Использование энергии солнца

По мнению многих зарубежных и отечественных ученых энергия солнца является одним из самых перспективных, долгосрочных и многообещающих источников энергии. Большое количество современных научноиследовательских работ в области энергосбережения жилья основной упор делают именно на солнечную энергию. Вопросы инсоляции помещений и максимального использования энергии солнца в архитектуре рассматривались зодчими с древнейших времен. Так Сократ предложил идею «солнечного дома», в котором эффективно использовалось зимнее солнце и исключалось прямое попадание солнечного света с южной стороны летом. Наиболее активно заговорили о солнечных домах в 40-х годах ХХ века, когда увеличилась возможность сплошного остекления внешних ограждений. Впервые плоский солнечный коллектор был использован при проектировании экспериментального жилого дома в Массачусетском Технологическом Институте (MIT-1) в 1939 г. Солнечные жидкостные коллекторы были заполнены водой, занимали площадь 37 м², были установлены на солнечной стороне крыши (под углом 30°) над жилым домом общей площадью 50 кв.м. Этот экспериментальный проект позволил впервые выявить недостатки солнечного обогревания: поломка коллекторов при тепловом расширении, несовершенство столярки, течь водяных баков, большая стоимость и недостаточное утепление накопительных аккумуляторов.

С этого проекта практически начинается эпоха использования солнечной энергии в энергоэффективном жилье. Многие ученые оценили перспективность этого направления и один за другим начали появляться экспериментальные и конкурсные проекты, которые методично оттачивали технологию оборудования и особенностей эксплуатации солнечных аккумуляторов. Так, например, система с воздушными коллекторами и гравийными аккумуляторами (Боулдеровский жилой дом) впервые была применена в 1945 году в Боулдер-Хаузе. Аккумулирование тепла в доме происходит в гравийном аккумуляторе (5 метров кубических), а обогрев помещений осуществляется равномерным распределением горячего воздуха, что позволяло сократить расходы на отопление на 25%. Химический аккумулятор, заполненный сульфатом натрия, был впервые использован в построенном в 1948 году в городе Доувере (штат Массачусетс, США) в двухэтажном жилом доме (площадью 135 кв. м) с вертикальными воздушными коллекторами на южной стороне дома.

На основании новых научных исследований в 1948 г. при Массачусетском технологическом институте был построен третий (из четырёх) «солнечный дом», площадью 56 кв.м., который имел на южной части крыши, размещенный под углом 30°, жидкостный водяной коллектор (площадью около 37 кв.м.). Вместе с размещенным на чердаке дома водяным аккумулятором эта система солнечного обогрева составляла около 50% экономии от всех затрат на отопление по дому.

В 1954 году архитекторы Блисс и Денован впервые построили дом («дом Блисса», город Амадо штат Аризона), в котором обогревание и кондиционирование воздуха в помещениях целиком осуществлялось за счет солнечной энергии. В подвале этого дома площадью 65 кв.м. был расположен галичный аккумулятор, а на крыше находился солнечный коллектор площадью около 30 кв.м., что обеспечивало обогрев помещений зимой, охлаждение и кондиционирование летом.

В 1958 году к разработкам в области использования солнечной энергии присоединилась Япония, где в Токио был построен дом (площадью около 400 кв.м.) с водяными коллекторами, расположенными под углом наклона 15° на южном скате крыши. Площадь коллекторов составила 130 кв.м., а система в целом обеспечивала 70% экономии тепла и энергии по дому. В 1960 году в Канаде (в городе Торонто) был построен двухэтажный жилой дом (площадью 200 кв.м.) для изучения возможностей межсезонного аккумулирования тепла, которое обеспечивалось водяными коллекторами (площадью 57 кв.м.), расположенными под углом наклона 60° на южном скате крыши. В подвале размещался водный аккумулятор, объемом 225 куб.м.

Необходимо обратить внимание на большие площади водяных коллекторов, и еще большие объемы водяных аккумуляторов, занимающих практически всё подвальное пространство энергоэффективных жилых домов. Таким образом, из-за громоздкости энергоэффективного оборудования и отсутствия научной базы для его уменьшения в 60-х годах ХХ столетия наметился кризис в экспериментальном проектировании и строительстве жилых домов с солнечными батареями. Кроме того для ученых архитекторов оставался открытым вопрос — по какому пути в дальнейшем пойдёт наука в использовании солнечной энергии, и как её основные тенденции отразятся на архитектурнопланировочной организации энергоэффективного жилья.

Кризис научных теорий закончился в начале 70-х годов, когда в результате исследовательских разработок начали появляться новые по своему содержанию экспериментальные дома с гораздо меньшей площадью солнечных радиаторов и гораздо меньшим объемом жидкостных аккумуляторов, размещенных в подвале. Так в 1974 году в Великобритании (в городе Милтон-Кейс) в одном из обычных блокированных домов на южном скате крыши под углом 45° впервые были установлены жидкостные коллекторы на водном растворе этиленгликоля (площадью 40 кв.м.). Жидкостные аккумуляторы, размещенные в нишах между этажами (общим объемом 5 куб.м.) в общей системе использования солнечной энергии обеспечили экономию расходов на отопление по дому около 60%.

В 1973 году в бывшем СССР в Узбекистане (поселок Улугбек около Ташкента) был впервые построен двухквартирный жилой дом с воздушными коллекторами, расположенными на южном скате крыши (площадью 74 кв.м.) и гравийный аккумулятор тепла (объемом 70 куб.м.). Но эти разработки уже не были передовыми, а осуществлялись «вдогонку» за мировыми исследованиями. В Туркменистане (вблизи Ашхабада) в 1979 году впервые был спроектирован большой гелиокомплекс, включающий поселок на 300 жителей, солнечную электростанцию и полигон для испытаний солнечных стендов. Интересным является тот факт, что при проектировании зданий были сохранены элементы традиционного среднеазиатского жилья: одноэтажные здания были обращены глухой стеной на улицу, а все жилые помещения ориентированы во внутренние дворики (в один из них выходят все общественные помещения, в другой спальные комнаты); на характерной восточной плоской крыше типового дома под углом размещались отдельно стоящие плоские коллекторы.

Одним из интереснейших исследований в этой области является диссертация О. К. Афанасьевой «Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии», в которой подробнейшим образом проанализированы основные виды возобновляемых источников энергии, используемых в архитектуре (низкопотенциальная тепловая энергия, энергия биомассы, водных потоков на суше, энергия ветра и солнца), а также создана детальная классификация энергоэффективных домов (климатические дома, энергонезависимые, пассивные и автономные дома)).

Согласно её исследованиям классификация домов, использующих энергию солнца и получивших название «солнечный дом», созданных на основе прогрессивных на то время результатов научных исследований, берет свое начало со средины 70-х годов ХХ века [1]. Так в её работе приводится классификация жилых домов с энергоэффективными технологиями, составленная в 1977 г. П. Диасом:

• 1) автономный дом — дом, который для своего обеспечения не использует традиционные источники энергии, самодостаточен и находится на полном самообеспечении теплом и энергией;
• 2) биоклиматический дом — дом, в котором используются традиционные конструкции и местные строительные материалы с целью уменьшения тепловых потерь здания в данных природно-климатических условиях (характерно: учет микроклиматической ситуации, умелый подбор несущих конструкций, рациональное зонирование помещений, что экономит энергию и повышает комфортность);
• 3) солнечный дом — дом, снабженный активными средствами улавливания, передачи и хранения тепловой энергии солнца (характерно: принудительная система сбора, распределения и хранения энергии; наличие солнечных коллекторов, системы распределения тепла и аккумулирования энергии).