Солнечный дымоход , часто называемый тепловым дымоходом , представляет собой способ улучшения естественной вентиляции зданий за счет конвекции воздуха, нагретого пассивной солнечной энергией. Простое описание солнечного дымохода — это вертикальная шахта, использующая солнечную энергию для улучшения естественной вентиляции дымовой трубы в здании.
Солнечный дымоход использовался на протяжении веков, особенно на Ближнем Востоке и на Ближнем Востоке персами , а также в Европе римлянами .
В своей простейшей форме солнечный дымоход представляет собой дымоход, окрашенный в черный цвет . В течение дня солнечная энергия нагревает дымоход и воздух внутри него, создавая восходящий поток воздуха в дымоходе. Всасывание , создаваемое у основания дымохода, можно использовать для вентиляции и охлаждения здания, расположенного ниже . [1] В большинстве частей мира легче использовать энергию ветра для такой вентиляции, например, с помощью ветроуловителя , но в жаркие безветренные дни солнечный дымоход может обеспечить вентиляцию там, где в противном случае ее не было бы.
Однако существует несколько вариантов солнечных дымоходов. Основными элементами конструкции солнечного дымохода являются:
Был предложен принцип производства солнечной энергии с использованием большой теплицы в основании, а не полагаться исключительно на нагрев самого дымохода. (Для получения дополнительной информации по этому вопросу см. Солнечная восходящая башня .)
Солнечные дымоходы окрашены в черный цвет, чтобы они более эффективно поглощали солнечное тепло. Когда воздух внутри дымохода нагревается, он поднимается вверх и вытягивает холодный воздух из-под земли через теплообменные трубки.
Солнечные дымоходы, также называемые тепловыми дымоходами или тепловыми трубами, также могут использоваться в архитектурных сооружениях для уменьшения энергии, используемой механическими системами (системами, которые нагревают и охлаждают здание механическими средствами). На протяжении десятилетий кондиционирование воздуха и механическая вентиляция были стандартным методом контроля окружающей среды во многих типах зданий, особенно в офисах, в развитых странах. Загрязнение окружающей среды и перераспределение энергоресурсов привели к новому экологическому подходу к проектированию зданий. Инновационные технологии наряду с биоклиматическими принципами и традиционными стратегиями проектирования часто объединяются для создания новых и потенциально успешных дизайнерских решений. Солнечный дымоход – одна из концепций, которые в настоящее время изучаются учеными и дизайнерами, в основном посредством исследований и экспериментов.
Солнечный дымоход может служить многим целям. Прямые солнечные лучи нагревают воздух внутри дымохода, заставляя его подниматься вверх и втягивать воздух снизу. Этот забор воздуха можно использовать для вентиляции дома или офиса, для забора воздуха посредством геотермального теплообмена или для вентиляции только определенной области, например, компостного туалета.
Естественную вентиляцию можно создать путем установки вентиляционных отверстий на верхнем уровне здания, позволяющих теплому воздуху подниматься за счет конвекции и выходить наружу. В то же время более холодный воздух может втягиваться через вентиляционные отверстия на нижнем уровне. На этой стороне здания можно посадить деревья, чтобы обеспечить тень от прохладного наружного воздуха.
Этот естественный процесс вентиляции можно дополнить солнечным дымоходом. Дымоход должен быть выше уровня крыши и располагаться на стене, обращенной в сторону Солнца. Поглощение тепла от Солнца можно увеличить, используя застекленную поверхность на стороне, обращенной к Солнцу. На противоположной стороне можно использовать теплопоглощающий материал. Размер теплопоглощающей поверхности имеет большее значение, чем диаметр дымохода. Большая площадь поверхности позволяет более эффективно осуществлять теплообмен с воздухом, необходимым для обогрева солнечным излучением. Нагрев воздуха внутри дымохода усилит конвекцию и, следовательно, поток воздуха через дымоход. Отверстия вентиляционных отверстий в дымоходе должны быть направлены против направления преобладающего ветра .
Чтобы еще больше увеличить эффект охлаждения, поступающий воздух может быть проведен через подземные воздуховоды , прежде чем он попадет в здание. Солнечный дымоход можно улучшить, объединив его со стеной-тромбом . Дополнительным преимуществом этой конструкции является то, что в холодное время года систему можно реверсировать, обеспечивая вместо этого солнечное отопление.
Вариантом концепции солнечного дымохода является солнечный чердак . В жарком солнечном климате летом на чердаке зачастую бывает невыносимо жарко. В обычном здании это представляет собой проблему, поскольку приводит к необходимости увеличения кондиционирования воздуха . Объединив чердачное пространство с солнечным дымоходом, можно заставить работать горячий воздух на чердаке. Это может помочь конвекции в дымоходе, улучшая вентиляцию. [4]
Использование солнечного дымохода может принести пользу естественной вентиляции и стратегии пассивного охлаждения зданий, тем самым помогая снизить потребление энергии, выбросы CO 2 и загрязнение окружающей среды в целом. Потенциальные преимущества естественной вентиляции и использования солнечных дымоходов:
Потенциальные преимущества пассивного охлаждения могут включать:
В офисном здании Building Research Institute (BRE) в Гарстоне, Уотфорд, Великобритания, в рамках своей стратегии вентиляции используются пассивные вентиляционные трубы, работающие на солнечной энергии.
Офисы BRE, спроектированные архитектором Фейлденом Клеггом Брэдли, направлены на снижение энергопотребления и выбросов CO 2 на 30% по сравнению с текущими рекомендациями по передовой практике и поддержание комфортных условий окружающей среды без использования кондиционирования воздуха. Пассивные вентиляционные трубы, солнечная защита и полые бетонные плиты со встроенным охлаждением пола являются ключевыми особенностями этого здания. Системы вентиляции и отопления контролируются системой управления зданием (BMS), при этом пользователь может регулировать условия в соответствии с потребностями жильцов.
В здании используются пять вертикальных шахт как неотъемлемая часть стратегии вентиляции и охлаждения. Основными компонентами этих дымоходов являются стена из стеклянных блоков, обращенная на юг, стены из термомассы и круглые выхлопные трубы из нержавеющей стали, возвышающиеся на несколько метров над уровнем крыши. Дымоходы соединены с изогнутыми полыми бетонными плитами перекрытия, которые охлаждаются ночной вентиляцией. Трубы, встроенные в пол, могут обеспечить дополнительное охлаждение с использованием грунтовых вод.
В теплые ветреные дни воздух засасывается через проходы в изогнутых полых бетонных плитах перекрытия. Вентиляция дымохода, естественным образом поднимающаяся через дымоходы из нержавеющей стали, увеличивает поток воздуха через здание. Движение воздуха по верхушкам дымохода усиливает эффект дымохода. В теплые и безветренные дни здание в основном опирается на эффект дымовой трубы, тогда как воздух забирается из тенистой северной стороны здания. Для улучшения воздушного потока также можно использовать энергосберегающие вентиляторы в верхней части стоек.
Ночью системы управления обеспечивают вентиляцию через пустотелую бетонную плиту, отводя накопленное в течение дня тепло, которое затем остается холодным на следующий день. Открытый изогнутый потолок дает большую площадь поверхности, чем плоский потолок, действуя как радиатор , снова обеспечивая летнее охлаждение. Исследования, основанные на фактических измерениях производительности пассивных стеков, показали, что они улучшают охлаждающую вентиляцию помещения в теплые и тихие дни, а также могут потенциально способствовать охлаждению в ночное время благодаря своей термически массивной конструкции. [5]
Технология, тесно связанная с солнечными дымоходами, — это испарительная градирня с нисходящей тягой. В районах с жарким и засушливым климатом этот подход может способствовать устойчивому обеспечению кондиционирования воздуха в зданиях.
Принцип заключается в том, чтобы позволить воде испаряться наверху башни либо с помощью испарительных охлаждающих подушек, либо путем распыления воды. Испарение охлаждает поступающий воздух, вызывая нисходящий поток прохладного воздуха, который снижает температуру внутри здания. [6] Воздушный поток можно увеличить, используя солнечный дымоход на противоположной стороне здания, чтобы помочь отводить горячий воздух наружу. [7] Эта концепция была использована для Туристического центра национального парка Зайон . Центр для посетителей был спроектирован отделом исследований высокоэффективных зданий Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL).
Принцип градирни с нисходящим потоком был также предложен для производства солнечной энергии. (Для получения дополнительной информации см. Энергетическую башню .)
Испарение влаги с подушечек на крышах зданий тогуна, построенных народом догонов в Мали, Африка, способствует прохладе, ощущаемой мужчинами, отдыхающими под ними. Женские постройки на окраине города функционируют как традиционные солнечные дымоходы.
