання сонцезахисних  пристроїв, які регулюють інсоляційний режим.

Вертикальне засклення є  найкращим і найпоширенішим з  різних причин. Перш за все, хоча похиле засклення уловлює більшу кількість  теплоти, проте взимку воно також  втрачає велику кількість теплоти  у нічний час, що зводить нанівець отримання денного тепла. Застосування похилого засклення також може призвести  до перегрівання у більш теплу  погоду, звичайно весною та восени, коли житлові приміщення не потребують опалення. Вертикальне засклення південної  стіни набагато більше відповідає вимогам  опалювального навантаження. Воно ефективне  взимку, коли сонце знаходиться низько над горизонтом і дозволяє зменшити надходження сонячного тепла, коли сонце знаходиться поблизу зеніта у літній час.

Добре запроектований карниз над південним заскленням – все, що необхідно, щоб затінити його від  сонячних променів, коли приміщення не потребує додаткового теплонадходження. Вертикальне засклення також  є дешевшим і простішим у монтажі  та ізоляції. Воно не має схильності до протікання, конденсату і поломок. Для мінімізації нічних втрат  теплоти та підвищення комфорту (тіло людини також випромінює тепло у  напрямку холодних поверхонь) можна  застосувати рухому теплоізоляцію  вікна (наприклад, віконниці), або вирішити питання з установленням енергоефективних склопакетів.

Показовим прикладом житла  з об’ємно-планувальною структурою, модернізованою з метою підвищення комфортності проживання як у літніх, так і в зимових умовах з  використанням сонячної енергії, є  дім архітектора Дугласа Балкомба в м. Санта-Фе, США (рис.24). В об’ємно-планувальному  рішенні цього будинку застосовано  принцип обігрівання житлових приміщень  за допомогою енергії сонця з  використанням двоповерхової оранжереї. Двосвітловий простір оранжереї  об’єднує всі житлові приміщення будинку та є акумулятором денного  тепла. Для скорочення тепловитрат  уночі та у холодні дні, а також  для захисту від літнього перегрівання оранжерею опоряджено жалюзі, які  трансформуються, та козирком з невеликим  виносом. Зорієнтовані на інші сторони  горизонту зовнішні стіни приміщень  виконано з мінімальною кількістю  отворів для зменшення тепловитрат.

Рис. 24 Сонячний будинок у Санта-Фе (США), арх. Дуглас Балкомб. Плани першого, другого поверхів и розріз

Акумулювання  тепла у теплицях

Поверхні теплоакумулюючих матеріалів (термічна маса) повинні  бути темних тонів для поглинання щонайменше 70% енергії сонячного  світла, яке на них падає. Матеріали, котрі не використовують для акумулювання тепла, повинні бути світлих тонів  для того, щоб відбивати світло на термічну масу, не розташовану на шляху променів прямого сонячного  випромінювання. Підлога, північна стіна, східна та західна бічні стіни  – придатне місце для теплоакумулюючої маси. У них повинні бути застосовані  матеріали з високою теплопровідністю: бетон, вода, цегла. Пінобетон не придатний  у якості теплоакумулюючого матеріалу, а бетон – найбільш ефективний при товщині від 100 до 150 мм. При  використанні пустотних бетонних (цокольних) блоків усі порожнини мають бути залиті цементним розчином.

Якщо кам’яна підлога  та масивні стіни – єдині матеріали, що акумулюють тепло у приміщенні, то рекомендоване співвідношення – 3 м2 поверхні кам’яної кладки на 1 м2 південного засклення. Якщо вода у контейнерах  – єдине теплоакумулююче середовище, яке застосовується, рекомендоване співвідношення – 14 л води на 1 м2 засклення. Збільшення маси стабілізує внутрішні температури, роблячи приміщення зручнішим для людей і рослин.

Загальна стратегія полягає  у тому, щоб використати від 100 до 150 мм неізольованої мурованої  стіни в якості північної стіни  теплиці. Стіна залишається неізольованою  для того, щоб теплота з теплиці  могла проходити через неї  у внутрішні приміщення будинку.

У випадку, коли теплиця повинна  використовуватися для вирощування  рослин або в якості житлового  приміщення, рекомендується як мінімум  подвійне засклення. Пересувна теплоізоляція  або система засклення з більш  високим термічним опором значно покращать характеристику засклення.

Системи непрямого  обігрівання

Окрім розглянутих вище теплиць, які відносяться до систем прямого  обігрівання (сонячні промені безпосередньо  проникають у приміщення через вікна, горищні уловлювачі, ліхтарі верхнього  освітлення), існують і інші накопичувачі (колектори) енергії. Вони відносяться  до систем непрямого обігрівання, в  яких перенесення теплоти у приміщення відбувається через проміжне теплове  середовище, а стіна або дах  використовуються як колектор і теплоакумулятор.

Рис. 25 Проект "пасивного будинку" з прибудованою 2-поверховою теплицею та рекуператором тепла (Проект розроблено архітекторами УкрНДІпроцивільсьбуду)

Система типу «водонаповнена стіна» (або система Байера) (рис. 26). Сутність системи – у розташуванні у південній стіні будинку 90 баків  води, місткістю 200 л кожний. Коли світить  сонце, пофарбовані у чорний колір  зовнішні поверхні відкриті, і сонячна  радіація, потрапляючи на них через  скляну пластину, нагріває воду. Вночі  або у погану погоду ці поверхні закриваються з зовнішнього боку рухомими покриттями (щити з важкого  утеплювача) та віддають житловому  приміщенню тепло, отримане впродовж дня. Типовий приклад – дім Байєра у Нью-Мексіко (США, 1972 р.). Влітку «водяні  стіни» охолоджуються нічним повітрям і впродовж дня використовуються для повітряного кондиціонування. Рухома зовнішня плита має товщину 35 см, важить всього 6,75 кг/м2 і відіграє важливу роль у якості утеплювача. Запасне опалення (два каміни) використовуються не більше 10 разів на рік.

Рис.26 Система типу "водяна стіна" (система Байера): 1 - радіація; 2 - скляні панелі; 3 - 20 контейнерів з 200 л води у кожному (зовнішня сторона затемнена); 4 - тепловіддача; 5 - житловий простір; 6 - рухомі покриття

Система типу «водоналивний  дах» (Sky-therm-система, Хей-Джеллот) (рис. 27).

Рис. 27 Система типу "водоналивний дах" (Sky-therm-система, арх. Хей-Джелот): 1 - радіація; 2 - шар води у чорних пластикових жолобах; 3 - тепловіддавання; 4 - житловий простір; 5 - рухомі покриття

В одноповерхових будинках, особливо якщо вони розташовані в  низинах, поверхнею, найбільш відкритою  для випромінювання сонячної радіації та теплового випромінювання в атмосферу, є дах. Тому логічно використовувати  цю поверхню як для надходження сонячного  тепла, так і для віддавання надлишкової  теплоти у нічне небо. Було розроблено декілька варіантів цієї системи, але  найбільш відома система встановлена  у будинку «Скайтерм», зведеному  в Атаскадеро (Каліфорнія) у 1973 р. У  цій системі сталевий настил покриття утворює стелю над приміщеннями будівлі. Наповнені водою балони з чорного пластика розташовані  над металевим настилом. Вони забезпечують шар води товщиною в середньому 220 мм. Для захисту балонів з водою  передбачено теплоізольовані екрани ковзаючого типу, що трансформуються. Взимку в денний час щити зсунуті  до торця будівлі і, таким чином, сонце нагріває воду. Із заходом  сонця екрани повертають у початкове  положення, щоб зберегти теплоту. Металева стеля виконує функцію теплового  випромінювача. Таким чином, теплота, накопичена у воді, обігріває приміщення.

Рис. 28 Різновид системи теплового  акумулятора із застосуванням води: 1 - радіація; 2 - сонячний колектор водяного типу; 3 - підземний ізольований резервуар  води; 4 - тепловіддача через змійовик, розташований під підлогою або через  радіатори; 5 - житловий простір

Рис. 29 Різновид системи теплового  акумулятора із застосуванням води: 1 - радіація; 2 - сонячний колектор водяного типу; 3 - вода в ізольованому бетонному  резервуарі; 4 - тепловіддача; 5 - житловий простір

Влітку екрани у нічний час зсунуті до торця, і вода охолоджується  за рахунок віддавання тепла в  нічне небо. У денний час екрани закриті. Металева стеля забезпечує радіаційне та конвективне охолодження  приміщень.

Акумулятори з  кам’яним заповнювачем (рис. 30,31)

Такі дешеві матеріали, як камінь, великозернистий гравій або  галька (бетонна чи цегляна), є хорошими акумуляторами тепла. Проте ці матеріали  потребують великих місткостей внаслідок  незначного температурного діапазону, який придатний для звичайних  плоских сонячних колекторів або  бажаний для високої ефективності.

Рис. 30 Система теплового акумулятора (резервуар з кам’яним заповненням) знаходиться під підлогою: 1 - радіація; 2 - сонячний колектор; 3 - житловий простір; 4 - тепловіддавання; 5 - кам’яний заповнювач в ізольованому просторі

Рис. 31 Тепловий акумулятор з кам’яним заповнювачем, що працює як "центральне вогнище" (система "гірського сонця"): 1 - радіація; 2 - сонячний колектор; 3 - ізольований  простір з кам’яним заповнювачем; 4 - тепловіддача; 5 - житловий простір

Хоча вартість матеріалу  незначна, сам контейнер, простір, необхідний для зберігання, а також завантажувальні  та розвантажувальні пристрої досить дорогі. Передавання тепла при  цьому звичайно дуже просте. В акумулятори  з «твердим матеріалом» повітря  потрапляє прямо через шари каменю або через трубопровід у бетонному  сховищі і нагрівається або охолоджується. Ці акумулятори вже досліджені теоретично та експериментально в усьому світі. Маючи 30%-у пористість при тришаровому  завантаженні, камінь на відміну від  води заповнює лише третину об’єму акумулятора. Часто акумулятори  з кам’яним заповненням вимагають  у чотири рази більшого об’єму, ніж  водяні резервуари такої самої потужності. Камені звичайно мають діаметр 5 см та менше. 1 м3 каменів може зберегти близько 400 ккал оС.

Система «масивна стіна» (Тромба-Мішеля) (рис. 32)

Рис. 32 - Тепловий акумулятор з бетонними  енергозберігаючими стінами (система  Тромба-Мішеля): 1 - радіація; 2 - скляні панелі; 3 - товсті бетонні стіни, що працюють як акумулятори (чорні ззовні); 4 -рух  теплого повітря у житлове  приміщення; 5 - рух холодного повітря  у колектор; 6 - житловий простір; 7 - випуск повітря; 8 - повітряний прошарок

Рис. 33 Змішаний акумулятор з кам’яним заповнювачем і водою (система Томасона): 1 - радіація; 2 - сонячний колектор; 3 - житловий простір; 4 - рух теплого повітря  у житлове приміщення; 5 - повернення холодного повітря; 6 - резервуар  з гарячою водою; 7 - кам’яний заповнювач; 8 - погріб

Рис. 34 Організація посиленої природної  вентиляції будівлі. Вентиляційні огтвори  знаходяться у ерхній частині  теплиці, де температура є найвищою, та в нижній її частині, де температурний  показник нижчій, для створення ефекту "димової труби"

Рис. 35 Проект "пасивного будинку" із застосуванням масивної стіни  Тромба-Мішеля та акамулятора тепла  із кам’яним заповнювачем (Проект розроблено архітекторами УкрНДІпроцивільсьбуду)

Цю французьку систему  часто називають за іменами її творців – стіною Тромба-Мішеля. Звичайно, це товста стіна (кам’яна, бетонна  або цегляна) з темною поглинаючою  поверхнею, захищена ззовні одним або  двома шарами скла. На рівні підлоги  та стелі розташовані отвори (продухи) для входу і виходу повітря. Радіація поглинається поверхнею стіни, вона нагрівається і, в свою чергу, нагріває повітря у прошарку між стіною та склом. Повітря розширюється, стає легшим, і починається термосифонна циркуляція, у результаті якої тепле  повітря потрапляє в кімнату  через верхні продухи і, нагріваючи кімнату, саме охолоджується і через  продух біля рівня підлоги знову  поступає до геліоприймача, після чого цикл повторюється. Перший експериментальний  дім, у якому використано цей  метод, було зведено на Піренеях в 1962 р. Ще один типовий приклад – «Сонячне шале» в Одейло (арх. Ф.Тромб і Дж. Мішель, 1968 р.).

Огляд об’ємно-планувальних рішень «пасивних будинків» дає можливість зробити висновок про те, що крім значного енергетичного ефекту, впровадження більшості розглянутих заходів дозволить значно покращити мікрокліматичні параметри у приміщеннях будинку, додасть їм функціональної варіабельності та сприятиме створенню нових архітектурних форм.

 

Використані джерела:

1. Беляев В.С., Хохлова  Л.П. Проектирование энергоэкономичных  и энергоактивных гражданских  зданий. Москва, 1991.

2. Казаков Г.В. Архітектура  енергоощадних сонячних будинків. Львів, 2009.

3. Казаков Г.В. Принципы  совершенствования гелиоархитектуры. Львов, 1990.

4. Косо Й. Ваш новый  дом: Энергосберегащие технологии. Москва, 1999.

5. Сабади П.Р. Солнечный  дом (The Solar House). Москва, 1981.

6. Селиванов Н.П., Мелуа  А.И., Заколей С.В. и др. Энергоактивные  здания. Москва, 1988.

7. Солнечный дом: Простой  метод проектирования (Методика  проектирования систем отопления  пассивных солнечных домов на  основе принципов прямого и  косвенного обогрева). Dennis Holloway.

8. Стерлинг Р., Кармоди  Дж., Фарнан В.Т., Эльницки Г. Проектирование  и строительство заглубленных  гражданских зданий. Москва, 1986.