Солнечный дом – экспериментальный, индивидуальный, традиционный
П.А. Казанцев, В.В. Княжев, В.В. Лощенков, Н.С. Кирик
Исследование традиционной архитектурной модели пассивного солнечного отопления на примере экспериментального индивидуального жилого дома Solar-Sb
Аннотация: Проведенные зимой 2015/16 года исследования на реализованном пассивном солнечном доме при отсутствии в нем дополнительных источников тепла подтвердили высокую эффективность приемов пассивной солнечной архитектуры в рамках традиционной архитектурной модели «солнечного» дома в природно-климатических условиях юга Приморского края. Выявленные причины высокой инертности системы в утренние часы, а также положительный эффект дополнительно- го инсоляционного прогрева дома в вечерние часы позволят разработать мероприятия по совершенствованию пассивных солнечных систем жилых зданий в условиях региона.
Введение
Наблюдаемая зимой в Приморье температура воздуха значительно ниже, чем на тех же широтах в европейской части страны. Но значительные гелиоресурсы территории восполняют ее низкий температурный фон. Приморский край благодаря своей южной широте и особенностям муссонного климата отличается высоким потенциалом для развития тепловой солнечной энергетики. Радиационный баланс на севере края составляет 1885 МДж/м2, на юге – 2010,2 МДж/м2, про- должительность наблюдаемого на территории края солнечного сияния 1900–2500 ч в год [3, с. 9]. При этом большая часть солнечных дней приходится именно на холодный период года.
Индивидуальный жилой фонд в Приморском крае составляет 20,3% общей площади, или около 8,7 млн м2. В последние годы строительство индивидуальных жилых домов становится основным источником пополнения жилищного фонда [2]. В силу удаленности участков массовой индивидуальной застройки с увеличением объемов индивидуального жилищного строительства растет и спрос на автономные системы теплоснабжения. Несмотря на высокий естественный потенциал, солнечная энергия как перспективный вид теплоснабжения частных домохозяйств в крае не рассматривается, что в целом повторяет общероссийскую тенденцию. Так, общая площадь сол- нечных систем водяного теплоснабжения в России (около 12,5 тыс. м2 в 2014 г.) в сравнении с мировым уровнем (471 млн м2 в том же году) по-прежнему ничтожна [1]. А строительство индивидуальных жилых домов с пассивными солнечными системами теплоснабжения в Приморье за по- следние 10 лет так и не вышло за рамки единичных экспериментов [8].
По мнению авторов данной статьи, одним из основных факторов, сдерживающих внедрение солнечных, в том числе пассивных солнечных, технологий в индивидуальное жилищное строительство в Приморском крае, является отсутствие экспериментальных данных, подтверждающих эффективность подобного рода систем в условиях региона. Поэтому целью проведенных зимой 2015/16 года совместных исследований «Мастерской ресурсосберегающей архитектуры» кафедры архитектуры и градостроительства Инженерной школы ДВФУ и лаборатории 07 Энергетики подводных робототехнических комплексов Институте проблем морских технологий ДВО РАН был мониторинг показателей пассивной солнечной системы индивидуального жилого дома в условиях юга Приморья. Основным условием выбора объекта наблюдения было отсутствие в доме других (кроме прямого солнечного облучения) источников тепла.
Рис. 1. Общий вид дома с юго-востока зимой 2015/16 г. Авторы проекта, архитектура: Павел Казанцев (ДВФУ) и Анна Ляшко (проектная компания М-АРК), конструкции и технологии: Домантас Суркис, Мариус Тарвидас, Аудрис Круциус (Экококон, Литва).
Наблюдение характеристик пассивной солнечной системы
Объектом исследования был выбран индивидуальный жилой дом с пассивным солнечным отоплением Solar-SB. Коробка дома выполнена из готовых панелей из прессованной соломы. Проект разработан в 2012–2013 гг., строительство ведется с июня 2014 г. Участок строительства: Приморский край, Надеждинский район, пос. Новый, котловина с/т Серебрянка. Авторы проекта: архитекторы Павел Казанцев (ДВФУ, Владивосток), Анна Ляшко (проектная компания М-АРК, Владивосток); конструкции дома и технология соломенных панелей: Domantas Surkys, Audris Krucius, Marius Tarvidas (компания Ecococon, Вильнюс, Литва); заказчик: Владимир Казанцев (рисунки 1, 2).
Основные технико-экономические показатели проекта: площадь застройки 117 м2, жилая площадь 133,7 м2, общая площадь 187,8 м2. Тип пассивной солнечной системы – «Прямой обогрев» (Direct gain) [9]. Стеклопакеты селективные двухкамерные Low-e Ro = 0,7–0,76 (м2 °С)/Вт (по проекту), площадь витражей южной ориентации – 25,0 м2, термальный массив на момент наблюдений – светло-серый бетонный пол 0,15 м по утеплителю, без черной матовой облицовки, площадь 24 м2. Наружные стены – соломенные панели: размер 3,0х0,8х0,4 м, плотность соломы – 120 кг/м3, уровень влажности соломы 15%, коэффициент теплопередачи по центральной части панели U = 0,23 Вт/(м2K).
Рис. 2. Проектный вид дома по завершении строительства
По проекту пассивная солнечная система работала совместно с активной солнечной системой отопления и горячего водоснабжения, на основе вакуумных трубчатых коллекторов SUNRAIN TZ58-1800-25R1 (на время проведения исследований не смонтирована). Фотоэлектрические панели предлагалось использовать для поддержания автономной работы солнечной системы отопления и горячего водоснабжения.
При проектировании за основу формирования пассивной солнечной системы экспериментального соломенного экодома Solar-Sb была принята традиционная для умеренных широт Северного полушария архитектурная модель.
Центральное ядро дома – двухсветный атриум с витражом на юг и мансардными окнами в кровле. Атриум должен был включать массивные внутренние стены, обеспечивающие тепловую инерцию здания, но при строительстве их заменили на каркас. Жилые помещения раскрыты в атриум. В плане по глубине дом рассечен в пропорции 2/3 жилых помещений с юга и 1/3 буферного пространства с севера, с учетом глубины проникновения солнечных лучей зимой. Спальная зона на втором этаже учитывает эффект «теплового мешка» и позволяет экономить на отоплении первого этажа ночью. Дом вытянут по широте, что обеспечивает раскрытие его на солнце. Северный наветренный фасад глухой, скат кровли опущен до отметок чистого пола второго этажа. Балконы в торцах дома формируют промежуточные полуоткрытые пространства, обеспечивающие дополнительную защиту от погодного дискомфорта. Они должны снижать перегрев западного фасада летом (в сочетании с вертикальным зеленым экраном) и укрывать восточный фасад от косых дождей.
Мансарда на третьем уровне жилая, но будет отсечена от теплого ядра дома утепленным перекрытием, обеспечивающим возможность ее сезонной эксплуатации. В первую половину лета окна в противоположных торцах мансарды способствуют дополнительному проветриванию атриума через люк в перекрытии за счет сквозняка под коньком кровли.
К новаторским решениям формы соломенного дома можно отнести только сочлененную конфигурацию кровли, подстроенную под оптимальные углы для размещения солнечного коллектора водяного отопления (Солнце в 20-е числа января) и фотоэлектрической системы (высота Солнца в день равноденствия на широте Владивостока).
Изначально дом проектировался как каркасно-соломенный, но вскоре выяснилось, что только панели из прессованной озимой соломы устойчивы к высокой влажности приморского лета. Технология соломенно-панельного строительства вписывалась в уже готовый эскизный проект. Отсюда – дом в два этажа с мансардой: редкое решение для соломенно-панельной технологии. В процессе строительства на сборку соломенного остова ушло 6 дней. В целом работы на «коробке» (внутренний каркас, стропильная система, кровельные работы, отделка фасадов) заняли с перерывами год. К июню 2015 г. дом без интерьеров и сетей был готов.
В зиму 2015/16 года дом вошел с незавершенными внутренними работами. Он не жилой, не отапливаемый. Это дало возможность изучить собственный тепловой режим помещений дома и оценить вклад пассивной солнечной системы в отопление в холодный период (рис. 3).
Проводились два типа измерений. Первый – операторская фиксация внутренней температуры воздуха стационарными спиртовыми термометрами в трех точках: первый, второй этаж, мансарда – и наружной температуры воздуха – у северного фасада, в 9, 13 и 19 часов, для выявления общей картины динамики внутренней (по уровням жилого дома) и внешней температур воздуха с 14 декабря 2015 г. по 19 февраля 2016 года (наиболее холодный период года на юге Приморья, 68 дней, рис. 4).
Рис. 3. Интерьеры дома в период наблюдений зимой 2015/16 года, работы не завершены
Второй – непрерывная регистрация на автоматических метеостанциях HOBO Weather Station с 8 февраля по 14 марта 2016 г. (полный период наблюдений по 31 марта 2016 г.) внешних метеорологических параметров, включая скорость и направление ветра, влажность, температуру, величину потока солнечной радиации на горизонтальную плоскость, на плоскость, наклоненную на 45° к югу, на южную вертикальную плоскость, совпадающую с вертикальными витражами дома, и непрерывную регистрацию суточной динамики температуры, влажности воздуха внутри помещений и потока солнечной радиации, поступающего через южный витраж (рис. 5).
Рис. 4. Результаты операторской фиксации с 14 декабря 2015 г. по 19 февраля 2016 г.
Рис. 5. Общий вид показаний автоматической метеостанции с 8 февраля по 14 марта
При оценке результатов наблюдений на автоматической метеостанции HOBO Weather Station использовалось программное обеспечение HOBOware Pro Onset Computer Corporation. Со- поставление данных двух типов измерений по внутренней температуре воздуха на уровне 1-го и 2-го этажа, в срок с 8.02 по 19.02.2016 г., показало высокую степень совпадения результатов операторской фиксации и результатов наблюдений на автоматической метеостанции.
Основные результаты наблюдений
По итогам наблюдений можно отметить следующее: максимальные значения внутренних температур отмечены на втором этаже жилого дома, средние показания – на первом, наиболее низкие, ниже показаний термометра на 2-м этаже на 1–3°С, – на уровне мансарды. В период наблюдений мансарда была утеплена не полностью, не были утеплены вентиляционные каналы, дымоход и откосы окон, что вызывало дополнительное охлаждение помещения. Поэтому вместо ожидаемых наиболее высоких температур мансарда ночью быстро выстывала, охлаждая весь дом.
В целом за рассматриваемый в статье период наблюдений с 14 декабря по 14 марта температура воздуха жилых помещений дома (1-й и 2-й этаж) держалась вблизи отметки 0°С. С положительных температур в декабре (+9°С 20 декабря) температура воздуха плавно понижалась до середины января, достигнув минимальной отметки 19 января, после продолжавшегося в течение двух дней снежного бурана (–7°С в 13.00 и –4°С в 17.00). С увеличением продолжительности солнечного сияния температура воздуха жилых помещений начала расти, составив 19 февраля +7°С в 13 часов дня (рисунки 4, 5). Из 92 дней наблюдений дневные температуры воздуха ниже 0°С отмечались внутри жилой части дома, второй этаж, только 6 дней – 17–21 и 23 января. Температура около –5°С внутри дома ночью отмечалась 4 дня. При этом температура воздуха в дневные часы –10°С и ниже в котловине с/т Серебрянка наблюдалась 26 дней, ниже –15°С в ночные часы – 34 дня. Максимальные значения интегрального потока солнечной радиации, поступившей через вертикальный витраж атриума южной ориентации, составляли в околополуденные часы 150– 179 Вт/м2, что значительно ниже показаний, наблюдавшихся на вертикальной поверхности снаружи дома – 775–1039 Вт/м2.
Максимальная разность наружной и внутренней температуры воздуха в дни наиболее холодных погод с минимальной облачностью достигала 12–20 °C (например, 11.01, 23.01, 9–10.02, 16.02). В суточной динамике в ясные дни наиболее низкие температуры внутри дома отмечались в районе 9 утра, минимум температур, незначительно повышаясь, держался примерно до 11 утра, несмотря на поступление солнечного тепла через южные витражи, примерно с 9 утра. С 11 утра температура воздуха в доме начинала заметно расти, достигая наибольших значений к 17–18 ч, когда поступления солнечного тепла через южный витраж уже резко снижались. Наблюдаемый максимум внутренних температур отставал от максимума поступающей через южный витраж солнечной радиации примерно на 3 ч (рисунки 6, 7; таблицы 1, 2; выбраны дни с ясной погодой и минимальной температурой наружного воздуха в феврале).
Эти данные показали необходимость дооборудования пассивной системы солнечного отоп- ления рассматриваемого жилого дома разогревающей солнечной системой конвекционного типа, работающей преимущественно в утренние часы. И, по-видимому, подтверждают положительный эффект дополнительного солнечного прогрева дома в вечерние часы в феврале, через витражи за- падной ориентации (общая площадь витражей 12,5 м2, количество поступающей солнечной радиа- ции не оценивалось).
Оценивая эти показания, следует учесть, что в результате незавершенной внутренней отделки объем отапливаемых пассивной солнечной системой помещений зимой 2015–2016 года был превышен более чем на треть от проектного. Так, отсутствовали перегородки и перекрытия между жилой и буферной зоной, не было теплого перекрытия между вторым уровнем и мансардой, мансарда была утеплена не полностью, отсутствовали тамбуры основного и хозяйственного входа. Этим отчасти объясняется и высокая инертность системы в первые утренние часы солнечного прогрева, а также значительная суточная динамика температур внутри дома, наблюдавшаяся весь период исследований (в отдельные дни падение на 6–7 °С от дневного максимума к минимуму в 9 утра). Высокую суточную динамику наружных температур, скорее всего, можно отнести за счет эффекта ночного стока и накопления холодного воздуха в котловине с/т Серебрянка.
Минимальная разность температур в 2–3 °С была отмечена в дни оттепелей, при пасмурной погоде (например, 02.01, 28.01, 29.01). В февральскую оттепель 11–13 числа температура воздуха на улице была даже выше внутренней температуры воздуха, что объясняется прежде всего хоро- шими изолирующими характеристиками наружных стен из соломенных панелей. Также следует учесть отсутствие поступлений солнечного тепла в эти дни. Хорошие инертные характеристики дома проявились и в заметном постоянстве температуры внутреннего воздуха, независимо от рез- ких изменений температуры наружного воздуха, например от –6 °С к –21 °С за три январских дня (9–11.01; рис. 4).
Рис. 6. Общий вид показаний автоматической метеостанции 9–10 февраля
Рис. 7. Общий вид показаний автоматической метеостанции 15–16 февраля
В целом, учитывая, что по проекту пассивная солнечная система прямого обогрева не планировалась как основная система отопления рассматриваемого жилого дома, полученные данные подтверждают ее высокий потенциал по возможному вкладу в общую систему отопления здания по завершении отделочных работ. При этом в летний перегрев в доме также сохранялись комфортные условия. Например, при полностью закрытых окнах в период влажных душных погод в помещениях было прохладно и сухо (август 2015 г., эпизодические наблюдения). Еще на стадии проектирования на этот «охлаждающий» эффект соломенных конструкций в условиях влажного жаркого лета обращали внимание разработчики панелей из литовской фирмы «Экококон». Форточки в витражах были закрыты, так как при высокой влажности и наружных температурах около +30°С естественная аэрация помещений не работает.
Предварительные результаты
В 2005 году в проектной фирме Аргус-Арт был разработан экспериментальный проект индивидуального жилого экодома Solar-5 (автор проекта – архитектор Павел Казанцев) [4, 6]. Активную солнечную систему экодома проектировала лаборатория 07 ИПМТ ДВО РАН (Александр Волков и Олег Ковалев, рис. 8). Согласно расчетам лаборатории, пассивная солнечная система отопления жилого дома обеспечивала вклад в отопление здания в холодный период года до 57% (рис. 9). В основном этот результат достигался за счет нестандартного архитектурного решения здания, получившего патент на изобретение в области энергоэффективной архитектурной формы RU 2342507 и отмеченного призами международных и российских выставок и конкурсов.
В 2011 году технопарком ДВГТУ (ДВФУ) была реализована одноэтажная копия экодома – учебно-экспериментальный экомодуль Solar-5m, но подтвердить высокие расчетные характеристики пассивного солнечного отопления на практике не представилось возможным [5]. При рассмотрении проекта потребители высказывали сомнение в эффективности использования приемов пассивной солнечной архитектуры в Приморье, зачастую было и неприятие связанного с солнечными технологиями нестандартного архитектурного образа дома.
Рис. 8. Экодом Solar-5. Проектный вид
В связи с этим исследования, проведенные на реализованном пассивном солнечном доме зимой 2015/16 года в отсутствие в этом доме дополнительных источников тепла важны тем, что подтвердили высокую эффективность приемов пассивной солнечной архитектуры даже в рамках традиционной архитектурной модели «солнечного» дома, в условиях юга Приморского края. Фактически только грамотное архитектурное решение может обеспечить до половины потребностей дома в тепле. При высокой эффективности пассивной солнечной системы и одновременном ис- пользовании сезонной активности солнечной системы [7] можно ставить вопрос о замещении традиционных источников теплоснабжения индивидуального жилого дома в условиях региона.
Рис. 9. Оценка теплового баланса экодома Solar-5: по расчету авторов, вклад пассивной и активной солнечной системы в отопление должен составить 81%
Заключение
Замещение традиционных источников теплоснабжения индивидуального жилого дома осо- бенно важно не только с точки зрения сбережения природных ресурсов и формирования в пер- спективе устойчивой модели природопользования в Приморье. Такой практически автономный пассивный солнечный дом может стать базовой моделью индивидуального жилого дома в рамках программ «гектар семье», «земля многосемейным», при выделении участков под застройку в от- даленных районах Приморского края.
5 июня — в «День Земли» — проект был награжден Energy Globe National Award — международная награда за вклад в устойчивое развитие Земли. В этом году 1700 конкурсантов, из 177 стран (Павел Казанцев, Анна Ляшко, Владимир Казанцев, Domantas Surkys, Audris Krucius, Marius Tarvidas) вошли в категорию проектов — дипломантов конкурса.
Скачать статью в формате PDF
Источник