Основы проектирования солнечного дома

На архитектуру солнечного дома существенное влияние оказывает форма солнечного коллектора и его размеры.

Содержание

• Площадь солнечного коллектора и угол его наклона
  • Оптимизация площади коллектора
  • Оптимальный угол наклона и ориентация коллектора
• Дома с пассивной системой солнечного отопления
• Солнечные дома с активной системой
• Солнечные дома с интегральной системой
• Выводы и рекомендации

Площадь солнечного коллектора и угол его наклона

Оптимизация площади коллектора

Для архитекторов важны такие показатели, как отношение площади солнечного коллектора к отапливаемой площади здания — коэффициент гелиообеспечения К1г.п и угол наклона солнечного коллектора α.

Архитектор В. А. Акопджанян рекомендует для солнечных домов любой этажности и планировочной структуры К1г.п = 0,5. Однозначный ответ в данном случае представляется не совсем верным.

Д. А. Даффи и У. А. Бекман считают, что при оптимизации площади солнечного коллектора, основное внимание следует обратить на стоимость солнечной установки. По их мнению, минимальная стоимость солнечной установки обеспечивается при К1г.п = 0,33–0,66 (в каждом конкретном случае это зависит от планировочного и конструктивного решения здания, типа солнечной установки и климата). Они также отмечают, что Г. Леф и А. Тибоут исследовали зависимость стоимости используемой энергии от доли солнечной энергии в теплопотребности малоэтажного здания в Бостоне (43° с.ш.), Омахе (42° с.ш.) и Альбукерке (35° с.ш.). Наименьшая стоимость единицы тепловой энергии отмечалась при 40–70% доле солнечной энергии в тепле, потребляемом зданием.

Зависимость площади солнечного коллектора Fг.у (м²) и показателя используемости выработанной солнечной энергии И(%) от планируемой эффективности (%) солнечной установки и угла наклона солнечного коллектора:
Fг.п/Vзд — отношение площади солнечного коллектора к объему здания;
Fг.п/Vзд — отношение площади солнечного коллектора к площади здания.

Нецелесообразность чрезмерного увеличения площади солнечных коллекторов Fг.п, а значит К1г.п, отмечает М. М. Захидов. Результаты исследования позволили ему установить определенную зависимость между К1г.п и эффективностью солнечной установки (долей солнечной энергии в теплопотребности здания), а также показателем используемости выработанной солнечной энергии. Так, увеличение К1г.п в 2 раза (с 0,25 до 0,5) повышает эффективность солнечной энергосистемы более чем в 2 раза (с 25 до 50–55%). Дальнейшее повышение эффективности солнечной энергосистемы в 2 раза (до 100%) требует увеличения площади солнечного коллектора почти в 3 раза; при этом резко снижается показатель используемости солнечной энергии, что показано на рисунке, где эффективности солнечной энергетической установки, равной 40–70%, соответствует К1г.п = 0,45–0,70.

Оптимальный угол наклона и ориентация коллектора

Угол наклона солнечного коллектора оказывает влияние не только на эффективность гелиосистемы, но и на формирование архитектурного образа солнечного дома. М. М. Захидов рекомендует решать малоэтажные солнечные дома только с вертикальным размещением солнечных коллекторов на южном фасаде дома. При таком расположении солнечные коллекторы меньше запыляются, не задерживают снег, что говорит об их эксплуатационных преимуществах по сравнению с наклонными коллекторами.

Однако большинство авторов, как отмечает С. В. Зоколей, рекомендует угол наклона солнечного коллектора, равный широте местности. С. В. Зоколей считает необходимым учитывать климатические условия при выборе оптимального угла наклона коллектора. Для Лондона, где 54% годовой солнечной радиации падает на диффузную составляющую, максимальное тепловосприятие обеспечивается при угле наклона 34°. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора, по мнению С. В. Зоколея, лежит между широтой местности и горизонталью, причем его значение определяется долей диффузной радиации.

Для условий Средней Азии, где преобладают ясные дни и доля диффузной радиации незначительна, А. А. Саидов предлагает определять угол наклона солнечного коллектора α в зависимости от прямой солнечной радиации, а также от широты местности и периода эксплуатации солнечной установки.

Подсчитав количество теплопоступлений от прямой солнечной радиации на поверхности разного наклона и ориентации, А. А. Саидов предлагает:

• для систем круглогодичного действия α = φ + 10–15°, где φ — широта местности;
• для установок солнечного отопления α = 90 - hλ, где hλ — высота солнца в полдень15 января;
• для солнечных установок, действующих только в теплое время года α = φ.

Эти же расчеты позволили А. А. Саидову определить оптимальную ориентацию рабочей поверхности солнечного коллектора, функционирующей круглогодично, в пределах 165–195° ю.ш., в теплое время года — в пределах 150–210° ю.ш.

С. В. Зоколей допускает возможность отклонения от строго южной ориентации солнечного коллектора на восток или запад до 30°, что, по его мнению, дает уменьшение суммарного геплопоступления всего лишь на 2%.

В. А. Акопджанян рекомендует ориентировать поверхность солнечных коллекторов не строго на юг, а со смещением на запад на 15°. По его мнению, такая ориентация позволяет получить наибольшее суммарное дневное теплопоступление от солнца.

В рекомендациях отмечена другая закономерность для условий Средней Азии; поверхности, ориентированные на восток, получают больше солнечной радиации, чем поверхности, ориентированные на запад. Причиной такого положения является увеличение запыленности воздуха во второй половине дня.

Дома с пассивной системой солнечного отопления

Солнечные дома имеют различную систему солнечного теплообеспечения. Разнообразие солнечных энергосистем обусловило различную архитектуру солнечных домов.

Американский архитектор С. В. Зоколей классифицирует солнечные дома по типу применяемой солнечной энергетической системы на 3 группы:

• с пассивной гелиосистемой;
• с активной;
• с активной, имеющей тепловой насос.

В. А. Акопджанян, также разделивший солнечные дома на 3 вида, в отличие от С.В. Зоколей из группы с активной системой солнечного отопления выделил солнечные дома со смешанной системой (активная + пассивная) и назвал ее интегральной. Солнечные дома с интегральной системой имеют свою специфику, характерное объемно-планировочное решение жилища, присущее группе как с пассивной, так и с активной системой.

К солнечным домам с пассивной системой солнечного отопления можно отнести все жилые здания со светопроёмами, ориентированными на южную половину горизонта. Пассивная система солнечного отопления основана на непосредственном обогреве солнечными лучами и на естественной циркуляции воздуха. При этом желательно однорядное расположение помещений.

Солнечные дома с активной системой

Активная система, в отличие от пассивной представляет собой инженерную систему, состоящую из следующих основных компонентов:

• приемника и преобразователя солнечной энергии в тепловую (солнечный коллектор);
• аккумулятора тепла;
• прибора отопления;
• системы распределения тепла. Для бесперебойного теплоснабжения дома в пасмурные дни предусмотрен дублер (газовый или электрический).

Активная солнечная энергетическая система отличается многофункциональностью, ее можно использовать для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Это явилось одной из причин преобладания солнечных домов с активной системой. В этих домах нет определенных требований к взаиморасположению помещений. Однако архитектура (экстерьер) солнечных домов этого типа определяется характером расположения гелиоприемников по отношению к объемной структуре здания.

Солнечные дома с интегральной системой

В этих домах эффективность и гибкость активной солнечной энергетической системы сочетается с надежностью и простотой пассивной системы.

Выводы и рекомендации

При проектировании солнечных домов следует учитывать комплекс гелиотехнических факторов:

• коэффициент гелиообеспечения К1г.п;
• угол наклона гелиоприемника α;
• теплоустойчивость зданий.

На стадии формирования объемно-планировочной структуры здания К1г.п следует принимать К1г.п = 0,5–0,65.

Угол наклона гелиоприемника рекомендуется принимать в зависимости от назначения гелиосистемы:

• для круглогодичного использования α = φ + 10–15°, где  φ — широта местности;
• для теплого периода года α = φ;
• для солнечного отопления α = φ + 20°.

Объемно-планировочную структуру солнечного дома следует предусматривать компактной, с наименьшей площадью наружных стен на единицу отапливаемого объема.

Солнечные дома с пассивной солнечной энергосистемой отличаются простотой исполнения, надежностью, небольшой стоимостью. При этом в холодный период система обеспечивает существенную долю теплопотребности здания.

Большинство существующих солнечных домов с пассивной солнечной системой энергообеспечения построено с однорядным размещением жилых комнат вдоль южной стены гелиоприемника. Общая комната, как правило, ориентируется на гелиофасад; в двухярусных домах она часто выполняется двухсветной, что облегчает доставку теплого воздуха в комнаты северной ориентации и создает своеобразие архитектурного решения пространства.