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.

Световой проем (Коллектор)
Большое стекло (окно), через которое свет проходит в здание. Световой проем должен располагаться под углом 30 градусов к солнцу и не должен находиться в тени других зданий или деревьев от 9 часов утра до 3 часов вечера, каждый день в течение отопительного сезона.

Поглотитель
Твердая, темная поверхность накопительного элемента. Емкость с водой или поверхность кирпичной или бетонной стены, пола, перегородки должны находиться на пути солнечного света. Свет, падающий на поверхность, поглощается ею в виде тепла.

Термальная масса
Материалы, преобразующие солнечное излучение в тепло и накапливающие его. Как поглотитель, так и термальная масса являются составными частями одних и тех же предметов и конструкций. Разница между ними состоит в том, что поглотитель относится именно к поверхности, тогда как термальная масса является материалом, находящимся за этой поверхностью.

Распределение
Способ, при котором происходит распространение солнечного тепла от накапливающих тепло элементов к другим частям дома. В абсолютно пассивном дизайне распределение тепла по помещению осуществляется посредством теплопередачи, конвекции и радиации (излучения). В отдельных случаях, в качестве вспомогательных средств, способствующих распределению тепла, могут использоваться вентиляторы и воздухоотводы.

Контроль
Во избежание перегревания в жаркие летние месяцы, оконные проемы защищаются выступами крыши. Среди других элементов, регулирующих степень нагревания, можно упомянуть электронные сенсорные приспособления (например, дифферениальный термостат, подающий сигнал для включения вентилятора), вентиляторы и воздушные клапаны для управлением потоком тепла, жалюзи с низкоэмиссивным покрытием, а также навесы.

Окна для дома с пассивным солнечным энергообеспечением
Окна, являющиеся одним из важнейших элементов дизайна пассивного солнечного дома, способны значительно сократить потребность здания в дополнительном отоплении, охлаждении и освещении.

Стратегия пассивного солнечного дизайна во многом обусловлена как расположением здания, так и местным климатом. Основной принцип, связанный с использованием окон, остается неизменным – с помощью правильной ориентировки и размера стекла, а также определенного остекления можно регулировать поступление в дом солнечного тепла.

Прохладный климат
В местностях с прохладным климатом, где здания нуждаются преимущественно в отоплении, а не в охлаждении, основные остекленные площади должны выходить на юг. Так они смогут улавливать солнечное тепло даже зимой, когда солнце находится низко. Избежать чрезмерного нагревания летом, когда солнце стоит высоко, помогают выступы крыши и другие затеняющие приспособления.

Для того чтобы максимально увеличить приток тепла в зимнее время, эффективные окна должны иметь коэффициент поступления солнечного тепла (SHGC) не менее 0,6, коэффициент теплопередачи (U-factor), не превышающий 0,35 (для уменьшения теплоотдачи), а также высокий показатель пропускания солнечного света (visible transmittance).

В условиях прохладного климата, располагать окна на восточной, западной и северной стороне нежелательно. Если окна выходят на восток или на запад, контролировать поступление тепла и света при низком положении солнца становится сложным. Такие окна должны обладать низким SHGC, кроме того они должны быть затенены. Окна, смотрящие на север, улавливают слишком мало тепла, поэтому используются только для полезного освещения.

Жаркий климат
В жарком климате, где здания в первую очередь нуждаются в охлаждении, окна предпочтительно ориентировать на север. Если окна смотрят на юг, им необходимо тщательное затенение. Наиболее эффективны окна с низким SHGC. Уменьшить приток солнечного тепла помогают:

 

Стекло с низкоэмиссионным покрытием

Тонированное стекло
Солнцеотражающее стекло
Спектрально-селективное стекло

Все эти виды стекол, за исключением спектрально-селективного, также способствуют снижению степени пропускания солнечного света.