Будинок сонячного променя

Чабанюк О. Будинок сонячного променя // Ватерпас. 2002. №1. C.90-91

Автор висловлює щиру подяку пані Dr. Dagmar Everding, Міністерству містобудування і житлового будівництва Північного Рейну-Вестфалії, Німеччина, за допомогу у підготовці статті.


Сонце ? це наше велике і невичерпне джерело енергії. Воно жертвує нам світло і тепло. Ми не можемо відмовитися від світла і тепла, коли знаходимось у приміщенні. Природне сонячне світло важливе для нашого здоров'я. Що ще можна використати із земних джерел енергії для енергопостачання наших будівель? Чим менше ресурсів ми витрачаємо для електро- і теплопостачання, тим більше ми розвантажуємо наше навколишнє середовище. До простих способів застосування сонячної енергії в житловому будинку належать наступні планувально-конструктивні рішення: великі вікна з теплозахисним заскленням розташовують на південній стороні, а сонцем нагріте повітря може направлятися у більш прохолодні приміщення; за допомогою сонячних колекторів нагрівають воду; використання фотоволтайку забезпечує електричною енергією.

Оптимізоване будівництво з використанням високоефективної теплоізоляції скорочує потреби тепла в будинках пасивного використання сонячної енергії. Пасивна сонячна конструкція характеризується покращенням теплоізоляції. Ефективним є встановлення вентиляції із зворотнім отриманням тепла і високоякісне осклення. Крім того, важливо уникати появи теплопровідних включень, ретельно виконуючи будівельні роботи. Пасивне використання сонячної енергії необхідне для зменшення решти потреб тепла. При цьому на першому плані стоїть оптимізація корисного надходження сонячної енергії. Згадані засоби і матеріали більшої вартості підвищують витрати. При зменшенні опалювальної потреби тепла до пасивного використання сонячної енергії в будинку (15 кВт год/м2) частина цих додаткових витрат може бути компенсована відміною звичайного опалення. Незначну необхідну опалювальну роботу можна отримати в цьому випадку внаслідок встановлення вентиляції, що потребує в свою чергу також додаткових витрат, як і високоякісне осклення. Підігрів води переважно має найбільшу долю у потребі гарячого водопостачання в будинках з особливо високим стандартом теплозахисту. Оскільки теплове використання сонячної енергії в таких будинках представляє економічно доцільний варіант, то, як правило, звичайна опалювальна установка не інсталюється. Використання сонячної енергії відкриває великий економічний потенціал, як в будинках з низьким використанням енергії, так і в будинках з пасивним сонячним конструктивним рішенням. Додаткова опалювальна енергія забезпечується звичайними і комбінованими установками. Наступним критерієм, який впливає на витрати, є величина установки. Тут вирішальним є факт, чи влаштовується установка як централізована для групи будинків, чи поселення, чи як децентралізована система для окремих будівель, чи житлових блоків. Це призводить не лише до систем різної величини і їх компонентів, але й містить також інші граничні умови. Улаштування централізованого теплопостачання значно зменшує видатки.

Як невелика система сонячної установки з площею колектора 4 м2 забезпечує 60% гарячого водопостачання будинку, в якому проживає 4 людини? А на протязі літніх місяців можливе навіть 100-відсоткове забезпечення гарячим водопостачанням. Розрахункові параметри енергоекономії складають при 60% приблизно 2,500-3,500 кВт год у рік. У будинках з пасивним використанням сонячної енергії період з потребою в опаленні порівняно короткий, оскільки в перехідний час достатньо пасивного використання сонячної енергії.

Перевага централізованих систем опалення полягає в тому, що окремі компоненти не повинні інсталюватися багаторазово. Також з кількістю окремих компонентів знижуються специфічні витрати, так що з точки зору інвестицій виразно вигідніші більші установки, ніж велика кількість малих установок. Локальні системи використання сонячної енергії без теплонагромаджувача можуть дати можливість лише приблизно 50-відсоткового забезпечення всієї потреби в енергії з прийнятними витратами під час інсталяції центральної установки колектора. Великі установки колектора можуть розширюватись інтеграцією нагромаджувача таким чином, що буде можливим нагромадження тепла літом і його використання взимку. Ці системи об'єднують іноваційну звичайну опалювальну техніку з цілорічним використанням сонячної енергії. Реалізовані приклади складаються із локальної мережі теплопостачання для розподілу потоків енергії на окремі будинки і теплонагромаджувача. Теплонагромаджувач ?навантажується? протягом літніх місяців і відповідно нагрівається, і енергія використовується в опалювальний період для водонагрівача і опалення. Локальні мережі теплопостачання реалізовують лише на основі детальних розрахунків і вивчення планувального рішення будинку. Тому витрати таких систем дуже різняться між собою. Видатки на колектори і систему трубопровод і в різко знижуються при встановленні великих поверхонь.

Одним з видів активного використання сонячної енергії є фотоволтайк. Сонячні комірки ? електричні напівпровідникові елементи, які при опроміненні їх сонячним світлом виробляють електричну енергію. Використовують кремнієві елементи, які перетворюють усі види сонячних променів (пряме, дифузне, рефлекторне) у електричний струм. Недоліками фотоволтайк-елементів є те, що вони потребують багато площі для їх встановлення, обмежене використання (коливання потужності в залежності від потужності світла), висока ціна. Основним матеріалом для виготовлення фотоволтайк-елементів є кремній. Розрізняють кристалоподібний кремній, яким можна досягнути від 11 до 16% ККД, і аморфний кремній з ККД лише 6%. Фотоволтайк-модулі розмірами 1 м х 0,5 м вагою 7 кг укладаються у панелі, з'єднані між собою . Ухил для них прийматься переважно 15-60%. Можна влаштовувати також вертикально на фасадах будинків, балконах. У місцевостях з високою кількістю дифузного світла (міста) бажаним буде ухил 30-35 %. Для фотоволтайк-елементів розрізняють два види роботи: 1) острівковий спосіб роботи ? не існує підключення до відкритої міської мережі, струм зберігається в акумуляторах; 2) паралельний ? надлишковий струм подається до міської мережі і навпаки. Наведемо деякі приклади. За один сонячний день випромінюється 1100 Вт на 1 м2 сонячної енергії, яка споживається протягом року. Це прирівнюється електричній напрузі 110 Вт/м2 площини сонячного колектора (ухил 10%). 20 м2 солярних модулів постачають приблизно 1700 кВт год. на рік.Технічні можливості використання сонячної енергії зараз так розвинуті, що цілком реальне самозабезпечення групи будинків сонячною енергією. Екологічне будівництво охоплює більше, ніж енергетичний аспект. Зарубіжний досвід, зокрема Німеччини, в області раціонального застосування енергії і використання невичерпних джерел енергії із застосуванням іноваційних ідей енергонагромадження показує, що під час проектування житлової забудови з використанням сонячної енергії враховуються на містобудівельному рівні наступні фактори:

? розташування, екологічні та містобудівельні коефіцієнти території, передбаченої для забудови (розглядається навколишнє середовище території і її взаємозв'язок в структурі поселення);

? інфраструктура передбаченої під забудову території. Структура використання поселення, мережа обміну в межах поселення, інженерні заходи відведення опадів, стічних вод повинні відповідати визначеним вимогам;

? екологічні вимоги використання території поселення. Використання території поселення необхідно оптимізувати з екологічної точки зору. Основною ціллю при цьому є економія території забудови. Враховуються аспекти навколишнього середовища, зокрема, вода, клімат, рослинність;

? соціальні аспекти поселення.

При плануванні будинку поряд з енергетичною концепцією важливе значення приділяється наступним аспектам екологічного будівництва:

? вибір матеріалу для будівель і споруд поселення. Вибір ?екологічних? будівельних матеріалів ? це суттєвий аспект екологічного будівництва. У зв'язку з великим різноманіттям будівельних матеріалів однозначні висловлювання тут неможливі на користь окремих будівельних матеріалів для визначення практичних цілей. Але, зокрема, можуть ставитись загальні вимоги до окремих груп матеріалів;

? соціальні аспекти планування окремих споруд і організації поселення. Дуже важливо враховувати соціальні аспекти під час планування будинків, а саме, тут іде мова, з одного боку, про конструктивне рішення, яке дозволятиме вільно планувати житлові приміщення і, з іншого боку, про вимоги, які повинні забезпечувати високу якість житлового середовища. Ціллю такого проекту є також невелика вартість житла, що дає можливість забезпечення житлом відповідних соціальних груп населення. При цьому приділяється також увага конструктивним рішенням будинків, які доцільні з економічної точки зору.

Приклади проектів житлової забудови з раціональним використанням енергії повинні не лише демонструвати використання сонячної енергії для постачання тепла і забезпечення будівель поселення, але й породжувати імпульс подібному подальшому будівництву і підтримувати таким чином широке впровадження його на ринку. Протягом останніх років зацікавлення до такого будівництва виросло і з точки зору екології.

Одним із прикладів є поселення Steinfurt-Borghost, розташоване в 25 кілометрах на північний захід від Мюнстера (рис. 1). Поселення складається з кількох рядів багатоквартирних будинків. Воно забезпечує себе частиною необхідного тепла від сонячної енергії. Енергія отримується і нагромаджується великими сонячними колекторами і/або використовується в локальній мережі теплопостачання, або направляється для зберігання у теплонагромаджувач. Збереження, сформовані влітку, можуть використовуватись таким чином також ще й в опалювальний період. У цілому покриваються приблизно 34% річної потреби тепла при опаленні і гарячому водопостачанні. Енергетичні аспекти не були єдиним запитанням, якому приділена велика увага під час проектування. Важливими були також екологічний і соціальний аспекти, а саме: близьке розташування до природи, висока якість соціального житла. Під час проектування також враховувалось розташування житлових будинків по відношенню до сонця, оскільки будинки лінійної забудови оснащені великими сонячними колекторами. Особливо сприятливим є і факт використання пасивної сонячної енергії завдяки великим площам вікон. Спектр різноманітних за величиною квартир і розташування у групі одноквартирних будинків забезпечує хорошу інтеграцію нових жителів у існуючий район міста. Відкрите усмоктування дощової води і використання садів виразно вказує на логічну загальну концепцію цього поселення.




22 будинки поселення мають підвищені теплозахисні конструкції. 11 будинків лінійної забудови споруджувались з вимогами щодо забезпечення тепла 15 кВт год/м2 у рік, тобто в пасивному стандарті. Ці будинки орієнтовані на південь і дуже компактно побудовані. Вони оснащені відповідно установкою вентиляції із зворотнім отриманням тепла. Решта будинків були збудовані з низькими вимогами енергозабезпечення. Теплопостачання для гарячої води звичайне, а опалення забезпечується локальною системою теплонагромадження при підтримці загальної системи нагромадження тепла. На дахах будинків лінійної забудови і двох зблокованих будинках розташовано 3 матриці колектора з загальною площею 510 м2. Отримана сонячна енергія з колекторів передається у збірний пункт опалювального центру. Звідти тепло подається або безпосередньо у розподільчу мережу, або у теплонагромаджувач. Котельна установка на газі покриває решту необхідних затрат тепла. Кожний будинок оснащений власним передавачем тепла, який з'єднує домашню установку розподілу тепла з локальною мережею теплопередачі. Вода нагрівається у платформах теплообмінника, а при необхідності ще у проточному нагрівачі. Додаткові видатки на опалення складають від 1,50 DM/м2 до 1,90 DM/м2, включаючи гаряче водопостачання. Теплонагромаджувач має форму зрізаної перевернутої піраміди і має об'єм біля 1500 м3. Мова іде про резервуар в землі, який облицьований поліетиленом і наповнений водою та гравієм. Резервуар розташований під поверхнею території забудови, а заземлення перекриття складає від 0,6 м. Гравій служить для збереження тепла і виконує одночасно статичні вимоги. У даному прикладі житлової забудови цей теплонагромаджувач функціонує безвідмовно з 1999 року.

Основні характе&