При проектировании пассивных солнечных зданий окна, стены и полы предназначены для сбора, хранения, отражения и распределения солнечной энергии в виде тепла зимой и отвода солнечного тепла летом. Это называется пассивным солнечным дизайном, потому что, в отличие от активных систем солнечного отопления , он не предполагает использования механических и электрических устройств. [1]
Ключом к проектированию пассивного солнечного здания является максимальное использование местного климата и проведение точного анализа объекта . Необходимо учитывать такие элементы, как расположение и размер окон, тип остекления , теплоизоляцию , тепловую массу и затенение. [2] Методы пассивного солнечного проектирования легче 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 активной солнечной энергии , в которой используются тепловые коллекторы ). Такие технологии преобразуют солнечный свет в полезное тепло (в воде, воздухе и тепловой массе), вызывают движение воздуха для вентиляции или использования в будущем с минимальным использованием других источников энергии. Типичным примером является солярий на экваториальной стороне здания. Пассивное охлаждение — это использование аналогичных принципов проектирования для снижения требований к охлаждению в летнее время.
Некоторые пассивные системы используют небольшое количество традиционной 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 прямую и косвенную солнечную энергию для отопления помещений, солнечные системы нагрева воды на основе термосифона , использование тепловой массы и материалов с фазовым переходом для замедления колебаний температуры воздуха в помещении, солнечные плиты , солнечный дымоход для улучшения естественной вентиляции и земляное укрытие .
В более широком смысле, солнечные технологии включают солнечную печь , но для настройки концентрирующих зеркал или приемников обычно требуется некоторая внешняя энергия, и исторически не было доказано, что она практична или экономически эффективна для широкого использования. «Низкопотенциальные» энергетические потребности, такие как отопление помещений и воды, со временем оказались лучшими вариантами пассивного использования солнечной энергии.
Научная основа для 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 энергии) . электроэнергии, вентиляторов или насосов) и тепловой комфорт человека на основе индекса тепла , психрометрии и контроля энтальпии для зданий, в которых проживают люди или животные, соляриев , соляриев и теплиц для выращивания растений.
Особое внимание разделено на: место, расположение и солнечную ориентацию здания, местную солнечную траекторию , преобладающий уровень инсоляции ( широта /солнечное сияние/облака/ осадки ), дизайн и качество/материалы конструкции, размещение/размер/тип окон. и стены, а также включение тепловой массы , накапливающей солнечную энергию, с теплоемкостью .
Хотя эти соображения могут быть направлены на любое здание, достижение идеального решения, оптимизированного по цене и производительности, требует тщательного, целостного проектирования системной интеграции этих научных принципов. Современные усовершенствования посредством компьютерного моделирования (например, комплексное программное обеспечение Министерства энергетики США «Energy Plus» [3] для моделирования энергопотребления зданий ) и применение извлеченных за десятилетия уроков (начиная с энергетического кризиса 1970-х годов ) могут обеспечить значительную экономию энергии и сокращение экологических выбросов. повреждений, не жертвуя при этом функциональностью и эстетикой. [4] Фактически, элементы конструкции с пассивной солнечной энергией, такие как теплица / солярий / солярий, могут значительно улучшить условия жизни, дневной свет, виды и ценность дома при низкой стоимости за единицу площади.
Многое было изучено о проектировании пассивных солнечных зданий после энергетического кризиса 1970-х годов. Многие ненаучные, основанные на интуиции дорогостоящие строительные эксперименты пытались, но не смогли достичь нулевого энергопотребления – полного устранения счетов за отопление и охлаждение.
Строительство пассивных солнечных зданий может быть не сложным и недорогим (с использованием существующих материалов и технологий), но научное проектирование пассивных солнечных зданий представляет собой нетривиальную инженерную работу, которая требует значительного изучения предыдущих извлеченных уроков, противоречащих здравому смыслу, и время для ввода, оценки и итеративного уточнения входных и выходных данных моделирования .
Одним из наиболее полезных инструментов оценки после завершения строительства было использование термографии с использованием цифровых тепловизионных камер для формального количественного научного энергетического аудита . Тепловидение можно использовать для документирования областей с плохими тепловыми характеристиками, таких как негативное тепловое воздействие наклонного стекла крыши или светового люка в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день.
Научные уроки, извлеченные за последние три десятилетия, были отражены в сложных комплексных компьютерных системах моделирования энергопотребления зданий (таких как Energy Plus Министерства энергетики США).
Научное проектирование пассивного солнечного здания с количественной оптимизацией затрат и экономической выгоды непросто для новичка. Уровень сложности привел к постоянной плохой архитектуре и множеству основанных на интуиции и ненаучных строительных экспериментов, которые разочаровывают проектировщиков и тратят значительную часть строительного бюджета на неподходящие идеи. [5]
Экономическая мотивация научного проектирования и разработки значительна. Если бы он был всесторонне применен к строительству новых зданий, начиная с 1980 года (на основе извлеченных уроков 1970-х годов), Соединенные Штаты сегодня могли бы экономить более 250 миллионов долларов в год на дорогой энергии и связанном с ней загрязнении. [5]
С 1979 года проектирование пассивных солнечных зданий является важнейшим элементом достижения нулевого энергопотребления посредством экспериментов образовательных учреждений и правительств по всему миру, включая Министерство энергетики США, а также ученых-исследователей энергетики, которых они поддерживают на протяжении десятилетий. Экономически эффективное подтверждение концепции было создано несколько десятилетий назад, но культурные изменения в архитектуре, строительной отрасли и принятии решений владельцами зданий были очень медленными и трудными. [5]
В некоторые архитектурные школы добавляются новые предметы, такие как архитектурная наука и архитектурная технология , с будущей целью преподавания вышеупомянутых научных и энергетических принципов. [ нужна цитата ]
Возможность достижения этих целей одновременно фундаментально зависит от сезонных изменений пути 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 дальше 23,5 градусов от экватора:
Обратное наблюдается в южном полушарии, но солнце восходит на востоке и заходит на западе независимо от того, в каком полушарии вы находитесь.
В экваториальных регионах с температурой 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 23,5 градусов от северного или южного полюса, летом солнце совершает полный круг на небе, не заходя, и никогда не появится над горизонтом шесть месяцев спустя, в разгар зимы. [8]
Разница в высоте Солнца в солнечный полдень между зимой и летом в 47 градусов составляет основу пассивного солнечного дизайна. Эта информация объединяется с местными климатическими данными ( градусные сутки ) и требованиями к отоплению и охлаждению, чтобы определить, в какое время года солнечная энергия будет полезна для теплового комфорта , а когда ее следует блокировать затенением. Благодаря стратегическому размещению таких элементов, как остекление и затеняющие устройства, процент солнечной энергии, поступающей в здание, можно контролировать в течение года.
Одна из проблем проектирования пути пассивного солнечного солнца заключается в том, что, хотя солнце находится в одном и том же относительном положении за шесть недель до и шесть недель после солнцестояния, из-за «теплового отставания» от тепловой массы Земли требования к температуре и солнечному приросту совершенно различны до и после летнего или зимнего солнцестояния. Подвижные ставни, шторы, теневые экраны или оконные одеяла могут удовлетворить ежедневные и ежечасные требования к солнечному излучению и изоляции.
Тщательное расположение комнат завершает пассивный солнечный дизайн. Общая рекомендация для жилых домов — размещать жилые помещения с видом на солнечный полдень, а спальные помещения — на противоположную сторону. [9] Гелиодон — это традиционное передвижное осветительное устройство , используемое архитекторами и дизайнерами для моделирования эффектов солнечного света. В наше время компьютерная 3D-графика может визуально моделировать эти данные и рассчитывать прогнозы производительности. [4]
Личный тепловой комфорт является функцией факторов личного здоровья (медицинских, психологических, социологических и ситуативных), температуры окружающего воздуха, средней температуры излучения , движения воздуха ( охлаждение ветром , турбулентность ) и относительной влажности (влияющей на охлаждение испарением человека ). Передача тепла в зданиях происходит посредством конвекции , теплопроводности и теплового излучения через крышу, стены, пол и окна. [10]
Конвективный теплообмен может быть как полезным, так и вредным. Неконтролируемая инфильтрация воздуха из-за плохой утепления /уплотнения/защиты от сквозняков может привести к потерям тепла в зимний период до 40%; [11] однако стратегическое размещение действующих окон или вентиляционных отверстий может улучшить конвекцию, перекрестную вентиляцию и летнее охлаждение, когда наружный воздух имеет комфортную температуру и относительную влажность . [12] Системы вентиляции с рекуперацией энергии с фильтром 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 стратификации тепла. Это может вызвать неприятные колебания температуры в верхнем и нижнем кондиционируемом помещении, служить методом вентиляции горячего воздуха или быть спроектировано как контур воздушного потока с естественной конвекцией для пассивного распределения солнечного тепла и выравнивания температуры. Естественное охлаждение человека за счет потоотделения и испарения может быть обеспечено за счет естественного или принудительного конвекционного движения воздуха с помощью вентиляторов, но потолочные вентиляторы могут нарушить стратифицированные изолирующие слои воздуха в верхней части комнаты и ускорить передачу тепла от горячего чердака или через близлежащие окна. . Кроме того, высокая относительная влажность препятствует испарительному охлаждению людей.
Основным источником теплопередачи является лучистая энергия , а основным источником является солнце. Солнечное излучение происходит преимущественно через крышу и окна (но также и через стены). Тепловое излучение перемещается от более теплой поверхности к более холодной. Крыши получают большую часть солнечной радиации, поступающей в дом. Прохладная или зеленая крыша в дополнение к лучистому барьеру может помочь предотвратить нагрев вашего чердака выше пиковой летней температуры наружного воздуха [13] (см. альбедо , поглощающую способность , излучательную способность и отражательную способность ).
Окна – это готовое и предсказуемое место для теплового излучения . [14] Энергия излучения может проникать в окно днем и выходить 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. Поступление солнечного тепла через окна можно уменьшить за счет изолированного остекления , затенения и ориентации. Окна особенно трудно изолировать по сравнению с крышей и стенами. Конвективная передача тепла через оконные покрытия и вокруг них также ухудшает их изоляционные свойства. [14] При затенении окон внешнее затенение более эффективно снижает приток тепла, чем внутренние оконные покрытия . [14]
Западное и восточное солнце может обеспечить тепло и освещение, но летом они уязвимы для перегрева, если их не затенять. Напротив, низкое полуденное солнце легко пропускает свет и тепло зимой, но его можно легко затенять с помощью навесов соответствующей длины или наклонных жалюзи летом и лиственных летних тенистых деревьев, которые сбрасывают листья осенью. Количество полученного лучистого тепла зависит от широты , высоты , облачности и сезонного/часового угла падения (см. путь Солнца и закон косинуса Ламберта ).
Еще один принцип пассивного солнечного проектирования заключается в том, что тепловая энергия может храниться в определенных строительных материалах и высвобождаться снова, когда приток тепла уменьшается, чтобы стабилизировать суточные (дневные/ночные) колебания температуры. Сложное взаимодействие термодинамических принципов может показаться нелогичным для начинающих дизайнеров. Точное компьютерное моделирование может помочь избежать дорогостоящих строительных экспериментов.
Точное количество обращенного к экватору стекла и тепловой массы должно основываться на тщательном учете широты, высоты, климатических условий и требований к градусам нагрева/охлаждения в дневное время .
Факторы, которые могут ухудшить тепловые характеристики:
Технически PSH очень эффективен. Системы с прямым усилением могут использовать (т.е. преобразовывать в «полезное» тепло) 65–70% энергии солнечного излучения, попадающего на апертуру или коллектор.
Пассивная солнечная доля (PSF) представляет собой процент необходимой тепловой нагрузки, удовлетворяемой PSH, и, следовательно, представляет собой потенциальное снижение затрат на отопление. RETScreen International сообщила, что PSF составляет 20–50%. В области устойчивого развития экономия энергии даже порядка 15% считается существенной.
Другие источники сообщают о следующих PSF:
В благоприятном климате, например, на юго-западе США, высокооптимизированные системы могут превышать 75 % PSF. [19]
Для получения дополнительной информации см. Солнечное воздушное тепло.
Существует три различные конфигурации пассивной солнечной энергии [20] и по крайней мере один заслуживающий внимания гибрид этих базовых конфигураций:
В пассивной солнечной системе с прямым усилением внутреннее пространство действует как солнечный коллектор, поглотитель тепла и система распределения. Стекло, обращенное на юг в северном полушарии (обращенное на север в южном полушарии), пропускает солнечную энергию внутрь здания, где она напрямую нагревает (поглощение лучистой энергии) или косвенно нагревает (за счет конвекции) тепловую массу в здании, например бетон или каменную кладку. полы и стены. Полы и стены, выступающие в качестве тепловой массы, являются функциональными частями здания и снижают интенсивность отопления в течение дня. Ночью нагретая тепловая масса излучает тепло во внутреннее пространство. [20]
В холодном климате здание с солнечным закалением является самым основным типом пассивной солнечной конфигурации с прямым усилением, которая просто предполагает увеличение (небольшого) площади остекления, выходящего на юг, 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 часть (~ 80% или более) окон на южной стороне. Он добавил немного тепловой массы помимо того, что уже есть в здании (т. е. только каркас, стеновая панель и т. д.). В здании, закаленном на солнце, площадь окон, выходящих на юг, должна быть ограничена примерно 5–7% от общей площади пола, а в солнечном климате — меньше, чтобы предотвратить перегрев. Дополнительное остекление, выходящее на юг, может быть включено только в том случае, если будет добавлено больше тепловой массы. Экономия энергии при использовании этой системы скромная, а закалка на солнце обходится очень дешево. [20]
В настоящих пассивных солнечных системах с прямым усилением требуется достаточная тепловая масса, чтобы предотвратить большие колебания температуры воздуха в помещении; требуется больше тепловой массы, чем в здании, закаленном на солнце. Перегрев внутренних помещений здания может произойти из-за недостаточной или плохо спроектированной тепловой массы. Примерно от половины до двух третей внутренней поверхности полов, стен и потолков должно быть выполнено из материалов, аккумулирующих тепло. Материалами для хранения тепла могут быть бетон, саман, кирпич и вода. Тепловая масса в полах и стенах должна быть настолько открытой, насколько это возможно с функциональной и эстетической точки зрения; термомассу необходимо подвергать воздействию прямых солнечных лучей. Следует избегать ковровых покрытий от стены до стены, больших ковриков, дорогой мебели и больших драпировок.
Обычно примерно на каждый 1 фут 2 стекла, обращенного на юг, требуется около 5–10 фут 3 тепловой массы (1 м 3 на 5–10 м 2 ). При учете настенных и напольных покрытий и мебели от минимального до среднего это обычно составляет от 5 до 10 футов 2 на фут 2 (от 5 до 10 м 2 на м 2 ) стекла, обращенного на юг, в зависимости от того, падает ли солнечный свет. поверхность непосредственно. Самое простое эмпирическое правило заключается в том, что площадь тепловой массы должна быть в 5–10 раз больше площади поверхности коллектора прямого усиления (стекла). [20]
Твердая тепловая масса (например, бетон, каменная кладка, камень и т. д.) должна быть относительно тонкой, толщиной не более 4 дюймов (100 мм). Термальные массы с большими открытыми площадями и те, которые находятся под прямыми солнечными лучами хотя бы часть дня (минимум 2 часа), работают лучше всего. Цвета от среднего до темного цвета с высокой поглощающей способностью следует использовать на поверхностях тепломассивных элементов, которые будут находиться под прямыми солнечными лучами. Термическая масса, не контактирующая с солнечным светом, может быть любого цвета. Легкие элементы (например, стены и потолки из гипсокартона) могут быть любого цвета. Покрытие остекления плотно прилегающими подвижными изоляционными панелями в темное, пасмурное время и в ночное время значительно повысит производительность системы с прямым усилением. Вода, содержащаяся в пластиковой или металлической защитной оболочке и помещенная под прямые солнечные лучи, нагревается быстрее и равномернее, чем твердая масса, благодаря естественной конвекционной теплопередаче. Процесс конвекции также предотвращает слишком высокие температуры поверхности, как это иногда случается, когда поверхности из темных твердых масс получают прямой солнечный свет.
В зависимости от климата и при достаточной тепловой массе площадь остекления, выходящего на юг, в системе с прямым усилением должна быть ограничена примерно 10–20 % площади пола (например, от 10 до 20 футов 2 стекла на площадь пола в 100 футов 2 ). . Это должно быть основано на чистом стекле или площади остекления. Обратите внимание, что у большинства окон чистая площадь остекления/стекла составляет от 75 до 85% от общей площади оконного блока. Выше этого уровня вероятны проблемы с перегревом, бликами и выцветанием тканей. [20]
В пассивной солнечной системе с непрямым усилением тепловая масса ( бетон , каменная кладка или вода) расположена непосредственно за выходящим на юг стеклом и перед отапливаемым внутренним пространством, поэтому прямой нагрев отсутствует. Расположение массы предотвращает попадание солнечного света в помещение, а также может затруднить обзор через стекло. Существует два типа систем косвенного усиления: системы теплоаккумулирующих стен и системы прудов на крыше. [20]
В системе теплоаккумулирующих стен , часто называемой стеной Тромба , массивная стена расположена непосредственно за южным стеклом, которое поглощает солнечную энергию и избирательно излучает ее внутрь здания в ночное время. Стена может быть построена из монолитного бетона, кирпича, самана, камня или монолитной (или заполненной) бетонной кладки. Солнечный свет проникает через стекло и немедленно поглощается поверхностью массивной стены и либо сохраняется, либо проводится через материальную массу 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 помещении может легко превышать 120 °F (49 °C). Этот горячий воздух можно подавать во внутренние помещения за стеной за счет установки теплораспределительных вентиляционных отверстий в верхней части стены. Эта стеновая система была впервые предложена и запатентована в 1881 году ее изобретателем Эдвардом Морсом. Феликс Тромбе, в честь которого иногда называют эту систему, был французским инженером, построившим несколько домов по этой конструкции во французских Пиренеях в 1960-х годах.
Стена для аккумулирования тепла 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 одинарным или двойным слоем стекла с высоким коэффициентом пропускания. Стекло обычно размещают на расстоянии от 3 ⁄ до 2 дюймов от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. В некоторых конструкциях масса расположена на расстоянии от 1 до 2 футов (0,6 м) от стекла, но пространство по-прежнему непригодно для использования. Поверхность тепловой массы поглощает попадающее на нее солнечное излучение и сохраняет его для использования в ночное время. В отличие от системы прямого усиления, настенная система накопления тепла обеспечивает пассивное солнечное отопление без чрезмерной площади окон и бликов во внутренних помещениях. Однако возможность воспользоваться видами и дневным светом исключена. Эксплуатационные характеристики стен Trombe ухудшаются, если внутренняя часть стены не открыта во внутренние помещения. Мебель, книжные полки и навесные шкафы, установленные на внутренней поверхности стены, снизят ее производительность.
Классическая стена Тромба , также называемая вентилируемой стеной для хранения тепла , имеет действующие вентиляционные отверстия на уровне потолка и пола основной стены, которые позволяют воздуху внутри помещения проходить через них за счет естественной конвекции. Солнечное излучение нагревает воздух, зажатый между стеклом и стеной, и он начинает подниматься вверх. Воздух всасывается в нижнее вентиляционное отверстие, затем в пространство между стеклом и стеной, где нагревается солнечным излучением, повышая его температуру и вызывая ее повышение, а затем выходит через верхнее (потолочное) вентиляционное отверстие обратно во внутреннее пространство. Это позволяет стене напрямую подавать нагретый воздух в помещение; обычно при температуре около 90 ° F (32 ° C).
Если вентиляционные отверстия оставить открытыми ночью (или в пасмурные дни), произойдет изменение направления конвективного воздушного потока, в результате чего тепло будет расходоваться впустую, рассеиваясь на открытом воздухе. Вентиляционные отверстия должны быть закрыты на ночь, чтобы лучистое тепло от внутренней поверхности стены хранилища нагревало внутреннее пространство. Обычно вентиляционные отверстия также закрываются в летние месяцы, когда приток тепла не требуется. Летом можно открыть наружное вытяжное отверстие, установленное в верхней части стены, для выхода наружу. Такая вентиляция заставляет систему действовать как солнечный дымоход, пропускающий воздух через здание в течение дня.
Вентилируемые стены для хранения тепла, вентилируемые внутрь, оказались несколько неэффективными, главным образом потому, что они передают слишком много тепла в течение дня в мягкую погоду и в летние месяцы; они просто перегреваются и создают проблемы с комфортом. Большинство экспертов по солнечной энергии рекомендуют не выводить тепловые стены внутрь.
Существует множество вариаций стеновой системы Тромбе. Невентилируемая стена для хранения тепла (технически не стена Тромба) улавливает солнечную энергию на внешней поверхности, нагревается и передает тепло на внутреннюю поверхность, где оно излучается от внутренней поверхности стены во внутреннее пространство позже в тот же день. Водяная стена использует тип тепловой массы, который состоит из резервуаров или трубок с водой, используемых в качестве тепловой массы.
Типичная невентилируемая стена для аккумулирования тепла состоит из каменной или бетонной стены, обращенной на юг, с темным теплопоглощающим материалом на внешней поверхности и облицованной одинарным или двойным слоем стекла. Стекло с высоким коэффициентом пропускания максимизирует солнечное воздействие на массовую стену. Стекло размещается на расстоянии от 3 ⁄ до 6 дюймов (от 20 до 150 мм) от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. Стеклянная рама обычно изготавливается из металла (например, из алюминия), поскольку винил размягчается, а дерево становится пересушенным при температуре 180 °F (82 °C), которая может существовать за стеклом в стене. Тепло солнечного света, проходящего через стекло, поглощается темной поверхностью, сохраняется в стене и медленно переносится внутрь через каменную кладку. В качестве архитектурной детали узорчатое стекло может ограничить видимость стены снаружи, не жертвуя при этом пропусканием солнечного света.
В водяной стене вместо стены из сплошной массы используются контейнеры с водой для получения тепловой массы. Водяные стены обычно немного более эффективны, чем стены из твердой массы, поскольку они более эффективно поглощают тепло из-за развития конвективных потоков в жидкой воде при ее нагревании. Эти потоки вызывают быстрое перемешивание и более быструю передачу тепла в здание, чем это может обеспечить сплошные стены.
Разница температур между внешней и внутренней поверхностями стен передает тепло через массивную стену. Внутри здания, однако, приток тепла в дневное время задерживается, и он становится доступным на внутренней поверхности тепловой массы только вечером, когда это необходимо, потому что солнце зашло. Временной лаг — это разница во времени между моментом, когда солнечный свет впервые попадает на стену, и моментом, когда тепло проникает внутрь здания. Временная задержка зависит от типа материала, использованного в стене, и ее толщины; большая толщина приводит к большей временной задержке. Характеристика задержки тепловой массы во времени в сочетании с гашением колебаний температуры позволяет использовать переменную дневную солнечную энергию в качестве более однородного источника тепла в ночное время. Окна можно разместить в стене для естественного освещения или из эстетических соображений, но это несколько снижает эффективность.
Толщина стены для аккумулирования тепла должна составлять примерно от 10 до 14 дюймов (250–350 мм) для кирпича, от 12 до 18 дюймов (300–450 мм) для бетона, от 8 до 12 дюймов (200–300 мм) для земляного/сырного камня. и не менее 6 дюймов (150 мм) для воды. Эта толщина задерживает распространение тепла, поэтому температура поверхности помещения достигает максимума в поздние вечерние часы. Чтобы достичь внутренней части здания, теплу потребуется около 8–10 часов (тепло проходит через бетонную стену со скоростью около одного дюйма в час). Хорошее тепловое соединение между внутренней отделкой стен (например, гипсокартоном) и стеной из тепломасса необходимо для максимальной передачи тепла во внутреннее пространство.
Хотя расположение стены, аккумулирующей тепло, сводит к минимуму перегрев внутреннего пространства в дневное время, в хорошо изолированном здании площадь тепломассы поверхности стены должна составлять примерно 0,2–0,3 фута 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 площадь от 0,15 до 0,2 фута 2 на фут 2 (от 0,15 до 0,2 м 2 на м 2 ) площади пола.
Стены из термической массы лучше всего подходят для солнечного зимнего климата с высокими суточными (день-ночь) перепадами температуры (например, юго-запад, горы-запад). Они не так хорошо работают в облачном или очень холодном климате, а также в климате, где нет больших суточных колебаний температуры. Ночные тепловые потери через тепловую массу стены все еще могут быть значительными в облачном и холодном климате; стена теряет накопленное тепло менее чем за сутки, а затем теряет тепло, что резко повышает требования к резервному отоплению. Покрытие остекления плотно прилегающими подвижными изоляционными панелями во время длительных облачных периодов и ночных часов повысит эффективность системы аккумулирования тепла.
Основным недостатком теплоаккумулирующих стен является потеря тепла наружу. Двойное стекло (стекло или любой пластик) необходимо для уменьшения потерь тепла в большинстве климатических условий. В мягком климате допускается использование одинарного стекла. Селективная поверхность (поверхность с высоким поглощением/низким уровнем излучения), нанесенная на внешнюю поверхность стены аккумулирования тепла, повышает производительность за счет уменьшения количества инфракрасной энергии, излучаемой обратно через стекло; обычно такое же улучшение характеристик достигается без необходимости ежедневной установки и снятия изоляционных панелей. Селективная поверхность представляет собой лист металлической фольги, приклеенный к внешней поверхности стены. Он 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 низкий коэффициент излучения предотвращает излучение тепла обратно к стеклу. [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 пустынных условиях. Обычно он 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 контейнерах из стекловолокна, чтобы максимизировать лучистые выбросы и минимизировать испарение. Его можно оставить неглазурованным или покрыть глазурью. Солнечное излучение нагревает воду, которая действует как теплоноситель. На ночь или в пасмурную погоду контейнеры можно накрывать изоляционными панелями. Внутреннее пространство под прудом на крыше обогревается за счет тепловой энергии, излучаемой накопителем пруда на крыше выше. Эти системы требуют хороших дренажных систем, подвижной изоляции и улучшенной структурной системы, чтобы выдерживать собственную нагрузку от 35 до 70 фунтов/фут 2 (от 1,7 до 3,3 кН/м 2 ).
Учитывая углы падения солнечного света в течение дня, пруды на крыше эффективны для обогрева только в нижних и средних широтах, в жарком и умеренном климате. Системы прудов на крыше лучше подходят для охлаждения в жарком климате с низкой влажностью. Солнечных крыш построено не так много, и имеется ограниченная информация о конструкции, стоимости, характеристиках и деталях конструкции крыш для хранения тепла. [20]
Качадорян продемонстрировал, что недостатки теплоаккумулирующих стен можно преодолеть, ориентируя стену Тромба горизонтально, а не вертикально. [21] Если теплоаккумулирующая масса построена в виде вентилируемого пола из бетонных плит, а не в виде стены, она не блокирует попадание солнечного света в дом (наиболее очевидный недостаток стены Тромбе), но все равно может подвергаться воздействию прямых солнечных лучей через двойные - застекленные окна, выходящие на экватор, которые в ночное время могут быть дополнительно изолированы тепловыми ставнями или шторами. [22] Проблематичная задержка улавливания тепла стеной Тромба в дневное время устраняется, поскольку тепло не нужно пропускать через стену, чтобы достичь внутреннего воздушного пространства: некоторая его часть сразу же отражается или повторно излучается от пола. При условии, что плита имеет воздушные каналы, такие как стена Тромба, которые проходят через нее в направлении север-юг и выводятся во внутреннее воздушное пространство через бетонную плиту пола сразу внутри северной и южной стен, все еще происходит энергичная термосифонирование воздуха через плиту. как и в вертикальной стене Тромба, распределяя накопленное тепло по всему дому (и охлаждая дом летом за счет обратного процесса).
Вентилируемую горизонтальную плиту построить дешевле, чем вертикальные стены Тромбе, поскольку она образует фундамент дома, а это необходимая статья расходов в любом здании. Плитный фундамент — это распространенный, хорошо изученный и экономически эффективный компонент здания (лишь немного модифицированный за счет включения слоя бетонно-кирпичных воздушных каналов), а не экзотическая конструкция стены Тромба. Единственным оставшимся недостатком такого типа солнечной архитектуры с тепловой массой является отсутствие подвала, как и в любой конструкции с плитами.
Конструкция пола Качадора представляет собой пассивную солнечную систему с прямым усилением , но ее тепловая масса также действует как элемент косвенного нагрева (или охлаждения), отдавая тепло в ночное время. Это гибридная энергетическая система с переменным циклом, подобная гибридному электромобилю .
В пассивной солнечной системе с изолированным усилением компоненты (например, коллектор и аккумулятор тепла) изолированы от внутренней части здания. [20]
Пристроенное солнечное пространство , также иногда называемое солнечной комнатой или солярием , представляет собой тип изолированной солнечной системы с застекленным внутренним пространством или комнатой, которая является частью здания или пристроена к нему, но может быть полностью закрыта от основных жилых помещений. Он функционирует как пристроенная теплица, в которой используется комбинация характеристик системы с прямым и косвенным усилением. 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 место для выращивания растений и другой растительности. Однако в умеренном и холодном климате требуется дополнительный обогрев помещения, чтобы растения не замерзли в очень холодную погоду.
Стекло пристроенного солнечного пространства, обращенное на юг, собирает солнечную энергию, как в системе с прямым усилением. Самый простой дизайн солнечного пространства – это установка вертикальных окон без верхнего остекления. В солнечных помещениях может наблюдаться высокий прирост тепла и большие потери тепла из-за обилия остекления. Хотя горизонтальное и наклонное остекление собирает больше тепла зимой, его количество сведено к минимуму, чтобы предотвратить перегрев в летние месяцы. Хотя верхнее остекление может быть эстетичным, изолированная крыша обеспечивает лучшие тепловые характеристики. Мансардные окна можно использовать для обеспечения некоторого потенциала дневного освещения. Вертикальное остекление может максимизировать выгоду зимой, когда угол падения солнечных лучей низкий, и обеспечить меньший приток тепла летом. Вертикальное стекло дешевле, его легче устанавливать и изолировать, и оно менее подвержено протечкам, запотеванию, разбитию и другим повреждениям стекла. Если предусмотрено летнее затенение, допускается сочетание вертикального и наклонного остекления. Хорошо спроектированный свес может быть всем, что необходимо для затенения остекления летом.
Колебания температуры, вызванные потерями и притоками тепла, можно смягчить с помощью тепловой массы и окон с низкой излучательной способностью. Тепловая масса может включать каменный пол, каменную стену, граничащую с домом, или резервуары для воды. Распределение тепла в здании может осуществляться через вентиляционные отверстия на уровне потолка и пола, окна, двери или вентиляторы. В обычном проекте стена с тепломассой, расположенная в задней части солнечного пространства, прилегающего к жилому пространству, будет функционировать как стена с тепломассой с косвенным усилением. Солнечная энергия, попадающая в солнечное пространство, сохраняется в тепловой массе. Солнечное тепло передается в здание путем проводимости через общую массивную стену в задней части солнечного пространства и через вентиляционные отверстия (например, невентилируемую стену для хранения тепла) или через отверстия в стене, которые позволяют потоку воздуха из солнечного пространства во внутреннее пространство путем конвекции ( как вентилируемая стена для хранения тепла).
В холодном климате следует использовать двойное остекление, чтобы уменьшить потери проводимости через стекло наружу. Потери тепла в ночное время, хотя они и значительны в зимние месяцы, в солнечном пространстве не столь существенны, как в системах с прямым теплоснабжением, поскольку солнечное пространство может быть закрыто от остальной части здания. В умеренном и холодном климате важна термическая изоляция солнечного пространства от здания в ночное время. Большие стеклянные панели, французские двери или раздвижные стеклянные двери между зданием и прилегающим солнечным пространством сохранят ощущение открытости без потерь тепла, связанных с открытым пространством.
Для солнечного пространства с каменной тепловой стеной потребуется примерно 0,3 фута 2 поверхности стены с тепловой массой на фут 2 обогреваемой площади пола (0,3 м 2 на м 2 площади пола), в зависимости от климата. Толщина стен должна быть такой же, как у стены для хранения тепла. Если между солнечным пространством и жилым помещением используется водяная стена, то достаточно около 0,20 фута 2 поверхности стены с тепловой массой на фут 2 обогреваемой 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, большие площади остекления над головой (горизонтально), а также с восточной и западной стороны не следует использовать в солнечном пространстве без принятия специальных мер предосторожности против летнего перегрева, таких как использование теплоотражающего стекла и создание зон с системами летнего затенения.
Внутренние поверхности термомассы должны быть темного цвета. Можно использовать подвижную изоляцию (например, оконные покрытия, шторы, ставни), чтобы удерживать теплый воздух 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.
Чтобы максимизировать комфорт и эффективность, стены, потолок и фундамент нестеклянного 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).
Должны быть приняты меры для уменьшения потерь тепла в ночное время, например, зашторивание окон или изоляция подвижных окон.
Солнце светит не все время. Аккумулирование тепла, или тепловая масса , сохраняет тепло в здании, когда солнце не может его нагреть.
В солнечных домах дневного хранения запас рассчитан на один или несколько дней. Обычный метод — это термомасса, изготовленная по индивидуальному заказу. Это включает в себя стену Тромба , вентилируемый бетонный пол, [23] цистерну, водяную стену или пруд на крыше. [24] Также возможно использовать тепловую массу самой земли либо как есть, либо путем включения в конструкцию путем насыпи или использования утрамбованной земли в качестве структурной среды. [25]
В субарктических регионах или регионах, где длительное время отсутствует солнечная энергия (например, недели ледяного тумана), специально созданная тепловая масса обходится очень дорого. Дон Стивенс впервые применил экспериментальную технику использования земли в качестве тепловой массы, достаточно большой для годового хранения тепла. По его проектам изолированный термосифон проложен на глубине 3 м под домом и изолируется от земли с помощью водонепроницаемой юбки длиной 6 м. [26]
Теплоизоляция или суперизоляция (тип, размещение и количество) снижает нежелательную утечку тепла. [10] Некоторые пассивные здания фактически построены из изоляции .
Эффективность систем прямого солнечного излучения значительно повышается за счет изоляционной (например, двойного остекления ), спектрально-селективного остекления ( low-e ) или подвижной оконной изоляции (одеяла, двойные внутренние изоляционные ставни, шторы и т. д.). [22]
Как правило, в окнах, выходящих на экватор, не следует использовать покрытия для остекления, препятствующие проникновению солнечной энергии.
В немецком стандарте пассивного дома широко используются окна с суперизоляцией . Выбор различных спектрально-селективных оконных покрытий зависит от соотношения градусо-дней отопления и охлаждения в месте проектирования.
Требования к вертикальному остеклению, обращенному к экватору, отличаются от требований к остеклению трех других сторон здания. Светоотражающие покрытия на окнах и несколько оконных стекол могут снизить полезную солнечную энергию. Однако системы с прямым усилением в большей степени зависят от двойного или тройного остекления или даже четырехкамерного остекления в более высоких географических широтах для уменьшения теплопотерь. Конфигурации с непрямым и изолированным усилением могут по-прежнему эффективно работать только с однокамерным остеклением. Тем не менее, оптимальное экономически эффективное решение зависит как от местоположения, так и от системы.
Мансардные окна допускают резкий прямой солнечный свет и блики [27] либо горизонтально (плоская крыша), либо наклонены под тем же углом, что и скат крыши. В некоторых случаях горизонтальные световые люки используются с отражателями для увеличения интенсивности солнечного излучения (и резкого ослепления) в зависимости от угла падения крыши . Когда зимнее солнце находится низко над горизонтом, большая часть солнечного излучения отражается от наклоненного стекла крыши ( угол падения почти параллелен наклонному стеклу крыши утром и днем). Когда летнее солнце высоко, оно почти перпендикулярно наклоненному стеклу крыши, что максимизирует солнечную энергию в неподходящее время года и действует как солнечная печь. Мансардные окна должны быть закрыты и хорошо изолированы, чтобы уменьшить естественную конвекцию (подъем теплого воздуха), потери тепла в холодные зимние ночи и интенсивное поступление солнечного тепла в жаркие весенние/летние/осенние дни.
Сторона здания, обращенная к экватору, находится на юге в северном полушарии и на севере в южном полушарии. Мансардные окна на крышах, обращенных от экватора, обеспечивают в основном непрямое освещение, за исключением летних дней, когда солнце может подниматься на неэкваториальной стороне здания (на некоторых широтах ). Мансардные окна на крышах, выходящих на восток, обеспечивают максимальное количество прямого света и солнечного тепла летним утром. Мансардные окна, выходящие на запад, обеспечивают дневной солнечный свет и приток тепла в самую жаркую часть дня.
Некоторые мансардные окна имеют дорогое остекление, которое частично снижает приток солнечного тепла летом, но при этом обеспечивает некоторую передачу видимого света. Однако, если видимый свет может проходить через него, то и некоторое лучистое тепло может проходить (они оба являются волнами электромагнитного излучения ).
Вы можете частично уменьшить часть нежелательного притока солнечного тепла в летнее время от наклонного остекления крыши, установив световой люк в тени лиственных (листопадающих) деревьев или добавив подвижное изолированное непрозрачное оконное покрытие внутри или снаружи светового люка. . Это устранит преимущества дневного света летом. Если ветки деревьев свисают над крышей, это усугубит проблемы с листьями в водосточных желобах, возможно, приведет к повреждению крыши ледяными плотинами , сократит срок службы крыши и облегчит проникновение вредителей на чердак. Листья и ветки на мансардных окнах непривлекательны, их трудно чистить, и они могут увеличить риск разрушения стекла во время шторма.
«Пилообразное остекление крыши» с использованием только вертикального стекла может принести некоторые преимущества пассивного солнечного дизайна здания в центр коммерческого или промышленного здания без необходимости использования наклонного стекла или мансардных окон.
Мансардные окна обеспечивают дневной свет. Единственное представление, которое они предоставляют, в большинстве приложений, по существу, прямое. Хорошо изолированные световые трубки могут обеспечить дневной свет в северных комнатах без использования мансардного окна. Пассивная солнечная теплица обеспечивает обильный дневной свет на экваториальной стороне здания.
Цветные тепловизионные камеры с инфракрасной термографией (используемые при официальном энергетическом аудите ) могут быстро документировать негативное тепловое воздействие наклоненного стекла на крыше или светового люка в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день.
Министерство энергетики США заявляет: «Вертикальное остекление — лучший вариант для солнечных помещений». [28] Стекла на крыше и боковых стенах не рекомендуются для использования в помещениях с пассивной солнечной энергетикой.
Министерство энергетики США объясняет недостатки наклонного остекления крыши: Стекло и пластик обладают небольшой структурной прочностью. При вертикальной установке стекло (или пластик) несет собственный вес, поскольку только небольшая часть (верхний край остекления) подвержена силе тяжести. Однако, поскольку стекло отклоняется от вертикальной оси, увеличенная площадь (теперь наклонное поперечное сечение) остекления должна выдерживать силу тяжести. Стекло также хрупкое; он не сильно сгибается, прежде чем сломаться. Чтобы противодействовать этому, обычно необходимо увеличить толщину остекления или увеличить количество структурных опор, удерживающих остекление. И то, и другое увеличивает общую стоимость, а последнее уменьшит количество солнечной энергии, попадающей в солнечное пространство.
Еще одна распространенная проблема наклонного остекления — повышенная подверженность погодным условиям. Трудно обеспечить хорошую герметизацию наклонного стекла крыши при ярком солнечном свете. Град, мокрый снег, снег и ветер могут привести к разрушению материала. В целях безопасности пассажиров регулирующие органы обычно требуют, чтобы наклонное стекло было изготовлено из безопасного стекла, ламинированного или их комбинации, что снижает потенциал солнечной энергии. Большая часть оконного стекла на крыше отеля Crowne Plaza Hotel Orlando Airport была разрушена в результате единственного урагана. Стеклянная крыша под углом увеличивает стоимость строительства и может увеличить страховые взносы. Вертикальное стекло менее подвержено погодным воздействиям, чем стекло, расположенное под углом к крыше.
Трудно контролировать приток солнечного тепла в солнечном пространстве с наклонным остеклением летом и даже в середине мягкого и солнечного зимнего дня. Мансардные окна являются противоположностью зданиям с нулевым энергопотреблением и пассивным солнечным охлаждением в климатических условиях, где требуется кондиционирование воздуха.
На величину солнечной энергии, передаваемой через стекло, также влияет угол падающего солнечного излучения . Солнечный свет , падающий на один лист стекла в пределах 45 градусов от перпендикуляра , в основном проходит ( отражается менее 10% ), тогда как для солнечного света, падающего под углом 70 градусов от перпендикуляра, отражается более 20% света, а при угле выше 70 градусов этот процент отражения резко возрастает. . [29]
Все эти факторы можно более точно смоделировать с помощью фотографического люксметра и гелиодона или оптической скамьи , которые могут количественно определить соотношение отражательной способности к пропускающей способности на основе угла падения .
В качестве альтернативы, программное обеспечение пассивного солнечного компьютера может определить влияние пути солнца и дней охлаждения и нагрева на энергетические характеристики.
Конструкция со слишком большим количеством стекла, обращенного к экватору, может привести к чрезмерному зимнему, весеннему или осеннему дневному отоплению, некомфортно яркому жилому пространству 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, требования к отоплению и охлаждению до и после солнцестояния значительно различаются. Хранение тепла на поверхности Земли вызывает «тепловую задержку». Переменный облачный покров влияет на потенциал солнечной энергии. Это означает, что фиксированные оконные свесы с учетом широты, хотя и важны, но не являются полным решением для сезонного регулирования солнечной энергии.
Механизмы управления (такие как внутренние изолированные шторы с ручным или моторизованным управлением, ставни, наружные рулонные шторы или выдвижные навесы) могут компенсировать различия, вызванные тепловой задержкой или облачным покровом, и помогают контролировать ежедневные / ежечасные изменения потребности в солнечной энергии.
Системы домашней автоматизации , которые контролируют температуру, солнечный свет, время суток и занятость помещения, могут точно управлять моторизованными устройствами для затенения и изоляции окон.
Материалы и цвета могут быть выбраны так, чтобы отражать или поглощать солнечную тепловую энергию . Использование информации о цвете электромагнитного излучения для определения его свойств отражения или поглощения теплового излучения может помочь в выборе. [30]
В холодном климате с короткими зимними днями системы прямого усиления, использующие окна, выходящие на экватор, могут фактически работать лучше, когда землю покрывает снег, поскольку отраженный, а также прямой солнечный свет будет проникать в дом и улавливаться в виде тепла. [31]
Энергоэффективные ландшафтные материалы для тщательного выбора пассивной солнечной энергии включают строительные материалы для твердого ландшафта и растения « мягкого ландшафта » . Использование принципов ландшафтного дизайна при выборе деревьев , живых изгородей и элементов решетчато - пергол с виноградной лозой ; все можно использовать для создания летнего затенения. Для получения солнечной энергии зимой желательно использовать лиственные растения, которые осенью сбрасывают листья, что дает пассивную солнечную выгоду круглый год. Нелиственные вечнозеленые кустарники и деревья могут служить ветрозащитными полосами на разной высоте и расстоянии, чтобы создать защиту и укрытие от холода зимнего ветра . Ксерискейпинг с использованием местных видов растений , устойчивых к зрелым размерам и засухе , капельное орошение , мульчирование и органическое садоводство уменьшают или устраняют необходимость в энерго- и водоемком орошении , газовом садовом оборудовании и уменьшают количество отходов на свалках. след. Ландшафтное освещение на солнечной энергии и фонтанные насосы, а также крытые плавательные бассейны и небольшие бассейны с солнечными водонагревателями могут снизить воздействие таких удобств.
Методы пассивного солнечного освещения расширяют возможности использования естественного освещения в интерьерах и, таким образом, уменьшают зависимость от систем искусственного освещения.
Этого можно достичь путем тщательного проектирования здания, ориентации и размещения оконных секций для сбора света. Другие креативные решения включают использование отражающих поверхностей для пропускания дневного света внутрь здания. Оконные секции должны быть адекватных размеров, и во избежание чрезмерного освещения их можно защитить с помощью тентов Brise , навесов , удачно расположенных деревьев, стеклянных покрытий и других пассивных и активных устройств. [32]
Еще одна серьезная проблема для многих оконных систем заключается в том, что они могут быть потенциально уязвимыми местами чрезмерного теплопритока или теплопотерь. Хотя высоко расположенные окна фонаря и традиционные мансардные окна могут обеспечить проникновение дневного света в плохо ориентированные части здания, нежелательную передачу тепла может быть трудно контролировать. [33] [34] Таким образом, энергия, сэкономленная за счет уменьшения 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 , изолированное остекление и новые материалы, такие как полупрозрачная изоляция из аэрогеля , оптоволокно , встроенное в стены или крышу, или гибридное солнечное освещение в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Отражающие элементы из активных и пассивных коллекторов дневного света, такие как световые полки , светлые цвета стен и пола, зеркальные секции стен, внутренние стены с верхними стеклянными панелями, а также прозрачные или полупрозрачные застекленные распашные двери и раздвижные стеклянные двери поглощают пойманный свет и пассивно отражают. это дальше внутри. Свет может исходить от пассивных окон или мансардных окон и солнечных трубок или от активных источников дневного света. В традиционной японской архитектуре оригинальным прецедентом являются раздвижные панельные двери Сёдзи с полупрозрачными перегородками Васи . Международный стиль , модерн и современная архитектура середины века были ранее 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 солнечные технологии горячего водоснабжения имеют разные последствия для анализа экономической выгоды в зависимости от местоположения .
Фундаментальный пассивный солнечный нагрев горячей воды не требует использования насосов или чего-либо электрического. Это очень экономически выгодно в климате, где нет длительных минусовых или очень облачных погодных условий. [35] Другие активные технологии солнечного нагрева воды и т. д. могут быть более подходящими для некоторых мест.
Можно иметь активную солнечную горячую воду, которая также может работать «вне сети» и квалифицируется как устойчивая. Это достигается за счет использования фотоэлектрического элемента, который использует энергию солнца для питания насосов. [36]
В Европе набирает силу подход, поддерживаемый Институтом пассивного дома ( Passivhaus по-немецки) в Германии. Вместо того, чтобы полагаться исключительно на традиционные методы пассивного солнечного проектирования, этот подход направлен на использование всех пассивных источников тепла, сводит к минимуму потребление энергии и подчеркивает необходимость высокого уровня изоляции, подкрепленного тщательным вниманием к деталям, чтобы решить проблему тепловых мостов и проникновение холодного воздуха. Большинство зданий, построенных по стандарту пассивного дома, также включают в себя вентиляционную установку с активной рекуперацией тепла с небольшим (обычно 1 кВт) встроенным нагревательным элементом 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 дома в тепле не должна превышать 15 кВтч/м 2 год.
Благодаря достижениям в области остекления со сверхнизким коэффициентом теплопередачи предлагается построить на основе пассивного дома здание с (почти) нулевым отоплением, которое заменит явно вышедшие из строя здания с почти нулевым энергопотреблением в ЕС. Здание с нулевым отоплением сокращает использование пассивной солнечной энергии и делает здание более открытым для традиционного архитектурного дизайна. Годовая удельная потребность в тепле для дома с нулевым отоплением не должна превышать 3 кВтч/м 2 год. Здание с нулевым отоплением проще проектировать и эксплуатировать. Например: в домах с нулевым отоплением нет необходимости в модулированной солнцезащитной системе.
Традиционно гелиодон использовался для имитации высоты и азимута солнечного света на модели здания в любое время любого дня года. В наше время компьютерные программы могут моделировать это явление и интегрировать данные о местном климате (включая такие воздействия на объекте, как затенение и физические препятствия), чтобы прогнозировать потенциал солнечной энергии для конкретного проекта здания в течение года. Приложения для смартфонов на основе GPS теперь могут делать это недорого на портативном устройстве. Эти инструменты проектирования дают проектировщику пассивной солнечной энергии возможность оценить местные условия, элементы дизайна и ориентацию до начала строительства. Оптимизация энергоэффективности обычно требует итеративного процесса проектирования и оценки. Не существует универсального проекта здания с пассивной солнечной энергетикой, который бы хорошо работал во всех местах.
Многие частные загородные дома могут добиться снижения расходов на отопление без явных изменений во внешнем виде, комфорте или удобстве использования. [37] Это достигается за счет удачного расположения и расположения окон, небольшого количества тепловой массы, хорошей, но традиционной изоляции, утепления и периодического дополнительного источника тепла, такого как центральный радиатор, подключенный к (солнечному) водонагревателю. Солнечные лучи могут падать на стену в дневное время и повышать температуру ее тепловой массы . Вечером это будет излучать тепло в здание. Внешнее затенение или лучистый барьер плюс воздушный зазор можно использовать для уменьшения нежелательного притока солнечной энергии летом.
Расширение «пассивного солнечного» подхода к сезонному улавливанию солнечной энергии, хранению тепла и охлаждения. Эти конструкции пытаются улавливать солнечное тепло теплого сезона и передавать его в сезонный тепловой аккумулятор для использования через несколько месяцев в холодное время года («годовая пассивная солнечная энергия»). Увеличение объема хранения достигается за счет использования большого количества тепловой массы или заземления . По некоторым данным, они могут быть эффективными, но официального исследования, подтверждающего их превосходство, не проводилось. Этот подход также может перенести похолодание в теплый сезон. Примеры:
«Чисто пассивный» дом, отапливаемый солнечной энергией, не будет иметь механической печи, вместо этого он полагается на энергию, полученную от солнечного света, дополненную только «побочной» тепловой энергией, выделяемой освещением, компьютерами и другими приборами для конкретных задач (например, для приготовление пищи, развлечения и т. д.), принятие душа, люди и домашние животные. Использование воздушных потоков с естественной конвекцией (а не механических устройств, таких как вентиляторы) для циркуляции воздуха связано с, хотя и не строго солнечным дизайном. При проектировании пассивных солнечных зданий иногда используются ограниченные электрические и механические элементы управления для управления заслонками, изолирующими ставнями, шторами, навесами или отражателями. В некоторых системах используются небольшие вентиляторы или дымоходы с солнечным подогревом для улучшения конвекционного воздушного потока. Разумный способ анализа этих систем — измерение их коэффициента полезного действия . Тепловой насос может использовать 1 Дж на каждые 4 Дж, 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.
Проектирование пассивных солнечных зданий часто является основополагающим элементом экономичного здания с нулевым энергопотреблением . [38] [39] Хотя ZEB использует несколько концепций проектирования пассивных солнечных зданий, ZEB обычно не является чисто пассивным, имея активные механические системы производства возобновляемой энергии, такие как: ветряные турбины , фотоэлектрические , микрогидроэлектрические , геотермальные и другие новые альтернативные источники энергии. источники. Пассивная солнечная энергия также является основной стратегией проектирования зданий для обеспечения пассивной живучести , наряду с другими пассивными стратегиями. [40]
В последнее время появился интерес к использованию больших площадей небоскребов для повышения их общей энергоэффективности. Поскольку небоскребы становятся все более повсеместными в городской среде, но для их работы требуется большое количество энергии, существует потенциал для значительной экономии энергии с использованием методов пассивного солнечного проектирования. Одно исследование, [41] в котором анализировалось предлагаемое 22 башни Бишопсгейт в Лондоне, показало, что снижение спроса на энергию на 35% теоретически может быть достигнуто за счет косвенного использования солнечной энергии, путем вращения здания для достижения оптимальной вентиляции и проникновения дневного света, использования высокотемпературных источников энергии. массивный материал для пола для уменьшения колебаний температуры внутри здания, а также использование оконных стекол с двойным или тройным остеклением с низким коэффициентом излучения для прямого усиления солнечной энергии. Методы косвенного получения солнечной энергии включали снижение теплового потока через стены за счет изменения толщины стен (от 20 до 30 см), использование оконного остекления на открытом пространстве для предотвращения потерь тепла, выделение 15–20% площади пола для хранения тепла и внедрение системы Тромба. стена для поглощения тепла, попадающего в помещение. Свесы используются для блокировки прямого солнечного света летом и пропускания его зимой, а между тепловой стеной и остеклением вставляются теплоотражающие жалюзи, чтобы ограничить накопление тепла в летние месяцы.
В другом исследовании [42] был проанализирован двойной зеленый фасад (DGSF) снаружи высотных зданий в Гонконге. По данным исследователей, такой зеленый фасад или растительность, покрывающая внешние стены, могут значительно снизить использование кондиционеров — до 80%.
В более умеренном климате такие стратегии, как остекление, регулировка соотношения окон к стенам, солнцезащитная шторка и стратегия крыши, могут обеспечить значительную экономию энергии в диапазоне от 30% до 60%. [43]
