Ефект, відкритий Орасом де Соссюром, призвів до нової віхи в області сонячної енергетики на початку ХХ століття. При зведенні відомого, повністю заскленого, “будинку майбутнього” (House of the Future), спроектованого спеціально для Виставки Досягнень, що проходила в 1933 році в Чикаго, архітектор і дизайнер Джордж Кекк виявив, що робітники всередині будинку, незважаючи на те, що за вікном була зима, а обігрівачі вимкнені, змушені працювати у майках. Це спостереження послужило поштовхом до розробки так званих пасивних сонячних будинків.
Джордж Ф. Кекк є дизайнером-піонером у сфері пасивних сонячних будинків 1930-40-х років. Згідно з зробленим спостереженням, Кекк почав використовувати переважне скління південного фасаду будівель, які проектували для своїх клієнтів. Так, в 1940 році Кекк спроектував пасивний сонячний будинок для забудовника Говарда Слоана (Hovard Sloan) з Гленвью, штат Іллінойс. Саме щодо будинку Г. Слоана газетою Чикаго Тріб’юн (Chicago Tribune) було введено в оборот, що стало загальним, назва “сонячний будинок”. Ця назва використовується досі для позначення будинків із частковим або повним опаленням енергією сонця. За зробленим проектом Слоан побудував ряд пасивних сонячних будинків, викликавши тим самим, так зване, переселення в сонячні будинки 1940-х років.
Що таке пасивний сонячний будинок
Пасивним називають сонячний будинок, який не має спеціальних “активних” механізмів для використання сонячної енергії.
П’ять основних елементів, що характеризують сонячний пасивний будинок:
- південне скління,
- козирок від літнього сонця,
- вільне планування для спрощення руху теплого повітря, що добре поглинає сонячну енергію,
- підлогове та стінове покриття з натурального матеріалу (терракот, керам. плитка, бетон) товстого шару на ніч.
Обігрів приміщень здійснюється виключно за рахунок низки архітектурних прийомів, таких як переважаюче південне та відсутнє північне скління будівлі, планування, що забезпечує вільний рух повітря в приміщенні, накопичення теплової енергії в товщі архітектурних конструкцій.
Тут необхідно зазначити, що на даний момент, в середньому по Європі, енергетичні витрати на опалення становлять понад 40% і, таким чином, є найвитратнішою сферою енергоспоживання. Тому застосування енергозберігаючих та альтернативних технологій у даній галузі відіграє значну роль у зниженні комунальних платежів індивідуального господарства, а також зниженні екологічного навантаження на навколишнє середовище, внаслідок зменшення викидів вуглекислого газу в атмосферу внаслідок зменшення кількості викопного палива, що спалюється. Економія за рахунок встановлення високоефективних сонячних систем теплогенерації може становити понад третину енергетичних витрат.
Нижче наведено перелік “сонячних” будівель, що мають міжнародне значення, що відображають розвиток інженерної думки в галузі сонячної архітектури:
• Сонячний дім №1 Массачусетського технологічного інституту, Массачусетс, США (дизайнер Hoyt C. Hottel та інші, 1939)
• Сонячний дім Слоана, Гленвью, Іллінойс, США (George Fred Keck, 1940)
• Дім Якобса (Jacobs) ІІ “Solar Hemicycle”, під Медісоном, Вісконсін, США (Frank Lloyd Wright, 1944)
• Дім Льофа (Löf), Boulder, Колорадо, США (George Löf, 1945)
• Дім Розенберга (Rosenberg), Тусон, Арізона, США (Arthur T. Brown, 1946)
• Сонячний дім №2 Массачусетського технологічного інституту, США (Hoyt C. Hottel та ін., 1947)
• Дім Пібоді (Dover Sun House, Сонячний дім №6 Мас. тех. ін-ту), Довір, Массачусетс, США (Eleanor Raymond та Maria Telkes, 1948)
• Дім Генрі Гласса (Henry P. Glass), Нортфілд, Іллінойс, США (Henry P. Glass 1948)
• Школа Роз Елементарі (Rose Elementary School), Тусон, Арізона, США (Arthur T. Brown, 1948)
• Сонячний дім №3 Массачусетського технологічного інституту, США (Hoyt C. Hottel та ін., 1949)
• Будівля Національного коледжу в Нью-Мексико, Нью-Мексико, США (Lawrence Gardenhire, 1953)
• Сонячний дім Лефевра (Lefever), Пенсільванія, США (HR Lefever, 1954)
• Дім Мрії (Bliss House), Амадо, Арізона, США (Raymond W. Bliss та M. K. Donavan, 1954)
• Сонячна будівля (Solar Building), Альбукерке, Нью-Мексико, США (Frank Bridgers та Don Paxton, 1956)
• Будівля Університету в Торонто, Торонто, Канада (EA Allcut, 1956)
• Сонячний дім, Токіо, Японія (Masanosuke Yanagimachi, 1956)
Сонячний дім, Брістоль,Об’єднане Королівство(L Gardner, 1956)
• Дім Кертіса (Curtis), Рікмансворт (Rickmansworth), Об’єднане Королівство (Edward JW Curtis, 1956)
• Дім Льофа, Денвер, Колорадо, США (James M. Hunter та George Löf, 1957)
• Дім“ЖитизСонцем” (AFASE “Living With the Sun” House), Фенікс, Арізона, США (Peter Lee, Robert L. Bliss та John Yellott, 1958)
• Сонячний дім Массачусетського технологічного інституту №4, США (Hoyt C. Hottel та ін, 1958)
• Сонячний дім, Касабланка, Морокко (CM Shaw & Associates, 1958)
• Сонячний дім, Нагоя, Японія (Masanosuke Yanagimachi, 1958)
• Сонячний корт (Curtiss-Wright “Sun Court”), Прінстон, НьюДжерсі, США (Maria Telkes та Aladar Olgyay, 1958)
• Сонячний дім Томасона “Соляріс” №1, округ Вашингтон, США (Harry Thomason, 1959)
• Пасивний сонячний дім, Одеїлло (Odeillo), Франція (Félix Trombe & Jacques Michel, 1967)
• Дім Стіва Баєра (Steve Baer), Корралес, Нью Мексико, США (Steve Baer, 1971)
• Скайтерм хаус (Skytherm House), Атаскадеро (Atascadero), Каліфорнія, США (Harold R. Hay, 1973)
• Солар Ван (Solar One), НьюАрк, Делавер, США (K.W. Böer та Maria Telkes, 1973)
• Перший прототип будинку з нульовим енергоспоживанням держдепартаменту енергетики США (First Zero Energy Design U.S. Department Of Energy supported home),1979
• Дім Сондерса в Шрусбері, Массачусетс, США (Norman B. Saunders,1981)
• IEA Task 13 Solar Low Energy Buildings ( група архітекторів, 1989)
• Пасивний дім у Дармштадті, Німеччина(Bott, Ridder и Westermeyer, 1990)
• Геліотроп (Heliotrope) – перша у світі будівля “ПлюсЕнерджі”(PlusEnergy building) –будівля, що виробляє більше енергії, ніж необхідно для її експлуатації (Rolf Disch, 1994))
• Школа The Druk White Lotusу Ладакх, Індія(World Architecture Awards, 2002)
• ПроектТеннері – перша мережева комерційна будівля з нульовим споживанням електроенергії (Tannery Project – First Net Zero Electric Commercial Building) у Сполучених штатах Америки (група архітекторів, 2006)
• Сонячний корабель (Sun Ship), перша у світі комерційна будівля типу ПлюсЕнерджі – що виробляє більше енергії, ніж потрібно для її експлуатації. (Rolf Disch, 2006)
Рішення для пасивного сонячного обігріву
Як зазначалося вище – пасивний сонячний дім є комплексом суто архітектурних інженерних рішень, вкладених у максимальне затримання сонячної енергії всередині приміщення, тобто непряме використання сонячної енергії для нагрівання.
Розглянемо низку таких рішень. Насамперед – вже згадане пріоритетне південне скління будинку, що призводить до збільшення потоку сонячної енергії, що надходить до приміщення. Пристосування до південного фасаду будівлі теплиці, яка пов’язана з житловими приміщеннями, для забезпечення вільної циркуляції нагрітого повітря в будівлю.
Наступним інженерним рішенням стало запасання теплової енергії в масиві архітектурних конструкцій – збільшення масиву стіни (або підлоги), що освітлюється і нагрівається сонцем. Зрозумілим є факт, що велика маса, наприклад, бетонної стіни зможе накопичити більшу кількість теплової енергії, надлишок якої зможе віддати в приміщення вночі. Стіна Тромба (названа так на честь її винахідника) – масивна кам’яна (бетон, цегла) фасадна стіна, звернена на південь, засклена і забарвлена в селективний, до поглинання сонячних променів, чорний колір. За сонячний день така стіна нагрівається від сонячних променів, а вночі – поступово віддає накопичене тепло всередину будинку. Часто постачається в нижній та верхній частині повітропроводами. Дані повітроводи служать для надходження прохолодного повітря з приміщення (розташовані в нижній частині стіни) у простір між стіною та склом, і теплого повітря назад у приміщення (верхні канали).
Активні системи сонячного обігріву
Окрім пасивних, розроблені також активні системи сонячного обігріву будівель, що складаються з повітряних сонячних колекторів, системи повітроводів (вентиляційних каналів) та теплоакумулятора, а також часто комплектуються вбудованим у систему запасним джерелом тепла (газовий, дров’яний, електричний) та системою керування.
Незважаючи на примітивність, такі рішення знайшли широке застосування як у приватному, так і в комерційному будівництві, а також будівництві муніципальних установ у США, Західній Європі та по всьому світу, які експлуатуються аж до теперішнього часу (див. перелік «сонячних» будівель, вище) приносячи своїм користувачам задоволення за рахунок зниження витрат на опалення, а також за рахунок усвідомлення того факту, що користувач зробив свій внесок у глобальне покращення екологічного стану навколишнього середовища – значно знизивши кількість вуглекислого газу, виробленого цим господарством.
У таких будівлях, прохолодне повітря з приміщення, за системою повітроводів, за допомогою вентиляторів нагнітається в сонячний колектор, який є заскленою скринькою з адсорбером (поглиначем), пофарбованим у чорний колір. Нагрітий на сонці адсорбер нагріває повітря, що стикається з ним. Далі, система контролю (якщо є) вирішує: направити нагріте повітря відразу в приміщення – для негайного використання, або теплоакумулятор – для накопичення. Значно остигле повітря, що віддало своє тепло приміщенню або теплоакумулятору, прямує в сонячний колектор для повторного нагріву – робочий цикл повторюється. Найпоширенішою конструкцією теплоакумулятора, в повітряних системах сонячного опалення, є сховище, заповнене гранітним камінням так, щоб нагріте повітря максимально з ними стикалося – для передачі свого тепла масі каменів.
У період енергетичної кризи 1970-х у США популярними були спрощені системи сонячного повітряного опалення, що прилаштовувалися до вікон, які випускалися серійно або створювалися власниками самостійно. У таких системах немає теплоакумулятора.
Слід зазначити, що системи повітряного сонячного обігріву добре себе зарекомендували під час енергетичної кризи в США в 1970-х роках. Існують сонячні дома, які досі перебувають у робочому стані, без будь-яких суттєвих поломок за весь період експлуатації. Для прикладу, сонячна повітряна система (у США існувало безліч фірм, які пропонували розробку та інсталяцію подібних систем у середині 70-х), що успішно експлуатується понад двадцять п’ять років (http://www.builditsolar.com/Projects/SpaceHeating/360SFAir/360SFAir.htm), а також передова, свого часу, розробка – дім Льофа, який був спроектований та успішно експлуатувався господарем з моменту зведення у 1945 році, аж до смерті Льофа у 2009 році (http:/http://solarhousehistory.com/blog/2013/6/23/george-lf-house-1956-2013).
Читати далі: Розвиток сучасної сонячної енергетики
