###### <<Предыдушая | Содержание | Следующая>>

# Общий обзор

Cliff House, спроектированный и построенный по типу Shrewsbury House, имеет весьма желательные конструктивные особенности, отсутствующие в Shrewsbury House. При сравнении с Shrewsbury House, который являясь на 100% отапливаемым солнцем, не имеет никакого вспомогательного источника тепла, и системы отопления и охлаждения которого почти полностью автоматизированы в управлении, Cliff House имеет следующие преимущества:

- отсутствие застекленной крыши (весьма существенная конструктивная особенность);
- почти полная свобода в выборе формы и расположении комнат, при условии, что общий план дома близок по форме к прямоугольнику;
- независимое управление системами отопления и охлаждения;
- теплица (sunspace) большего размера и более пригодна для нахождения людей;
- отсутствие в проекте смещения уровней пола (обычный 2-этажный дом) и вход в главный этаж непосредственно с поверхности земли.

Эти особенности, имеющие большую привлекательность не только для предполагаемых владельцев, но также и для архитекторов, описаны детально в одной из следующих глав.
Существовало лишь одно ограничение при проектировании Cliff House, которое заключалось в том, что фактический коэффициент теплопотерь не должен превышать запланированный. Коэффициент теплопотерь должен был оставаться низким, а теплоизоляцию необходимо было смонтировать тщательно (без промежутков). Запас мощности отопительной системы этого дома для достижения 100 % солнечного отопления скромен (приблизительно 20 % для обычного декабря) и, соответственно, можно было допустить некоторый избыток тепловых потерь. (У Shrewsbury House запас мощности больший, около 40 %.) Н. Саундерс сделал вывод, что, вообще, одним из самых больших источников волнения для инженеров, проектирующих солнечное отопление, является неопределенность относительно уровня теплопотерь, который превысит запланированный коэффициент. Капризы погоды вполне понятны, но капризы смонтированных паро- и теплоизоляционных барьеров - иногда непредсказуемы.

### Примечание:

Эта глава написана с учётом того, что строительство дома завершёно. Это примечание делает отчет короче и проще. Фактически, с мая 1983 года, некоторые детали конструкции дома и его солнечной системы не были закончены. Некоторые из фактов, касающихся деталей проекта - просто мои наилучшие предположения относительно того, что станет действительностью. Основная конструкция дома и основные узлы солнечной системы завершены. Поэтому, ввиду значительной новизны, оказалось возможным подготовить отчет, несмотря на то, что некоторые из узлов еще не смонтированы.

## Общее описание

Cliff House расположен на южном склоне скального уступа 12-метровой высоты в Вестоне (шт. Массачусетс), приблизительно в 12 милях к западу от центра Бостона. Плоская лужайка простирается на 12 м с южной стороны дома, а за ней - крутой откос. Это - ветреное место; к западу или югу от дома нет никаких высоких деревьев. Отопительная нагрузка этого места 3316 градусо-дней. Cliff House - двухэтажный каркасный дом: с 3 спальнями, 2 ванными комнатами, большой теплицей с южной стороны и гаражом на 2 автомобиля, пристроенным с востока. Имеется чердак, но отсутствует фундамент, т.к. его функцию выполняет скальный уступ, находящийся лишь метром ниже первого этажа. Жилая площадь дома - 98,6 м2 (11,6 х 8,5). Таким образом, жилая площадь двух этажей составит 2 x 11,6 x 8,5 = 197,2 м2. Если прибавить 42,9 м2 (11,6 x 3,7) площади теплицы, тогда общая площадь достигнет 240,1 м2. Если прибавить также 57,7 м2 (7,9 х 7,3), занимаемых гаражом, то общая площадь составит 297,8 м2. Реальные площади немного меньше, т.к. из указанных площадей следует вычесть площади, занимаемые стеной, разделяющей общую комнату и теплицу, массивным блоком системы отопления и охлаждения, а также прихожей, но это не принципиально.

В основу проекта дома положен проект Эдварда Ф. Шабо, архитектора, живущего в Вальтхеме (шт. Массачусетс). Проект выполнен в характерном для Новой Англии архитектурном стиле Salt Box.

Общая форма дома, ориентация, точное положение и особенности солнечного отопления были определены Н. Б. Саундерсом. Так как особенности солнечного отопления этого дома не предусматривали вовлечение в общую систему отопления жилой зоны (за исключением двух воздуховодов и двух вентиляторов), архитектор наслаждался большой свободой в выборе планировки жилой части дома.

Главные конструктивные узлы системы солнечного отопления:

- чрезвычайно большое остекление южной стены 2-светной теплицы, которая выполняет функции солнечного коллектора, а также служит удобным салоном;
- верхняя система аккумулирования тепла (на чердаке);
- нижняя система аккумулирования тепла ((подо всей жилой зоной);
- единая система воздухораспределения;
- внутренняя система солнечного горячего водоснабжения.

Строитель, Антонио Пульсоне, является также владельцем этого дома. Он и его семья будут жить в нем.

Стоимость дома (без стоимости земли, проекта дома, проекта системы солнечного отопления) составила бы приблизительно $ 120,000, если бы воспользовались услугами обычного строительного подрядчика. Поскольку владелец, выполняя функции обычного подрядчика, сделал значительную часть работы сам и проявил много изобретательности в снижении затрат, то фактическая стоимость дома наверняка оказалась значительно ниже.

Последующие рисунки показывают общий вид и планировку дома.

Рис. 1. Перспектива. Вид с юго-востока.

Рис. 2. Вид с востока.

Рис. 3. Вид с запада.

Рис. 4. Вид с севера.

Рис. 5. Южный фасад Cliff House, 8 окон с 2-слойным остеклением.

Рис. 6. План первого этажа дома:
1 - гараж; 2 - прихожая; 3 - теплица; 4 - общая комната-столовая; 5 - кухня; 6 - холл; 7 - туалет; 8 - техническое помещение; 9 - кладовая.

Рис. 7. План второго этажа дома:
10 - холл; 11 - бытовая комната; 12 - спальня 1; 13 - холл; 14 - спальня 2; 15 - спальня хозяев; 16 - гардеробная; 17 - ванная комната хозяев; 18 - ванная комната.

## Основные цели и стратегии

### Особо специальные цели для Cliff House:

- снабдить дом большой встроенной теплицей для инсоляции, отдыха и т.д. (использование ее для выращивания растений - второстепенно);
- спроектировать дом в целом так, чтобы он имел обычную крышу (никакого остекления или панелей солнечных коллекторов на крыше).

Основная цель солнечного проектировщика состояла в том, чтобы достичь 100% солнечного отопления без заметных ограничений для работы архитектора. Архитектор должен был быть свободен в выборе количества комнат, их форм и размеров, материалов, использованных для пола, стен комнат и т.д. Другими словами, проект жилых комнат не должен был быть во власти соображений по поводу поступления солнечной энергии или её аккумулирования (соображения в использовании материалов для аккумулирования солнечного тепла должны были применяться только к чердаку, подпольному пространству и незначительной части теплицы).

### Главные специальные стратегии Cliff House:

- использование теплицы непосредственно в качестве коллектора достаточно высокотемпературной теплоты с одновременным поддержанием температуры ниже 24°C, комфортной для нахождения людей в основном пространстве теплицы;
- узколокализованный, конвекционный поток воздуха в пределах теплицы, несущий собранную солнечную энергию (в виде нагретого ею воздуха с температурой 24...43°C) вверх, в южную часть чердака. Также, обратите внимание на обратный воздушный поток в теплицу и заметьте, что этот воздух относительно прохладен (в пределах 20...23°C) для поддержания достаточного комфорта людей, находящихся в теплице;
- установка в южной части чердака верхней системы аккумулирования тепла, имеющей большую теплоемкость (26,4 мДж), большую площадь поверхности (170 м2) и высокую степень температурной стратификации;
- установка под первым этажом нижней системы аккумулирования тепла, которая имеет значительно большие теплоемкость (63,3 мДж) и площадь поверхности (2800 м2), и при этом термически стратифицирована. Обычная температура этой системы в зимнее время должна быть в пределах 16...24°C;
- установка двух, с автоматически регулируемой скоростью, вентиляторов (с соответствующими воздуховодами и средствами управления), способными к выполнению любой из следующих функций, которые требуются для поддержания комфорта в комнатах:
  - передача теплого воздуха с чердака в комнаты;
  - передача теплого воздуха с чердака в нижнюю систему аккумулирования тепла;
  - передача прохладного воздуха из самой прохладной области нижней системы аккумулирования тепла в комнаты.

### Примечание:

Н. Саундерс прилагает патент на системы управления воздушным потоком, обладающих этими возможностями.

## Комментарий к этим двум системам аккумуляции тепла

Верхняя и нижняя системы аккумулирования тепла весьма различны по функциям и исполнению. Понимание этих различий существенно для понимания того, как система в целом способна обеспечивать солнечное отопление на 100 % и поддерживать комнатные температуры близкими к идеальным зимой и летом.

### Верхняя система

Эта система должна иметь небольшую массу, потому что:

- находится высоко;
- требует прочных несущих конструкций;
- дополнительная стоимость усиленных несущих конструкций должна быть достаточно низка ($500...1,000).

Соответственно, в качестве теплоаккумулирующей среды используется вода, которая в свою очередь имеет намного большую теплоемкость, чем любой другой дешевый теплоаккумулирующий материал. Так как в этой системе существует высокая степень температурной стратификации (верхняя часть очень горячая, нижняя относительно прохладная), то большая часть изоляции должна быть размещена над ней, а под ней необходимо размещение теплоизоляции лишь небольшой толщины. Поскольку для этой системы без каких-либо ограничений допустимы большие температурные колебания, то нет никакой необходимости в наличии исключительно большой площади поверхности (для теплообмена с воздухом, проходящим через неё); вполне достаточно около 170 м2 полной площади поверхности теплообмена.

### Нижняя система

Поскольку эта система находится прямо на земле (кроме того, на скальном выступе), то вполне допустимо использование, скажем, 100 тонн теплоаккумулирующего материала. В частности допустимо использование камней, несмотря на то, что даже после плотной трамбовки их теплоемкость составит не более 20% теплоемкости воды. Решение использовать камни дает большую выгоду: используя камни, которые в диаметре всего лишь несколько дюймов, проектировщик достигает полной поверхности около 2800 м2, то есть огромной площади поверхности теплообмена. Поскольку площадь столь велика, то изменение температуры, при передаче тепла от воздуха к камням (или наоборот), незначительно (менее 1°C). И потому, что эта потеря незначительна, сохранять температуру верхней части бункера из камней (и бетонный пол первого этажа, расположенного над ним) близкой к температуре 21°C является выполнимым независимо от температуры верхней (основной) системы, которая может быть довольно высокой (например, 54°C) или довольно низкой (например, 29°C).

Поскольку температура верхней части бункера и бетонного пола, расположенного над ним, почти всегда близки к 21°C, то можно рассчитывать на то, что будут выполнены две различные, две противоположные функции:

- нагрев воздуха на первом этаже всякий раз, когда тот охлаждается ниже 21°C;
- охлаждение воздуха всякий раз, когда тот может нагреться выше 24°C.

Даже если зимой в один прекрасный день, температура комнат может стать слишкой низкой, а днём стать слишком высокой, то рассматриваемая масса может нагревать комнаты утром и охлаждать днем, и, таким образом, поддерживать температуру в помещениях комфортабельной в течение всего времени. Всё это возможно благодаря большой термической массе, большой теплообменной площади поверхности камней бункера и бетонного пола. Ясно, что нельзя повышать температуру нижней теплоаккумулирующей системы выше 24°C. Это быстро перегрело бы комнаты нижнего этажа (конвекцией и излучением), и чрезмерно горячий воздух тут же проник бы в комнаты верхнего этажа, перегревая их.

### Заключение

Два этажа жилого пространства, находятся между верхней и нижней системами аккумулирования тепла, каждая из которых разработана для выполнения своих функции. Комбинация имеет мгновенную двустороннюю способность: верхняя система всегда готова к немедленной поставке теплоты, а нижняя система готова к тому, чтобы противодействовать перегреву.

Имейте в виду, что практически во всех других домах с системами солнечного отопления эта двусторонняя способность отсутствует. Обычный дом имеет только одну систему аккумулирования тепла, и зимой эта система остаётся горячей, а, следовательно, неспособна к предотвращению перегревания комнат в теплый мартовский день. Всё лето система сохраняется прохладной и также ничем не сможет помочь, если холодным вечером в июне комнаты станут слишком холодными. Дело в том, что весной и осенью несколько тёплых дней могут сопровождаться и несколькими холодными днями или наоборот, и многие системы солнечного отопления неспособны справиться с такой ситуацией. Поэтому, обычный солнечный дом нуждается во вспомогательной системе отопления, чтобы справиться с внезапными похолоданиями, и также - вспомогательной системе охлаждения, чтобы справиться со слишком жаркими днями. Открытые окна не эффективны для охлаждения, если наружная температура 32°C.

Проект Cliff House таков, что комнатная температура остаётся комфортной, даже тогда, когда несколько жарких дней сопровождаются несколькими холодными днями; и нет никакой необходимости для жильца использовать какое-либо средство управления, поскольку всё управление автоматизировано. (Жилец должен выполнять определенные регулировки системы каждую осень и весну, но нет никакой необходимости день ото дня что-то регулировать).

Как поясняется в следующих главах, температурная стратификация в пределах каждой системы аккумулирования тепла улучшена, то есть, расширена как в области формирования подвода теплового потока, так и в области формирования отвода теплового потока. Стратификация существенна для полной универсальности и эффективности системы регулирования температуры.

###### <<Предыдущая | Содержание | Следующая>>