Тромбовская стена: Пассивный солнечный обогрев зданий.

Введение

Пассивное солнечное здание
Стена Тромба – это массивная стена, ориентированная по направлению к экватору, окрашенная в темный цвет для поглощения тепловой энергии от солнечного света и покрытая стеклом снаружи с изолирующим воздушным зазором между стеной и стеклом. Стена Тромба – это стратегия пассивного солнечного проектирования, использующая концепцию непрямого выигрыша, при которой солнечный свет сначала попадает на поверхность сбора солнечной энергии, контактирующую с теплоаккумулирующей массой воздуха. Поглощенный массой солнечный свет преобразуется в тепловую энергию (тепло) и затем передается в жилое помещение. Стены Тромба также называют массивными стенами, солнечными стенами или стенами для аккумулирования тепла. Однако, благодаря обширным работам профессора Феликса Тромба и архитектора Феликса в проектировании пассивно нагреваемых и охлаждаемых солнечных конструкций, их часто называют стенами Тромба.

История пассивных солнечных систем и эволюция стен Тромбе

В 1920-х годах идея солнечного отопления зародилась в Европе. В Германии проекты жилых домов разрабатывались с учетом использования солнечной энергии. Исследования и накопленный опыт в области солнечного проектирования затем распространились за Атлантику благодаря таким архитекторам, как Вальтер Гропиус и Марсель Бройер. Помимо этих ранних примеров, прогресс в отоплении домов с помощью солнца был медленным до 1930-х годов, когда ряд американских архитекторов начали изучать потенциал солнечного отопления. Пионерская работа этих американских архитекторов, влияние европейских иммигрантов и память о дефиците топлива во время войны сделали солнечное отопление популярным во время первого жилищного бума после Второй мировой войны. Позже, в 1970-х годах, до и после международного нефтяного кризиса 1973 года, некоторые европейские архитектурные журналы критиковали стандартные методы строительства и архитектуру того времени. В них описывалось, как архитекторы и инженеры реагировали на кризис, предлагая новые методы и проекты для инновационного воздействия на застроенную среду, более эффективного использования энергии и природных ресурсов. Более того, истощение природных ресурсов вызвало интерес к возобновляемым источникам энергии, таким как солнце. Параллельно с ростом населения Земли, вопросы энергопотребления и охраны окружающей среды стали глобальными проблемами, особенно учитывая, что строительный сектор потребляет больше всего энергии в мире, и большая ее часть расходуется на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха. По этим причинам современные здания должны соответствовать требованиям энергоэффективности и экологичности, используя возобновляемые источники энергии частично или полностью вместо ископаемого топлива для отопления и охлаждения. В этом направлении интеграция пассивных солнечных систем в здания является одной из стратегий устойчивого развития, которая все чаще поддерживается международными нормами. Современные энергоэффективные здания с стенами Тромба часто совершенствуют древнюю технику, включающую систему аккумулирования и передачи тепла, которую использовали люди: толстые стены из саманного кирпича или камня для улавливания солнечного тепла в течение дня и его медленного и равномерного высвобождения ночью для обогрева помещений. Сегодня стена Тромба продолжает оставаться эффективной стратегией пассивного солнечного проектирования. Первым примером системы стены Тромба стал дом Тромба в Одейлло, Франция, построенный в 1967 году. В 1974 году система стены Тромба впервые была применена в доме Келбо в Принстоне, штат Нью-Джерси. Другим фактором, влияющим на работу стены Тромба, является временной лаг, обусловленный теплоемкостью материалов. Поскольку стены Тромба достаточно толстые и изготовлены из материалов с высокой теплоемкостью, теплопередача от более теплой внешней поверхности к более холодной внутренней поверхности происходит медленнее, чем в материалах с меньшей теплоемкостью. Это замедление теплового потока известно как временной лаг, и оно приводит к тому, что тепло, полученное в течение дня, достигает внутренней поверхности теплоаккумулирующей массы с задержкой. Это свойство массы помогает обогревать жилое пространство и вечером. Хотя стены Тромба обычно изготавливаются из твердых материалов, таких как бетон, кирпич, камень или саман, их также можно строить из воды. Преимущество использования воды в качестве теплоаккумулирующей массы заключается в том, что вода хранит значительно больше тепла на единицу объема (имеет более высокую теплоемкость), чем каменная кладка. Другой способ использования солнечной энергии без некоторых недостатков стен Тромба – применение внешних зеркальных отражателей. Однако рекомендуется использовать одинарное стекло с жалюзи на вечернее и ночное время, чтобы компенсировать тепловые потери. Стекло с высокой светопропускной способностью максимизирует солнечные выгоды стены Тромба, позволяя видеть темный кирпич, натуральный камень, емкости с водой или другую привлекательную теплоаккумулирующую систему за стеклом. Однако с эстетической точки зрения иногда нежелательно выделять черную теплоаккумулирующую массу. В качестве архитектурной детали можно использовать узорчатое стекло, чтобы ограничить видимость темной стены снаружи, не снижая при этом светопропускную способность. Использование стены Тромба в здании может снизить потребление энергии зданием до 30% в дополнение к экологичности. Аналогично, добавление стены Тромба к ограждающей конструкции здания может обеспечить экономию энергии на отопление в размере 16,36%. Ослепление, ультрафиолетовое разрушение или снижение приватности ночью не являются проблемами при использовании полноразмерной системы стены Тромба. Как показано в разделе, посвященном проектированию и строительству стен Тромба, их характеристики хорошо изучены для различных параметров проектирования и климатических условий. Другие возможные модификации включают добавление слоя жесткой теплоизоляции к фундаменту и теплоизоляционных штор между стеклом и теплоаккумулирующей массой, чтобы предотвратить передачу тепла в здание в нежелательное время или потерю тепла из стены Тромба в фундамент, или добавление системы вентиляции в стену (если стена имеет верхние и нижние вентиляционные отверстия) для обеспечения дополнительной теплопередачи за счет конвекции воздуха, что желательно для равномерного распределения воздуха. Хотя стены Тромба, построенные в зонах с жарким летом и теплой зимой, обеспечивают большую экономию энергии на единицу площади стены по сравнению с обычной стеной, они демонстрируют худшие экономические показатели при низкой солнечной радиации в отопительный сезон. Для работы системы требуется вмешательство пользователя для управления подвижной теплоизоляцией или жалюзи, часто ежедневно. В регионах, где местные пользователи не знакомы с системой, для достижения максимальной эффективности стены Тромба важно предоставить пользователям инструкции, например, путем моделирования прототипа или предоставления удобного для пользователя руководства по эксплуатации стены в разные сезоны или дни. Такое участие может привести к принятию идеи стены Тромба после завершения проекта и облегчить ее локальное воспроизводство.

In 1920s, the idea of solar heating started in Europe. In Germany, housing projects were designed to take advantage of the sun. The research and accumulated experience with solar design then spread across the Atlantic by architects like Walter Gropius and Marcel Breuer. Besides from these early examples, the heating of homes with the sun made slow progress until the 1930s, when several different American architects started to explore the potential of solar heating. The pioneering work of these American architects, the influence of the immigrant Europeans, and the memory of the wartime fuel shortages made solar heating very popular during the initial housing boom at the end of World War II. Later in 1970s, before and after the international oil crisis of 1973, some European architectural periodicals were critical of standard construction methods and the architecture of the time. They described how architects and engineers reacted to the crisis, proposing new techniques and projects in order to intervene innovatively in the built environment, using energy and natural resources more efficiently. Moreover, the depletion of natural sources generated interest in renewable energy sources, such as the sun. Also, parallel to the global population growth, energy consumption and environmental issues become a global concern especially while the building sector is consuming the highest energy in the world and most of the energy is used for heating, ventilation and air condition systems. For these reasons, the buildings today are expected to achieve both energy efficient and environmental friendly design by using renewable energy partly or completely instead of fossil energy for heating and cooling. In this direction, the integration of passive solar systems in buildings is one strategy for sustainable development and increasingly encouraged by international regulations. Today's low energy buildings with Trombe walls often improve on the ancient technique that incorporates a thermal storage and delivery system people have used: thick walls of adobe or stone to trap the sun's heat during the day and release it slowly and evenly at night to heat their building. Today, the Trombe wall continues to serve as an effective strategy of passive solar design. The well known example of the Trombe wall system is first used in the Trombe house in Odeillo, France in 1967. In 1974, the first example of Trombe wall system is used in the Kelbaugh House in Princeton, New Jersey. Another phenomenon that plays a role in the Trombe wall's operation is the time lag caused by the heat capacity of the materials. Since Trombe walls are quite thick and made of high heat capacity materials, the heat flow from the warmer outer surface to the cooler inner surface is slower than other materials with less heat capacity. This delayed heat flow phenomenon is known as time lag and it causes the heat gained during the day to reach the interior surface of the thermal mass later. This property of the mass helps to heat the living space in the evenings as well. Although the Trombe walls are usually made of solid materials, such as concrete, brick, stone, or adobe, they can also be made of water. The advantage of using water as a thermal mass is that water stores considerably more heat per volume (has a greater heat capacity) than masonry. Another strategy helps to benefit from the solar collection without some of the drawbacks of the Trombe walls is to use exterior mirror like reflectors. However, it is recommended to use the single glass with a shutter for the evening and night times, to offset its heat losses. High transmission glazing maximizes solar gains of the Trombe wall while allowing to recognize the dark brick, natural stones, water containers, or another attractive thermal mass system behind the glazing as well. However, from an aesthetics perspective, sometimes it is not desirable to distinguish the black thermal mass. As an architectural detail, patterned glass can be used to limit the exterior visibility of the dark wall without sacrificing transmissivity. specifically using a Trombe wall in building can reduce a building's energy consumption up to 30% in addition to being environmentally friendly. Similarly, the energy heating savings of 16.36% can be achieved if a Trombe wall was added to the building envelope. Glare, ultraviolet degradation, or reduction of night time privacy are not problems with a full height Trombe wall system. As seen in the Trombe wall design and construction section, the performance of the Trombe walls is well characterized for a variety of design and climate parameters. Possible other modifications can be adding a rigid insulation board to foundation area and insulation curtains between the glass and thermal mass to avoid heat transfer into the building during undesired periods or heat loss from the Trombe wall to the foundation, or adding a ventilation system into the wall system (if the wall has upper and lower vents) to provide an additional heat transfer by air convection which is desirable to circulate the air evenly. Even though Trombe walls built in hot summer and warm winter zones provide more energy saving per unit wall area compared with a conventional wall, they display a poorer economic performance if solar radiation is low during the heating season. The system requires user action to operate movable insulation or shutters, often on a daily basis. In regions where the local users are not familiar with the system, to get the maximum performance from the Trombe wall system, it is important that users are given guidance either by modeling a prototype or providing a user friendly operation manual for the wall during different seasons or days. This participation can yield to post project acceptance of the Trombe wall idea and make it easier for locals to reproduce it locally.

Смягчение изменений конструкции

Качадорский пол устраняет недостатки стены Тромбе, располагая её горизонтально вместо вертикального положения. Система Барра объединяет настоящие стены Тромбе с вентилируемой плитой, подобно качадорскому полу.