Как работает стена тромба?
Солнечное отопление существовало в архитектуре с древних времен, когда люди использовали глинобитные и каменные стены для улавливания тепла в течение дня и медленного отвода его ночью. Однако в своей современной форме солнечное отопление впервые появилось в 1920-х годах, когда европейские архитекторы начали экспериментировать с пассивными солнечными методами в массовом жилищном строительстве. В Германии Отто Хэслер, Вальтер Гропиус и другие разработали схематические квартиры Цайленбау, которые оптимизировали солнечный свет, а после импорта «гелиотропного жилья» в США нехватка топлива во время Второй мировой войны быстро популяризировала пассивное солнечное отопление. Вариации этой системы затем распространились по всему миру, но только в 1967 году архитектор Жак Мишель построил первую стену Тромба в Одейо, Франция. Названная в честь инженера Феликса Тромбе, система сочетает в себе стекло и темный теплопоглощающий материал для медленной передачи тепла в дом.
Стандартная стена Тромба размещает стеклянную панель на расстоянии примерно 2–5 сантиметров от темной каменной стены толщиной от 10 до 41 сантиметра, часто сделанной из кирпича, камня или бетона. Солнечное тепло проходит через стекло, поглощается стеной из тепловой массы, а затем медленно попадает в дом. В то время как прямое солнечное излучение имеет более короткую длину волны и поэтому легко проходит через стекло, переизлучение тепла от тепловой массы принимает форму более длинноволнового излучения, которое не может так легко проходить через стекло. Это свойство солнечного излучения, описываемое законом смещения Вина, удерживает тепло между стеклянной панелью и каменной стеной, позволяя стене Тромба эффективно поглощать тепло, ограничивая его повторное излучение в окружающую среду. Более того, поскольку стеклянная панель находится только на внешней стороне стены, тепло может беспрепятственно проникать внутрь дома, и этот процесс обычно занимает от 8 до 10 часов для стены Тромбе толщиной 20 сантиметров. Обычно это означает, что стена поглощает тепло в течение дня и медленно отдает его в дом ночью, что резко снижает потребность в традиционном отоплении.
Стены тромба часто выполняют несущую функцию наряду с ролью пассивного отопления. Чтобы максимизировать приток солнечной энергии, застекленная сторона стены обычно обращена к экватору, что позволяет стене собирать больше солнца днем и зимой. Различные материалы, размеры, цвета и другие изменения также могут повлиять на эффективность стеновой системы Trombe.
Распространенным вариантом является вентилируемая стена Тромба, которая дополняет естественную проводимость тепловой массы конвекцией, облегчаемой вентиляцией. Вентиляционные отверстия располагаются вверху и внизу пространства между стеклянной панелью и каменной стеной. Поскольку воздух в этом помещении нагревается, он поднимается в верхнее вентиляционное отверстие, которое перенаправляет его в дом. В то же время холодный воздух изнутри дома проходит через нижнее вентиляционное отверстие в это пространство, где он нагревается, а затем перенаправляется обратно в дом через верхнее вентиляционное отверстие.
Другим примером является «Барабанная стена», разработанная Стивом Бэром, в которой в качестве тепловой массы используется вода, а не бетон или камень. Затемненные стальные контейнеры, похожие на бочки с маслом, наполнены водой и сложены за стеклянной панелью. Поскольку вода имеет большую теплоемкость, чем каменная кладка, эта система теоретически поглощает тепло более эффективно, чем стандартная стена Тромба.
Изменения меньшего масштаба также могут повысить эффективность стены Тромба. Например, для достижения лучших результатов архитекторы часто применяют лучистый барьер или селективную поверхность – обычно лист металлической фольги, помещенный на внешнюю поверхность каменной стены. Фольга обладает высокой поглощающей способностью, что позволяет ей поглощать большое количество солнечного света и превращать его в тепло, но она также имеет низкую излучательную способность, что предотвращает повторное излучение этого тепла обратно к стеклу. Если фольга представляет собой рулонный лучистый барьер, ее можно использовать для уменьшения потерь тепла в ночное время и, в частности, для снижения притока тепла в летнее время. В сочетании с затеняющим устройством, таким как свес крыши, перегрев в теплое время года может быть значительно снижен.
Наконец, тщательное определение цвета, размера и материала также может оптимизировать эффективность стены Тромба. Толщина каменной стены должна варьироваться в зависимости от конкретного используемого материала: более проводящие материалы будут быстрее передавать тепло, что можно компенсировать путем проектирования более толстых стен. Архитекторы также могут покрасить каменную стену в черный цвет, чтобы увеличить ее поглощающую способность, или использовать стекло с высоким коэффициентом пропускания, чтобы максимизировать приток солнечной энергии. Однако клиенты могут захотеть, чтобы каменная стена была менее непрозрачной, чтобы в дом проникал дневной свет, что требует от дизайнеров баланса эстетической привлекательности и эффективности. Архитекторы также могут использовать узорчатое стекло, чтобы скрыть тепловую массу, хотя этот выбор не принесет в жертву прозрачность.
Хотя первые новаторы гелиотропного жилья, вероятно, не учитывали изменение климата, пассивные солнечные системы отопления, такие как стена Тромба, сегодня очень привлекательны из-за низкого энергопотребления и относительной устойчивости. Исследование, проведенное Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии Центра посетителей национального парка Зайон, показало, что 20% годового отопления здания обеспечивается стеной Тромба. Конечно, архитекторы, проектирующие стену Тромба, должны преодолеть определенные эстетические недостатки, особенно освещение. Затемнение от непрозрачной стены, обращенной к экватору, можно компенсировать мансардными окнами, соседними окнами и достаточным искусственным освещением. Стена Тромбе также сильно зависит от климата, а это означает, что изменения местоположения и погоды могут негативно повлиять на эффективность стены. Однако, если эти проблемы будут надлежащим образом решены, эта система может значительно повысить энергоэффективность конструкции и даже значительно снизить затраты на отопление.
