Рациональное проектирование распределения солнечной энергии

Окна, стены и полы вашего дома могут быть спроектированы таким образом, чтобы зимой накапливать и распределять солнечную энергию в виде тепла, а летом, наоборот, препятствовать нагреванию помещения. Такое рациональное проектирование называется пассивным солнечным или климатическим дизайном. В отличие от активных солнечных систем, пассивные не подразумевают использование никакого механического или электрического оборудования (насосов, вентиляторов) для перемещения солнечного тепла.

Разница между пассивным солнечным домом и обычным домом состоит в особенности дизайна первого. Ключевой момент создания энергоэффективного дома состоит в том, чтобы извлечь максимальную пользу из местных климатических особенностей. Солнечный обогрев пассивного солнечного дома может быть как абсолютным (не подразумевающим использования других методов теплообеспечения), так и частичным (дополняющим другие способы обогрева).
Приемы пассивного солнечного проектирования наиболее разумно применять при строительстве дома “с нуля”. Однако уже готовые здания также могут быть частично приспособлены к пассивному накоплению солнечного тепла.

Рассмотрим, как работает пассивный солнечный дизайн. Согласно фундаментальному закону физики, тепло передается от более теплых материалов к менее теплым, до тех пор, пока между ними не останется никакой температурной разницы. Пассивный солнечный дизайн реализует это правило через следующие механизмы движения и накопления тепла:

☀ Теплопередача
При теплопередаче тепло передается через тела, от молекулы к молекуле. По мере нагревания тела, молекулы, находящиеся ближе всего к источнику тепла, начинают интенсивно вибрировать. При этом вибрация передается соседним молекулам, за счет чего возникает передача тепла. Именно таким образом осуществляется переход тепла по ручке ложечки, находящейся в чашке с горячим кофе, к держащим ее пальцам.

☀ Конвекция
Конвекция – это перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. При конвекции более легкая и теплая текучая среда поднимается вверх, в то время как прохладная и более плотная среда опускается вниз. Например, теплый воздух поднимается за счет того, что он легче холодного. Именно поэтому теплый воздух, как правило, скапливается на верхнем этаже здания, в то время как подвал остается прохладным. В некоторых пассивных солнечных домах конвекция используется для переноса солнечного тепла от южной стены внутрь здания.

☀ Радиация (излучение)
Излучаемое тепло передается по воздуху от более теплых предметов к менее теплым. Для пассивного солнечного излучения наибольшую важность представляют два типа излучения: солнечное и инфракрасное. В зависимости от особенностей облучаемого предмета, излучение может поглощаться, отражаться либо пропускаться.
Непроницаемые предметы поглощают 40-95% поступающей солнечной радиации, в зависимости от цвета – темные цвета, как правило, поглощают больше тепла, чем светлые. Вот почему поверхность поглотителя солнечной энергии чаще всего окрашена в темные цвета. Светлые материалы отражают 80-98% поступающей солнечной энергии.

Внутри жилого помещения радиация возникает тогда, когда более теплые поверхности излучают тепло, передающееся менее теплым. Так, человеческое тело способно излучать инфракрасное тепло к более прохладным поверхностям (стенам, окнам, потолкам и т.д.), причем зачастую это вызывает у человека дискомфорт.
Стекло пропускает 80-901% солнечной радиации, а поглощает и отражает всего лишь 10-20%. Пропускаемое стеклом солнечное излучение поглощается поверхностями в доме, а позже снова ими излучается в виде инфракрасной радиации. Между тем, стекло, способное пропускать солнечную радиацию, инфракрасное излучение наружу не пропускает, поглощая, а позже излучая его обратно в дом. Таким образом, стекло является ловушкой для тепла, попавшего в здание.

☀ Теплоемкость
Теплоемкость означает способность материалов к накапливанию тепла. Материалы, способные сохранять тепло, называются термальной массой. Чем больше объем термальной массы, тем больше тепла она сохраняет при повышении температуры на один градус. В качестве термального массива в пассивных солнечных домах часто используются кладочные материалы, такие как бетон, камень, кирпич и плитка. Хорошей теплоемкостью обладает и вода.

☀ Пять элементов дизайна пассивного солнечного дома
Для того чтобы спроектировать абсолютно пассивный солнечный дом, требуется сочетание 5 элементов пассивного солнечного дизайна, каждый из которых выполняет отдельную функцию.