Под солнечным домом принято понимать здание, которое как минимум на 50% отапливается солнечной энергией. Остаток необходимой энергии для подогрева воды и отопления помещения в идеале должен компенсироваться дровяным отоплением (сжиганием пеллет).
Для того, чтобы достичь так называемой «высокой степени покрытия солнечной системой» (до 100 %), необходимо соблюсти ряд условий. Солнечный дом должен быть ориентирован на юг и иметь отвесную крышу или фасад, на котором можно расположить солнечные коллекторы большой площади. Таким образом, солнце можно активно использовать. Большие окна на южной стороне пропускают в дом тепло и позволяют использовать солнечную энергию пассивно, в результате мы получаем солнечное отопление дома.
Калифорнийская компания Solyndra разрабатывает инновационные фотоэлектрические солнечные конвекторы, позволяющие более эффективно использовать поверхность плоских крыш с максимальной степенью преобразования солнечного излучения в электроэнергию.
В солнечных панелях Solyndra применяются цилиндрические модули, которые воспринимают солнечное излучение с углом охвата фотоэлектрического модуля 360°, позволяя им таким образом преобразовывать в электричество не только прямые солнечные лучи, но и отражённые, и преломлённые.
Оптимальная мощность достигается при горизонтальном монтаже модулей, установленных на минимально возможном расстоянии друг от друга, поскольку при этом они охватывают большую поверхность крыши, чем обычные плоские панели. Особый эффект солнечного отопления дома достигается в сочетании таких модулей с белыми кровельными листами, которые характеризуются более высокой отражательной способность в сравнении с другими материалами.
Общие принципы использования солнечной энергии
Для эффективного использования солнечной энергии необходимо соблюдение следующих условий:
- при остеклении применяются высококачественные материалы, обеспечивающие высокую пропускную способность солнечной энергии и низкий коэффициент теплопередачи;
- другие потери по периметру окна должны быть незначительными;
- должно быть обеспечено максимально возможное теплопоступление от использования солнечной энергии через прозрачные поверхности.
У обыкновенных оконных рам коэффициент теплопередачи от 1,5 до 2 Вт/(м2•К), а теплопотери с 1 м2 вдвое превышают аналогичный показатель остекления для пассивного дома, для которого по нормам коэффициент теплопередачи равен 0,7 Вт/(м2•К). Кроме того, необходимо учитывать значительные мостики холода в местах соединения остекления с рамой. Чтобы восполнить баланс от солнечных теплопоступлений вследствие этих дополнительных теплопотерь, следует применять оконные рамы с высоким термическим сопротивлением.
На примере сравнения одиночного стекла и тройного с низкоэмиссионным покрытием типа «аргон-криптон» наблюдается:
- примерно 10-кратное снижение коэффициента теплопередачи – с 5,6 до 0,5-0,8 Вт/(м2•К);
- примерно 10-кратное увеличение температуры на внутренней поверхности стекла с 1,8 до 17°С и выше;
- снижение тепловых потерь с 480 до 30 кВт•ч/м2 - в год.
Качество остекления является более важным показателем, чем площадь остекления. Для изготовления теплоизоляционных оконных профилей используются следующие конструктивные варианты:
- рамы, утеплённые пенополиуретаном, со статическими элементами жесткости из стальных, алюминиевых или стекловолоконных профилей;
- пластиковые профили для рам с двумя или тремя воздушными камерами, с внутренним расположением элемента жесткости;
- рамы из дерева, металла или пластика с внутренним заполнением из пенополиуретана;
- деревянные окна с теплоизоляционным вкладышем из мягкой теплоизоляционной деревянной плиты или из бальзы.
Пассивный дом должен иметь расположенные на юг окна с тройным стеклопакетом, низкоэмиссионным покрытием, не очень большими по площади, с утепленными оконными рамами. Стекло свободно пропускает коротковолновое световое ультрафиолетовое излучение, но плохо пропускает в обратном направлении длинноволновое инфракрасное тепловое излучение, которое излучают нагретые солнечными лучами поверхности, находящиеся внутри помещений.
Большие площади остекления влекут за собой большие первоначальные затраты на отопительную систему из-за дополнительных потерь тепла через стекло, которое заменило собой сплошную непроницаемую стену. Кроме того, для данной широты местности общее количество поступающей солнечной радиации не меняется, несмотря на облачность, и тепловые потери зависят только от наружной температуры. Поэтому применение остекления большой площади в мягком климате обеспечивает большие возможности для снижения потребности в сезонном отоплении, чем в холодном климате на той же широте.
Влияние типа окна и широты местности относительно невелико по сравнению с влиянием температуры наружного воздуха и нестабильностью солнечной погоды. Нередко шторы или задернутые занавески уменьшают поступление солнечной энергии в помещение. Применение таких средств, как изолирующие ставни, закрывающие окна на ночь, существенно снижает потери тепла и увеличивает общий уровень полезного поступления тепла.
Целесообразной является замена оконных рам в существующих зданиях. Для экономии энергии имеет значение и тип стекла. Стекла всех типов (прозрачное, теплопоглощающее, теплоотражающее) теряют примерно одинаковые количества тепла из- за теплопроводности. Однако количества солнечной радиации, которые передаются стеклами этих трёх типов, сильно различаются. Более практичным решением, как альтернатива применения теплопоглощающих или теплоотражающих стекол, является использование растительности, а также регулируемых затеняющих устройств.
Затеняющие устройства снаружи здания наиболее эффективны; устройства между двумя слоями остекления (например, подъёмные жалюзи) несколько уступают им по эффективности; внутренние устройства (ставни, шторы, занавеси) наименее эффективны, так как преграждают путь солнечным лучам только после того, как они проникли в здание.
Теплопоглощающие и теплоотражающие стёкла снижают расход энергии на кондиционирование воздуха, стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Однако экономия обычно определяется в результате сравнения затрат с соответствующими данными для зданий с ограждающими конструкциями, выполненными из стекла, а не с данными для зданий, уже спроектированных с учетом мероприятий по экономии энергии.
Обращённое на юг остекление можно легко затенять наружными козырьками над стеклами. Главная трудность при проектировании фиксированных козырьков заключается в том, что величина затенения, возникающая от тени козырьков на стекле, зависит в основном не от календарного времени года, а от положения Солнца.
Представляет определённый интерес применение регулируемых затеняющих устройств. Регулируемое затенение, расположенное между стеклами двойного окна, не так эффективно, как наружные устройства, но более эффективно, чем внутренние, которые, однако, наиболее удобны для использования людьми, находящимися в здании.
