Słoneczne domy. Cieplejszy dom

Czy można wykorzystać energię słoneczną do ogrzewania domu bez wydawania ogromnych pieniędzy na skomplikowane instalacje? Oczywiście! Wystarczy przemyślana architektura – korzystne usytuowanie względem stron świata, odpowiedni kształt budynku, rozmieszczenie okien, rozplanowanie pomieszczeń oraz wykorzystanie właściwych materiałów budowlanych.

Duże przeszklenie ułatwia dotarcie promieni słonecznych do wnętrza domu. Zimą można to wykorzystać do dogrzania pomieszczeń, latem trzeba się przed tym chronić – osłaniając okna markizami i roletami. Autor: Andrzej Szandomirski

W ten sposób bez znacznego zwiększania kosztu budowy domu (jedynie o mniej więcej 8-10% w stosunku do rozwiązań tradycyjnych) oraz bez niekorzystnego wpływu na jego wygląd i wygodę użytkowania tworzy się tak zwane systemy biernego wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania. Przeprowadzone badania dowiodły, że stosując je w budynkach ocieplonych zgodnie z obecnymi wymaganiami, można zmniejszyć zużycie energii konwencjonalnej w sezonie grzewczym o 20-30%, a w budynkach o bardzo wysokiej izolacyjności cieplnej nawet o 50%. Warunkiem uzyskania takich oszczędności jest wyposażenie konwencjonalnych systemów grzewczych w automatykę sterującą.

Usytuowanie na działce

Dom. Podstawowym warunkiem efektywnego wykorzystywania energii słonecznej jest odpowiednie usytuowanie go względem stron świata.
Najlepiej, kiedy najdłuższa ściana znajdzie się na osi wschód – zachód i skierowana będzie na południe. Oczywiście nie na każdej działce jest to możliwe. Odchylenie od osi o 15° nie wpływa jeszcze zauważalnie na ilość ciepła pozyskiwanego przez przeszklenia. W polskich szerokościach geograficznych największe odchylenie od osi wschód – zachód, przy którym promieniowanie słoneczne jest jeszcze w miarę korzystne, wynosi 20° w kierunku wschodnim i 35° w kierunku zachodnim.
Jeśli oś wschód – zachód jest akurat prostopadła do ulicy, to w celu zapewnienia pełnego nasłonecznienia ścian południowych konieczne jest zachowanie znacznego odstępu między sąsiednimi domami. Długość cienia rzucanego przez dom wysokości 5 m w dniu, kiedy słońce jest najniżej, czyli 21 grudnia, wynosi aż 19 m!

System biernego wykorzystania energii słonecznej przez budynek. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Roślinność. Wybierając działkę i planując rozmieszczenie na niej drzew, krzewów lub jakiejkolwiek zabudowy, warto zwrócić uwagę na to, aby zimą nie rzucały cienia na południową fasadę budynku. Przemyślane rozmieszczenie roślin na działce, zwłaszcza drzew, umożliwia regulowanie dopływu promieni słonecznych do budynku. Rosnące w odpowiednim miejscu drzewa liściaste latem zatrzymują około 90% promieniowania, natomiast zimą, kiedy stracą liście, zatrzymują już tylko około 50% promieniowania.
Właściwe zadrzewienie i zakrzewienie może także korzystnie wpływać na zmniejszenie strat cieplnych budynku, hamując siłę wiatru. Zimą, przy mroźnym wietrze, drzewa iglaste, takie jak świerk czy tuja, rosnące po północnej oraz północno-zachodniej i północno-wschodniej stronie domu w znacznym stopniu przyczyniają się do ograniczenia strat ciepła. Pomaga w tym także umieszczenie drzew blisko ściany domu, dzięki czemu powstaje przy niej strefa małej ruchliwości powietrza.

Drzewa i krzewy iglaste zasadzone wzdłuż północnej elewacji, w jej bliskim sąsiedztwie, chronią ją przed zimnym wiatrem. Autor: Magdalena Niezabitowska-Krogulec		Decydując się na zacienianie roślinami nasłonecznionej elewacji, najlepiej wybierać drzewa i krzewy liściaste, które dają cień latem, a zimą nie ograniczają dostępu promieniom słonecznym. Autor: Jerzy Romanowski		Jeśli rośliny nie stanowią dostatecznej osłony przed słońcem, niezbędne jest dodatkowe zacienianie przeszklenia. Autor: Andrzej Szandomirski

Kształt i wielkość budynku

Aby budynek był energooszczędny, jego bryła powinna być zwarta, pozbawiona załamań i występów. Elewacja południowa powinna mieć największą powierzchnię, północna – najmniejszą. Można to osiągnąć przez stworzenie budynku na planie trapezu, przez przekrycie domu jednospadowym dachem (ze spadkiem w kierunku północnym), a jeśli budynek usytuowany jest na stoku wzgórza – przez częściowe zagłębienie w gruncie ściany północnej.
Najmniej korzystne ze względu na największe jednostkowe straty ciepła są budynki parterowe. Najbardziej racjonalne jest budowanie domów z użytkowym poddaszem.

Przeszklenie elewacji

Okna, przez które chce się pozyskać energię słoneczną, muszą być duże, umieszczone jak najwyżej pod sufitem, ale nie powinny dochodzić do podłogi. Przeszklona strefa nad podłogą nie daje dużych zysków ciepła, a sprzyja jego stratom zimą. Autor: Krzysztof Zasuwik

Wszelkiego rodzaju przeszklenia sprzyjają pozyskiwaniu energii słonecznej. Jednak dotarcie promieni słonecznych do wnętrza domu umożliwiają tylko okna ustawione pod właściwym kątem względem stron świata. Ciepło dostarczone przez odpowiednio duże okna (stanowiące 30-40% powierzchni elewacji) może w zupełności wystarczyć do zapewnienia komfortowej temperatury w pomieszczeniach, nawet w czasie mrozu, oczywiście, kiedy świeci słońce. Z tego względu bardzo ważne jest takie rozmieszczenie okien, aby jak największa część promieniowania słonecznego dotarła do wnętrza domu. Najwięcej okien powinno być usytuowanych od strony południowej i zachodniej. Od strony północnej najlepiej nie robić ich wcale.
Mogłoby się wydawać, że najkorzystniejszym rozwiązaniem jest całkowite przeszklenie od strony południowej. Wówczas przecież do pomieszczeń dostanie się najwięcej promieni słońca. Tymczasem tak nie jest. Latem mogłoby to doprowadzić do zbytniego przegrzania pomieszczeń, a zimą straty ciepła spowodowane ucieczką ciepła przez duże przeszklenia byłyby znacznie większe niż zyski z promieniowania słonecznego.
Bardzo istotny jest kąt, pod jakim promienie słoneczne padają na daną powierzchnię – im jest on większy, tym więcej promieni wniknie w podłoże. Dlatego zimą, gdy promienie słońca pod większym kątem padają na płaszczyzny pionowe niż na poziome, ważne jest, aby docierały nie tylko do podłogi, ale także do ściany, która pochłonie więcej ciepła.

Naturalne oświetlenie pomieszczeń, a zarazem pozyskiwanie energii słonecznej do ich ogrzania zależy od odpowiedniego usytuowania domu względem stron świata. Promienie słońca padają pod różnym kątem – zimą pod mniejszym niż latem. Aby zyski ciepła były zauważalne, okna powinny być umieszczane na elewacjach, do których docierają promienie słońca zimą. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Najkorzystniejsze z punktu widzenia pozyskiwania energii słonecznej jest umieszczenie okna jak najwyżej. Lepiej, żeby nie było ono zbyt wysokie (nie zaczynało się tuż nad podłogą). Ilość ciepła uzyskana przez dolną część okna może się bowiem okazać mniejsza niż dodatkowe straty ciepła w chłodnym okresie, wynikające ze zwiększonej powierzchni szyb.

Niższe okna są także korzystniejsze latem – powodują mniejsze nagrzewanie podłogi.

Zimą promienie słoneczne padają na ziemię pod znacznie mniejszym kątem niż latem, dlatego więcej ciepła akumuluje się w ścianach niż w podłodze, latem – odwrotnie. Przemyślane usytuowanie okien umożliwi wykorzystanie zysków ciepła zimą i uniknięcie ich latem. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Akumulacja ciepła

Bezpośrednie ogrzewanie promieniowaniem słonecznym pomieszczeń ma sens tylko wtedy, kiedy mają one elementy akumulujące ciepło. W przeciwnym razie ciepło odczuwałoby się w nich tylko w czasie, kiedy świeci słońce. Budynek wykorzystujący energię słoneczną do ogrzewania różni się od innych tym, że ma specjalne „akumulatory ciepła”. Są nimi masywne przegrody wewnętrzne, w których zostaje zmagazynowane ciepło pozyskiwane przez okna. Kiedy promienie słoneczne przestają ogrzewać pomieszczenie, ich rolę przejmują „akumulatory”. Najważniejszym z nich jest ściana wewnętrzna znajdująca się naprzeciwko okna. Z tego względu powinna być możliwie masywna i mieć grubość od 20 do 45 cm. Może się zdarzyć, że akurat w tym miejscu znajdzie się ściana konstrukcyjna, wówczas nie trzeba ponosić dodatkowych kosztów na wykonanie specjalnie pogrubionej ściany. Zdolność do pochłaniania promieniowania zwiększa pomalowanie ściany na ciemny kolor – nawet o 75% w stosunku do ściany białej. Pozostałe powierzchnie w pomieszczeniu powinny być jak najjaśniejsze, aby odbijały i rozpraszały światło.
Elementem doskonale nadającym się do akumulacji ciepła jest obudowa kominka, o ile znajduje się on na wprost okna. Trzeba ją tylko wykonać z masywnych materiałów – cegły bądź bloczków betonowych. Wykonanie obudowy wkładów kominkowych z płyt gipsowo-kartonowych jest oczywiście znacznie prostsze i na pewno tańsze, ale w ten sposób traci się świetną okazję do stworzenia „akumulatora ciepła” bez straty miejsca, jaką z pewnością jest specjalne wybudowanie ściany grubości kilkudziesięciu centymetrów.
Chcąc możliwie najefektywniej wykorzystywać promieniowanie słoneczne do ogrzewania pomieszczeń, trzeba, niestety, ograniczyć głębokość pomieszczenia, które będzie pełnić  funkcję „kolektora słonecznego”.
Aby napromieniowanie masywnej ściany akumulującej ciepło było maksymalne, musi ona znajdować się jak najbliżej południowego okna. Wskazane jest, aby jej odległość od okna nie była większa od 2,5-krotnej jego wysokości. Jeśli będzie większa, pomieszczenie powinno się dodatkowo doświetlić za pomocą okien dachowych. Ściana akumulująca ciepło nie może być zacieniana meblami, bo zmniejsza to efektywność systemu.
Przeprowadzone w Polsce (w ITB) w latach 80. ubiegłego wieku badania wykazały, że ten prosty system zysków bezpośrednich jest w naszych warunkach bardzo efektywny.

Masywna ściana wewnętrzna, znajdująca się na wprost przeszklonej południowej elewacji, bardzo dobrze akumuluje promieniowanie słoneczne, zwłaszcza gdy jest w ciemnym kolorze. Autor: Andrzej Szandomirski		Zimą słońce dostaje się do wnętrza przez szklaną nieocienioną ścianę zewnętrzną. Ciemna kamienna podłoga w ciągu dnia akumuluje ciepło i oddaje je wieczorem. Ciepłe powietrze może swobodnie się rozchodzić do przyległych pomieszczeń przez otwory pozostawione w ścianach. Autor: Andrzej Szandomirski

Przeszklona weranda

Bardzo ciekawe ze względów estetycznych jest rozwiązanie łączące bezpośredni i pośredni sposób ogrzewania pomieszczeń promieniami słońca, polegające na dobudowaniu od południowej strony domu całkowicie przeszklonej przestrzeni. Może ona pełnić różne funkcje: od zupełnie nieużytkowych, przez komunikacyjne, do werandy połączonej na przykład z pokojem dziennym. Nie może być jednak traktowana jako pomieszczenie w pełni użytkowe, ponieważ ze względu na wysoki stopień przeszklenia latem będzie tam nieznośnie gorąco, a zimą po prostu zimno. Ściana oddzielająca to pomieszczenie od reszty domu musi mieć tak dobrą izolacyjność termiczną jak normalna ściana zewnętrzna. Najlepiej, aby była lita, choć może mieć otwory okienne i drzwiowe lub być całkowicie przeszklona. Można także zrezygnować ze ściany oddzielającej (właściwie nie będzie to już wtedy przybudówka, tylko ogromne okno w pomieszczeniu), ale w naszym klimacie oznacza to zwiększenie kosztów ogrzewania, a więc nie jest to rozwiązanie zalecane. Dodatkowo, gdy między taką przybudówką a resztą budynku nie ma litej ściany, latem pojawi się problem nadmiernego wzrostu temperatury. Aby temu zapobiec, konieczne jest zamontowanie rolet czy markiz ocieniających przybudówkę albo grubych zasłon zasłaniających przeszklenia między przybudówką a wnętrzem domu lub kosztownych klimatyzatorów.
Przeszklona weranda pełni funkcję „kolektora słonecznego”, jeśli jest oszklona szybami o wysokim współczynniku przepuszczania promieniowania słonecznego do wewnątrz i jednocześnie niskim współczynniku przenikania ciepła. Przyczyną wyraźnego wzrostu temperatury wewnętrznej w przybudówce w czasie oświetlania jej promieniami słonecznymi jest tak zwany efekt szklarniowy (cieplarniany). Tego typu cieplarnia jest jednocześnie elementem pozyskującym i magazynującym ciepło. Jest to bardzo korzystne zimą, bo powietrze ogrzane w tym pomieszczeniu przedostaje się do przyległych pomieszczeń przez otwory w ścianie je dzielącej – drzwi, okna lub specjalne otwory wentylacyjne. Otwierając je bądź przymykając, można regulować ilość przekazywanego ciepła. Przepływ powietrza można wspomagać pracą niewielkiego wentylatora.
Przybudówka służy nie tylko do pozyskiwania promieniowania słonecznego, ale przede wszystkim ogranicza straty ciepła w pomieszczeniu, do którego przylega.
Zalecane jest podwójne szklenie ścian zewnętrznych przybudówki oraz jej płytkie posadowienie w ziemi, a przede wszystkim stosowanie ruchomych osłon izolacyjnych, które radykalnie ograniczą straty ciepła przez szkło nocą. Aby pozyskane ciepło można było wykorzystywać do ogrzewania po zachodzie słońca, zalecane jest wysypanie podłogi przybudówki warstwą żwiru lub ułożenie kamiennej posadzki. Dobrymi „akumulatorami ciepła” mogą być wstawione do cieplarni szczelne zbiorniki wypełnione wodą, niezamarzającym roztworem lub olejem mineralnym. Szklana przybudówka jest bardzo wydajnym kolektorem, którego duża efektywność jest odczuwalna szczególnie w chłodnym klimacie.

Masywna ściana dzieląca wnętrze domu i przeszkloną werandę chroni pomieszczenia przed przegrzewaniem latem, a zimą bardzo dobrze akumuluje ciepło. Autor: Andrzej Szandomirski		Taką werandę można także wybudować na poddaszu, ale trzeba wtedy starannie opracować sposób zacieniania jej latem, zwłaszcza że pomieszczenia na poddaszu i tak bywają przegrzane latem. Autor: Robert Szarapka

Układ pomieszczeń

Przestronne, otwarte wnętrza umożliwiają równomierne rozchodzenie się ogrzanego powietrza. Autor: Andrzej Szandomirski

Niebagatelny wpływ na energooszczędność budynku ma rozwiązanie przestrzeni wewnętrznej. W domach biernie wykorzystujących energię słoneczną trzeba zwrócić uwagę nie tylko na tradycyjną funkcjonalność, ale szczególnie na to, aby układ pomieszczeń zaprojektowany był zgodnie z następującymi zasadami:
- strefowanie – w budynku powinny być wydzielone strefy różniące się panującą w nich temperaturą;
- grupowanie – pomieszczenia z tej samej strefy powinny ze sobą sąsiadować (znajdować się obok siebie albo jedno nad drugim);
- orientacja – usytuowanie pomieszczeń względem stron świata powinno umożliwiać bezpośrednie wnikanie do nich promieni słonecznych tak, aby w czasie korzystania z nich słońce pomagało utrzymywać komfort cieplny;
- buforowanie – od strony północnej, a także od strony nawietrznej powinna znaleźć się strefa buforowa utworzona z pomieszczeń niewymagających ogrzewania, takich jak: garaż, schowki, pomieszczenia pomocnicze, skład opału, albo pomieszczenia, w których temperatura może być niższa niż 16°C. W strefie buforowej mogą się znaleźć także kuchnia i pralnia, ponieważ występują w nich stosunkowo duże zyski ciepła. Strefę buforową od strony południowej tworzy szklana przybudówka.
Równomiernemu rozprowadzaniu ciepła sprzyjają przestronne, otwarte wnętrza, bez tradycyjnych podziałów na pomieszczenia. Wydzielanie pomieszczeń powoduje wyraźne zróżnicowanie panującej w nich temperatury. Powstaje wtedy ryzyko przegrzewania nasłonecznionej części południowej przy jednoczesnej konieczności dogrzewania części północnej. Korzystne ze względu na komfort cieplny może być wówczas zastosowanie wentylatorów wymuszających przepływ powietrza między tymi częściami domu. Jednak ze względu na hałas, jaki powodują, i zużycie energii elektrycznej nie jest to najlepsze rozwiązanie.

Schemat usytuowania pomieszczeń ze względu na panującą w nich temperaturę i możliwość pozyskiwania przez nie energii słonecznej. * latem powyżej 22°C.

Systemy proste, a jednak niespotykane

Z pewnością wielu Czytelników ma wątpliwości: gdyby to rzeczywiście było opłacalne i zdawało egzamin, to byłoby przecież popularne, a o systemach biernego ogrzewania słonecznego prawie się nie słyszy. Rzeczywiście, w Polsce nie popularyzuje się wiedzy na ten temat, chociaż coraz więcej mówi się o kolektorach słonecznych, pompach ciepła i innych nowoczesnych, ekologicznych instalacjach grzewczych, nie zawsze informując o wszystkich ich wadach, często również przeceniając korzyści wynikające z ich zastosowania. Natomiast o możliwościach wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania budynków poprzez odpowiednie ich zaprojektowanie prawie się nie słyszy. Dlaczego? Na sprzedaży kolektorów, pomp ciepła, instalacji wraz z całym systemem ogrzewania można nieźle zarobić, warto zatem inwestować w reklamę. Systemy bierne nie wykorzystują żadnych urządzeń i instalacji, na których można zrobić interes, dlatego nikomu nie opłaca się ich reklamować. Propagowaniem tego typu rozwiązań powinny się zająć instytucje działające na rzecz ochrony środowiska, ale te w naszym kraju nie mają zbyt wiele do powiedzenia. Brakuje środków, a może nawet wiedzy na ten temat.
Poparciem tezy, że takie rozwiązania mają sens, może być budownictwo jednorodzinne na Zachodzie. Wystarczy zajrzeć chociażby do dostępnych także w polskich księgarniach niemieckich katalogów projektów gotowych, żeby przekonać się, że tam większość domów ma elementy architektoniczne służące do pozyskiwania energii słonecznej. A przy tym budynki te są naprawdę ładne i funkcjonalne. Nic więc chyba nie stoi na przeszkodzie, abyśmy i my poprzez budowanie inteligentnie zaprojektowanych domów włączyli się do światowego trendu wykorzystywania energii słonecznej.

Zwiększone straty ciepła
Te same powierzchnie szklane, które służą do pozyskiwania energii słonecznej, w okresach bezsłonecznych przyczyniają się, niestety, do zwiększenia strat ciepła budynku.
Aby w bilansie dodatkowe straty nie przewyższyły zysków, konieczne jest stosowanie osłon zapobiegających okresowo ucieczce ciepła – przynajmniej przez największe okna.
Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie zewnętrznych okiennic bądź rolet, które jednocześnie stanowią dodatkowe zabezpieczenie przed złodziejami.