Использование солнечной энергии: Глобальное руководство по пассивной солнечной архитектуре

Пассивная солнечная архитектура использует энергию солнца для естественного отопления, охлаждения и освещения зданий. В отличие от активных солнечных систем, использующих механические или электрические устройства, пассивная солнечная архитектура интегрирует архитектурные элементы для максимального получения солнечного тепла зимой и минимизации его летом. Этот подход обеспечивает значительную экономию энергии, снижает зависимость от ископаемого топлива и создает более комфортные и устойчивые условия жизни во всем мире.

Понимание принципов пассивной солнечной архитектуры

Эффективность пассивной солнечной архитектуры зависит от нескольких ключевых принципов:

• Ориентация: Ориентация здания имеет первостепенное значение. В Северном полушарии южный фасад максимизирует солнечное тепло зимой. В Южном полушарии оптимальным является северный фасад.
• Солнечное тепло: Это относится к количеству солнечной энергии, поступающей в здание. Крайне важно проектировать для оптимального получения солнечного тепла зимой, минимизируя его летом.
• Тепловая масса: Материалы, такие как бетон, кирпич и камень, обладают высокой тепловой массой, что означает, что они могут поглощать и хранить значительное количество тепла. Это накопленное тепло затем может медленно выделяться, смягчая температуру в помещении.
• Утепление: Надлежащее утепление необходимо для удержания тепла зимой и предотвращения его попадания летом. Это сводит к минимуму потери и поступление тепла через оболочку здания.
• Естественная вентиляция: Проектирование для естественного воздушного потока может помочь охладить здание летом. Этого можно добиться с помощью стратегически расположенных окон, вентиляционных отверстий и формы здания.
• Затенение: Выступы, навесы и ландшафтный дизайн могут обеспечивать затенение в летние месяцы, уменьшая поступление солнечного тепла и предотвращая перегрев.

Ключевые элементы пассивной солнечной архитектуры

Несколько архитектурных элементов способствуют эффективной пассивной солнечной архитектуре:

1. Окна, выходящие на юг (или на север в Южном полушарии)

Большие окна, выходящие на юг (или на север), являются основным средством улавливания солнечной энергии зимой. Размер и расположение этих окон следует тщательно рассчитывать в зависимости от местоположения и климата здания. Использование двойных или тройных окон с низкоэмиссионным покрытием может еще больше повысить энергоэффективность.

2. Тепловая масса

Тепловая масса действует как теплоотвод, поглощая солнечную энергию в течение дня и выделяя ее ночью. Распространенные материалы тепловой массы включают бетонные полы, кирпичные стены и заполненные водой контейнеры. Количество необходимой тепловой массы зависит от климата и количества получаемого солнечного тепла.

Пример: Бетонный пол в доме в Денвере, штат Колорадо, поглощает солнечную энергию в течение дня через окна, выходящие на юг. Это накопленное тепло затем выделяется ночью, сохраняя тепло в доме и уменьшая потребность в дополнительном отоплении.

3. Утепление

Адекватная теплоизоляция необходима для предотвращения потерь тепла зимой и поступления тепла летом. Утепление стен, крыш и полов до рекомендуемых уровней значительно снижает потребление энергии. Рассмотрите возможность использования экологически чистых изоляционных материалов, таких как переработанный деним или целлюлоза.

Пример: Хорошо утепленный дом в Хельсинки, Финляндия, удерживает тепло в течение долгих холодных зим, сводя к минимуму потребность в дорогостоящих системах отопления. В таких климатических условиях важна теплоизоляция с высоким R-значением.

4. Выступы и солнцезащитные устройства

Выступы — это горизонтальные выступы, которые затеняют окна в летние месяцы, когда солнце находится выше в небе. Глубина выступа должна быть тщательно рассчитана, чтобы обеспечить оптимальное затенение для широты здания. Другие солнцезащитные устройства включают навесы, жалюзи и ландшафтный дизайн.

Пример: Выступы на здании в Фениксе, штат Аризона, эффективно блокируют интенсивное летнее солнце, предотвращая перегрев и снижая потребность в кондиционировании воздуха.

5. Естественная вентиляция

Проектирование для естественной вентиляции может помочь охладить здание летом, позволяя циркулировать свежему воздуху. Этого можно добиться с помощью стратегически расположенных окон и вентиляционных отверстий, которые создают естественный воздушный поток. При проектировании естественной вентиляции учитывайте преобладающие направления ветра.

Пример: Традиционный риад в Марракеше, Марокко, использует внутренний двор и стратегически расположенные окна для создания естественной вентиляции, сохраняя прохладу в здании в жарком пустынном климате.

6. Стены Trombe

Стена Trombe — это южная (или северная) стена, сделанная из материала темного цвета, поглощающего тепло, обычно бетона или кирпича, с остекленной поверхностью снаружи. Вентиляционные отверстия в верхней и нижней части стены позволяют теплому воздуху циркулировать в здании.

7. Солнечные комнаты (солярии)

Солнечная комната, также известная как солярий или оранжерея, представляет собой остекленное пространство, примыкающее к южной (или северной) стороне здания. Его можно использовать для сбора солнечного тепла, выращивания растений и обеспечения светлого, солнечного жилого пространства.

Преимущества пассивной солнечной архитектуры

Пассивная солнечная архитектура предлагает многочисленные преимущества:

• Сниженное потребление энергии: Используя энергию солнца, пассивная солнечная архитектура значительно снижает потребность в обычных системах отопления и охлаждения, что приводит к снижению счетов за электроэнергию.
• Меньший углеродный след: Сниженное потребление энергии приводит к меньшему углеродному следу, способствуя более устойчивой окружающей среде.
• Улучшенный комфорт в помещении: Пассивная солнечная архитектура создает более комфортные и стабильные температуры в помещении, уменьшая перепады температур и улучшая общее самочувствие.
• Повышение стоимости имущества: Энергоэффективные дома становятся все более востребованными, и пассивная солнечная архитектура может увеличить стоимость имущества.
• Снижение зависимости от ископаемого топлива: Используя возобновляемую энергию солнца, пассивная солнечная архитектура снижает нашу зависимость от ограниченных ресурсов ископаемого топлива.
• Улучшенная эстетика: Пассивную солнечную архитектуру можно органично интегрировать в архитектуру здания, улучшая ее эстетическую привлекательность.
• Более здоровая окружающая среда в помещении: Увеличение естественного освещения и вентиляции способствует созданию более здоровой окружающей среды в помещении.

Проблемы пассивной солнечной архитектуры

Хотя пассивная солнечная архитектура предлагает множество преимуществ, следует учитывать и некоторые проблемы:

• Зависимость от климата: Эффективность пассивной солнечной архитектуры во многом зависит от местного климата. Крайне важно адаптировать дизайн к конкретным климатическим условиям.
• Первоначальная стоимость: Реализация функций пассивной солнечной архитектуры может потребовать более высоких первоначальных инвестиций по сравнению с обычными строительными практиками.
• Сложность проектирования: Пассивная солнечная архитектура требует тщательного планирования и интеграции архитектурных элементов. Важно работать с опытными архитекторами и инженерами.
• Риск перегрева: При неправильном проектировании пассивные солнечные здания могут перегреваться летом. Для предотвращения этого необходимы надлежащее затенение и вентиляция.
• Поведение жильцов: Эффективность пассивной солнечной архитектуры зависит от поведения жильцов. Например, закрытие штор в течение дня может уменьшить поступление солнечного тепла зимой.
• Ограничения участка: Существующие здания могут иметь ограничения участка, которые ограничивают эффективность модернизации пассивного солнечного отопления.

Глобальные примеры пассивной солнечной архитектуры

Принципы пассивной солнечной архитектуры успешно применяются в различных климатических условиях и культурах по всему миру:

• Earthships (различные места): Earthships — это автономные, устойчивые дома, построенные с использованием переработанных материалов и включающие принципы пассивной солнечной архитектуры для отопления, охлаждения и сбора воды.
• Дома из глинобитного кирпича (Юго-Запад США): Традиционные дома из глинобитного кирпича на юго-западе США используют толстые стены из глинобитного кирпича для тепловой массы, обеспечивая естественное отопление и охлаждение в пустынном климате.
• Архитектура риада (Марокко): Риады, традиционные марокканские дома, имеют внутренние дворы и стратегически расположенные окна для создания естественной вентиляции и затенения, сохраняя прохладу в зданиях в жарком климате.
• Пассивные дома (Германия и весь мир): Пассивные дома — это супер-изолированные, герметичные здания, которые используют пассивную солнечную архитектуру и вентиляцию с рекуперацией тепла для минимизации потребления энергии. Стандарт Passivhaus был принят во всем мире.
• Пещерные жилища (различные места): На протяжении всей истории люди использовали пещеры и подземные сооружения, чтобы воспользоваться постоянной температурой земли, создавая естественные прохладные и теплые жилые помещения.
• Дома оазиса Сива (Египет): Дома в оазисе Сива часто изготавливаются из сырцового кирпича и спроектированы с небольшими окнами и толстыми стенами, чтобы изолировать от жары пустыни.
• Традиционные японские дома (Япония): Традиционные японские дома часто используют глубокие карнизы и стратегически расположенные экраны сёджи для контроля солнечного света и воздушного потока, адаптируясь к различным сезонам.

Стратегии пассивной солнечной архитектуры для разных климатов

Конкретные стратегии пассивной солнечной архитектуры будут варьироваться в зависимости от климата:

• Холодный климат: Максимизируйте получение солнечного тепла через окна, выходящие на юг (или на север), используйте высокие уровни изоляции и включите тепловую массу для хранения тепла. Сведите к минимуму утечку воздуха и используйте вентиляцию с рекуперацией тепла.
• Жаркий, засушливый климат: Минимизируйте поступление солнечного тепла с помощью солнцезащитных устройств, используйте светлые наружные поверхности для отражения солнечного света и проектируйте для естественной вентиляции. Рассмотрите возможность использования методов испарительного охлаждения.
• Жаркий, влажный климат: Максимизируйте естественную вентиляцию, обеспечьте затенение от солнца и используйте стратегии осушения. Избегайте использования тепловой массы, так как она может удерживать влажность.
• Умеренный климат: В зависимости от конкретных климатических условий может быть уместно сочетание стратегий. Сбалансируйте получение солнечного тепла, затенение, вентиляцию и изоляцию.

Интеграция пассивной солнечной архитектуры в новое строительство и реконструкцию

Принципы пассивной солнечной архитектуры могут быть включены как в новое строительство, так и в проекты реконструкции:

Новое строительство

В новом строительстве можно с самого начала полностью интегрировать принципы пассивной солнечной архитектуры, оптимизируя ориентацию здания, расположение окон, изоляцию и тепловую массу. Это обеспечивает наиболее эффективную и действенную пассивную солнечную архитектуру.

Реконструкция

Переоборудование существующих зданий с функциями пассивной солнечной архитектуры может быть более сложной задачей, но по-прежнему можно повысить энергоэффективность. Некоторые распространенные стратегии модернизации включают:

• Добавление утеплителя к стенам, крышам и полам
• Замена окон на энергоэффективные модели
• Добавление солнцезащитных устройств к окнам
• Установка стены Trombe или солнечной комнаты
• Улучшение естественной вентиляции

Инструменты и ресурсы для пассивной солнечной архитектуры

Несколько инструментов и ресурсов могут помочь в пассивной солнечной архитектуре:

• Программное обеспечение для анализа солнечной энергии: Программные программы, такие как SketchUp с плагином Sefaira, Ecotect и EnergyPlus, можно использовать для моделирования и анализа солнечной работы зданий.
• Данные о климате: Данные о местном климате необходимы для проектирования эффективных пассивных солнечных систем. Эти данные можно получить от метеорологических организаций и онлайн-ресурсов.
• Строительные нормы и стандарты: Строительные нормы и стандарты часто включают требования к энергоэффективности и пассивной солнечной архитектуре.
• Институт пассивных домов (PHI): Институт пассивных домов является ведущей организацией, продвигающей стандарт Passivhaus.
• Книги и статьи: Доступны многочисленные книги и статьи по пассивной солнечной архитектуре.
• Консультанты и эксперты: Работа с опытными архитекторами, инженерами и консультантами необходима для успешной пассивной солнечной архитектуры.

Будущее пассивной солнечной архитектуры

Поскольку мир сталкивается с растущими энергетическими проблемами и опасениями по поводу изменения климата, пассивная солнечная архитектура становится все более важной. Достижения в области строительных материалов, программных инструментов и стратегий проектирования делают пассивную солнечную архитектуру более эффективной и доступной, чем когда-либо прежде. Интеграция пассивной солнечной архитектуры с другими устойчивыми строительными практиками, такими как зеленые крыши и сбор дождевой воды, может создать действительно устойчивые и устойчивые здания.

Заключение

Пассивная солнечная архитектура предлагает мощный и устойчивый способ использования энергии солнца для отопления, охлаждения и освещения зданий. Понимая принципы и ключевые элементы пассивной солнечной архитектуры, архитекторы, строители и домовладельцы могут создавать энергоэффективные, комфортные и экологически чистые здания по всему миру. Поскольку мы движемся к более устойчивому будущему, пассивная солнечная архитектура будет играть все более важную роль в сокращении нашего углеродного следа и создании более здоровой планеты.