Повторно, эффект открытый де Соссюром, привел к новой вехе в области солнечной энергетики в начале ХХ века. При возведении известного, полностью остекленного, “дома будущего” (House of the Future), спроектированного специально для Выставки Достижений, проходившей в 1933 году в Чикаго, архитектор и дизайнер Джордж Кекк обнаружил, что рабочие внутри дома, невзирая на то, что за окном была зима, а обогреватели выключены, вынуждены работать в майках. Данное наблюдение послужило толчком к разработке так называемых пассивных солнечных домов.
Джордж Ф. Кекк является дизайнером-пионером в области пассивных солнечных домов 1930-40-х годов. Согласно сделанному наблюдению, Кекк стал использовать преобладающее остекление южного фасада зданий, которые проектировал для своих клиентов. Так, в 1940 году, Кекк спроектировал пассивный солнечный дом для застройщика Говарда Слоана (Hovard Sloan) из Гленвью, штат Иллинойс. Именно относительно дома Г. Слоана газетой Чикаго Трибьюн (Chicago Tribune) было введено в оборот, ставшее нарицательным, название “солнечный дом”. Это название используется до сих пор для обозначения домов с частичным или полным отоплением энергией солнца. По сделанному проекту Слоан построил ряд пассивных солнечных домов, тем самым вызвав, так называемое, переселение в солнечные дома 1940-х годов.
Что такое пассивный солнечный дом
Пассивным называют солнечный дом, не имеющий специальных “активных” механизмов для использования солнечной энергии.
Пять основных элементов, характеризующих солнечный пассивный дом:
- южное остекление,
- козырек от летнего солнца,
- свободная планировка для упрощения движения теплого воздуха,
- хорошо поглощающее солнечную энергию напольное/стеновое покрытие из натурального материала (терракот, керам. плитка, бетон),
- толстого слоя для накопления энергии на ночь.
Обогрев помещений осуществляется исключительно за счет ряда архитектурных приемов, таких как преобладающее южное и отсутствующее северное остекление здания, планировка, обеспечивающая свободное движения воздуха в помещении, накопление тепловой энергии в толще архитектурных конструкций.
Здесь необходимо отметить, что на данный момент, в среднем по Европе, энергетические расходы на отопление составляют более 40% и, таким образом, являются наиболее затратной областью энергопотребления. Поэтому, применение энергосберегающих и альтернативных технологий в данной области играет значительную роль в снижении коммунальных платежей индивидуального хозяйства, а также снижении экологической нагрузки на окружающую среду, вследствие уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу в результате снижения количества сжигаемого ископаемого топлива. Экономия за счет установки высокоэффективных солнечных систем теплогенерации может составлять более трети энергетических затрат.
Ниже приведен список “солнечных” строений, имеющих международное значение, отображающие развитие инженерной мысли в области солнечной архитектуры:
• Солнечный дом №1 Массачусетского технологического института, Массачусетс, США (дизайнер Hoyt C. Hottel и другие, 1939)
• Солнечный дом Слоана, Гленвью, Иллинойс, США (George Fred Keck, 1940)
• Дом Якобса (Jacobs) ІІ “Solar Hemicycle”, под Мэдисоном, Висконсин, США (Frank Lloyd Wright, 1944)
• Дом Льофа (Löf), Boulder, Колорадо, США (George Löf, 1945)
• Дом Розенберга (Rosenberg), Тусон, Аризона, США (Arthur T. Brown, 1946)
• Солнечный дом №2 Массачусетского технологического института, США (Hoyt C. Hottel и др., 1947)
• Дом Пибоди (Dover Sun House, Солнечный дом №6 Масс. тех. ин-та), Довер, Массачусетс, США (Eleanor Raymond и Maria Telkes, 1948)
• Дом Генри Гласса (Henry P. Glass), Нортфилд, Иллинойс, США (Henry P. Glass 1948)
• Школа Роз Элементари (Rose Elementary School), Тусон, Аризона, США (Arthur T. Brown, 1948)
• Солнечный дом №3 Массачусетского технологического института, США (Hoyt C. Hottel и др., 1949)
• Здание Национального колледжа в Нью Мексико, Нью Мексико, США (Lawrence Gardenhire, 1953)
• Солнечный дом Лефевра (Lefever), Пенсильвания, США (HR Lefever, 1954)
• Дом Мечты (Bliss House), Амадо, Аризона, США (Raymond W. Bliss и M. K. Donavan, 1954)
• Солнечное здание (Solar Building), Альбукерке, Нью Мексико, США (Frank Bridgers и Don Paxton, 1956)
• Здание Университета в Торонто, Торонто, Канада (EA Allcut, 1956)
• Солнечный дом, Токио, Япония (Masanosuke Yanagimachi, 1956)
• Солнечный дом, Бристоль, Объединенное Королевство (L Gardner, 1956)
• Дом Кертиса (Curtis), Рикмансворт (Rickmansworth), Объединенное Королевство (Edward JW Curtis, 1956)
• Дом Льофа, Денвер, Колорадо, США (James M. Hunter и George Löf, 1957)
• Дом “ЖитьсСолнцем” (AFASE “Living With the Sun” House), Феникс, Аризона, США (Peter Lee, Robert L. Bliss и John Yellott, 1958)
• Солнечный дом Массачусетского технологического института №4, США (Hoyt C. Hottel и др., 1958)
• Солнечный дом, Касабланка, Марокко(CM Shaw & Associates, 1958)
• Солнечный дом, Нагоя, Япония (Masanosuke Yanagimachi, 1958)
• Солнечный корт (Curtiss-Wright “Sun Court”), Принстон, НьюДжерси, США (Maria Telkes и Aladar Olgyay, 1958)
• Солнечный дом Томасона “Солярис” №1, округ Вашингтон, США (Harry Thomason, 1959)
• Пассивный солнечный дом, Одеилло (Odeillo), Франция (Félix Trombe & Jacques Michel, 1967)
• Дом Стива Баера (Steve Baer), Корралес, Нью Мексико, США (Steve Baer, 1971)
• Скайтерм хаус (Skytherm House), Атаскадеро (Atascadero), Калифорния, США (Harold R. Hay, 1973)
• Солар Ван (Solar One), НьюАрк, Делавер, США (K.W. Böer и Maria Telkes, 1973)
• Первый прототип дома с нулевым энергопотреблением госдепартамента энергетики США (First Zero Energy Design U.S. Department Of Energy supported home), 1979
• Дом Сондерса в Шрусбери, Массачусетс, США (Norman B. Saunders,1981)
• IEA Task 13 Solar Low Energy Buildings (группа архитекторов, 1989)
• Пассивный дом в Дармштадте, Германия (Bott, Ridder и Westermeyer, 1990)
• Гелиотроп (Heliotrope) – первое в мире здание “ПлюсЭнерджи” (PlusEnergy building) – здание, производящее больше энергии, нежели необходимо для его эксплуатации (Rolf Disch, 1994)
• Школа The Druk White Lotus в Ладакх, Индия (World Architecture Awards, 2002)
• Проект Тэннери – первое сетевое коммерческое здание с нулевым потреблением электроэнергии (Tannery Project – First Net Zero Electric Commercial Building) в Соединенных штатах Америки (группа архитекторов, 2006)
• Солнечный корабль (Sun Ship), первое в мире коммерческое здание типа ПлюсЭнерджи – производящее больше энергии, нежели требуется для его эксплуатации. (Rolf Disch, 2006)
Решения для пассивного солнечного обогрева
Как уже указывалось выше – пассивный солнечный дом является комплексом чисто архитектурных инженерных решений, направленных на максимальное задержание солнечной энергии внутри помещения, т.е. косвенное использование солнечной энергии для нагрева.
Рассмотрим ряд таких решений. В первую очередь – уже упомянутое приоритетно южное остекление дома, приводящее к увеличению потока солнечной энергии, которая поступает в помещение. Пристраивание к южному фасаду здания теплицы, которая воздушно связана с жилыми помещениями, для обеспечения свободной циркуляции нагретого воздуха в здание.
Следующим инженерным решением стало запасание тепловой энергии в массиве архитектурных конструкций – увеличение массива освещаемой и нагреваемой солнцем стены (или пола). Понятным является факт, что большая масса, например, бетонной стены, сможет накопить большее количество тепловой энергии, избыток которой сможет отдать в помещение ночью. Стена Тромба (названная так в честь ее изобретателя) – массивная каменная (бетон, кирпич) фасадная стена, обращенная на юг, застекленная и окрашенная в селективный, к поглощению солнечных лучей, черный цвет. За солнечный день такая стена нагревается от солнечных лучей, а в ночное время – постепенно отдает накопленное тепло внутрь дома. Часто снабжается в нижней и верхней части воздуховодами. Данные воздуховоды (см. рис. 4) служат для поступления прохладного воздуха из помещения (расположены в нижней части стены) в пространство между стеной и стеклом, и теплого воздуха обратно в помещение (верхние каналы).
Активные системы солнечного обогрева
Кроме пассивных, разработаны также активные системы солнечного обогрева зданий, которые состоят из воздушных солнечных коллекторов, системы воздуховодов (вентиляционных каналов) и теплоаккумулятора, а также часто комплектуются встроенным в систему запасным источником тепла (газовый, дровяной, электрический) и системой управления.
Несмотря на кажущуюся примитивность такие решения нашли широкое применение как в частном, так и в коммерческом строительстве, а также строительстве муниципальных учреждений в США, Западной Европе и по всему миру, которые эксплуатируются вплоть до настоящего времени (см. список «солнечных» строений, выше) принося своим пользователям удовлетворение за счет снижения затрат на отопление, а также за счет осознания того факта, что пользователь внес свой вклад в глобальное улучшение экологического состояния окружающей среды — значительно снизив количество углекислого газа, производимого данным хозяйством.
В таких зданиях, прохладный воздух из помещения, по системе воздуховодов, с помощью вентиляторов нагнетается в солнечный коллектор, который представляет собой застекленный ящик с адсорбером (поглотителем), выкрашенным в черный цвет. Нагретый на солнце адсорбер нагревает соприкасающийся с ним воздух. Далее, система контроля (если имеется) решает: направить нагретый воздух сразу в помещение – для немедленного использования, либо в теплоаккумулятор – для накопления. Отдавший свое тепло помещению или теплоаккумулятору, значительно остывший, воздух направляется в солнечный коллектор для повторного нагрева, – рабочий цикл повторяется. Самой распространенной конструкцией теплоаккумулятора, в воздушных системах солнечного отопления, является хранилище, заполненное гранитными камнями так, чтобы проходящий нагретый воздух максимально с ними соприкасался – для передачи своего тепла массе камней.
В период энергетического кризиса 1970-х в США популярны были упрощенные системы солнечного воздушного отопления, пристраиваемые к окнам — которые выпускались серийно или создавались владельцами самостоятельно. В таких системах отсутствует теплоаккумулятор.
Следует еще раз отметить, что системы воздушного солнечного обогрева хорошо себя зарекомендовали во время энергетического кризиса в США в 1970-х годах. Существуют солнечные дома, которые до сих пор находятся в рабочем состоянии, без каких либо существенных поломок за весь период эксплуатации. Для примера, солнечная воздушная система (в США существовало множество фирм, которые предлагали разработку и инсталляцию подобных систем в середине 70-х) успешно эксплуатируемая более двадцати пяти лет (http://www.builditsolar.com/Projects/SpaceHeating/360SFAir/360SFAir.htm), а также передовая, в свое время, разработка – дом Льофа, который был спроектирован и успешно эксплуатировался хозяином с момента возведения в 1945 году, вплоть до смерти Льофа в 2009 году (http://solarhousehistory.com/blog/2013/6/23/george-lf-house-1956-2013).
Читать далее: Развитие современной солнечной энергетики
