Что такое пассивные солнечные здания?

Холодный декабрьский день в Англии, и
температура на улице, возможно, 4°C (39°F). Тем не менее, я сижу у
окна на солнце и чувствую себя довольно тепло (и у меня есть
одежда, сохнущая
снаружи на солнце, которая, как я ожидаю, будет готова на 50–75 процентов, когда
я позже принесу ее в дом). Здесь я использую
пассивную солнечную энергию: мое тело улавливает скрытое тепло
солнечного света, сохраняет его в своей массе и позволяет ему распределяться
по другим частям моего тела, которые не находятся непосредственно под солнечным теплом.
Архитекторы проектируют здания таким же образом, чтобы улавливать, хранить
и распределять солнечную энергию, чтобы у них были более низкие
расходы на отопление и кондиционирование воздуха и уменьшалось воздействие на окружающую среду. Как работают
пассивные солнечные здания? Давайте рассмотрим подробнее!

Фото: Этот экологичный дом в Айдахо-Спрингс, штат Колорадо, спроектирован на основе пассивной солнечной
технологии, включая большие площади стекол, обращенных к солнцу, и стену Тромба (объясняется ниже) для улавливания солнечного света. Навесы обеспечивают тень и предотвращают перегрев летом. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (идентификатор фотографии NREL № 26343).

Что такое солнечная энергия?

Самый простой ответ — «энергия от Солнца». Но солнечный
свет на самом деле представляет собой смесь света и тепла,
а сам свет представляет собой смесь различных частот
электромагнитного излучения,
включая невидимый ультрафиолет (солнечный свет, который вызывает у вас солнечные ожоги)
и инфракрасный (невидимый свет, который вы ощущаете как излучаемое тепло, если стоите
возле чего-то вроде костра или барбекю). Самое замечательное в солнечной энергии
то, что ее много и она бесплатна. Теоретически, каждый горизонтальный квадратный метр
Земли получает около 1 кВт энергии от Солнца
(предполагая, что Солнце находится над головой в полдень и небо безоблачно): это 1000 джоулей энергии
каждую секунду, что в сумме составляет огромное количество в течение
(солнечного) дня. Более холодные, облачные страны получают гораздо меньше энергии
, чем эта, но даже с поправкой на широту, времена года и облака, унылые
страны, такие как Великобритания, все равно могут с пользой получить не менее 100 Вт
на квадратный метр (согласно расчетам физика Дэвида Маккея).

Произведение искусства: В полдень безоблачного дня 1000 Вт (1 киловатт) солнечной
энергии попадает на один квадратный метр (примерно квадратный ярд) Земли. Еще более впечатляющий способ сформулировать это (согласно
книге физика Ричарда Мюллера «Физика для будущих президентов», стр. 78) заключается в том, что на квадратный километр земли потенциально приходится гигаватт солнечной энергии — столько же, сколько вы могли бы получить от типичной атомной электростанции.

Что мы можем сделать с солнечной энергией? В целом, мы можем
захватить ее двумя разными подходами, известными как активная и пассивная
солнечная энергия. Активная солнечная энергия означает такие вещи, как фотоэлектрические солнечные элементы (которые
превращают солнечный свет в электричество) и солнечные системы горячего водоснабжения, устанавливаемые на крыше
(которые улавливают солнечное тепло в воде и используют
систему теплообменников для его хранения в баке для ванн и душей).
Пассивная солнечная энергия, как правило, означает захват и удержание солнечного тепла
внутри здания — и это то, что будет рассмотрено в оставшейся части этой статьи
более подробно.

Фото: Если у вас есть такая оранжерея, вы наверняка хорошо знаете о пассивной солнечной энергии. Если только вы не оборудуете ее жалюзи или низкоэмиссионными окнами.

Что такое пассивная солнечная энергетика?

Вы можете купить дома с полки — готовые
коробки, которые вы собираете, как мебель IKEA для самостоятельной сборки.
Готовые здания по определению идентичны, выглядят и работают одинаково,
строите ли вы их в Финляндии, Германии, Мали или Японии. Но
пассивный солнечный дом — это совершенно другая концепция: ключ к дизайну
— идея, что дом приспособлен к очень конкретному местному
климату (и определенному месту в нем). В самом простом случае
это означало бы множество больших окон, выходящих на солнце (на юг в северном
полушарии, где-то вроде Великобритании или Соединенных Штатов, или на север в
стране южного полушария, например, Австралии). «Пассивная» солнечная система
означает то, что она говорит: в отличие от солнечных панелей и солнечно-теплового водонагрева
, она не использует никаких электрических или механических устройств для перемещения тепла или
света по зданию. Вместо этого здание спроектировано так, чтобы впитывать
, хранить и распределять энергию естественным образом.

Пассивные солнечные здания должны быть
экологически чистыми. Не было бы смысла проектировать
здание, которое экономило бы 75 процентов расходов на отопление зимой, если бы тот же проект привел к 300-процентному
увеличению расходов на кондиционирование воздуха летом. Поэтому
существенным аспектом пассивного солнечного проектирования является достижение круглогодичной
эффективности. Обычно это означает возможность экранировать интенсивный верхний солнечный свет
(или иным образом уменьшать его воздействие) в летнюю жару.

Основные элементы проектирования пассивного солнечного здания

Общепризнанно
, что пассивное солнечное проектирование имеет несколько отдельных аспектов. В общих чертах они сводятся
к захвату тепла от Солнца, его хранению,
постепенной передаче или высвобождению тепла (особенно ночью или после
захода Солнца) и, наконец (еще один отдельный аспект) предотвращению
перегрева здания в очень жаркие дни (особенно летом). Давайте рассмотрим их по
очереди.

1. Улавливание тепла

Существует три основных способа улавливания солнечного
тепла: прямое, косвенное и изолированное солнечное тепло.

Прямой прирост по сути означает, что
солнечное тепло напрямую поступает через одно или несколько больших окон, обращенных к солнцу
(иногда называемых апертурой), в те
части здания, где требуется тепло (основные дневные
жилые помещения, а не спальни или кухня, которые вы, скорее
всего, захотите сделать прохладнее). Чем больше площадь остекления, тем
выше прирост — вот почему пассивные солнечные дома обычно
характеризуются огромными окнами. Окна, как правило, должны быть
с двойным остеклением, чтобы гарантировать, что здание не только удерживает тепло, но и
сохраняет его, когда солнце заходит.

Косвенное усиление означает, что энергия Солнца
улавливается стеной или окном, которые не ведут напрямую в
жилую зону. Внутри энергия удерживается и медленно поступает в
жилые зоны (и остальную часть дома) посредством проводимости, конвекции
и излучения (три способа передачи тепла через
твердые тела, жидкости и газы). Одним из самых известных примеров косвенного усиления
является стена Тромба, которая состоит из
окна, пропускающего свет на очень толстую, темную стену. Стена нагревается очень постепенно
и сохраняет солнечную энергию, которую она медленно отдает в дом
в течение нескольких часов после этого (обычно вечером и ночью). В
другом проекте у вас может быть стена из труб, в которых
находится вода, впитывающая солнечную энергию и медленно отдающая ее в
дом; пруд на крыше будет работать аналогичным образом.
(Вода имеет очень высокую удельную теплоемкость, что означает, что каждый литр воды
способен хранить очень большое количество тепловой энергии. Вот почему
она используется в качестве теплоносителя в системах центрального отопления и
солнечных системах горячего водоснабжения
.)

Фото: Косвенное усиление: стена Тромба — это нечто среднее между окном и стеной: это
стена с застекленной поверхностью, которая нагревается и отдает свою энергию в здание позади. Фото Пола Торчеллини предоставлено Министерством энергетики США/NREL. (Идентификатор фотографии NREL#26485)

Изолированное усиление означает, что здание имеет
некую солнечную ловушку, встроенную сбоку — может быть, оранжерею,
солярий, теплицу или другое солнечное пространство. Оно построено почти полностью
из стекла, быстро нагревается и сохраняет свою энергию в полу или
стенах, медленно отдавая ее остальной части здания.

Фото: Изолированное усиление: солярий на боковой стороне этого офисного здания улавливает тепло и медленно передает его в здание, к которому он прикреплен. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL.
(Идентификатор фотографии NREL № 56223)

2. Сохранение тепла

Солнце может показаться прожектором на небе,
но оно не светит постоянно, с одного и того же наклона или
направления, весь день и всю ночь; пассивные солнечные дома должны иметь возможность
накапливать дневную солнечную энергию и медленно отдавать ее прохладными
вечерами, ночами и ранним утром. Как? Им нужны большие стены или
полы с высокой тепловой массой, сделанные из плотных, твердых
материалов, таких как кирпич, камень,
бетон, блоки сжатой земли,
саман, соломенные тюки или более легкие материалы, заполненные чем-то
вроде воды, которая может хранить большое количество тепла на единицу объема.
Часто (но не всегда) тепловую массу окрашивают в черный цвет или темный цвет, чтобы она
поглощала максимальное (и отражала минимальное) количество солнечной тепловой
энергии, падающей на нее. Тепловая масса здания обеспечивается не только стенами и полами
: что-то вроде тяжелого каменного или кирпичного
камина, каменных колонн внутри комнаты или даже очень тяжелых деревянных
дверей также может выполнять эту работу. В идеале тепловая масса будет отдавать
тепло, захваченное пассивным солнечным зданием, в течение 6–10 часов после этого,
пока Солнце снова не появится. Время между
поглощением тепла тепловой массой и его отдачей известно как ее тепловая задержка.

Диаграмма: Охлаждающий эффект: Эффективная тепловая масса задерживает пиковую температуру и снижает как максимальную, так и минимальную температуру внутри здания. Синяя линия показывает рост и падение наружной температуры (предполагая, что она одинакова в течение нескольких дней). Оранжевая линия показывает эффект небольшой тепловой массы. Красная линия показывает, как большая тепловая масса оказывает больший эффект.

Поскольку тепловая масса предназначена для отдачи тепла
в течение длительного периода, важно, чтобы она была изолирована от теплопотерь
, чтобы она не теряла энергию слишком быстро, особенно в холодном
климате. Это может означать изоляцию самой массы (возможно, облицовку
нижней стороны каменного пола), но это также означает изоляцию
здания в целом, например, двойным или тройным остеклением, воздушными
шлюзами, изоляцией крыши или более сложными системами, такими как
вентиляция с рекуперацией тепла
(которая пропускает свежий воздух в здание, не позволяя слишком много тепла выходить)
или окна с низким
коэффициентом теплоотдачи (также называемые низкоэмиссионным или теплоотражающим стеклом).

Фото: Тепловая масса обеспечивает временное хранение тепла в пассивном солнечном здании,
но она не должна быть такой неуклюжей и непривлекательной, как кажется. Вот привлекательный пример
стен и пола с высокой тепловой массой из Центра для посетителей в Национальном парке Зайон.
Вы никогда не догадаетесь, что одной из его основных функций является хранение солнечного тепла. Фото Робба Уильямсона предоставлено Министерством энергетики США/NREL. (Идентификатор фотографии NREL № 26697)

3. Перемещение тепла

В доме с центральным отоплением вода из печи или котла
(обычно работающих на природном газе, электричестве, нефти или другом
топливе) прокачивается по непрерывному контуру труб через
радиаторы, чтобы поддерживать тепло во всем здании. В идеале пассивные солнечные
здания не используют такие вещи, как котлы и насосы для перемещения тепла, или
даже воздуховоды и вентиляторы; вместо этого тепло, захваченное остеклением и
сохраненное тепловой массой, должно перемещаться по зданию посредством естественных
процессов проводимости (тепловой поток между твердыми материалами
, которые соприкасаются друг с другом), конвекции (тепловой поток через
движение воздуха) и излучения (когда горячие предметы отдают
тепло, испуская инфракрасное излучение).

4. Зимне-летний баланс

Поддержание прохлады в пассивном солнечном здании летом
так же важно, как и поддержание тепла зимой. Вот почему пассивные
солнечные здания имеют такие вещи, как карнизы/навесы
(тщательно спроектированные, чтобы предотвратить попадание слишком большого количества горячего, высокого, летнего Солнца
в здание, не отсекая при этом крайне важное низкое
зимнее Солнце), а также временные, регулируемые устройства, такие как жалюзи,
навесы или ставни. Регулируемая вентиляция, очевидно, также играет
важную роль, хотя такие устройства, как вентиляционные отверстия, вытяжные вентиляторы и
открывающиеся окна, могут существенно снизить эффективность здания
зимой, если они увеличивают «утечки воздуха», которые позволяют теплу
случайно выходить.

Фото: Навесы над этими окнами пропускают слабый зимний солнечный свет и обогревают здание, но затеняют более жаркое летнее солнце. Обратите внимание, что южная сторона здания (которая получает интенсивное дневное солнце) имеет навесы, но северная сторона (которая получает мало или совсем не получает прямого солнца) их не имеет. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL. (Идентификатор фотографии NREL № 16849)

Планирование пассивной солнечной энергетики

Помимо улавливания, хранения и перемещения тепла,
общая конструкция пассивного солнечного здания также чрезвычайно важна.
Архитектору нужно будет решить, какие комнаты требуют наибольшего отопления
зимой, и расположить их близко друг к другу, чтобы они впитывали большую часть
дневного солнечного света и передавали его друг другу, в свою очередь, посредством
проводимости (прямого контакта) и конвекции (движения воздуха). Гостиная
была бы главным кандидатом на прямое солнечное отопление, в то время как
кухня или столовая, скорее всего, хотели бы косвенного тепла от
тепловой массы по вечерам. Спальни и столовые
снова нуждаются в меньшем отоплении.

Когда люди говорят о пассивном солнечном,
на ум приходят суперсовременные, экологичные, спроектированные архитекторами здания
. Но важно помнить, что принципы пассивного солнечного отопления
можно применять и к существующим зданиям. Вы можете добавить что-то
вроде зимнего сада к своему дому, добавить больше остекления, чтобы улавливать больше
солнечной энергии (или использовать двойное, тройное или низкоэмиссионное остекление), увеличить
солнечную массу или изоляцию в основных жилых помещениях или просто использовать
комнаты в вашем доме по-другому (возможно, жить в
комнатах наверху вместо нижних или в передней части дома
вместо задней, чтобы использовать больше зимнего
солнечного света). Это простые примеры максимизации пассивной солнечной энергии.

Преимущества и недостатки пассивных солнечных зданий

Пассивное солнечное здание является экологически
чистым и экономичным и должно быть дешевым в эксплуатации круглый год.
Оно не должно быть очень дорогим; основные принципы
просты, и в идеальном пассивном солнечном здании нет шумных,
дорогих и даже потенциально опасных печей или насосов,
требующих обслуживания или дозаправки. Наличие больших площадей остекления
делает дом светлым и ярким, в то время как открытые планировки интерьеров (разработанные для
улучшения движения воздуха и тепла) дают ощущение простора.
Пассивное солнечное работает в любой точке Земли (даже на полюсах, где
солнечный свет есть как минимум полгода!) и может применяться в новых или существующих зданиях.

Трудно придумать недостатки, за исключением случаев, когда
принципы пассивной солнечной энергетики применяются с абсолютным, идеалистическим,
экологическим рвением. Даже тогда худшее, что может случиться, это
то, что, отданное на милость климата, здание может оказаться слишком
жарким летом или слишком холодным зимой. Вот почему знание местного
климата особенно важно, когда вы проектируете пассивное солнечное здание с нуля. Ничто не мешает вам
иметь частично пассивное солнечное здание с другими, более
традиционными формами отопления и кондиционирования, к которым можно прибегнуть, если
вы этого захотите.

Фото: По определению, пассивные солнечные дома легкие, яркие и солнечные, что
делает их очень привлекательными жилыми помещениями. Это дом, спроектированный Университетом Оберна
для конкурса под названием Solar Decathlon house, в котором университетские и колледжские исследования пытаются построить самые привлекательные и экономичные экологичные дома. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL.
(Идентификатор фотографии NREL № 105567)

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Компостные туалеты
• Теплоизоляция
• Тепловые насосы (подземные и геотермальные)
• Пиранометры
• Солнечно-электрические (фотоэлектрические) панели
• Солнечные системы горячего водоснабжения

На других сайтах

• Информация о солнечной энергии в картинках Джона Авенсона: Джон живет в пионерском солнечном доме уже несколько десятилетий. Этот веб-сайт описывает смесь пассивных и активных технологий, которые он использовал.
• Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемой энергии: Исследования в области строительных технологий: один из ведущих мировых центров по разработке возобновляемых источников энергии и более экологичных зданий.
• Energy.gov: Экономия энергии: множество отличных идей о том, как сделать дома более экологичными и экономичными, от Министерства энергетики США.
• Солнечная энергия: в этой главе своей книги «Устойчивая энергетика — без горячего воздуха» британский физик Дэвид Маккей рассуждает о том, может ли солнечная энергия помочь нам спасти планету.

Книги

Я не могу найти более поздних книг, чем эти, но основные принципы пассивной солнечной энергетики не меняются из года в год.

• Карманный справочник по пассивной солнечной архитектуре Дэвида Торпа. Routledge, 2017.
• Пассивная солнечная архитектура: отопление, охлаждение, вентиляция, естественное освещение и многое другое с использованием естественных потоков Дэвида Бейнбриджа и Кена Хаггарда. Chelsea Green Publishing, 2011.
• Пассивный солнечный дом Джеймса Качадориана. Chelsea Green Publishing, 2006.
• Солнечный дом: пассивное отопление и охлаждение Дэниела
  Д. Чираса. Chelsea Green Publishing, 2002.
• Справочник по проектированию и строительству пассивных солнечных систем
  Майкла Дж. Кросби, Steven Winter Associates. John Wiley and Sons, 1998.

Статьи

• Вдовец строит дом с нулевым уровнем выбросов в штате Мэн, чтобы встречаться со своими взрослыми детьми. Автор: Марни Элис Кац. The Boston Globe. 8 июня 2023 г. Как пассивная солнечная энергия и другие экологические технологии обеспечивают энергией зеленый дом архитектора Стюарта Робертса.
• Пассивный радиатор охлаждает, отправляя тепло прямо в космос Эвана Акермана. IEEE Spectrum. 1 декабря 2014 г. Пассивные методы можно использовать как для охлаждения, так и для обогрева домов.
• Пассивный дом: запечатанный для свежести Сэнди Кинан. The New York Times. 14 августа 2013 г. Пассивная солнечная энергия звучит великолепно в теории; какие практические проблемы существуют у настоящего пассивного дома?
• В погоне за идеально пассивным домом Энн Рэйвер. The New York Times. 14 августа 2013 г. Как поживает пассивный солнечный дом архитектора Денниса Уэдлика спустя четверть века после постройки?

Видео

• Принципы пассивного солнечного проектирования: введение в пассивное солнечное от Ассоциации мастеров-строителей Виктории. Имейте в виду, что это австралийское видео.
• Как пассивная солнечная конструкция и тепловая масса могут сократить ваши счета за электроэнергию: Green Energy Futures исследует типичный дом с пассивной солнечной энергией, имеющий большие окна, карнизы и большую солнечную массу (накапливаемую бетонным полом).
• Полностью индивидуальный модульный солнечный дом — это сборная конструкция, напечатанная на 3D-принтере Кирстен Дирксен. YouTube. 18 августа 2012 г. Как 3D-изготовление и пассивная солнечная энергия могут сочетаться в солнечных домах будущего.