В пассивном солнечном проектировании зданий окна, стены и полы сделаны так, чтобы собирать, хранить, отражать и распределять солнечную энергию в виде тепла зимой и отводить солнечное тепло летом. Это называется пассивным солнечным проектированием, потому что, в отличие от активных систем солнечного отопления , оно не предполагает использования механических и электрических устройств. [1]
Ключ к проектированию пассивного солнечного здания — максимально использовать преимущества местного климата , выполняя точный анализ участка . Элементы, которые следует учитывать, включают размещение и размер окон, тип остекления , теплоизоляцию , тепловую массу и затенение. [2] Методы пассивного солнечного проектирования проще всего применять к новым зданиям, но существующие здания можно адаптировать или «модернизировать».
Пассивные солнечные технологии используют солнечный свет без активных механических систем (в отличие от активных солнечных технологий , которые используют тепловые коллекторы ). Такие технологии преобразуют солнечный свет в полезное тепло (в воде, воздухе и тепловой массе), вызывают движение воздуха для вентиляции или будущего использования с небольшим использованием других источников энергии. Типичным примером является солярий на экваториальной стороне здания. Пассивное охлаждение — это использование аналогичных принципов проектирования для снижения потребности в летнем охлаждении.
Некоторые пассивные системы используют небольшое количество обычной энергии для управления заслонками, ставнями, ночной изоляцией и другими устройствами, которые улучшают сбор, хранение и использование солнечной энергии, а также уменьшают нежелательную передачу тепла .
Пассивные солнечные технологии включают прямое и косвенное использование солнечной энергии для отопления помещений, солнечные водонагревательные системы на основе термосифона , использование теплоемких и фазово-переходных материалов для замедления колебаний температуры воздуха в помещениях, солнечные печи , солнечные дымоходы для улучшения естественной вентиляции и укрытия от воздействия земли .
В более широком смысле солнечные технологии включают солнечную печь , но это обычно требует некоторой внешней энергии для выравнивания их концентрирующих зеркал или приемников, и исторически не доказало своей практичности или экономической эффективности для широкого использования. Потребности в энергии «низкого качества», такие как отопление помещений и воды, со временем оказались лучшими приложениями для пассивного использования солнечной энергии.
Научная основа проектирования пассивных солнечных зданий была разработана на основе сочетания климатологии , термодинамики (в частности, теплопередачи : проводимости (тепла) , конвекции и электромагнитного излучения ), механики жидкости / естественной конвекции (пассивное движение воздуха и воды без использования электричества, вентиляторов или насосов) и теплового комфорта человека на основе теплового индекса , психрометрии и контроля энтальпии для зданий, в которых будут жить люди или животные, веранд , соляриев и теплиц для выращивания растений.
Особое внимание уделяется: местоположению, расположению и солнечной ориентации здания, местному пути движения солнца , преобладающему уровню инсоляции ( широта /солнечный свет/облачность/ осадки ), качеству проектирования и строительства/материалам, размещению/размеру/типу окон и стен, а также включению тепловой массы , накапливающей солнечную энергию, с теплоемкостью .
Хотя эти соображения могут быть направлены на любое здание, достижение идеального оптимизированного решения по стоимости/производительности требует тщательной, целостной , системной интеграции инженерных решений этих научных принципов. Современные усовершенствования посредством компьютерного моделирования (например, всеобъемлющее программное обеспечение для моделирования энергопотребления зданий "Energy Plus" [3] Министерства энергетики США ) и применение десятилетий извлеченных уроков (со времен энергетического кризиса 1970-х годов ) могут обеспечить значительную экономию энергии и сокращение ущерба окружающей среде, не жертвуя функциональностью или эстетикой. [4] Фактически, пассивные солнечные элементы дизайна, такие как теплица/веранда/солярий, могут значительно улучшить пригодность для жизни, дневной свет, виды и ценность дома при низкой стоимости за единицу пространства.
Многое было изучено о пассивном проектировании солнечных зданий после энергетического кризиса 1970-х годов. Многие ненаучные, основанные на интуиции дорогостоящие строительные эксперименты пытались и не смогли достичь нулевой энергии — полного устранения счетов за отопление и охлаждение.
Строительство пассивных солнечных зданий может быть не сложным или дорогим (с использованием существующих готовых материалов и технологий), но научное проектирование пассивных солнечных зданий представляет собой нетривиальную инженерную задачу, требующую значительного изучения предыдущих нелогичных уроков, полученных ранее, а также времени на ввод, оценку и итеративное совершенствование входных и выходных данных моделирования .
Одним из наиболее полезных инструментов оценки после строительства стало использование термографии с использованием цифровых тепловизионных камер для формального количественного научного энергетического аудита . Тепловизионное изображение можно использовать для документирования областей с плохой тепловой эффективностью, таких как отрицательное тепловое воздействие наклонного стекла крыши или светового люка в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день.
Научные уроки, извлеченные за последние три десятилетия, были учтены в сложных комплексных системах компьютерного программного обеспечения для моделирования энергопотребления зданий (например, US DOE Energy Plus).
Научное пассивное солнечное проектирование зданий с количественной оптимизацией затрат и выгод продукта не является простым для новичка. Уровень сложности привел к продолжающейся плохой архитектуре и многим интуитивным, ненаучным строительным экспериментам, которые разочаровывают их проектировщиков и тратят значительную часть их строительного бюджета на неподходящие идеи. [5]
Экономическая мотивация научного проектирования и инжиниринга существенна. Если бы она была применена всесторонне к строительству новых зданий, начиная с 1980 года (на основе уроков, извлеченных из 1970-х годов), Соединенные Штаты могли бы экономить более 250 000 000 долларов в год на дорогостоящей энергии и связанном с этим загрязнении сегодня. [5]
С 1979 года проектирование пассивных солнечных зданий стало важнейшим элементом достижения нулевого потребления энергии в ходе экспериментов в образовательных учреждениях, а также в ходе правительств по всему миру, включая Министерство энергетики США и ученых-исследователей в области энергетики, которых они поддерживали на протяжении десятилетий. Эффективное с точки зрения затрат доказательство концепции было создано несколько десятилетий назад, но культурные изменения в архитектуре, строительной отрасли и принятии решений владельцами зданий происходили очень медленно и сложно. [5]
В некоторые школы архитектуры добавляются новые предметы, такие как архитектурная наука и архитектурные технологии , с целью обучения вышеуказанным научным и энергоинженерным принципам. [ необходима ссылка ]
Возможность достижения этих целей одновременно в значительной степени зависит от сезонных изменений траектории движения солнца в течение дня.
Это происходит в результате наклона оси вращения Земли по отношению к ее орбите . Путь Солнца уникален для любой заданной широты.
В нетропических широтах Северного полушария далее 23,5 градусов от экватора:
В Южном полушарии наблюдается обратная ситуация, но солнце встает на востоке и садится на западе независимо от того, в каком полушарии вы находитесь.
В экваториальных регионах с широтой менее 23,5 градусов положение солнца в солнечный полдень будет колебаться с севера на юг и обратно в течение года. [7]
В регионах, расположенных ближе, чем на 23,5 градуса от северного или южного полюса, летом солнце будет описывать полный круг на небе, не заходя, в то время как оно никогда не появится над горизонтом шесть месяцев спустя, в разгар зимы. [8]
Разница в 47 градусов в высоте солнца в солнечный полдень между зимой и летом составляет основу пассивного солнечного проектирования. Эта информация объединяется с местными климатическими данными ( градусодни ), требованиями к отоплению и охлаждению, чтобы определить, в какое время года солнечное поступление будет полезным для теплового комфорта , а когда его следует блокировать затенением. За счет стратегического размещения таких элементов, как остекление и затеняющие устройства, процент солнечного поступления, поступающего в здание, можно контролировать в течение всего года.
Одна из проблем проектирования пассивного солнечного пути заключается в том, что хотя солнце находится в том же относительном положении за шесть недель до и шесть недель после солнцестояния, из-за «тепловой задержки» от тепловой массы Земли, требования к температуре и солнечному притоку существенно различаются до и после летнего или зимнего солнцестояния. Подвижные ставни, шторы, теневые экраны или оконные одеяла могут соответствовать ежедневным и ежечасным требованиям к солнечному притоку и изоляции.
Тщательное расположение комнат завершает пассивный солнечный дизайн. Распространенная рекомендация для жилых домов — размещать жилые помещения лицом к солнечному полудню, а спальные помещения — на противоположной стороне. [9] Гелиодон — это традиционное подвижное световое устройство , используемое архитекторами и дизайнерами для моделирования эффектов солнечного пути. В наше время трехмерная компьютерная графика может визуально моделировать эти данные и рассчитывать прогнозы производительности. [4]
Персональный тепловой комфорт является функцией персональных факторов здоровья (медицинских, психологических, социологических и ситуативных), температуры окружающего воздуха, средней лучистой температуры , движения воздуха ( охлаждение ветром , турбулентность ) и относительной влажности (влияющей на испарительное охлаждение человека ). Передача тепла в зданиях происходит посредством конвекции , проводимости и теплового излучения через крышу, стены, пол и окна. [10]
Конвективный перенос тепла может быть полезным или вредным. Неконтролируемая инфильтрация воздуха из-за плохой герметизации / уплотнителей / защиты от сквозняков может способствовать потере до 40% тепла зимой; [11] однако, стратегическое размещение работающих окон или вентиляционных отверстий может улучшить конвекцию, перекрестную вентиляцию и летнее охлаждение, когда наружный воздух имеет комфортную температуру и относительную влажность . [12] Фильтрованные системы вентиляции с рекуперацией энергии могут быть полезны для устранения нежелательной влажности, пыли, пыльцы и микроорганизмов в нефильтрованном вентиляционном воздухе.
Естественная конвекция, вызывающая подъем теплого воздуха и падение более холодного воздуха, может привести к неравномерному расслоению тепла. Это может вызвать некомфортные колебания температуры в верхнем и нижнем кондиционируемом пространстве, служить методом отвода горячего воздуха или быть спроектировано как контур естественного конвективного воздушного потока для пассивного распределения солнечного тепла и выравнивания температуры. Естественное охлаждение человека за счет потоотделения и испарения может быть облегчено за счет естественного или принудительного конвективного движения воздуха вентиляторами, но потолочные вентиляторы могут нарушить стратифицированные изолирующие слои воздуха в верхней части комнаты и ускорить передачу тепла с горячего чердака или через близлежащие окна. Кроме того, высокая относительная влажность воздуха препятствует испарительному охлаждению людьми.
Основным источником теплопередачи является лучистая энергия , а первичным источником является солнце. Солнечное излучение происходит преимущественно через крышу и окна (но также через стены). Тепловое излучение перемещается от более теплой поверхности к более холодной. Крыши получают большую часть солнечного излучения, поступающего в дом. Прохладная крыша или зеленая крыша в дополнение к лучистому барьеру может помочь предотвратить нагревание вашего чердака выше пиковой летней температуры наружного воздуха [13] (см. альбедо , поглощающая способность , излучательная способность и отражательная способность ).
Окна являются готовым и предсказуемым местом для теплового излучения . [14] Энергия от излучения может перемещаться в окно днем и из того же окна ночью. Излучение использует фотоны для передачи электромагнитных волн через вакуум или полупрозрачную среду. Приток солнечного тепла может быть значительным даже в холодные ясные дни. Приток солнечного тепла через окна можно уменьшить с помощью изолированного остекления , затенения и ориентации. Окна особенно трудно изолировать по сравнению с крышей и стенами. Конвективный перенос тепла через и вокруг оконных покрытий также ухудшает их изоляционные свойства. [14] При затенении окон внешнее затенение более эффективно для снижения притока тепла, чем внутреннее оконное покрытие . [14]
Западное и восточное солнце может обеспечить тепло и освещение, но уязвимы для перегрева летом, если не затенены. Напротив, низкое полуденное солнце легко пропускает свет и тепло зимой, но может быть легко затенено свесами соответствующей длины или наклонными жалюзи летом и лиственными деревьями, которые сбрасывают листья осенью. Количество получаемого лучистого тепла зависит от широты местоположения , высоты , облачности и сезонного / часового угла падения (см. Путь Солнца и закон косинуса Ламберта ).
Другой принцип пассивного солнечного проектирования заключается в том, что тепловая энергия может храниться в определенных строительных материалах и снова высвобождаться, когда теплоприток ослабевает, чтобы стабилизировать суточные (день/ночь) колебания температуры. Сложное взаимодействие термодинамических принципов может быть нелогичным для начинающих проектировщиков. Точное компьютерное моделирование может помочь избежать дорогостоящих экспериментов при строительстве.
Точное количество стекла, обращенного к экватору, и тепловой массы должно основываться на тщательном учете широты, высоты, климатических условий и требований к градусо-дням отопления/охлаждения.
Факторы, которые могут ухудшить тепловые характеристики:
Технически PSH очень эффективен. Системы прямого усиления могут использовать (т.е. преобразовывать в «полезное» тепло) 65–70% энергии солнечного излучения, попадающего на апертуру или коллектор.
Пассивная солнечная фракция (PSF) — это процент требуемой тепловой нагрузки, покрываемый PSH, и, следовательно, представляет собой потенциальное снижение расходов на отопление. RETScreen International сообщила о PSF в 20–50%. В области устойчивого развития энергосбережение даже порядка 15% считается существенным.
Другие источники сообщают о следующих PSF:
В благоприятных климатических условиях, таких как юго-запад США, высокооптимизированные системы могут превышать 75% PSF. [19]
Для получения дополнительной информации см. раздел « Солнечное воздушное отопление».
Существуют три различных конфигурации пассивной солнечной энергии [20] и по крайней мере один заслуживающий внимания гибрид этих основных конфигураций:
В пассивной солнечной системе прямого получения внутреннее пространство действует как солнечный коллектор, поглотитель тепла и распределительная система. Южное стекло в северном полушарии (северное стекло в южном полушарии) пропускает солнечную энергию во внутреннее пространство здания, где оно напрямую нагревает (поглощение лучистой энергии) или косвенно нагревает (через конвекцию) тепловую массу в здании, такую как бетонные или каменные полы и стены. Полы и стены, действующие как тепловая масса, включены в качестве функциональных частей здания и смягчают интенсивность нагрева в течение дня. Ночью нагретая тепловая масса излучает тепло во внутреннее пространство. [20]
В холодном климате закаленное солнцем здание является самым базовым типом пассивной солнечной конфигурации с прямым усилением, которая просто включает в себя увеличение (немного) площади остекления на южной стороне без добавления дополнительной тепловой массы. Это тип системы с прямым усилением, в которой оболочка здания хорошо изолирована, вытянута в направлении восток-запад и имеет большую долю (~80% или более) окон на южной стороне. Она имеет небольшую добавленную тепловую массу сверх того, что уже есть в здании (т. е. только каркас, стеновая панель и т. д.). В закаленном солнцем здании площадь окон на южной стороне должна быть ограничена примерно 5-7% от общей площади пола, меньше в солнечном климате, чтобы предотвратить перегрев. Дополнительное остекление на южной стороне может быть включено только в том случае, если добавлено больше тепловой массы. Экономия энергии с этой системой невелика, а закаливание солнцем обходится очень дешево. [20]
В настоящих пассивных солнечных системах прямого усиления требуется достаточная тепловая масса для предотвращения больших колебаний температуры в воздухе внутри помещения; требуется больше тепловой массы, чем в закаленном солнцем здании. Перегрев интерьера здания может возникнуть из-за недостаточной или плохо спроектированной тепловой массы. Около половины или двух третей внутренней поверхности полов, стен и потолков должны быть построены из теплоаккумулирующих материалов. Теплоаккумулирующими материалами могут быть бетон, саман, кирпич и вода. Тепловая масса в полах и стенах должна быть максимально голой, насколько это возможно с функциональной и эстетической точки зрения; тепловая масса должна подвергаться воздействию прямых солнечных лучей. Следует избегать коврового покрытия от стены до стены, больших ковров, громоздкой мебели и больших настенных украшений.
Обычно для каждого 1 фута 2 стекла, обращенного на юг, требуется около 5-10 футов 3 тепловой массы (1 м 3 на 5-10 м 2 ). При учете минимально-средних настенных и напольных покрытий и мебели это обычно составляет около 5-10 футов 2 на фут 2 (5-10 м 2 на м 2 ) стекла, обращенного на юг, в зависимости от того, падает ли солнечный свет на поверхность напрямую. Самое простое эмпирическое правило заключается в том, что площадь тепловой массы должна иметь площадь в 5-10 раз больше площади поверхности коллектора прямого усиления (стекла). [20]
Твердая тепловая масса (например, бетон, кладка, камень и т. д.) должна быть относительно тонкой, толщиной не более 4 дюймов (100 мм). Тепловые массы с большими открытыми площадями и те, которые находятся под прямыми солнечными лучами в течение по крайней мере части дня (минимум 2 часа), работают лучше всего. Цвета от средних до темных с высокой поглощающей способностью следует использовать на поверхностях элементов тепловых масс, которые будут находиться под прямыми солнечными лучами. Тепловая масса, которая не контактирует с солнечными лучами, может быть любого цвета. Легкие элементы (например, стены и потолки из гипсокартона) могут быть любого цвета. Покрытие остекления плотно прилегающими, подвижными изоляционными панелями в темные, облачные периоды и ночные часы значительно повысит производительность системы прямого нагрева. Вода, содержащаяся в пластиковой или металлической оболочке и помещенная под прямые солнечные лучи, нагревается быстрее и равномернее, чем твердая масса, из-за естественной конвекционной теплопередачи. Процесс конвекции также предотвращает слишком экстремальные температуры поверхности, как это иногда случается, когда темные поверхности твердой массы получают прямые солнечные лучи.
В зависимости от климата и при достаточной тепловой массе площадь остекления, обращенного на юг, в системе прямого усиления должна быть ограничена примерно 10–20% от площади пола (например, 10–20 кв. футов стекла для площади пола 100 кв. футов ). Это должно быть основано на чистой площади стекла или остекления. Обратите внимание, что большинство окон имеют чистую площадь стекла/остекления, которая составляет 75–85% от общей площади оконного блока. Выше этого уровня вероятны проблемы с перегревом, бликами и выцветанием тканей. [20]
В пассивной солнечной системе с косвенным усилением тепловая масса ( бетон , кладка или вода) расположена непосредственно за стеклом, выходящим на юг, и перед отапливаемым внутренним пространством, поэтому прямого нагрева нет. Положение массы препятствует проникновению солнечного света во внутреннее пространство и также может загораживать вид через стекло. Существует два типа систем с косвенным усилением: системы с накоплением тепла на стенах и системы с прудом на крыше. [20]
В системе теплоаккумулирующей стены , часто называемой стеной Тромба , массивная стена расположена непосредственно за стеклом, обращенным на юг, которое поглощает солнечную энергию и избирательно выделяет ее в направлении внутренней части здания ночью. Стена может быть построена из монолитного бетона, кирпича, самана, камня или сплошных (или заполненных) бетонных блоков. Солнечный свет проникает через стекло и немедленно поглощается поверхностью массивной стены и либо сохраняется, либо проводится через массу материала во внутреннее пространство. Тепловая масса не может поглощать солнечную энергию так быстро, как она попадает в пространство между массой и областью окна. Температура воздуха в этом пространстве может легко превышать 120 °F (49 °C). Этот горячий воздух может быть введен во внутренние помещения за стеной путем включения вентиляционных отверстий для распределения тепла в верхней части стены. Эта система стены была впервые задумана и запатентована в 1881 году ее изобретателем Эдвардом Морзе. Феликс Тромбе, в честь которого иногда называют эту систему, был французским инженером, построившим несколько домов с использованием этой конструкции во французских Пиренеях в 1960-х годах.
Теплоаккумулирующая стена обычно состоит из каменной стены толщиной от 4 до 16 дюймов (от 100 до 400 мм), покрытой темной теплопоглощающей отделкой (или селективной поверхностью) и покрытой одним или двумя слоями стекла с высокой пропускаемостью. Стекло обычно размещается на расстоянии от 3 ⁄ 4 дюйма до 2 дюймов от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. В некоторых конструкциях масса располагается на расстоянии от 1 до 2 футов (0,6 м) от стекла, но пространство все равно не используется. Поверхность тепловой массы поглощает солнечное излучение, которое попадает на нее, и сохраняет его для использования в ночное время. В отличие от системы прямого усиления, система теплоаккумулирующей стены обеспечивает пассивное солнечное отопление без чрезмерной площади окон и бликов во внутренних помещениях. Однако возможность использовать виды и дневное освещение исключается. Эффективность стен Тромба снижается, если внутренняя часть стены не открыта для внутренних помещений. Мебель, книжные полки и настенные шкафы, установленные на внутренней поверхности стены, снизят ее эффективность.
Классическая стена Тромба , также обычно называемая вентилируемой стеной с тепловым аккумулятором , имеет действующие вентиляционные отверстия около потолка и пола массивной стены, которые позволяют внутреннему воздуху проходить через них путем естественной конвекции. Поскольку солнечное излучение нагревает воздух, находящийся между стеклом и стеной, и он начинает подниматься. Воздух втягивается в нижнее вентиляционное отверстие, затем в пространство между стеклом и стеной, чтобы нагреться солнечным излучением, повышая свою температуру и заставляя ее подниматься, а затем выходит через верхнее (потолочное) вентиляционное отверстие обратно во внутреннее пространство. Это позволяет стене напрямую вводить нагретый воздух в помещение; обычно при температуре около 90 °F (32 °C).
Если вентиляционные отверстия остаются открытыми ночью (или в пасмурные дни), произойдет изменение направления конвективного воздушного потока, что приведет к потере тепла путем рассеивания его на открытом воздухе. Вентиляционные отверстия должны быть закрыты ночью, чтобы лучистое тепло от внутренней поверхности стены хранилища нагревало внутреннее пространство. Как правило, вентиляционные отверстия также закрыты в летние месяцы, когда приток тепла не требуется. Летом наружное вытяжное отверстие, установленное в верхней части стены, может быть открыто для выхода наружу. Такая вентиляция заставляет систему действовать как солнечная труба, прогоняющая воздух через здание в течение дня.
Вентилируемые теплоаккумулирующие стены, вентилируемые вовнутрь, оказались несколько неэффективными, в основном потому, что они отдают слишком много тепла днем в мягкую погоду и в летние месяцы; они просто перегреваются и создают проблемы с комфортом. Большинство экспертов по солнечным батареям рекомендовали не вентилировать теплоаккумулирующие стены вовнутрь.
Существует множество вариаций системы стены Тромба. Невентилируемая стена с теплоаккумулирующим эффектом (технически не стена Тромба) улавливает солнечную энергию на внешней поверхности, нагревается и проводит тепло к внутренней поверхности, где оно излучается с внутренней поверхности стены во внутреннее пространство позже в течение дня. Водяная стена использует тип тепловой массы, которая состоит из резервуаров или труб с водой, используемых в качестве тепловой массы.
Типичная невентилируемая стена с теплоаккумулирующей системой состоит из обращенной на юг каменной кладки или бетонной стены с темным теплопоглощающим материалом на внешней поверхности и облицованной одинарным или двойным слоем стекла. Стекло с высокой пропускаемостью максимизирует приток солнечного тепла к массивной стене. Стекло размещается на расстоянии от 3 ⁄ 4 до 6 дюймов (от 20 до 150 мм) от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. Стеклянная рама обычно металлическая (например, алюминиевая), потому что винил размягчится, а древесина станет сверхсухой при температуре 180 °F (82 °C), которая может существовать за стеклом в стене. Тепло от солнечного света, проходящего через стекло, поглощается темной поверхностью, сохраняется в стене и медленно проводится внутрь через кладку. Как архитектурная деталь, узорчатое стекло может ограничивать внешнюю видимость стены, не жертвуя при этом пропускаемостью солнечного света.
Водяная стена использует контейнеры с водой для тепловой массы вместо стены из твердой массы. Водяные стены обычно немного эффективнее стен из твердой массы, поскольку они поглощают тепло более эффективно из-за развития конвективных потоков в жидкой воде по мере ее нагрева. Эти потоки вызывают быстрое смешивание и более быструю передачу тепла в здание, чем могут обеспечить стены из твердой массы.
Температурные различия между наружными и внутренними поверхностями стен приводят к тому, что тепло проходит через массивную стену. Однако внутри здания дневной приток тепла задерживается и становится доступным на внутренней поверхности тепловой массы только вечером, когда это необходимо, потому что солнце уже село. Временная задержка — это разница во времени между тем, когда солнечный свет впервые попадает на стену, и тем, когда тепло попадает внутрь здания. Временная задержка зависит от типа материала, используемого в стене, и толщины стены; большая толщина дает большую временную задержку. Временная задержка, характерная для тепловой массы, в сочетании с гашением температурных колебаний позволяет использовать переменную дневную солнечную энергию в качестве более равномерного источника ночного тепла. Окна можно размещать в стене для естественного освещения или по эстетическим причинам, но это, как правило, несколько снижает эффективность.
Толщина стены для хранения тепла должна составлять приблизительно от 10 до 14 дюймов (от 250 до 350 мм) для кирпича, от 12 до 18 дюймов (от 300 до 450 мм) для бетона, от 8 до 12 дюймов (от 200 до 300 мм) для земли/самана и не менее 6 дюймов (150 мм) для воды. Такая толщина замедляет перемещение тепла, так что температура поверхности внутри помещения достигает пика в поздние вечерние часы. Теплу потребуется около 8-10 часов, чтобы достичь внутренней части здания (тепло проходит через бетонную стену со скоростью около одного дюйма в час). Хорошее тепловое соединение между внутренней отделкой стены (например, гипсокартоном) и стеной тепловой массы необходимо для максимизации теплопередачи во внутреннее пространство.
Хотя расположение стены с теплоаккумулирующей способностью минимизирует дневной перегрев внутреннего пространства, хорошо изолированное здание должно быть ограничено примерно 0,2–0,3 фута 2 тепловой массы поверхности стены на фут 2 отапливаемой площади пола (0,2–0,3 м 2 на м 2 площади пола), в зависимости от климата. Водяная стена должна иметь около 0,15–0,2 фута 2 поверхности стены на фут 2 (0,15–0,2 м 2 на м 2 ) площади пола.
Тепловые стены лучше всего подходят для солнечного зимнего климата с высокими суточным (день-ночь) перепадами температур (например, юго-запад, горы-запад). Они не так эффективны в облачном или очень холодном климате или в климате, где нет больших суточных перепадов температур. Ночные потери тепла через тепловые массы стены могут быть значительными в облачном и холодном климате; стена теряет накопленное тепло менее чем за день, а затем пропускает тепло, что резко повышает требования к резервному отоплению. Покрытие остекления плотно прилегающими, подвижными изоляционными панелями в длительные облачные периоды и ночные часы повысит производительность системы накопления тепла.
Главным недостатком теплоаккумулирующих стен является потеря тепла наружу. Двойное стекло (стекло или любой из пластиков) необходимо для снижения потерь тепла в большинстве климатических условий. В мягком климате приемлемо одинарное стекло. Селективная поверхность (высокопоглощающая/низкоизлучающая поверхность), нанесенная на внешнюю поверхность теплоаккумулирующей стены, улучшает производительность за счет уменьшения количества инфракрасной энергии, излучаемой обратно через стекло; как правило, она достигает аналогичного улучшения производительности без необходимости ежедневной установки и снятия изоляционных панелей. Селективная поверхность состоит из листа металлической фольги, приклеенного к внешней поверхности стены. Она поглощает почти все излучение в видимой части солнечного спектра и очень мало излучает в инфракрасном диапазоне. Высокая поглощающая способность превращает свет в тепло на поверхности стены, а низкая излучающая способность предотвращает излучение тепла обратно в сторону стекла. [20]
Пассивная солнечная система с прудом на крыше , иногда называемая солнечной крышей , использует воду, хранящуюся на крыше, для регулирования высоких и низких внутренних температур, обычно в условиях пустыни. Обычно она состоит из контейнеров, вмещающих от 6 до 12 дюймов (от 150 до 300 мм) воды на плоской крыше. Вода хранится в больших пластиковых пакетах или стекловолоконных контейнерах, чтобы максимизировать излучение и минимизировать испарение. Ее можно оставить без глазури или покрыть глазурью. Солнечное излучение нагревает воду, которая действует как теплоаккумулирующая среда. Ночью или в пасмурную погоду контейнеры можно накрывать изоляционными панелями. Внутреннее пространство под прудом на крыше нагревается тепловой энергией, выделяемой хранилищем пруда на крыше выше. Эти системы требуют хороших дренажных систем, подвижной изоляции и улучшенной структурной системы для поддержки статической нагрузки от 35 до 70 фунтов/фут 2 (от 1,7 до 3,3 кН/м 2 ).
При углах падения солнечного света в течение дня, пруды на крыше эффективны только для отопления в низких и средних широтах, в жарком или умеренном климате. Системы прудов на крыше лучше подходят для охлаждения в жарком климате с низкой влажностью. Было построено не так много солнечных крыш, и существует ограниченная информация о конструкции, стоимости, производительности и деталях конструкции крыш с теплоаккумулированием. [20]
Качадориан продемонстрировал, что недостатки теплоаккумулирующих стен можно преодолеть, ориентируя стену Тромба горизонтально, а не вертикально. [21] Если теплоаккумулирующая масса сконструирована как вентилируемый бетонный пол, а не как стена, она не блокирует проникновение солнечного света в дом (самый очевидный недостаток стены Тромба), но она все равно может подвергаться воздействию прямых солнечных лучей через окна с двойным остеклением, обращенные к экватору, которые можно дополнительно изолировать тепловыми ставнями или шторами ночью. [22] Проблемная задержка захвата тепла стеной Тромба в дневное время устраняется, поскольку теплу не нужно проходить через стену, чтобы достичь внутреннего воздушного пространства: часть его отражается или переизлучается немедленно от пола. При условии, что плита имеет воздушные каналы, как стена Тромба, которые проходят через нее в направлении север-юг и выводятся во внутреннее воздушное пространство через бетонный пол плиты сразу внутри северной и южной стен, по-прежнему происходит интенсивный термосифонный поток воздуха через плиту, как и в вертикальной стене Тромба, распределяя накопленное тепло по всему дому (и охлаждая дом летом за счет обратного процесса).
Вентилируемая горизонтальная плита менее затратна в строительстве, чем вертикальные стены Тромба, поскольку она образует фундамент дома, что является необходимым расходом в любом здании. Фундаменты на основе плиты являются распространенным, хорошо понятным и экономически эффективным компонентом здания (модифицированным лишь немного включением слоя воздушных каналов из бетона и кирпича), а не экзотической конструкцией стены Тромба. Единственным оставшимся недостатком этого вида тепловой массы солнечной архитектуры является отсутствие подвала, как и в любой конструкции на основе плиты.
Конструкция пола Kachadorian представляет собой пассивную солнечную систему прямого получения , но ее тепловая масса также действует как элемент косвенного нагрева (или охлаждения), отдавая свое тепло ночью. Это гибридная энергетическая система переменного цикла, как гибридный электромобиль .
В изолированной пассивной солнечной системе компоненты (например, коллектор и теплоаккумулятор) изолированы от внутренней части здания. [20]
Пристроенное солнечное пространство , также иногда называемое солнечной комнатой или солярием , представляет собой тип изолированной системы солнечного усиления с застекленным внутренним пространством или комнатой, которая является частью здания или прикреплена к нему, но которая может быть полностью закрыта от основных занятых зон. Она функционирует как пристроенная теплица, которая использует комбинацию характеристик системы прямого и косвенного усиления. Солнечное пространство может называться и выглядеть как теплица, но теплица предназначена для выращивания растений, тогда как солнечное пространство предназначено для обеспечения тепла и эстетики здания. Солнечные пространства являются очень популярными пассивными элементами дизайна, поскольку они расширяют жилые помещения здания и предлагают комнату для выращивания растений и другой растительности. Однако в умеренном и холодном климате требуется дополнительное отопление помещения, чтобы растения не замерзали в чрезвычайно холодную погоду.
Южное стекло прикрепленного солнечного пространства собирает солнечную энергию, как в системе прямого поглощения. Простейшая конструкция солнечного пространства — это установка вертикальных окон без верхнего остекления. Солнечные пространства могут испытывать высокий приток тепла и высокую потерю тепла из-за обилия остекления. Хотя горизонтальное и наклонное остекление собирает больше тепла зимой, оно сводится к минимуму, чтобы предотвратить перегрев в летние месяцы. Хотя верхнее остекление может быть эстетически приятным, изолированная крыша обеспечивает лучшую теплоизоляцию. Мансардные окна могут использоваться для обеспечения некоторого потенциала дневного освещения. Вертикальное остекление может максимизировать приток зимой, когда угол падения солнца низкий, и дает меньше притока тепла летом. Вертикальное стекло менее затратно, его проще устанавливать и изолировать, и оно не так подвержено протечкам, запотеванию, разбитию и другим поломкам стекла. Сочетание вертикального остекления и некоторого наклонного остекления приемлемо, если предусмотрено летнее затенение. Хорошо спроектированный навес может быть всем, что необходимо для затенения остекления летом.
Изменения температуры, вызванные потерями и приростом тепла, могут быть смягчены тепловой массой и окнами с низкой излучательной способностью. Тепловая масса может включать каменный пол, каменную стену, граничащую с домом, или емкости с водой. Распределение тепла в здании может осуществляться через вентиляционные отверстия на уровне потолка и пола, окна, двери или вентиляторы. В обычной конструкции тепловая масса стены, расположенная на задней стороне солнечного пространства, прилегающего к жилому пространству, будет функционировать как косвенная тепловая масса стены. Солнечная энергия, поступающая в солнечное пространство, удерживается в тепловой массе. Солнечное тепло передается в здание путем проводимости через общую массу стены в задней части солнечного пространства и через вентиляционные отверстия (например, невентилируемая теплоаккумулирующая стена) или через отверстия в стене, которые пропускают поток воздуха из солнечного пространства во внутреннее пространство путем конвекции (например, вентилируемая теплоаккумулирующая стена).
В холодном климате следует использовать двойное остекление для снижения потерь на проводимость через стекло наружу. Ночные потери тепла, хотя и существенные в зимние месяцы, не так существенны в солнечном пространстве, как в системах прямого усиления, поскольку солнечное пространство может быть закрыто от остальной части здания. В умеренном и холодном климате важна теплоизоляция солнечного пространства от здания ночью. Большие стеклянные панели, французские двери или раздвижные стеклянные двери между зданием и прилегающим солнечным пространством сохранят ощущение открытости без потери тепла, связанной с открытым пространством.
Для солнечного пространства с каменной тепловой стеной потребуется приблизительно 0,3 фута 2 поверхности стены с тепловой массой на фут 2 отапливаемой площади пола (0,3 м 2 на м 2 площади пола) в зависимости от климата. Толщина стен должна быть аналогична толщине стены с теплоаккумулирующей стеной. Если между солнечным пространством и жилым помещением используется водяная стена, то будет достаточно около 0,20 фута 2 поверхности стены с тепловой массой на фут 2 отапливаемой площади пола (0,2 м 2 на м 2 площади пола). В большинстве климатических условий в летние месяцы требуется система вентиляции для предотвращения перегрева. Как правило, обширные верхние (горизонтальные) и выходящие на восток и запад стеклянные поверхности не следует использовать в солнечном пространстве без специальных мер предосторожности для летнего перегрева, таких как использование теплоотражающего стекла и обеспечение зон летних систем затенения.
Внутренние поверхности тепловой массы должны быть темного цвета. Подвижная изоляция (например, оконные покрытия, шторы, ставни) может использоваться для удержания теплого воздуха в солнечном пространстве как после захода солнца, так и в пасмурную погоду. Закрытые в очень жаркие дни оконные покрытия могут помочь предотвратить перегрев солнечного пространства.
Для максимального комфорта и эффективности нестеклянные стены, потолок и фундамент солнечного пространства должны быть хорошо изолированы. Периметр фундаментной стены или плиты должен быть изолирован до линии промерзания или по периметру плиты. В умеренном или холодном климате восточная и западная стены солнечного пространства должны быть изолированы (без стекла).
Необходимо принять меры для снижения потерь тепла в ночное время, например, использовать оконные покрытия или подвижную оконную изоляцию.
Солнце не светит все время. Аккумулирование тепла, или тепловая масса , сохраняет тепло в здании, когда солнце не может его обогреть.
В дневных солнечных домах хранение рассчитано на один или несколько дней. Обычный метод — это изготовленная на заказ термальная масса. Это включает в себя стену Тромба , вентилируемый бетонный пол, [23] цистерну, водяную стену или пруд на крыше. [24] Также возможно использовать термальную массу самой земли, как есть, или путем включения в структуру путем насыпи или использования утрамбованной земли в качестве структурной среды. [25]
В субарктических районах или районах, где долгое время нет солнечного притока (например, недели морозного тумана), специально построенная тепловая масса очень дорога. Дон Стивенс был пионером экспериментальной технологии использования земли в качестве тепловой массы, достаточно большой для годового хранения тепла. Его проекты запускают изолированный термосифон на глубине 3 м под домом и изолируют землю водонепроницаемой юбкой длиной 6 м. [26]
Теплоизоляция или суперизоляция (тип, размещение и количество) снижает нежелательную утечку тепла. [10] Некоторые пассивные здания на самом деле построены из изоляции .
Эффективность систем прямого солнечного нагрева значительно повышается за счет изоляционных (например, двойное остекление ), спектрально-селективных ( низкоэмиссионных ) остеклений или подвижной оконной изоляции (оконных стеганых одеял, двойных внутренних изоляционных ставней, жалюзи и т. д.) [22] .
Как правило, окна, выходящие на экватор, не должны иметь стеклянных покрытий, препятствующих проникновению солнечной энергии.
В немецком стандарте пассивного дома широко используются суперизолированные окна . Выбор различных спектрально-селективных покрытий окон зависит от соотношения градусо-дней отопления и охлаждения для проектируемого местоположения.
Требования к вертикальному стеклу, обращенному к экватору, отличаются от требований к другим трем сторонам здания. Отражающие покрытия окон и несколько стекол могут снизить полезный прирост солнечной энергии. Однако системы прямого прироста больше зависят от двойного или тройного остекления или даже четверного остекления в более высоких географических широтах для снижения потерь тепла. Конфигурации с косвенным и изолированным приростом энергии могут по-прежнему эффективно функционировать только с одинарным остеклением. Тем не менее, оптимальное экономически эффективное решение зависит как от местоположения, так и от системы.
Мансардные окна пропускают резкий прямой верхний солнечный свет и блики [27] либо горизонтально (плоская крыша), либо наклонены под тем же углом, что и скат крыши. В некоторых случаях горизонтальные мансардные окна используются с отражателями для увеличения интенсивности солнечного излучения (и резкого блика), в зависимости от угла падения крыши . Когда зимнее солнце находится низко над горизонтом, большая часть солнечного излучения отражается от наклонного стекла крыши ( угол падения почти параллелен наклонному стеклу крыши утром и днем). Когда летнее солнце высоко, оно почти перпендикулярно наклонному стеклу крыши, что максимизирует солнечное поступление в неподходящее время года и действует как солнечная печь. Мансардные окна должны быть закрыты и хорошо изолированы, чтобы уменьшить потерю тепла за счет естественной конвекции (поднятие теплого воздуха) в холодные зимние ночи и интенсивное поступление солнечного тепла в жаркие весенние/летние/осенние дни.
Сторона здания, обращенная к экватору, является южной в северном полушарии и северной в южном полушарии. Световые люки на крышах, обращенных от экватора, обеспечивают в основном непрямое освещение, за исключением летних дней, когда солнце может вставать на неэкваториальной стороне здания (на некоторых широтах ). Световые люки на крышах, обращенных к востоку, обеспечивают максимальный прямой свет и приток солнечного тепла летним утром. Световые люки, обращенные к западу, обеспечивают солнечный свет во второй половине дня и приток тепла в самую жаркую часть дня.
Некоторые световые люки имеют дорогостоящее остекление, которое частично снижает летнее солнечное теплопоступление, при этом все еще пропуская некоторое видимое светопропускание. Однако если видимый свет может проходить через него, то может проходить и некоторое лучистое теплопоступление (и то, и другое — электромагнитные волны излучения).
Вы можете частично уменьшить часть нежелательного летнего солнечного тепла, получаемого от наклонного остекления крыши, установив световой люк в тени листопадных (сбрасывающих листья) деревьев или добавив подвижное изолированное непрозрачное покрытие окна внутри или снаружи светового люка. Это исключит преимущество дневного света летом. Если ветви деревьев нависают над крышей, они увеличат проблемы с листьями в водосточных желобах, могут привести к образованию ледяных заторов, повреждающих крышу , сократят срок службы крыши и обеспечат более легкий путь для проникновения вредителей на чердак. Листья и ветки на световых люках непривлекательны, их трудно чистить, и они могут увеличить риск поломки остекления при штормовых ветрах.
«Пилообразное остекление крыши» с использованием только вертикального остекления может привнести некоторые преимущества пассивного солнечного дизайна здания в сердцевину коммерческого или промышленного здания, без необходимости использования наклонного остекления крыши или световых люков.
Мансардные окна обеспечивают дневной свет. Единственный вид, который они обеспечивают, по сути, прямой вверх в большинстве случаев. Хорошо изолированные световые трубки могут обеспечить дневной свет в северных комнатах без использования мансардного окна. Пассивно-солнечная теплица обеспечивает обильный дневной свет для экваториальной стороны здания.
Цветные тепловизионные камеры с инфракрасной термографией (используемые при официальном энергоаудите ) могут быстро задокументировать отрицательное тепловое воздействие наклонного стекла крыши или светового люка в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день.
Министерство энергетики США утверждает: «вертикальное остекление является наилучшим вариантом для солнечных пространств». [28] Стекла, расположенные под углом к крыше, и боковые стекла не рекомендуются для пассивных солнечных пространств.
Министерство энергетики США объясняет недостатки наклонного остекления крыши: Стекло и пластик имеют низкую структурную прочность. При вертикальной установке стекло (или пластик) несет собственный вес, поскольку только небольшая область (верхний край остекления) подвержена силе тяжести. Однако, поскольку стекло наклоняется от вертикальной оси, увеличенная область (теперь наклонное поперечное сечение) остекления должна выдерживать силу тяжести. Стекло также хрупкое; оно не сильно прогибается перед тем, как разбиться. Чтобы противостоять этому, обычно приходится увеличивать толщину остекления или увеличивать количество структурных опор для его удержания. Оба варианта увеличивают общую стоимость, а последний уменьшает количество солнечной энергии, поступающей в солнечное пространство.
Еще одной распространенной проблемой наклонного остекления является его повышенная подверженность воздействию погодных условий. Сложно поддерживать хорошую герметизацию на наклонном стекле крыши при интенсивном солнечном свете. Град, мокрый снег, снег и ветер могут привести к разрушению материала. Для безопасности пассажиров регулирующие органы обычно требуют, чтобы наклонное стекло было изготовлено из безопасного стекла, ламинированного или их комбинации, что снижает потенциал получения солнечной энергии. Большая часть наклонного стекла крыши на солнечной площадке Crowne Plaza Hotel Orlando Airport была разрушена одним ураганом. Наклонное стекло крыши увеличивает стоимость строительства и может увеличить страховые взносы. Вертикальное стекло менее подвержено повреждениям от погодных условий, чем наклонное стекло крыши.
Трудно контролировать приток солнечного тепла в солнечное пространство с наклонным остеклением летом и даже в середине мягкого и солнечного зимнего дня. Мансардные окна являются антитезой пассивного солнечного охлаждения зданий с нулевым потреблением энергии в климате с необходимостью кондиционирования воздуха.
Количество солнечного света, прошедшего через стекло, также зависит от угла падения солнечного излучения . Солнечный свет, падающий на один лист стекла в пределах 45 градусов от перпендикуляра , в основном пропускается ( отражается менее 10% ), тогда как для солнечного света, падающего под углом 70 градусов от перпендикуляра, отражается более 20% света, а выше 70 градусов этот процент отражения резко возрастает. [29]
Все эти факторы можно более точно смоделировать с помощью фотографического экспонометра и гелиодона или оптической скамьи , которые могут количественно определить отношение отражательной способности к пропускающей способности на основе угла падения .
В качестве альтернативы программное обеспечение пассивного солнечного компьютера может определить влияние траектории движения солнца , а также градусо-дней охлаждения и нагрева на энергоэффективность .
Конструкция со слишком большим количеством экваториально ориентированного остекления может привести к чрезмерному нагреву зимой, весной или осенью днем, некомфортно яркому освещению жилых помещений в определенное время года и чрезмерной теплопередаче зимними ночами и летними днями.
Хотя солнце находится на одной и той же высоте за 6 недель до и после солнцестояния, потребности в отоплении и охлаждении до и после солнцестояния существенно различаются. Накопление тепла на поверхности Земли вызывает «тепловую задержку». Переменный облачный покров влияет на потенциал получения солнечной энергии. Это означает, что фиксированные навесы окон, зависящие от широты, хотя и важны, не являются полным решением для сезонного управления получением солнечной энергии.
Механизмы управления (такие как внутренние изолированные шторы, ставни, рольставни, наружные рулонные шторы или выдвижные маркизы с ручным или автоматическим управлением) могут компенсировать различия, вызванные тепловой задержкой или облачностью, и помогают контролировать ежедневные/почасовые изменения потребности в солнечном поступлении.
Системы домашней автоматизации , которые отслеживают температуру, солнечный свет, время суток и присутствие людей в помещении, могут точно управлять моторизованными устройствами для затенения окон и изоляции.
Материалы и цвета могут быть выбраны для отражения или поглощения солнечной тепловой энергии . Использование информации о цвете электромагнитного излучения для определения его тепловых радиационных свойств отражения или поглощения может помочь в выборе. [30]
В холодном климате с короткими зимними днями системы прямого усиления, использующие окна, обращенные к экватору, могут работать лучше, когда земля покрыта снегом, поскольку отраженный и прямой солнечный свет будет попадать в дом и улавливаться в виде тепла. [31]
Энергоэффективные ландшафтные материалы для тщательного выбора пассивного солнечного света включают твердый строительный материал и растения « мягкого ландшафта » . Использование принципов ландшафтного дизайна для выбора деревьев , изгородей и решеток - пергол с виноградными лозами ; все это можно использовать для создания летнего затенения. Для зимнего солнечного прироста желательно использовать листопадные растения, которые сбрасывают листья осенью, что дает круглогодичные пассивные солнечные преимущества. Нелистопадные вечнозеленые кустарники и деревья могут быть ветрозащитными полосами на разной высоте и расстоянии, чтобы создать защиту и укрытие от зимнего холодного ветра . Ксероскейпинг с «соответствующими размеру» местными видами и засухоустойчивыми растениями , капельное орошение , мульчирование и органические методы садоводства сокращают или устраняют необходимость в энерго- и водоемком орошении , садовом оборудовании на газе и сокращают объем отходов на свалке. Ландшафтное освещение на солнечной энергии и фонтанные насосы, а также крытые бассейны и небольшие бассейны с солнечными водонагревателями могут уменьшить воздействие таких удобств.
Пассивные методы солнечного освещения позволяют эффективнее использовать естественное освещение в помещениях и тем самым снижают зависимость от систем искусственного освещения.
Это может быть достигнуто путем тщательного проектирования здания, ориентации и размещения оконных секций для сбора света. Другие творческие решения включают использование отражающих поверхностей для пропуска дневного света внутрь здания. Оконные секции должны быть адекватного размера, и чтобы избежать чрезмерного освещения, их можно экранировать с помощью Brise soleil , навесов , правильно расположенных деревьев, стеклянных покрытий и других пассивных и активных устройств. [32]
Другой важной проблемой для многих оконных систем является то, что они могут быть потенциально уязвимыми местами чрезмерного теплового притока или потери тепла. В то время как высоко расположенные окна верхнего света и традиционные световые люки могут пропускать дневной свет в плохо ориентированные секции здания, нежелательную передачу тепла может быть трудно контролировать. [33] [34] Таким образом, энергия, сэкономленная за счет сокращения искусственного освещения, часто более чем компенсируется энергией, необходимой для работы систем HVAC для поддержания теплового комфорта .
Для решения этой проблемы можно использовать различные методы, включая, помимо прочего, оконные покрытия , изоляционное остекление и новые материалы, такие как полупрозрачная изоляция на основе аэрогеля , оптоволокно, встроенное в стены или крышу, или гибридное солнечное освещение в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Отражающие элементы от активных и пассивных коллекторов дневного света, такие как легкие полки , более светлые цвета стен и пола, зеркальные секции стен, внутренние стены с верхними стеклянными панелями, а также прозрачные или полупрозрачные стеклянные распашные двери и раздвижные стеклянные двери принимают захваченный свет и пассивно отражают его дальше внутрь. Свет может быть из пассивных окон или световых люков и солнечных световых трубок или от активных источников дневного света. В традиционной японской архитектуре раздвижные панельные двери сёдзи с полупрозрачными экранами васи являются оригинальным прецедентом. Международный стиль , модернизм и архитектура середины века были более ранними новаторами этого пассивного проникновения и отражения в промышленных, коммерческих и жилых помещениях.
Существует множество способов использования солнечной тепловой энергии для нагрева воды для бытовых нужд. Различные активные и пассивные технологии солнечного нагрева воды имеют различные экономические последствия анализа затрат и выгод в зависимости от местоположения.
Фундаментальный пассивный солнечный водонагреватель не требует насосов или чего-либо электрического. Он очень экономически эффективен в климате, где нет длительных отрицательных температур или очень облачных погодных условий. [35] Другие активные солнечные водонагревательные технологии и т. д. могут быть более подходящими для некоторых мест.
Можно иметь активную солнечную горячую воду, которая также может быть "вне сети" и квалифицируется как устойчивая. Это делается с помощью фотоэлектрического элемента, который использует энергию солнца для питания насосов. [36]
В Европе растет популярность подхода, поддерживаемого Институтом пассивного дома ( Passivhaus на немецком языке) в Германии. Вместо того чтобы полагаться исключительно на традиционные пассивные методы солнечного проектирования, этот подход стремится использовать все пассивные источники тепла, минимизирует потребление энергии и подчеркивает необходимость высокого уровня изоляции, подкрепленного тщательным вниманием к деталям, чтобы решить проблему тепловых мостиков и инфильтрации холодного воздуха. Большинство зданий, построенных по стандарту пассивного дома, также включают в себя активную вентиляционную установку с рекуперацией тепла с небольшим (обычно 1 кВт) встроенным нагревательным компонентом или без него.
Энергетический проект зданий пассивного дома разрабатывается с использованием инструмента моделирования на основе электронных таблиц, называемого Пакетом планирования пассивного дома (PHPP), который периодически обновляется. Текущая версия — PHPP 9.6 (2018). Здание может быть сертифицировано как «Пассивный дом», если будет доказано, что оно соответствует определенным критериям, наиболее важным из которых является то, что годовая удельная потребность в тепле для дома не должна превышать 15 кВт·ч/м² в год.
С достижениями в области остекления с ультранизким значением U предлагается построить здание на основе пассивного дома с (почти) нулевым отоплением, чтобы заменить, по всей видимости, провалившиеся здания с почти нулевым потреблением энергии в ЕС. Здание с нулевым отоплением снижает пассивную солнечную конструкцию и делает здание более открытым для традиционного архитектурного дизайна. Годовая удельная потребность в тепле для дома с нулевым отоплением не должна превышать 3 кВт·ч/м² в год. Здание с нулевым отоплением проще проектировать и эксплуатировать. Например: в домах с нулевым отоплением нет необходимости в модулируемом затенении от солнца.
Традиционно гелиодон использовался для моделирования высоты и азимута солнца, светящего на модель здания в любое время любого дня года. В наше время компьютерные программы могут моделировать это явление и интегрировать местные климатические данные (включая воздействия участка, такие как затенение и физические препятствия), чтобы предсказать потенциал солнечного прироста для конкретного проекта здания в течение года. Приложения для смартфонов на основе GPS теперь могут делать это недорого на портативном устройстве. Эти инструменты проектирования предоставляют проектировщику пассивной солнечной системы возможность оценивать местные условия, элементы дизайна и ориентацию до начала строительства. Оптимизация энергоэффективности обычно требует итеративного уточнения процесса проектирования и оценки. Не существует такого понятия, как «универсальный» проект здания пассивной солнечной системы, который бы хорошо работал во всех местах.
Многие отдельные пригородные дома могут достичь сокращения расходов на отопление без очевидных изменений в их внешнем виде, комфорте или удобстве использования. [37] Это достигается с помощью хорошего расположения и расположения окон, небольшого количества тепловой массы, с хорошей, но обычной изоляцией, утеплением и случайным дополнительным источником тепла, таким как центральный радиатор, подключенный к (солнечному) водонагревателю. Солнечные лучи могут падать на стену в дневное время и повышать температуру ее тепловой массы . Затем это будет излучать тепло в здание вечером. Внешнее затенение или лучистый барьер плюс воздушный зазор могут использоваться для уменьшения нежелательного солнечного прироста летом.
Расширение подхода «пассивного солнечного» к сезонному улавливанию и хранению солнечного тепла и охлаждения. Эти конструкции пытаются улавливать солнечное тепло теплого сезона и передавать его в сезонный тепловой накопитель для использования месяцами позже в холодное время года («ежегодное пассивное солнечное»). Увеличение хранения достигается за счет использования больших объемов тепловой массы или заземления . Отдельные отчеты предполагают, что они могут быть эффективными, но не было проведено ни одного официального исследования, чтобы продемонстрировать их превосходство. Подход также может перенести охлаждение в теплое время года. Примеры:
«Чисто пассивный» дом с солнечным отоплением не будет иметь механического печного агрегата, полагаясь вместо этого на энергию, полученную от солнечного света, только дополненную «побочной» тепловой энергией, выделяемой освещением, компьютерами и другими специализированными приборами (например, для приготовления пищи, развлечений и т. д.), душем, людьми и домашними животными. Использование потоков воздуха естественной конвекции (а не механических устройств, таких как вентиляторы) для циркуляции воздуха связано, хотя и не строго, с солнечным дизайном. Пассивный солнечный дизайн здания иногда использует ограниченные электрические и механические элементы управления для работы заслонок, изоляционных ставней, штор, навесов или отражателей. Некоторые системы включают в себя небольшие вентиляторы или дымоходы с солнечным отоплением для улучшения конвективного воздушного потока. Разумный способ анализа этих систем — измерение их коэффициента полезного действия . Тепловой насос может потреблять 1 Дж на каждые 4 Дж, которые он вырабатывает, что дает КПД 4. Система, которая использует только вентилятор мощностью 30 Вт для более равномерного распределения 10 кВт солнечного тепла по всему дому, будет иметь КПД 300.
Пассивный солнечный проект здания часто является основополагающим элементом экономически эффективного здания с нулевым потреблением энергии . [38] [39] Хотя ZEB использует несколько концепций пассивного солнечного проектирования здания, ZEB обычно не является чисто пассивным, имея активные механические системы генерации возобновляемой энергии, такие как: ветряные турбины , фотоэлектрические системы , микрогидроэлектростанции , геотермальные и другие появляющиеся альтернативные источники энергии. Пассивная солнечная энергия также является основной стратегией проектирования здания для пассивной выживаемости , наряду с другими пассивными стратегиями. [40]
В последнее время появился интерес к использованию больших объемов поверхности небоскребов для повышения их общей энергоэффективности. Поскольку небоскребы становятся все более распространенными в городских условиях, но при этом требуют больших объемов энергии для работы, существует потенциал для большой экономии энергии с использованием пассивных методов солнечного проектирования. Одно исследование [41] , в котором анализировалась предлагаемая башня 22 Bishopsgate в Лондоне, обнаружило, что снижение спроса на энергию на 35% теоретически может быть достигнуто за счет косвенного солнечного притока, путем поворота здания для достижения оптимальной вентиляции и проникновения дневного света, использования напольного материала с высокой тепловой массой для уменьшения колебаний температуры внутри здания и использования оконных стекол с низким коэффициентом излучения с двойным или тройным остеклением для прямого солнечного притока. Методы косвенного солнечного притока включали в себя сдерживание теплового потока стены путем изменения толщины стены (от 20 до 30 см), использование оконного остекления на открытом пространстве для предотвращения потери тепла, выделение 15–20% площади пола для накопления тепла и внедрение стены Тромба для поглощения тепла, поступающего в пространство. Для блокировки прямого солнечного света летом и пропускания его зимой используются навесы, а для ограничения накопления тепла в летние месяцы между тепловой стеной и остеклением устанавливаются теплоотражающие жалюзи.
В другом исследовании [42] анализировался двойной зеленый фасад (DGSF) на внешней стороне высотных зданий в Гонконге. Такой зеленый фасад или растительность, покрывающая внешние стены, может значительно снизить использование кондиционирования воздуха — до 80%, как обнаружили исследователи.
В более умеренном климате такие стратегии, как остекление, регулировка соотношения окон и стен, солнцезащита и стратегии крыш, могут обеспечить значительную экономию энергии в диапазоне от 30% до 60%. [43]
