Пассивная солнечная конструкция здания

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
Низкоуглеродистая энергия Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Микрогенерация
Возобновляемая энергия
Биоэнергетика Геотермальный Гидроэлектроэнергия Солнечная Приливный Волна Ветер
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды
v т е

При проектировании зданий с использованием пассивных солнечных батарей 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 здания с пассивной солнечной энергией является максимальное использование преимуществ местного климата при выполнении точного анализа участка . К элементам, которые следует учитывать, относятся размещение и размер окон, а также тип остекления , теплоизоляция , тепловая масса и затенение. ^[2] Методы пассивного солнечного проектирования проще всего применить к новым зданиям, но существующие здания можно адаптировать или «модернизировать».

Прирост пассивной энергии [ править ]

Пассивные солнечные технологии используют солнечный свет без активных механических систем (в отличие от активных солнечных ). Такие технологии преобразуют солнечный свет в полезное тепло (в воде, воздухе и тепловой массе), вызывают движение воздуха для вентиляции или будущего использования с минимальным использованием других источников энергии. Типичный пример - солярий на экваториальной стороне здания. Пассивное охлаждение - это использование аналогичных принципов проектирования для снижения требований к летнему охлаждению.

Некоторые пассивные системы используют небольшое количество обычной энергии для управления заслонками, жалюзи, ночной изоляцией и другими устройствами, которые улучшают сбор, хранение и использование солнечной энергии и снижают нежелательную теплопередачу .

Пассивные солнечные технологии включают прямое и косвенное использование солнечной энергии для отопления помещений, солнечные водонагревательные системы 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 укрытие земли .

В более широком смысле, пассивные солнечные технологии включают в себя солнечные печи , но для этого обычно требуется некоторая внешняя энергия для выравнивания их концентрирующих зеркал или приемников, и исторически они не оказались практичными или экономически эффективными для широкого использования. Потребности в «низкопотенциальной» энергии, такие как обогрев помещений и воды, со временем оказались лучшими приложениями для пассивного использования солнечной энергии.

Как наука [ править ]

Научная основа для пассивного солнечного проектирования зданий была разработана из сочетания климатологии , термодинамика ( в частности , теплопередача : проводимость (тепло) , конвекции и электромагнитное излучение ), механике жидкости / естественную конвекции (пассивное движение воздуха и воды без использования электричества, вентиляторов или насосов) и теплового комфорта человека на основе индекса тепла , психрометрии и контроля энтальпии для зданий, в которых обитают люди или животные, соляриев, солярии и теплицы для выращивания растений.

Особое внимание подразделяется на: место, расположение и солнечную ориентацию здания, локальную солнечную дорожку , преобладающий уровень инсоляции ( широта / солнечный свет / облака / осадки ), качество / материалы дизайна и строительства, размещение / размер / тип окон. и стены, а также включение тепловой массы, аккумулирующей солнечную энергию, с теплоемкостью .

Хотя эти соображения могут быть направлены на любое здание, достижение идеального оптимизировано решение цена / производительность требует тщательного, целостного , системной интеграции инженерных этих научных принципов. Современные усовершенствования с помощью компьютерного моделирования (например, комплексное программное обеспечение для моделирования энергопотребления зданий Министерства энергетики США «Energy Plus» ^[3] ) и применение накопленных за десятилетия уроков (начиная с энергетического кризиса 1970-х годов) могут обеспечить значительную экономию энергии и сокращение воздействия на окружающую среду. повреждения без ущерба для функциональности или эстетики. ^[4] Фактически, конструктивные элементы с пассивным солнечным излучением, такие как теплица / солярий / солярий, могут значительно улучшить жизнеспособность, дневной свет, виды и ценность дома при низкой стоимости единицы площади.

После энергетического кризиса 1970-х годов о проектировании пассивных солнечных батарей стало известно многое. Многие ненаучные, основанные на интуиции дорогостоящие строительные эксперименты пытались и не смогли достичь нулевой энергии - полного исключения счетов за электроэнергию для отопления и охлаждения.

Строительство здания с пассивной солнечной батареей может быть несложным или дорогостоящим (с использованием уже имеющихся материалов и технологий), но научное проектирование здания с пассивной солнечной батареей - это нетривиальная инженерная задача, требующая значительного изучения ранее извлеченных нелогичных уроков, и время для ввода, оценки и итеративного уточнения входных и выходных данных моделирования .

Одним из наиболее полезных инструментов оценки после строительства было использование термографии с использованием цифровых тепловизионных камер для формального количественного научного энергетического аудита . Тепловизионное изображение можно использовать для документирования областей с плохими тепловыми характеристиками, таких как негативное тепловое воздействие скошенного под углом стекла или окна в крыше холодной зимней ночью или жарким летним днем.

Научные уроки, извлеченные за последние три десятилетия, были зафиксированы в сложных комплексных компьютерных системах моделирования энергопотребления зданий (например, US DOE Energy Plus).

Научно-пассивное проектирование зданий с использованием солнечной энергии с количественной оптимизацией рентабельности продукта - непростая задача для новичка. Уровень сложности привел к продолжающейся плохой архитектуре и множеству основанных на интуиции, ненаучных строительных экспериментов, которые разочаровывают их дизайнеров и тратят значительную часть их строительного бюджета на неподходящие идеи. ^[5]

Экономическая мотивация для научного проектирования и инженерии значительна. Если бы он применялся комплексно к строительству новых зданий, начиная с 1980 года (на основе извлеченных уроков 1970-х годов), Америка могла бы экономить более 250 000 000 долларов в год на дорогостоящей энергии и связанном с этим загрязнении сегодня. ^[5]

С 1979 года пассивное проектирование зданий на солнечных батареях является критическим элементом достижения нулевого энергопотребления с помощью экспериментов образовательных учреждений и правительств всего мира, включая Министерство энергетики США, и ученых-исследователей в области энергетики, которых они поддерживают на протяжении десятилетий. Рентабельное доказательство концепции было создано несколько десятилетий назад, но культурные изменения в архитектуре, строительство сделки, а также строительно-владелец принятие решения были очень медленными и трудными. ^[5]

Новые термины «Архитектурная наука» и «Архитектурные технологии» добавляются к некоторым архитектурным школам с будущей целью обучения вышеуказанным научным и энергетическим принципам. ^{[ необходима цитата ]}

Солнечный путь в пассивном дизайне [ править ]

Возможность одновременного достижения этих целей фундаментально зависит от сезонных колебаний пути солнца в течение дня.

Это происходит в результате наклона оси вращения Земли по отношению к ее орбите . Путь солнца уникален для любой широты.

В нетропических широтах Северного полушария дальше 23,5 градуса от экватора:

• Солнце достигнет своей наивысшей точки на юге (в направлении экватора).
• В зимнее солнцестояние приближается, то угол , при котором солнце поднимается и устанавливает постепенно движется дальше к югу и дневные часы станут короче
• Обратное отмечается летом, когда солнце поднимается и садится дальше к северу, а световой день удлиняется ^[6].

Обратное наблюдается в южном полушарии, но солнце встает на востоке и садится на запад независимо от того, в каком полушарии вы находитесь.

В экваториальных регионах при температуре ниже 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 23,5 градуса от северного или южного полюса, летом солнце будет рисовать полный круг в небе, не заходя за него, и никогда не появится над горизонтом через шесть месяцев, в разгар зимы. ^[8]

Разница в 47 градусов высоты солнца в солнечный полдень между зимой и летом составляет основу пассивного солнечного дизайна. Эта информация объединяется с местными климатическими данными ( градусами в день ) требованиями к отоплению и охлаждению, чтобы определить, в какое время года солнечная энергия будет полезна для теплового комфорта , а когда ее следует заблокировать с помощью затенения. Благодаря стратегическому размещению таких предметов, как устройства для остекления и затенения, 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 усилению совершенно разные до и после летнего или зимнего солнцестояния. Сдвижные ставни, шторы, шторы или оконные одеяла могут удовлетворить повседневные и ежечасные требования к солнечной энергии и изоляции.

Тщательная планировка комнат завершает пассивный солнечный дизайн. Обычная рекомендация для жилых домов - размещать жилые помещения, выходящие на солнечный полдень, и спальные помещения на противоположной стороне. ^[9] heliodon является традиционным движимое свет устройство , используемое архитекторами и дизайнерами , чтобы помочь модели эффектов пути солнца. В наше время трехмерная компьютерная графика может визуально моделировать эти данные и рассчитывать прогнозы производительности. ^[4]

Принципы пассивной солнечной теплопередачи [ править ]

Личный тепловой комфорт зависит от факторов личного здоровья (медицинских, психологических, социологических и ситуационных), температуры окружающего воздуха, средней лучистой температуры , движения воздуха ( охлаждение ветром , турбулентность ) и относительной влажности (влияющих на охлаждение человека испарением ). Передача тепла в зданиях происходит за счет конвекции , теплопроводности и теплового излучения через крышу, стены, пол и окна. ^[10]

Конвективная теплопередача [ править ]

Конвективная теплопередача может быть полезной или вредной. Неконтролируемое проникновение воздуха из-за плохой атмосферостойкости / атмосферостойкости / защиты от сквозняков может составлять до 40% потерь 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] Отфильтрованные рекуперации энергии вентиляция система может быть полезна для устранения нежелательной влаги, пыли, пыльцы и микроорганизмов в нефильтрованной вентиляции воздухе.

Естественная конвекция, вызывающая подъем теплого воздуха и опускание более прохладного воздуха, может привести к неравномерному расслоению тепла. Это может вызвать неудобные колебания температуры в верхнем и нижнем кондиционируемом пространстве, служить способом отвода горячего воздуха или быть спроектировано в виде контура потока воздуха с естественной конвекцией 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 многослойные изолирующие слои воздуха в верхней части комнаты и ускорить передачу тепла от горячего чердака или через близлежащие окна. . Кроме того, высокая относительная влажность подавляет испарительное охлаждение человека.

Радиационная теплопередача [ править ]

Основным источником теплопередачи является лучистая энергия , а основным источником является солнце. Солнечное излучение проходит преимущественно через крышу и окна (но также и через стены). Тепловое излучение перемещается с более теплой поверхности на более холодную. Крыши получают большую часть солнечного излучения, поступающего в дом. Прохладной крыши или зеленые крыши в дополнение к лучистой барьер может помочь предотвратить ваш чердак стать более горячим , чем пик летней температуры наружного воздуха ^[13] (см альбедо , поглощательной , излучательной способности и отражательную способность ).

Окна - это готовое и предсказуемое место для теплового излучения . ^[14] Энергия излучения может перемещаться в окно днем ​​и из того же окна ночью. Радиация использует фотоны для передачи электромагнитных волн через вакуум или полупрозрачную среду. Прирост 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 сложно изолировать по сравнению с крышей и стенами. Конвективная теплопередача 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 не будут в тени. Напротив, низкое полуденное солнце легко пропускает свет и тепло зимой, но может быть легко затенено с помощью выступов соответствующей длины или наклонных жалюзи летом и летних деревьев с листвой, которые сбрасывают листья осенью. Количество полученного лучистого тепла связано с широтой местоположения , высотой , облачностью и сезонным / часовым углом падения (см. Путь Солнца и закон косинуса Ламберта ).

Другой принцип пассивной солнечной конструкции заключается в том, что тепловая энергия может накапливаться в определенных строительных материалах и снова высвобождаться, 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.

Особенности сайта при проектировании [ править ]

• Широта , путь солнца и инсоляция (солнечный свет)
• Сезонные колебания прироста солнечной энергии, например, градусо- дни охлаждения или нагрева , солнечная инсоляция , влажность
• Суточные колебания температуры
• Детали микроклимата, связанные с ветрами, влажностью, растительностью и рельефом местности
• Препятствия / затенение - из-за усиления солнца или местных боковых ветров

Элементы дизайна жилых домов в умеренном климате [ править ]

• Размещение в доме типов комнат, межкомнатных дверей и стен, оборудования.
• Ориентируем здание лицом к экватору (или на несколько градусов к востоку, чтобы запечатлеть утреннее солнце) ^[9]
• Увеличение размеров здания по оси восток / запад
• Окна подходящего размера, чтобы зимой выходить на полуденное солнце, а летом - в тень.
• Сведение к минимуму окон с других сторон, особенно западных окон ^[14]
• Возведение свесов крыши правильного размера с учетом широты ^[15] или элементов затемнения (кустарники, деревья, решетки, заборы, ставни и т. Д.) ^[16]
• Использование соответствующего количества и типа изоляции, включая излучающие барьеры и объемную изоляцию, чтобы минимизировать сезонный чрезмерный приток или потерю тепла.
• Использование тепловой массы для хранения избыточной солнечной энергии в течение зимнего дня (которая затем повторно излучается ночью) ^[17]

Точное количество обращенного к экватору стекла и тепловая масса должны основываться на тщательном учете широты, высоты, климатических условий и дневных требований в градусах обогрева / охлаждения .

Факторы, которые могут ухудшить тепловые характеристики:

• Отклонение от идеальной ориентации и соотношение сторон север / юг / восток / запад
• Избыточная площадь остекления ("чрезмерное остекление"), приводящее к перегреву (также приводящему к ослеплению и выцветанию мягкой мебели) и потерям тепла при понижении температуры окружающего воздуха
• Установка остекления там, где солнечное излучение в течение дня и тепловые потери в ночное время не могут быть легко контролируемы, например, западное, угловое остекление, световые люки ^[18]
• Тепловые потери через неизолированное или незащищенное остекление
• Отсутствие адекватного затенения в сезонные периоды высокого солнечного излучения (особенно на западной стене)
• Неправильное применение тепловой массы для регулирования суточных колебаний температуры
• Открытые лестницы, приводящие к неравномерному распределению теплого воздуха между верхними и нижними этажами по мере подъема теплого воздуха
• Большая площадь здания по отношению к объему - Слишком много углов
• Неадекватная атмосферостойкость, приводящая к высокой инфильтрации воздуха
• Отсутствие или неправильно установленная излучающая перегородка в жаркое время года. (См. Также прохладную крышу и зеленую крышу )
• Изоляционные материалы , не соответствующие основному режиму теплопередачи (например, нежелательная конвективная / кондуктивная / лучистая теплопередача )

Эффективность и экономика пассивного солнечного отопления [ править ]

Технически ПСХ очень эффективен. Системы с прямым усилением могут использовать (т. Е. Преобразовывать в «полезное» тепло) 65–70% энергии солнечного излучения, попадающего в отверстие или коллектор.

Пассивная солнечная доля (PSF) - это процент от требуемой тепловой нагрузки, которую выполняет PSH, и, следовательно, представляет собой потенциальное снижение затрат на отопление. По данным RETScreen International, PSF составляет 20–50%. В области устойчивости экономия энергии даже порядка 15% считается существенной.

Другие источники сообщают о следующих PSF:

• 5–25% для скромных систем
• 40% для "высокооптимизированных" систем
• До 75% для «очень интенсивных» систем

В благоприятном климате, например на юго-западе США, оптимизированные системы могут превышать 75% PSF. ^[19]

Для получения дополнительной информации см. Солнечное воздушное тепло.

Основные конфигурации пассивных солнечных батарей [ править ]

Существует три основных конфигурации пассивной солнечной энергии: ^[20]

• прямая солнечная система
• непрямая солнечная система
• изолированная солнечная система

Прямая солнечная система [ править ]

В пассивной солнечной системе с прямым усилением внутреннее пространство действует как солнечный коллектор, поглотитель тепла и распределительная система. Стекло, обращенное на юг в северном полушарии (обращенное на север в южном полушарии), пропускает солнечную энергию внутрь здания, где оно непосредственно нагревает (поглощение лучистой энергии) или косвенно (посредством конвекции) тепловую массу в здании, такую ​​как бетон или кладка полы и стены. Полы и стены, действующие как тепловая масса, включены в функциональные части здания и снижают интенсивность отопления в течение дня. Ночью нагретая термальная масса излучает тепло во внутреннее пространство. ^[20]

В холодном климате закаленное солнцем зданиеэто самый простой тип пассивной солнечной конфигурации с прямым усилением, который просто включает в себя увеличение (немного) площади остекления, выходящего на юг, без добавления дополнительной тепловой массы. Это тип системы прямого усиления, в которой оболочка здания хорошо изолирована, вытянута в направлении восток-запад и имеет большую часть (~ 80% или более) окон с южной стороны. Он имеет небольшую добавленную тепловую массу помимо того, что уже есть в здании (например, только каркас, стеновая панель и т. Д.). В защищенном от солнечного света здании площадь окон, выходящих на юг, должна быть ограничена примерно 5-7% от общей площади пола, меньше в солнечный климат, чтобы предотвратить перегрев. Дополнительное остекление, выходящее на юг, может быть добавлено только в том случае, если добавлено больше тепловой массы. С этой системой экономия энергии невелика, а закалка на солнце очень низкая. ^[20]

В настоящих пассивных солнечных системах с прямым усилением требуется достаточная тепловая масса для предотвращения больших колебаний температуры воздуха в помещении; требуется большая тепловая масса, чем в закаленном на солнце здании. Перегрев внутренних помещений здания может привести к недостаточной или плохо спроектированной тепловой массе. Примерно от половины до двух третей внутренней поверхности полов, стен и потолков должны быть выполнены из теплоаккумулирующих материалов. Теплоаккумулирующими материалами могут быть бетон, саман, кирпич и вода. Тепловая масса в полах и стенах должна быть максимально открытой с функциональной и эстетической точки зрения; термальную массу нужно подвергать воздействию прямых солнечных лучей. Следует избегать ковров от стены до стены, больших ковриков, обширной мебели и больших настенных ковров.

Обычно на каждые 1 фут ² стекла, обращенного на юг, требуется от 5 до 10 футов ³ тепловой массы (1 м ³ на 5-10 м ² ). При учете минимальных и средних размеров настенных и напольных покрытий и мебели это обычно составляет примерно 5-10 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 напрямую. Простейшее практическое правило состоит в том, что площадь тепловой массы должна быть в 5-10 раз больше площади поверхности коллектора прямого усиления (стекла). ^[20]

Твердая термическая масса (например, бетон, кладка, камень и т. Д.) Должна быть относительно тонкой, не более 4 дюймов (100 мм). Лучше всего работают тепловые массы с большими открытыми участками и под прямыми солнечными лучами хотя бы часть дня (минимум 2 часа). Цвета от средних до темных с высокой поглощающей способностью следует использовать на поверхностях элементов из термальных масс, которые будут находиться под прямыми солнечными лучами. Тепловая масса, не контактирующая с солнечными лучами, может быть любого цвета. Легкие элементы (например, стены и потолок 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 прямого усиления.Вода, содержащаяся в пластиковой или металлической оболочке и находящаяся под прямыми солнечными лучами, нагревается быстрее и равномернее, чем твердая масса, благодаря естественной конвекционной теплопередаче. Процесс конвекции также предотвращает чрезмерное повышение температуры поверхности, как это иногда бывает, когда на темные поверхности из твердой массы попадают прямые солнечные лучи.

В зависимости от климата и соответствующей тепловой массы площадь остекления, обращенного на юг, в системе прямого усиления должна быть ограничена примерно 10-20% площади пола (например, 10-20 футов ² стекла для площади пола 100 футов ² ) . Это должно быть основано на чистом стекле или площади остекления. Обратите внимание, что у большинства окон чистая площадь остекления / остекления составляет от 75 до 85% от общей площади оконного блока. Выше этого уровня вероятны проблемы с перегревом, бликами и выцветанием тканей. ^[20]

Косвенная солнечная система [ править ]

В пассивной солнечной системе с косвенным усилением тепловая масса ( бетон , кладка или вода) расположена непосредственно за стеклом, обращенным на юг, и перед отапливаемым внутренним пространством, поэтому прямого нагрева нет. солнечный свет не проникает в помещение, а также может затруднять обзор через стекло. Существует два типа систем косвенного усиления: системы теплоаккумулирующих стен и системы водоема на крыше. ^[20]

Стены для хранения тепла (тромб)

В стеновой системе аккумулирования тепла , часто называемой стеной Trombe., прямо за стеклом, выходящим на юг, расположена массивная стена, которая поглощает солнечную энергию и избирательно отдает ее во внутреннее пространство здания в ночное время. Стена может быть построена из монолитного бетона, кирпича, самана, камня или сплошных (или заполненных) бетонных блоков. Солнечный свет проникает через стекло и сразу же поглощается поверхностью массовой стены и либо накапливается, либо проходит через массу материала во внутреннее пространство. Тепловая масса не может поглощать солнечную энергию так быстро, как она входит в пространство между массой и областью окна. Температура воздуха в этом помещении может легко превышать 120 ° F (49 ° C). Этот горячий воздух можно вводить во внутренние пространства за стеной, используя теплораспределительные отверстия в верхней части стены. Эта стенная система была впервые задумана и запатентована в 1881 году ее изобретателем Эдвардом Морсом.Феликс Тромб, в честь которого иногда называют эту систему, был французским инженером, построившим несколько домов по этой конструкции во французских Пиренеях в 1960-х годах.

Стена аккумулирования тепла обычно состоит из каменной стены толщиной от 4 до 16 дюймов (от 100 до 400 мм), покрытой темной, поглощающей тепло (или выборочной поверхностью) и покрытой одинарным или двойным слоем стекла с высокой пропускной способностью. Стекло обычно размещают на расстоянии от 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 не используется. Поверхность термальной массы поглощает падающее на нее солнечное излучение и сохраняет его для использования в ночное время. В отличие от системы прямого усиления, стенная система аккумулирования тепла обеспечивает пассивное солнечное отопление без чрезмерной площади окон и бликов во внутренних помещениях. Однако возможность использовать виды и дневной свет исключаются.Характеристики стен Trombe ухудшаются, если внутренняя часть стены не открыта для внутренних пространств. Мебель, книжные полки и навесные шкафы, установленные на внутренней поверхности стены, снизят ее эффективность.

Классическая стена Trombe , также обычно называемая вентилируемой стеной аккумулирования тепла , имеет действующие вентиляционные отверстия около потолка и на уровне пола массивной стены, которые позволяют воздуху в помещении проходить через них за счет естественной конвекции. Когда солнечное излучение нагревает воздух, заключенный между стеклом и стеной, он начинает подниматься. Воздух втягивается в нижнее вентиляционное отверстие, затем в пространство между стеклом и стеной, чтобы нагреться солнечным излучением, повышая его температуру и заставляя ее подниматься, а затем выходит через верхнее (потолочное) вентиляционное отверстие обратно в внутреннее пространство. Это позволяет стене напрямую вводить нагретый воздух в пространство; обычно при температуре около 90 ° F (32 ° C).

Если вентиляционные отверстия оставить открытыми на ночь (или в пасмурные дни), произойдет реверсирование конвективного воздушного потока, в результате чего тепло будет рассеиваться на улице. Вентиляционные отверстия должны быть закрыты на ночь, чтобы лучистое тепло от внутренней поверхности стены для хранения обогревало внутреннее пространство. Как правило, вентиляционные отверстия закрываются и в летние месяцы, когда приток тепла не требуется. Летом наружное вытяжное отверстие, установленное в верхней части стены, можно открыть для выхода наружу. Такая вентиляция заставляет систему действовать как солнечный дымоход, прогоняющий воздух через здание в течение дня.

Вентилируемые теплоаккумулирующие стены, ведущие внутрь, оказались несколько неэффективными, главным образом потому, что они отводят слишком много тепла днем ​​в мягкую погоду и в летние месяцы; они просто перегреваются и создают проблемы с комфортом. Большинство экспертов по солнечной энергии рекомендуют не выводить теплоаккумулирующие стены внутрь помещения.

Существует множество вариантов стеновой системы Trombe. Невентилируемые стены теплового хранения (технически не стена Тромба) фиксирует солнечную энергию на внешнюю поверхности, нагревается и проводит тепло к внутренней поверхности, где она исходит от внутренней поверхности стенки к внутреннему пространству в тот же день. Вода стена использует тип тепловой массы , которая состоит из резервуаров или труб воды , используемых в качестве тепловой массы.

Типичная невентилируемая стена аккумулирования тепла состоит из кирпичной 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 солнечные лучи для массы стены. Стекло размещается на расстоянии от до 6 дюймов (от 20 до 150 мм) от стены для создания небольшого воздушного пространства. Стеклянная рама обычно металлическая (например, алюминиевая), потому что винил размягчается, а древесина становится сверхвысохшей при температуре 180 ° F (82 ° C), которая может существовать за стеклом в стене. Тепло от солнечного света, проходящего через стекло, поглощается темной поверхностью, накапливается в стене и медленно проходит внутрь через кладку. В качестве архитектурной детали узорчатое стекло может ограничить внешний вид стены без ущерба для пропускания солнечного света.

Водяная стена использует емкости с водой для тепловой массы вместо стены из твердой массы. Водные стены обычно немного более эффективны, чем стены из твердой массы, потому что они более эффективно поглощают тепло из-за развития конвективных потоков в жидкой воде при ее нагревании. Эти токи вызывают быстрое перемешивание и более быструю передачу тепла в здание, чем это может быть обеспечено за счет массивных стен.

Температурные колебания между внешней и внутренней поверхностями стен пропускают тепло через массивную стену. Однако внутри здания поступление тепла в дневное время задерживается, и оно становится доступным на внутренней поверхности термальной массы только вечером, когда это необходимо, потому что солнце село. Запаздывание - это разница во времени между первым попаданием солнечного света в стену и проникновением тепла внутрь здания. Запаздывание по времени зависит от типа материала, из которого изготовлена ​​стена, и толщины стены; большая толщина приводит к большему запаздыванию. Запаздывание, характерное для тепловой массы, 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 имеет тенденцию несколько снижать эффективность.

Толщина теплоаккумулирующей стены должна составлять примерно 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. Эта толщина задерживает движение тепла, так что температура поверхности в помещении достигает пика в поздние вечерние часы. Тепло достигнет внутренней части здания за 8-10 часов (тепло проходит через бетонную стену со скоростью около одного дюйма в час). Хорошая термическая связь между внутренней отделкой стен (например, гипсокартоном) и стеной из термополиуретана необходима для максимальной передачи тепла во внутреннее пространство.

Хотя расположение теплоаккумулирующей стены сводит к минимуму дневной перегрев внутреннего пространства, хорошо изолированное здание должно быть ограничено примерно 0,2-0,3 фута ² тепловой поверхности стены на фут ² обогреваемой площади пола (0,2-0,3 м ² на м ² площади пола), в зависимости от климата. Водная стена должна иметь от 0,15 до 0,2 фута ² поверхности водяной стены на фут ² (от 0,15 до 0,2 м ² на м ² ) площади пола.

Стены из термостойкого материала лучше всего подходят для солнечного зимнего климата с высокими суточными (день-ночь) колебаниями температуры (например, юго-запад, горы-запад). Они не так хорошо работают в облачном или чрезвычайно холодном климате или в климате, где нет больших суточных колебаний температуры. Потери тепла через тепловую массу стены в ночное время могут быть значительными в пасмурном и холодном климате; стена теряет накопленное тепло менее чем за сутки, а затем происходит утечка тепла, что резко повышает потребность в резервном отоплении. Покрытие остекления плотно прилегающими подвижными изоляционными панелями во время продолжительных облачных периодов и в ночное время повысит эффективность системы аккумулирования тепла.

Главный недостаток теплоаккумулирующих стен - это их теплопотери наружу. Двойное стекло (стекло или любой другой пластик) необходимо для уменьшения потерь тепла в большинстве климатических условий. В мягком климате допустимо одинарное стекло. Селективная поверхность (поверхность с высоким поглощением / низким уровнем излучения), нанесенная на внешнюю поверхность стены аккумулирования тепла, улучшает рабочие характеристики за счет уменьшения количества инфракрасной энергии, излучаемой обратно через стекло; обычно достигается аналогичное улучшение характеристик без необходимости ежедневной установки и снятия изоляционных панелей. Избирательная поверхность состоит из листа металлической фольги, приклеенного 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 обратное излучение тепла к стеклу.^[20]

Система пруда на крыше

Крыша пруд пассивная солнечная система , иногда называемая солнечная крыша, использует воду, хранящуюся на крыше, для поддержания 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 излучение и свести к минимуму испарение. Его можно оставить неглазурованным или покрыть остеклением. Солнечное излучение нагревает воду, которая действует как накопитель тепла. Ночью или в пасмурную погоду контейнеры можно накрыть изоляционными панелями. Внутреннее пространство под прудом на крыше обогревается тепловой энергией, излучаемой накопителем пруда на крыше. Эти системы требуют хороших дренажных систем, подвижной изоляции, а также улучшенную структурную систему для поддержки от 35 до 70 фунт / фут ² ( от 1,7 до 3,3 кН / м ²) статическая нагрузка.

С учетом углов падения солнечного света в течение дня водоемы на крышах эффективны только для обогрева в низких и средних широтах, в жарком и умеренном климате. Системы прудов на крыше лучше подходят для охлаждения в жарком климате с низкой влажностью. Было построено не так много солнечных крыш, и имеется ограниченная информация о конструкции, стоимости, производительности и деталях конструкции крыш для аккумулирования тепла. ^[20]

Изолированная солнечная система [ править ]

В изолированном усилении пассивной солнечной системы , компоненты (например, коллектор и тепловое хранение) изолированы от внутренних помещений здания. ^[20]

Прилагаются SunSpace , также иногда называют солнечной комнатой или солярием, это тип солнечной системы с изолированным усилением с застекленным внутренним пространством или комнатой, которая является частью здания или присоединена 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 оранжерея, но оранжерея предназначена для выращивания растений, тогда как солнечное пространство предназначено для обеспечения тепла и эстетики здания. Солнечные пространства - очень популярные пассивные элементы дизайна, потому что они расширяют жилую площадь здания и дают возможность выращивать растения и другую растительность. Однако в умеренном и холодном климате требуется дополнительное отопление помещения, чтобы растения не замерзали в очень холодную погоду.

Стекло прикрепленного солнечного пространства, обращенное на юг, собирает солнечную энергию, как в системе прямого усиления. Самая простая конструкция солнцезащитного пространства - это установка вертикальных окон без верхнего остекления. Солнечные пространства могут испытывать большой приток тепла и большие потери тепла из-за большого количества остекления. Хотя горизонтальное и наклонное остекление зимой собирает больше тепла, его количество сводится к минимуму, чтобы предотвратить перегрев в летние месяцы. Хотя потолочное остекление может быть эстетичным, утепленная крыша обеспечивает лучшие тепловые характеристики. Мансардные окна можно использовать для обеспечения некоторого дневного света. Вертикальное остекление может максимизировать выгоду зимой, когда угол наклона солнца низкий, и дать меньше тепла летом. Вертикальное стекло менее дорогое, его проще установить и изолировать, оно не так подвержено утечкам, запотеванию, разбиванию и другим повреждениям стекла.Сочетание вертикального остекления и некоторого наклонного остекления допустимо, если предусмотрено летнее притенение. Правильно спроектированный свес - это все, что нужно для затенения остекления летом.

Колебания температуры, вызванные тепловыми потерями и приростом, могут быть смягчены за счет термической массы и окон с низким коэффициентом излучения. 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 обычном дизайне стена из термической массы, расположенная на задней части солнечного пространства, прилегающего к жилому пространству, будет функционировать как стена из тепловой массы с косвенным усилением. Солнечная энергия, попадающая в солнечное пространство, сохраняется в тепловой массе.Солнечное тепло передается в здание за счет теплопроводности через общую стену массы в задней части солнечного пространства и через вентиляционные отверстия (например, невентилируемые стены аккумулирования тепла) или через отверстия в стене, которые обеспечивают поток воздуха из солнечного пространства в внутреннее пространство за счет конвекции ( как вентилируемая стена для аккумулирования тепла).

В холодном климате следует использовать двойное остекление, чтобы уменьшить проводящие потери через стекло наружу. Потеря тепла в ночное время, хотя и значительная в зимние месяцы, не так существенна в солнечном пространстве, как в системах прямого усиления, 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.

Солнечному пространству с теплоизоляционной стеной из кирпичной кладки потребуется примерно 0,3 фута ² поверхности стены из термической массы на фут ² обогреваемой площади пола (0,3 м ² на м ² площади пола), в зависимости от климата. Толщина стены должна быть такой же, как у стены, аккумулирующей тепло. Если между солнечным пространством и жилым помещением используется водяная стена, примерно 0,20 фута ² поверхности стены из термической массы на фут ² отапливаемой площади пола (0,2 м ² на м ²площади пола) уместно. В большинстве климатических случаев в летние месяцы требуется система вентиляции для предотвращения перегрева. Как правило, большие верхние (горизонтальные) и обращенные на восток и запад стеклянные площади не должны использоваться в солнечном пространстве без специальных мер предосторожности для летнего перегрева, таких как использование теплоотражающего стекла и обеспечение зон с системами летнего затенения.

Внутренние поверхности термомассы должны быть темного цвета. Подвижная изоляция (например, оконные покрытия, шторы, ставни) может использоваться, чтобы удерживать теплый воздух в солнечном пространстве как после захода солнца, так и в пасмурную погоду. Когда окна закрываются в очень жаркие дни, они могут защитить солнечное пространство от перегрева.

Чтобы обеспечить максимальный комфорт и эффективность, не застекленные стены, потолок и фундамент солнечного пространства должны быть хорошо изолированы. Периметр фундаментной стены или плиты следует утеплить до линии промерзания или по периметру плиты. В умеренном или холодном климате восточная и западная стены солнечного пространства должны быть изолированы (без стекла).

Дополнительные меры [ править ]

Следует принять меры для уменьшения потерь тепла в ночное время, например, оконные покрытия или изоляция сдвижных окон.

Хранение тепла [ править ]

Солнце светит не все время. Накопление тепла или тепловая масса сохраняет здание в тепле, когда солнце не может его нагреть.

В дневных солнечных домах хранилище рассчитано на один или несколько дней. Обычный метод - это изготовление тепловой массы по индивидуальному заказу. Это включает стену Trombe , вентилируемый бетонный пол, цистерну, водную стену или водоем на крыше. ^[21] Также возможно использовать тепловую массу самой земли, либо как она есть, либо путем включения в конструкцию путем наклона или использования утрамбованной земли в качестве структурной среды. ^[22]

В субарктических областях или областях, которые имеют длительные периоды отсутствия солнечной энергии (например, недели ледяного тумана), специальные тепловые массы очень дороги. Дон Стивенс впервые применил экспериментальную технику использования земли в качестве тепловой массы, достаточно большой для годового хранения тепла. Его конструкции включают изолированный термосифон на 3 метра под домом и изолируют землю 6-метровой водонепроницаемой юбкой. ^[23]

Изоляция [ править ]

Теплоизоляция или суперизоляция (тип, размещение и количество) снижает нежелательную утечку тепла. ^[10] Некоторые пассивные здания фактически построены из изоляции .

Специальные системы остекления и оконные покрытия [ править ]

Эффективность систем прямого солнечного излучения значительно повышается за счет изолирующего (например, двойного остекления ), спектрально-избирательного остекления ( low-e ) или подвижной изоляции окон (оконные стеганые одеяла, двойные внутренние изоляционные ставни, шторы и т. Д.). ^[24]

Как правило, в окнах, выходящих на экватор, не следует использовать остекление, препятствующее проникновению солнечной энергии.

В немецком стандарте пассивного дома широко используются окна с повышенной теплоизоляцией . Выбор различных спектрально-селективных оконных покрытий зависит от соотношения нагревания и охлаждения в градусах дней для места проектирования.

Выбор остекления [ править ]

Стекло, обращенное к экватору [ править ]

Требования к вертикальному стеклу, обращенному к экватору, отличаются от требований к остальным трем сторонам здания. Светоотражающие оконные покрытия и несколько оконных стекол могут снизить полезное солнечное излучение. Однако системы с прямым усилением больше зависят от двойного или тройного остекления или даже от четырехкамерного остекления в более высоких географических широтах для уменьшения потерь тепла. Конфигурации с косвенным усилением и изолированным усилением могут по-прежнему эффективно работать только с одинарным остеклением. Тем не менее, оптимальное экономичное решение зависит как от местоположения, так и от системы.

Стекло для крыши и световые люки [ править ]

Мансардные окна пропускают резкий прямой солнечный свет и блики ^[25] либо по горизонтали (плоская крыша), либо под тем же углом, что и скат крыши. В некоторых случаях используются горизонтальные световые люки 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 наклонного стекла в крыше ( угол падения почти параллелен наклонному стеклу утром и днем). Когда летнее солнце находится высоко, оно почти перпендикулярно стеклу под углом, которое максимизирует солнечную энергию в неподходящее время года и действует как солнечная печь. Мансардные окна должны быть закрыты и хорошо изолированы, чтобы уменьшить естественную конвекцию. (поднимающийся теплый воздух) потеря тепла холодными зимними ночами и интенсивный приток 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 вставать на неэкваториальной стороне здания (на некоторых широтах ). Мансардные окна на крышах, выходящих на восток, обеспечивают максимальное попадание прямого света и солнечного тепла в летнее утро. Окна в крыше, выходящие на запад, обеспечивают дневной солнечный свет и тепло в самое жаркое время дня.

Некоторые световые люки имеют дорогостоящее остекление, которое частично снижает приток солнечного тепла летом, но при этом пропускает видимый свет. Однако, если видимый свет может проходить через него, то может и некоторое тепловое излучение (они оба являются волнами электромагнитного излучения ).

Вы можете частично уменьшить нежелательный приток тепла летом от остекления под углом, установив световой люк в тени лиственных (лиственных) деревьев или добавив подвижное изолированное непрозрачное оконное покрытие внутри или снаружи светового люка. . Это исключит возможность использования дневного света летом. Если ветки деревьев свешиваются над крышей, это усугубит проблемы с листьями в водосточных желобах, возможно, приведет к повреждению кровли ледяных плотин , сократит срок службы крыши и обеспечит более легкий путь проникновения вредителей на ваш чердак. Листья и ветки на мансардных окнах непривлекательны, их трудно чистить, и они могут увеличить риск поломки остекления во время урагана.

«Пилообразное остекление крыши» только с вертикальным остеклением может принести некоторые преимущества пассивной солнечной конструкции здания в ядро ​​коммерческого или промышленного здания, без необходимости использования какого-либо остекления под углом или мансардных окон.

Мансардные окна обеспечивают дневной свет. Единственное представление, которое они предоставляют, в большинстве приложений по существу прямое. Хорошо изолированные световые трубки могут пропускать дневной свет в северные комнаты без использования мансардного окна. Теплица с пассивным солнечным излучением обеспечивает обильный дневной свет на экваториальной стороне здания.

Цветные тепловизионные камеры с инфракрасной термографией (используемые в официальных энергетических аудитах ) могут быстро задокументировать негативное тепловое воздействие скошенного на крышу стекла или светового люка в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день.

Министерство энергетики США заявляет: «Вертикальное остекление - лучший вариант для солнечных пространств». ^[26] Стекло под углом и боковые стенки не рекомендуются для использования в пассивных солнечных помещениях.

Министерство энергетики США объясняет недостатки остекления под углом: стекло и пластик обладают небольшой структурной прочностью. При вертикальной установке стекло (или пластик) выдерживает собственный вес, потому что только небольшая площадь (верхний край остекления) подвержена силе тяжести. Однако, когда стекло отклоняется от вертикальной оси, увеличенная площадь (теперь наклонное поперечное сечение) остекления должна выдерживать силу тяжести. Стекло также хрупкое; он не сильно прогибается перед поломкой. Чтобы противодействовать этому, вы обычно должны увеличить толщину остекления или увеличить количество структурных опор, чтобы удерживать остекление. Оба увеличивают общую стоимость, а последнее снижает количество солнечного излучения в солнечном пространстве.

Другой распространенной проблемой наклонного остекления является повышенное воздействие погодных условий. При ярком солнечном свете трудно поддерживать хорошее уплотнение на остеклении под углом. Град, мокрый снег, снег и ветер могут стать причиной разрушения материала. В целях безопасности пассажиров регулирующие органы обычно требуют, чтобы наклонное стекло было изготовлено из безопасного, ламинированного стекла или их комбинации, что снижает потенциал солнечного излучения. Большая часть остекления под углом на солнечном пространстве отеля Crowne Plaza Hotel Orlando Airport была разрушена в результате единственного урагана. Скатное остекление увеличивает стоимость строительства и может увеличить страховые взносы. Вертикальное стекло менее подвержено атмосферным воздействиям, чем стекло под углом.

Трудно контролировать приток солнечного тепла в солнечном пространстве с наклонным остеклением летом и даже в середине мягкого и солнечного зимнего дня. Мансардные окна - это полная противоположность пассивному солнечному охлаждению в зданиях с нулевым потреблением энергии в климатических условиях, требующих кондиционирования воздуха.

Угол падающего излучения [ править ]

На количество передаваемого через стекло солнечного излучения также влияет угол падающего солнечного излучения . Солнечный свет, падающий на один лист стекла под углом 45 градусов от перпендикуляра, в основном пропускается ( отражается менее 10% ), тогда как солнечный свет, падающий под углом 70 градусов от перпендикуляра, отражается более 20% света, а выше 70 градусов этот процент отраженного света резко возрастает. . ^[27]

Все эти факторы можно более точно смоделировать с помощью фотографического экспонометра и гелиодона или оптической скамьи , которые могут количественно определить отношение отражательной способности к коэффициенту пропускания на основе угла падения .

В качестве альтернативы, компьютерное программное обеспечение для пассивной солнечной энергии может определить влияние солнечного пути и дней охлаждения и нагрева на энергоэффективность .

Работающие устройства затенения и изоляции [ править ]

Конструкция со слишком большим количеством стекла, обращенного к экватору, может привести к чрезмерному нагреву зимой, весной или осенью, неудобно яркому жилому пространству в определенное время года и чрезмерной теплопередаче в зимние ночи и летние дни.

Хотя солнце находится на одной и той же высоте за 6 недель до и после солнцестояния, требования к нагреванию и охлаждению до и после солнцестояния существенно различаются. Накопление тепла на поверхности Земли вызывает «тепловую задержку». Переменная облачность влияет на потенциал солнечной энергии. Это означает, что фиксированные вылеты окон, зависящие от широты, хотя и важны, но не являются полным решением для сезонного управления усилением солнечного излучения.

Механизмы управления (такие как внутренние изолированные шторы с ручным или механическим приводом, жалюзи, складывающиеся наружные шторы или выдвижные навесы) могут компенсировать различия, вызванные тепловым запаздыванием или облачным покровом, и помогают контролировать суточные / почасовые изменения требований к солнечной энергии.

Системы домашней автоматизации , которые контролируют температуру, солнечный свет, время суток и посещаемость комнаты, могут точно управлять моторизованными устройствами для затенения и изоляции окон.

Цвета экстерьера отражающие - поглощающие [ править ]

Можно выбрать материалы и цвета, отражающие или поглощающие солнечную тепловую энергию . Используя информацию о цвете для электромагнитного излучения , чтобы определить его тепловое излучение свойства отражения или поглощения может помочь выбору.
См. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Национальная лаборатория Ок-Ридж: «Холодные цвета»

Ландшафтный дизайн и сады [ править ]

Энергоэффективные ландшафтные материалы для осторожного пассивного солнечного выбора включают Hardscape строительного материала и « softscape » растения . Использование принципов ландшафтного дизайна для выбора деревьев , живых изгородей и решеток - особенности беседок с виноградными лозами ; все можно использовать для создания летней тени. Для получения солнечной энергии зимой желательно использовать лиственные растения, которые осенью сбрасывают листья, что дает круглогодичные пассивные солнечные преимущества. Неполиственные вечнозеленые кустарники и деревья могут быть ветрозащитными полосами.на различных высотах и ​​расстояниях, чтобы создать защиту и укрытие от холода зимой . Xeriscaping с «созревают размер , подходящий» аборигенных видов из-и засухоустойчивых растений , капельное орошение , мульчирование и органических садоводческих практики уменьшить или устранить потребность в энергии-и-водоемкую орошения , Бензоинструмент садового оборудования, а также снижает свалки отходов след. Ландшафтное освещение и фонтанные насосы, работающие на солнечной энергии , а также крытые бассейны и небольшие бассейны с солнечными водонагревателями могут уменьшить воздействие таких удобств.

• Устойчивое садоводство
• Устойчивое озеленение
• Устойчивая ландшафтная архитектура

Другие пассивные солнечные принципы [ править ]

Пассивное солнечное освещение [ править ]

Методы пассивного солнечного освещения улучшают использование естественного освещения в помещениях и, таким образом, снижают зависимость от систем искусственного освещения.

Это может быть достигнуто путем тщательного проектирования здания, ориентации и размещения оконных секций для сбора света. Другие креативные решения включают использование отражающих поверхностей, позволяющих пропускать дневной свет внутрь здания. Секции окон должны иметь соответствующий размер, и во избежание чрезмерного освещения их можно экранировать соломенной крышкой Brise , навесами , хорошо расположенными деревьями, стеклянными покрытиями и другими пассивными и активными устройствами. ^[28]

Еще одна серьезная проблема для многих оконных систем заключается в том, что они могут быть потенциально уязвимыми участками чрезмерного теплового увеличения или потери тепла. В то время как высоко установленное окно на потолке и традиционные световые люки могут пропускать дневной свет в плохо ориентированные части здания, нежелательную теплопередачу трудно контролировать. ^{[29] [30]} 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 могут использоваться различные методы, включая, помимо прочего, оконные покрытия , изоляционное остекление и новые материалы, такие как полупрозрачная изоляция из аэрогеля , оптическое волокно, встроенное в стены или крышу, или гибридное солнечное освещение в Национальной лаборатории Окриджа .

Отражающие элементы от активных и пассивных коллекторов дневного света , такие как световые полки , более светлые цвета стен и пола, зеркальные участки стен, внутренние стены с верхними стеклянными панелями, а также прозрачные или полупрозрачные застекленные распашные двери и раздвижные стеклянные двери принимают захваченный свет и пассивно отражают это дальше внутрь. Свет может исходить от пассивных окон или световых люков и солнечных ламп или от активных источников дневного света . В традиционной японской архитектуры в Shoji раздвижные двери панели, с полупрозрачными васи экранами, являются своеобразным прецедентом.Международный стиль , модерн и современная архитектура середины века были ранее новаторами этого пассивного проникновения и отражения в промышленных, коммерческих и жилых приложениях.

Пассивное солнечное нагревание воды [ править ]

Есть много способов использовать солнечную тепловую энергию для нагрева воды для бытовых нужд. Различные активные и пассивные солнечные технологии горячего водоснабжения имеют различные последствия для анализа экономической эффективности затрат в зависимости от местоположения .

Фундаментальное пассивное солнечное водяное отопление не требует использования насосов или чего-либо электрического. Это очень рентабельно в климате, где нет продолжительных морозных или очень облачных погодных условий. ^[31] Другие активные технологии солнечного нагрева воды и т. Д. Могут быть более подходящими для некоторых мест.

Можно использовать активную солнечную горячую воду, которая также может быть отключена от сети и считается экологически безопасной. Это делается с помощью фотоэлектрического элемента, который использует энергию солнца для питания насосов. ^[32]

Сравнение со стандартом пассивного дома в Европе [ править ]

В Европе набирает обороты подход, поддерживаемый Институтом пассивного дома ( Passivhaus на немецком языке) в Германии. Вместо того, чтобы полагаться исключительно на традиционные методы проектирования пассивных солнечных батарей, этот подход направлен на использование всех пассивных источников тепла, минимизирует потребление энергии и подчеркивает необходимость высокого уровня изоляции, усиленной 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 дизайн зданий пассивного дома разработан с использованием инструмента моделирования на основе электронных таблиц, который называется Пакет планирования пассивного дома (PHPP), который периодически обновляется. Текущая версия - PHPP 9.6 (2018). Здание может быть сертифицировано как «Пассивный дом», если будет продемонстрировано, 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 в год.

Сравнение со зданием с нулевым нагревом [ править ]

С достижениями в области остекления со сверхнизким коэффициентом теплопередачи предлагается построить на базе пассивного дома (почти) нулевое отопление, чтобы заменить явно вышедшие из строя здания с почти нулевым потреблением энергии в ЕС. Здание с нулевым нагревом уменьшает 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 кВтч / м ² a. Здание с нулевым нагревом проще в проектировании и эксплуатации. Например: в домах с нулевым отоплением нет необходимости в модулированном затемнении от солнца.

Инструменты дизайна [ править ]

Традиционно гелиодон использовался для имитации высоты и азимута солнца, падающего на модельное здание в любое время и в любой день года. ^[33] В наше время компьютерные программы могут моделировать это явление и интегрировать местные климатические данные (включая воздействие на объект, такое как затенение и физические препятствия), чтобы предсказать потенциал солнечной энергии для конкретной конструкции здания в течение года. Приложения для смартфонов на основе GPS теперь могут делать это недорого на портативных устройствах. Эти инструменты дизайнапредоставить проектировщику пассивных солнечных батарей возможность оценить местные условия, элементы дизайна и ориентацию до начала строительства. Оптимизация энергетических характеристик обычно требует итеративного процесса проектирования и оценки. Не существует такой вещи, как универсальная пассивная солнечная конструкция здания, подходящая для всех, которая бы хорошо работала во всех местах.

Уровни применения [ править ]

Многие отдельно стоящие загородные дома позволяют снизить расходы на отопление без очевидных изменений внешнего вида, комфорта или удобства использования. ^[34] Это достигается за счет правильного размещения и расположения окон, небольшого количества тепловой массы, с хорошей, но традиционной изоляцией, атмосферостойкостью и случайным дополнительным источником тепла, таким как центральный радиатор, подключенный к (солнечному) водонагревателю. Днем солнечные лучи могут падать на стену и повышать температуру ее тепловой массы . Вечером это будет излучать тепло в здание. Внешнее затенение или радиационный барьер плюс воздушный зазор можно использовать для уменьшения нежелательного солнечного излучения летом.

Расширение «пассивного солнечного» подхода к сезонному улавливанию и хранению тепла и холода. Эти конструкции пытаются улавливать солнечное тепло в теплое время года и передавать его в сезонные тепловые накопители для использования через несколько месяцев в холодное время года («пассивная солнечная энергия в годовом исчислении»). Увеличение накопления достигается за счет использования большого количества тепловой массы или заземления . Отдельные сообщения предполагают, что они могут быть эффективными, но официальных исследований, демонстрирующих их превосходство, не проводилось. Такой подход также может перенести охлаждение в теплое время года. Примеры:

• Пассивное ежегодное хранение тепла (PAHS) - Джон Хейт
• Годовое использование геотермальной солнечной энергии (AGS) для отопления - Дон Стивен
• Земляная крыша

«Чисто пассивный» дом с солнечным обогревом не будет иметь механической печи, полагаясь вместо этого на энергию, улавливаемую солнечным светом, только дополненную «случайной» тепловой энергией, выделяемой светильниками, компьютерами и другими специализированными приборами (например, для приготовление пищи, развлечения и т. д.), душ, люди и домашние животные. Использование потоков воздуха с естественной конвекцией (а не механических устройств, таких как вентиляторы) для циркуляции воздуха связано, хотя и не строго с солнечным дизайном. При проектировании пассивных солнечных батарей 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 обогревом для улучшения конвективного воздушного потока. Разумный способ проанализировать эти системы - измерить их коэффициент полезного действия.. Тепловой насос может использовать 1 Дж на каждые 4 Дж, которые он поставляет, что дает COP, равный 4. Система, в которой используется только вентилятор мощностью 30 Вт для более равномерного распределения 10 кВт солнечного тепла по всему дому, будет иметь COP 300.

Пассивная солнечная конструкция здания часто является основополагающим элементом рентабельного здания с нулевым потреблением энергии . ^{[35] [36]} Хотя ZEB использует несколько концепций проектирования пассивных солнечных батарей, ZEB обычно не является чисто пассивным, имея активные механические системы генерации возобновляемой энергии, такие как: ветряные турбины , фотоэлектрические , микрогидравлические , геотермальные и другие появляющиеся альтернативные источники энергии. источники. Пассивная солнечная энергия также является основной стратегией проектирования зданий для обеспечения пассивной живучести , наряду с другими пассивными стратегиями. ^[37]

Пассивный солнечный дизайн на небоскребах [ править ]

В последнее время проявился интерес к использованию больших площадей небоскребов для повышения их общей энергоэффективности. Поскольку небоскребы становятся все более распространенными в городской среде, но при этом требуют большого количества энергии для работы, существует потенциал для значительной экономии энергии с использованием методов пассивного солнечного проектирования. Одно исследование ^{[38], в} котором анализировались предлагаемые 22 BishopsgateTower в Лондоне, обнаружили, что снижение спроса на энергию на 35% теоретически может быть достигнуто за счет косвенного увеличения солнечной энергии, поворота здания для достижения оптимальной вентиляции и проникновения дневного света, использования напольных покрытий с высокой термальной массой для уменьшения колебаний температуры внутри здания и использование оконного стекла с двойным или тройным остеклением с низким коэффициентом излучения для прямого солнечного излучения. Методы косвенного воздействия солнечной энергии включали уменьшение теплового потока стены за счет изменения толщины стены (от 20 до 30 см), использование оконного остекления на открытом воздухе для предотвращения потерь тепла, выделение 15–20% площади пола для аккумулирования тепла и использование тромба. стенадля поглощения тепла, попадающего в пространство. Свесы используются, чтобы блокировать прямой солнечный свет летом и пропускать его зимой, а жалюзи, отражающие тепло, вставляются между тепловой стеной и остеклением, чтобы ограничить накопление тепла в летние месяцы.

Другое исследование ^[39] проанализировало фасад с двойной зеленой обшивкой (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 окна к стене, защита от солнца и стратегии крыши, могут обеспечить значительную экономию энергии в диапазоне от 30% до 60%. ^[40]

См. Также [ править ]

Системы оценки энергопотребления

• Энергетический рейтинг дома (Aust.)
• Энергетический рейтинг дома (США)
• EnerGuide (Канада)
• Национальный рейтинг энергопотребления дома (Великобритания)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• www.solarbuildings.ca - Канадская сеть исследований солнечных зданий
• www.eere.energy.gov - Рекомендации Министерства энергетики США (DOE)
• «Пассивное солнечное проектирование зданий» . Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии. Министерство энергетики США . Проверено 27 марта 2011 .
• www.climatechange.gov.au - Австралийский департамент изменения климата и энергоэффективности
• www.ornl.gov - Национальная лаборатория Окриджа (ORNL) Строительные технологии
• www.FSEC.UCF.edu - Центр солнечной энергии Флориды
• www.ZeroEnergyDesign.com - 28 лет проектирования пассивных солнечных батарей
• [1] - Сборные домашние пассивные солнечные комплекты
• Рекомендации по проектированию пассивных солнечных батарей
• http://www.solaroof.org/wiki
• www.PassiveSolarEnergy.info - Обзор технологии пассивной солнечной энергии
• www.yourhome.gov.au/technical/index.html - Техническое руководство по вашему дому, разработанное Австралийским Содружеством, чтобы предоставить информацию о том, как проектировать, строить и жить в экологически устойчивых домах.
• amergin.tippinst.ie/downloadsEnergyArchhtml.html - Энергия в архитектуре, The European Passive Solar Handbook, Goulding JR, Owen Lewis J, Steemers Theo C, спонсируется Европейской комиссией, опубликовано Batsford 1986, переиздано в 1993 г.