Солнечная архитектура, как набор принципов проектирования зданий, берет начало еще со времен древнеримского архитектора Витрувия, который впервые заметил выгоду от использования тепличного эффекта, а также разницу углов падения солнечных лучей в летнее и зимнее время.
В наши дни эти знания намного расширены и часто применяются при проектировании и строительстве пассивных солнечных домов.
Основные принципы солнечной архитектуры на примере проекта Лаура 194:
1. Участок под застройку полностью открыт в секторе с юго-востока до юго-запада
В этом секторе нет препятствий для поступления солнечных лучей круглый год. Это особенно актуально в конце декабря, когда угол зимнего солнца над горизонтом наименьший в году.
На плане участка хорошо видно тени от деревьев и изгороди. Длина тени рассчитана для 22 декабря в 12.00. На практике измеряется высота ближайших зданий и деревьев и с помощью специальной компьютерной программы рассчитывается длина тени от них. Для этого применяются данные угла солнца к горизонту 22 декабря для данной географической широты.
Расположенный с южной стороны дома пруд повышает эффективность солнечной системы отопления. Его поверхность, независимо от того замерзла она или нет, отражает солнечные лучи и направляет их прямо на южный фасад. С северной стороны дома расположены вечнозеленые деревья, а с востока и запада — лиственные.
2. План дома вытянут по оси восток-запад
Делается это для максимальной полезной площади южного фасада, который и поглощает солнечную энергию через остекление и солнечные коллекторы. Северный фасад насколько возможно делается глухим и имеет хорошую теплоизоляцию. Это снижает теплопотери через окна и защищает дом от холодных северных ветров зимой. В идеале с севера дом может быть заглублен в грунт полностью или частично.
3. Максимальный коэффициент отношения объема дома к площади его наружных поверхностей
Этот прием позволяет снизить теплопотери через ограждающие конструкции. С точки зрения геометрии, идеальным коэффициентом обладает шар, за ним идет куб. На практике такие формы зданий встречаются редко и принцип больше применяется для проектирования простых архитектурных форм с минимальным количесвом выступов, углов, надстроек, лоджий, люкарн и т.д. Но это касается только отапливаемого объема дома. Неотапливаемые пристройки с севера, терассы, балконы, теплицы с юга только приветствуются, потому что создают дополнительные буферные помещения или работают как козырьки для затенения от летнего солнца.
4. Максимальная открытость южного фасада для эффективного поглощения солнечной энергии
В идеале южный фасад – это одна плоскость. Любые выступы и углы снижают его эффективность, т.к. образуют тени в течение дня, кроме 12.00, когда солнечные лучи падают строго с юга. Допускается выгнутый или вогнутый южный фасад, но это ведет к неравномерности поглощения солнечной энергии площадью фасада в течение дня.
5. Минимальное количество и площадь окон на северном фасаде
Даже самые высокоэффективные окна имеют коэффициент теплопередачи выше, чем самая обычная стена. Поэтому есть смысл ограничить их площадь до минимальной, достаточной для естественного освещения, а то и вовсе отказаться от окон и сделать во вспомогательных помещениях искусственное освещение современными LED-светильниками с ультранизким энергопотреблением.
6. Разделение дома на функциональные зоны
Жилые помещения (гостиная, столовая, спальни), в которых необходимо обеспечить комфортное тепло и хорошее естественное освещение, располагаются на солнечной стороне с юго-востока, юга, юго-запада. Нежилые помещения (кухня, прихожая, санузлы, гардеробная, кладовая, лестница) располагаются с северной стороны и образуют стыковочный пояс, тепловой буфер между жилыми помещениями и северной стеной дома.
7. Внешние буферные неотапливаемые зоны с севера
Гараж, хозпомещения, мастерская, баня, склад топлива и т.п. создают дополнительную тепловую защиту северного фасада дома. Неотапливаемый чердак также работает как тепловой буфер сверху.
8. Расчет геометрии окон и свесов крыши
Делается это для максимального поступлення солнечной энергии зимой и ограничения ее поступлення летом. Расчет производится с применением специальных компьютерных программ. С помощью компьютерного моделирования подбирается оптимальный размер и форма оконных проемов для того, чтобы дом функционировал одинаково эффективно как зимой, так и летом.
9. Как правило, пристроенная с юга теплица (оранжерея, зимний сад)
Теплица или зимний сад могут быть также встроены в объем дома.
Теплица выполняет несколько функций одновременно:
- зимой в солнечный день она работает как ловушка солнечной энергии, которая используется для солнечного отопления дома
- является тепловым буфером с юга, препятствующим перегреву жилых помещений, особенно в летнее время
- в теплице просто приятно погреться в солнечных лучах, особенно когда на улице мороз -20 0С
- дает возможность выращивать комнатные растения, ранние овощи и зелень. Однако, при выращивании растений значение теплицы как приемника солнечной энергии несколько снижается, т.к. растения часть этой энергии поглощают для своего роста. Кроме того, они испаряют воду, что также требует затрат энергии.
10. Высокая теплоизоляция и теплоемкость дома
Обеспечивается грамотным применением конструкционных и теплоизоляционных материалов. Суть в том, что вся тепловая энергия, поступающая в дом зимой, должна в нем оставаться максимально долгое время. Летом, наоборот, оболочка дома препятствует накоплению в доме тепловой энергии.
На рисунке показано, что дом состоит из двух оболочек. Внутренняя оболочка является несущей конструкцией из материалов с высокой тепловой инерционностью и работает как суточный теплоаккумулятор. Внешняя оболочка состоит из толстого слоя теплоизоляции, который обеспечивает более эффективную работу внутренней теплоаккумулирующей оболочки. Подробнее конструкция тепловой оболочки солнечного дома описана в разделе Технология строительства.
