Солнечный дом с вегетарием

Зубарева Г.И. Солнечный дом с вегетарием // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. – 2019. – Т. 10, № 2. – С. 126–135. DOI: 10.15593/2224-9826/2019.1.11

Введение

Тема загородного и сельского жилья, использующего возобновляемые источники энергии, актуальна с точки зрения не только экологичности, но и развития направления архитектуры жилого малоэтажного дома. Рассматриваемый вопрос использования возобновляемых источников энергии в архитектуре малоэтажных жилых домов непосредственно связан с проблемой энергосбережения в жилищном строительстве.

В энергоэффективном малоэтажном строительстве России в настоящее время преобладают в основном пассивные технологии энергосбережения [1]. Пассивный дом представляет собой сооружение, для которого характерно отсутствие необходимости отопления или малое энергопотребление. Пассивные дома очень популярны сегодня в Германии, Австрии, Китае, Швеции и др. В России также имеются экспериментальные жилые дома с использованием возобновляемых источников энергии в Свердловской области, Новосибирске, Барнауле.

Одним из методов энергосбережения в строительстве индивидуального дома является полный или частичный отказ от классических источников энергии за счет использования альтернативных или возобновляемых.

Известно, что привлекательным источником энергии считается энергия Солнца. Энергия Солнца учитывалась зодчими с древних времен Сократа, который и предложил идею солнечного дома [2]. Солнечный дом – это дом, который отапливается энергией Cолнца. Использование Солнца в качестве источника энергии сегодня возрастает с увеличением доступности остекления дома, изучением его свойств (механических, термических, оптических, химических) и возможностей усовершенствования характеристик стекла. Стеклянная архитектура дома имеет неповторимый уникальный дизайн и дает возможность всегда находиться в едином пространстве с природой и окружающим миром [3].

Пассивный солнечный дом является комплексом только архитектурных инженерных решений, направленных на максимальную аккумуляцию солнечной энергии внутри дома. В этом заключается его особенность [4–6]. Солнечный дом «закрыт» с северной стороны и максимально «открыт» с южной. Также с южной стороны имеется буферная зона – изолированный стеклянный объем (теплица), который сглаживает температурную разницу и психологически объединяет человека с природой (буфер) [7].

Самая распространенная и самая разнообразная система пассивного солнечного отопления – это нагрев изолированного остекленного объема между природой и внутренним пространством дома.

К пассивному солнечному дому предъявляются следующие основные требования при его проектировании [8, 9]:

• компактная форма дома;
• оптимальная ориентация дома по сторонам света;
• дифференциализация остекленения в зависимости от ориентации фасадов дома;
• сезонное температурное зонирование;
• возможность сезонной трансформации элементов дома, аккумулирующих энергию Солнца;
• пассивное использование солнечной энергии, обусловленное солнечной архитектурой дома.

Основная часть

Пассивная система отопления дома определяет солнечный архитектурный облик и внутреннее строение солнечного дома путем использования вегетария (гелиотеплицы). Вегетарий (гелиотеплица) – изобретение киевского учителя физики А.В. Иванова, который еще в 60-х гг. запатентовал теплицу, обогреваемую солнечными лучами.

Вегетарий представляет собой постройку прямоугольной формы с плоской прозрачной крышей под наклоном 20° (рис. 1) [10].

В конструкции вегетария предусмотрено существенное снижение теплопотерь за счет применения двойного остекления, теплоизолированной северной стенки с отражающей внутренней поверхностью. С целью улавливания максимального количества солнечной энергии и аккумулирования избыточной теплоты используется грунтовый аккумулятор теплоты.

Вегетарий имеет существенные отличия от хорошо знакомой теплицы [11]:

1. При морозах до –10° вегетарию не нужен дополнительный обогрев. Температура воздуха внутри вегетария не опускается ниже 18–20° выше нуля.
2. Конструкция вегетария имеет оригинальную систему движения воздуха, исключающую необходимость проветривания вегетария. Поэтому внутри вегетария влажность, количество азота и углекислого газа сохраняются на оптимальном для рассады уровне.
3. Культуры, выращиваемые в вегетарии, не нуждаются в частом поливе поскольку уровень влажности сохраняется оптимальным для растений.

Особенность вегетария заключается в том, что обогревается он только энергией Солнца, за исключением очень холодных дней в году. При этом вегетарий чаще всего или примыкает к южному фасаду дома, или встраивается в него. Главной функцией вегетария является нагревание в нем воздуха через остекленную поверхность большого размера. Далее нагретый воздух поступает в другие помещения дома естественным путем или, в случае необходимости, с помощью принудительной вентиляции. Необходимая площадь остекления в вегетарии для поддержания комфортной температуры в доме зависит от температуры наружного воздуха (средние значения в январе и феврале), а также материала помещения, в котором происходит аккумулирование тепла [9].

Основными преимуществами данной системы пассивного солнечного отопления дома являются: возможность контролирования поступления нагретого воздуха в жилые помещения дома; использование сезонного зонирования (летом вегетарий может быть использован как помещение для отдыха, а зимой как система отопления); наличие нежилого пространства, в котором подогревается воздух перед попаданием в жилые помещения дома; создание буферной зоны (чаще всего зеленой) между природой и внутренним пространством дома [12]. Аккумулирование тепла в вегетарии происходит в стенах, полах или камине.

Существует классификация солнечных домов в зависимости от четырех способов обогрева его помещений теплом от вегетария [9]:

1. полупрямой обогрев;
2. непрямой обогрев;
3. термосифонная система с обогревом;
4. циркуляция теплого воздуха вокруг дома.

При первом способе обогрева дома нагретый в вегетарии солнечными лучами воздух поступает в жилые помещения дома, в которых избыточное тепло аккумулируется в стенах и полу комнат.

При непрямом обогреве дома теплый воздух в вегетарии нагревает массивную аккумулирующую стену и пол вегетария, после чего тепло попадает в жилые комнаты дома.

При сифонной системе обогрева дома нагретый солнечными лучами воздух вегетария и прохладный воздух из жилых помещений циркулируют через отверстия в теплоизолированной стене. Избыточное количество тепла аккумулируется в стенах и полу жилых комнат дома. В домах, имеющих «двойную оболочку», с южной стороны в пространстве между оболочками имеется солнечное пространство, в котором происходит нагрев воздуха. Далее нагретый воздух распределяется по всему межоболочному пространству и нагревает жилые помещения дома.

В зависимости от способа обогрева теплом солнечного дома различают несколько архитектурных решений дома с вегетарием [13, 14]:

1.Oтдельно стоящие дом и вегетарий (гелиотеплица)

Отдельно стоящий вегетарий выглядит как самостоятельный объект, никак не связанный с домом. Он имеет остекление с южной стороны, отдельный вход и представляет собой, по сути, классическую гелеотеплицу А.В. Иванова.

2.Солнечный дом с примыкающим к его основному жилому объему вегетарием 

В данном случае вегетарий выглядит как пристройка, примыкающая к дому с южной стороны. Помещение пристройки не отапливается, имеет полное остекление. В летний период помещение может использоваться как дополнительная комната (например, игровая детская комната). Летом остекленная крыша вегетария защищается от перегрева.

3.Солнечный дом с вегетарием, расположенные под общей крышей

В случае расположения вегетария под общей крышей с жилым объемом дома вегетарий также пристроен с южной стороны дома, но снаружи не выглядит как отдельный объект. Вегетарий изначально проектируется как часть дома, как и все остальные жилые помещения дома. При этом он имеет все характерные особенности гелиотеплицы – максимальное остекление, неотапливаемость этой части дома. Распространение нагретого воздуха по всему объему дома осуществляется естественным путем или принудительно.

4.Солнечный дом со встроенным в его жилой объем вегетарием

В таком доме присутствие вегетария во внешнем облике дома практически незаметно. Дом отличается от других только несколько большей площадью остекления с южной стороны.

5.Солнечные дома с «двойной оболочкой»

Дом с «двойной оболочкой» окружен со всех сторон вегетарием. Воздух, нагретый в солнечном пространстве (вегетарии), распространяется через воздушный слой в конструкциях внешних стен по всему дому. В результате нагретый воздух охватывает весь дом и хорошо его изолирует. Возрастание температуры воздуха особенно в пасмурные дни в такой системе благоприятно.

На рис. 7 показан еще один вариант дома с «двойной оболочкой» – деревянный дом, заключенный в каркас из стекла. Получился дом в доме (вегетарии), внутри которого постоянно поддерживается температура около 20° тепла. Такая архитектура существенно дает добавочную площадь и тепло, продлевает срок службы деревянного дома, защищает его от ветра, снега и дождя. Толщина «двойной оболочки» может быть различна, с южной стороны может составлять до 3 и более метров [15].

Виды вегетариев для обогрева солнечного дома разнообразны. Они могут быть пристроены к уже существующему дому, могут быть встроены в дом или являться для дома «второй оболочкой», как показано выше.

Для лучшей работы вегетария необходимо специальное остекление для пропуска солнечного тепла и его отражения из жилых помещений дома. Такое остекление называют «тепловым зеркалом». Кроме этого, необходимо предусматривать защиту от солнечных лучей в летний сезон [9].

Заключение

В связи с развитием пассивных энергоэффективных технологий малоэтажного строительства перспективными представляются дома с пассивной системой отопления, которая сильно влияет на архитектурный облик дома и его внутреннюю организацию. Одним из путей осуществления такого отопления является использование вегетария, обогреваемого только энергией Солнца.

Различные способы обогрева солнечных домов от вегетария: полупрямой, непрямой, термосифонная система с обогревом и циркуляция теплого воздуха вокруг дома – классифицируют солнечные дома и формируют их разнообразные архитектурные решения. Различают отдельно стоящий дом с вегетарием; дом с примыкающим к его основному жилому объему вегетарием; дом, расположенный с вегетарием под общей крышей; дом со встроенным в его жилой объем вегетарием, дом с «двойной оболочкой». Солнечные дома отличаются от всех других архитектурной выразительностью, преодолевая утилитарность архитектуры и схематизм. По сути, cолнечный дом – это малоэтажный дом нового поколения, отличающийся экологической эффективностью, индивидуальностью внешнего облика и высоким архитектурно-эстетическим уровнем.

К сожалению, вопрос архитектурных решений солнечных домов с пассивным использованием солнечной энергии остается малоизученным, несмотря на многообразие научных и проектных работ. Однако, учитывая явные преимущества пассивной системы обогрева (вегетарий) дома: энергоэффективность, возможность контролирования поступления нагретого воздуха в жилые помещения дома; использование сезонного зонирования; наличие нежилого пространства; создание буферной зоны между природой и внутренними помещениями дома – можно с уверенностью сказать, что солнечный дом с вегетарием будет оценен по достоинству.

Библиографический список

1.Вести Карелии. Пассивные дома, энергоэффективность в строительстве [Электронный ресурс]. – URL: http://vestikarelii.ru/novosti_kompanij/passivnye_doma_energoeffek- tivnost_v_stroitelstve_intervyu_s_direktorom_instituta_passivnogo_doma_ae_elohovym/ (дата обращения: 16.11.2018).

2. Сахаров А.Н., Анисимова И.И. Архитектурное проектирование малоэтажных жилых домов с солнечным энергоснабжением. – М.: 1983. – 352с.

3. Борискина И.В. Здания и сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями. Теоретические основы проектирования светопрозрачных конструкций / Инженерноинформационный центр оконных систем. – СПб., 2012. – 400 с.

4. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов / пер. с нем. под ред. А.Е. Елохова. – М.: Изд-во ACB, 2008. – 144 с.

5. Косо И. Солнечный дом. Естественное освещение в планировке и строительстве: пер. c венг. – М., 2006. – 173 с.

6. Табунщиков Ю.А. Энергоэффективное здание: синтез архитектуры и технологий //Архитектура и строительство Москвы. – 2006. – № 2–3. – C. 14–23.

7. Эрато Б. Индивидуальные теплицы в современном жилище. – М.: Стройизат, 1987.

8. Холлоуэй Д. Пассивный солнечный дом: Простой метод проектирования. Методика проектирования систем отопления пассивных солнечных домов на основе принципов прямого и косвенного обогрева / пер. c англ. О.Б. Меньшенина [Электронный ресурс]. – URL: http://www.mensh.ru/files/passive_solar.pdf. (дата обращения: 16.11.2018).

9. Сардыкова А.О. Архитектурный облик солнечного дома // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. – 2014. – № 2. – С. 59–64.

10. Солнечные теплицы [Электронный ресурс]. – URL: http://www.mensh.ru/articles/ solnechnye-te icy.pl (дата обращения: 16.11.2018).

11. Дача своими руками. Вегетарий: что такое вегетарий, плюсы и недостатки, отличие вегетария от теплицы [Электронный ресурс]. – URL: https://stopdacha.ru/vegetarij-chto-takoevegetarij-plyusy-i-nedostatki-otlichie-vegetariya-ot-teplitsy.html (дата обращения: 16.11.2018).

12. Афанасьева О.К. Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии: автореф. дис. … канд. архит. – М., 2009. – 18 c.

13. Афанасьева О.К. Архитектура малоэтажных домов с использованием возобновляемых источников энергии: учеб. пособие. – М., 2007.

14. Хохлова Л.П. Коттеджи с солнечным энергоснабжением // Жилищное строительства. – 2005. – № 8. – C. 14–19.

15. Casaricca. Дом-теплица [Электронный ресурс]. – URL: https://www.casaricca.ru/ journal/dom-teplitsa/ (дата обращения: 16.11.2018).