Эта задача решается на трех этапах жизненного цикла здания – при архитектурно-строительном проектировании, возведении и эксплуатации. На первом, самом важном, этапе здание рассматривают как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки традиционной и альтернативной энергии. Проектные решения по утилизации солнечной энергии могут быть приняты в рамках пассивной системы, когда энергия воспринимается и передается в системы акклиматизации здания его конструктивными элементами, и активной системы, когда с этими элементами совмещаются технические средства, предназначенные для выработки из солнечных лучей тепловой и электрической энергии. Пассивные системы утилизации энергии – пассивные гелиосистемы – в зданиях являются наиболее рентабельными и достаточно эффективными. Их применяют во многих странах, но усложнение решаемых с их помощью задач требует постоянного совершенствования этих систем. К основным предпосылкам необходимости модификации пассивных систем в зданиях можно отнести следующее: • необходимость поддержания комфортных условий микроклимата в здании и минимизация потерь энергии, таких как затухание амплитуды колебания температуры, тепловая активность пола, тепловая устойчивость помещений, воздухопроницаемость ограждающих строительных конструкций, конденсация водяных паров в ограждающих конструкциях здания; • усложнение объемно-планировочной структуры зданий, увеличение объемов помещений, необходимость более благоприятного освещения из нескольких источников с разной интенсивностью; • изменение визуально-эстетических требований к зданиям. Приемы утилизации солнечной энергии глухими элементами зданий Наиболее популярные методы использования солнечной энергии для обогрева помещения пассивными системами прямого и косвенного обогрева – это система «массивная стена», система «водозаполненных стен», система «водоналивная крыша», термосифонные системы: Пассивные системы энергосбережения в зданиях Пассивные системы энергосбережения: а) «массивная стена», б) «водозаполненная стена», в) прямого облучения, г) «водоналивная крыша», д) термосифонная. Потребность в трансформации указанных видов систем связана с необходимостью создания оптимальной системы вентиляции, более равномерной теплоизоляции наружной оболочки здания, а следовательно, и относительно постоянной температуры воздуха в помещениях. Изменчивость температуры воздуха в объеме помещений основана, главным образом, на неравномерной потере тепла ограждающими конструкциями здания при разных климатических условиях (день-ночь и зима-лето), неравномерной вентиляции, а также на изменчивости поступлений внутренних бытовых тепловыделений, в частности, в жилых зданиях – 10-17 Вт/м2, в общественных и административных зданиях – 90 Вт/чел. Учитывая эти факторы, несколько выровнять теплопотери и теплоизоляцию ограждающих конструкций можно при помощи внутренней системы сообщающегося утепления. При его создании понадобится воздух, имеющий коэффициент теплопроводности 0,002 Вт/(м·°C), и сообщающиеся сосуды в полости ограждающих конструкций различной толщины. При этом следует соблюдать требования строительных норм, согласно которым для создания комфортных условий в помещениях температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции жилых зданий должен составлять для наружных стен не менее 4°С, для покрытий и чердачных перекрытий – 3°С, для покрытий над подпольями и подвалами – 2°C. Эти значения являются контрольными при расчете толщины утеплителя ограждающих конструкций. Вторым элементом системы сообщающегося утепления являются полые ограждающие конструкции. Их основная функция заключается в осуществлении естественного проветривания в результате естественной конвекции воздуха. Усовершенствовать данную конструкцию можно при помощи новых материалов, таких как светопрозрачный бетон или другие прочные светопропускающие материалы. Наряду с воздухом пустоты можно заполнить специальным газом, уменьшающим конвективно-кондуктивную составляющую теплообмена. Для сохранения вентиляционного процесса необходимо использовать комбинированное заполнение полостей, как газом, так и воздухом. Увеличение эффективности системы «массивная стена» обеспечивается применением в качестве светопрозрачной конструкции стекла с «пузырчатой» поверхностью. Данная конструкция позволяет увеличить концентрацию солнечных лучей, следовательно, повысить количество утилизируемой солнечной энергии ограждающими конструкциями и энергоэффективность здания. Улучшить систему «массивная стена» с экологической точки зрения можно, применив в решетках поступления воздуха очищающие и ароматические фильтры. Таким образом воздух внутри здания не только очищается, но и ароматизируется. Кроме того в помещениях предотвращается распространение вредных летучих веществ, аллергенов и микроорганизмов и помещение. Направления повышения энергоэффективности светопропускающих элементов зданий Светопрозрачные конструкции играют важную роль в создании комфортной световой и тепловой микросреды в помещениях за счет поступления естественного света и тепла от солнечного света. В последние годы проектировщики стремятся увеличить площадь остекления зданий для роста продолжительности естественного освещения помещений и уменьшения времени использования искусственного освещения. Оконные технологии быстро прогрессируют, в них применяется энергосберегающие стекла из высоко- и низкоэмиссионного стекла. Однако, по-прежнему, остается проблема, связанная с низкой температурой поверхности стекла зимой и его перегревом летом. Пассивные системы энергосбережения в зданиях Модификация стены Тромба-Мишеля: а) разрез стены с механизмом увеличения солнечной энергии; б) система вентилирования помещений здания. Существуют две причины, по которым человек испытывает дискомфорт, находясь рядом с холодной поверхностью стены и окна: во-первых, холодная поверхность является причиной оттока тепла, поступающего от кожного покрова человека, во-вторых – явное ощущение холода. Для снижения влияния этих факторов, радиаторы отопления размещают в подоконных нишах, так как в холодных климатических условиях страны только теплоизоляцией стен эту проблему не решить. Следует отметить, что до 50% тепла в жилых помещениях тратится на нагрев воздуха, необходимого для вентиляции помещений. Добиться экономии тепла в этом случае можно применением вместо деревянных переплетов окон пластиковых. Однако помимо положительного эффекта – повышения сопротивления теплопередачи окон – эта мера приводит к ухудшению воздухообмена в помещениях. Для устранения этого недостатка следует использовать энегоэффективные окна, включающие стеклопакет с вентиляцией и обогревом поступающего воздуха извне. Проектное решение по перенаправлению солнечных лучей от отражающих поверхностей, а также путем поворота горизонтальных и вертикальных поверхностей, позволяет добиться уменьшения тепловых потерь в самых «термически слабых» конструкциях (оконные и дверные проемы, витражи). Данный тип окон обеспечивает обогрев воздуха, поступаемого в помещение в условиях свободно конвективного режима. Вариант с внутренней теплицей, застекленными лоджиями предусматривает также регулирование температуры необходимую для выращивания растений с любыми требованиями микроклимата. Закрытая теплица избавит от попадания вредных для человека испарений в результате жизнедеятельности растений в помещения. При выращивании определенных видов, вырабатывающих эфирные масла, можно обеззараживать попадаемый внутрь воздух. В нижней части подоконника устраивается регулирующий клапан, также можно дополнительно установить датчик влажности воздуха и устройства капельного полива. Рассматриваемый тип окон обеспечивает вентиляцию без дополнительного проветривания через открытое окно и отопление путем незначительного нагрева приточного воздуха. Теплопотери через оконный проем частично можно компенсировать ориентацией окон по сторонам света. Усовершенствовать эту систему можно используя рекомендации В. Файста, путем установки теплоизолирующих ставень на окна и тем решить проблему ночных теплопотерь через окна в зимние месяцы. Пассивные системы энергосбережения в зданиях Разрез стены и оконного проема: а) со встроенным мини-климатроном; б) с дополнительными отражающими поверхностями. Предложенное решение реально использовать как в новом строительстве, так и при реконструкции зданий старого фонда класса энергоэффективности D и E, для которых достаточно сложно подобрать меры повышения энергоэффективности. Увеличению периода использования естественного освещения и уменьшения периода искусственного освещения способствуют следующие элементы здания: световой фонарь, двойной свет, солнечные трубы, светильники-"подсолнухи", солнечный тент. Пассивные системы энергосбережения в зданиях Светопропускающие элементы здания: а, б) световой фонарь, в) двойной свет, г) солнечные трубы, д) "подсолнухи", е) солнечный тент. Для большей энергоэффективности комбинируются различные типы гелиосистем в одну сложную конструкцию, которая позволяет проводить естественный свет на несколько этажей, как наземных, так и подземных, а также вглубь помещения. Увеличение площади и периода использования естественного света является одной из мер экономии энергии за счет уменьшения времени искусственного освещения, увеличения температуры стекла, естественного нагрева вентилируемого воздуха в помещении. Практическое использование пассивных систем повышения энергоэффективности зданий. Рассмотрение положительных и отрицательных аспектов использования пассивных систем утилизации солнечной энергии показало, что элементы и технологии энергосбережения важно применять в комплексе. Такие здания относятся к группе пассивных. Совмещенное использование различных систем энергосбережения позволяет не только достигнуть баланса потерь и поступлений тепла через ограждающие конструкции зданий и сократить потребление традиционной энергии, но и достигнуть уникального архитектурного образа за счет вариации объемно-планировочных решений. Основным принципом пассивного дома является высокая эффективность внешней оболочки здания. Его конструктивные особенности проявляются в экстерьере здания. При определенной комбинации систем энергосбережения уникальные конструктивные решения проявятся и в интерьере, создавая различные визуальные картины. Такие возможности проектирования соответствуют современным визуально-эстетическим требованиям. Данный подход был применен Рыбаченко С. А. при курсовом проектировании офисного здания в г. Хабаровске. Пассивные системы энергосбережения в зданиях Схема освещения, обогрева и кондиционирования офисного здания. Суть идеи заключается в следующем. Предложена комплексная схема освещения, обогрева и кондиционирования офисного здания, которая позволяет увеличивать поступление солнечной энергии в объем помещения. В частности, в курсовом проекте система освещения состоит из водных подушек и «светового столба», которые проводят солнечный свет в помещения здания путем использования «световых ям» и ступенчатых междуэтажных фонарей. При этом резервные водные пространства могут использоваться для демонстрации водных растений и любых других композиций, в том числе и свето- и цветодинамических. Анализ мер энергосбережения в зданиях показал, что для повышения энергоэффективности проектов зданий и снижения расходов при их эксплуатации существует множество типов пассивных систем утилизации солнечной энергии. Они применяются в пределах глухой и светопрозрачной частей ограждающей оболочки здания. В результате обеспечивается процесс тепло- и электросбережения в зданиях при создании комфортного светового и тепловлажностного микроклимата в помещениях. Однако этот процесс сопровождается и неблагоприятными последствиями – снижением воздухообмена в помещениях, периода их естественного освещения и температуры ограждающих поверхностей. Это обусловливает важность комплексного использования пассивных гелиосистем. Такой подход был использован в рамках курсового проектирования офиса, когда принятые решения были направлены на экономию энергии по разным составляющим, что позволяет получить синергический эффект от энергосбережения. Голованова Л. А., Рыбаченко С. А. «Ученые заметки ТОГУ» Том 6, № 2, 2015