Passiv solenergibyggnadsdesign

Del av en serie om
hållbar energi
A car drives past 4 wind turbines in a field, with more on the horizon
Energibesparing
Förnybar energi
Hållbar transport

I passiv solenergibyggnadsdesign är fönster, väggar och golv gjorda för att samla, lagra, reflektera och distribuera solenergi , i form av värme på vintern och avvisa solvärme på sommaren. Detta kallas passiv solenergidesign eftersom det, till skillnad från aktiva solvärmesystem , inte involverar användning av mekaniska och elektriska enheter.

Nyckeln till att designa en passiv solcellsbyggnad är att på bästa sätt dra fördel av det lokala klimatet genom att utföra en noggrann platsanalys . Element som ska beaktas inkluderar fönsterplacering och storlek, och glastyp , värmeisolering , värmemassa och skuggning. Passiv solenergidesignteknik kan enklast appliceras på nya byggnader, men befintliga byggnader kan anpassas eller "eftermonteras".

Passiv energivinst

Element av passiv solcellsdesign, visas i en direktförstärkningsapplikation

Passiv solteknik använder solljus utan aktiva mekaniska system (till skillnad från aktiv solenergi , som använder termiska kollektorer ). Sådana tekniker omvandlar solljus till användbar värme (i vatten, luft och termisk massa), orsakar luftrörelser för ventilation eller framtida användning, med liten användning av andra energikällor. Ett vanligt exempel är ett solarium på ekvatorsidan av en byggnad. Passiv kyla är användningen av liknande designprinciper för att minska kraven på sommarkyla.

Vissa passiva system använder en liten mängd konventionell energi för att kontrollera spjäll, fönsterluckor, nattisolering och andra enheter som förbättrar solenergiinsamling, lagring och användning och minskar oönskad värmeöverföring .

Passiva soltekniker inkluderar direkt och indirekt solenergi för uppvärmning av rum, solenergivattenuppvärmningssystem baserade på termosifonen , användning av termisk massa och fasförändringsmaterial för att bromsa inomhusluftens temperatursvängningar, solkokare , solskorstenen för att förbättra naturlig ventilation och jordskydd .

Mer allmänt inkluderar solteknik solugnen, men detta kräver vanligtvis en del extern energi för att rikta in sina koncentrerade speglar eller mottagare, och har historiskt sett inte visat sig vara praktiskt eller kostnadseffektivt för utbredd användning. "Lågvärdig" energibehov, såsom rymd- och vattenuppvärmning, har över tid visat sig vara bättre tillämpningar för passiv användning av solenergi.

Som en vetenskap

Den vetenskapliga grunden för passiv solbyggnadsdesign har utvecklats från en kombination av klimatologi , termodynamik (särskilt värmeöverföring : ledning (värme) , konvektion och elektromagnetisk strålning ), vätskemekanik / naturlig konvektion (passiv rörelse av luft och vatten utan användning av elektricitet, fläktar eller pumpar), och mänsklig termisk komfort baserad på värmeindex , psykrometri och entalpikontroll för byggnader som ska bebos av människor eller djur, solrum , solarier och växthus för att odla växter.

Särskild uppmärksamhet är uppdelad i: byggnadens plats, läge och solorientering, lokal solbana , rådande solinstrålning ( latitud /solsken/moln/ nederbörd ), design och konstruktionskvalitet/material, placering/storlek/typ av fönster och väggar, och inkorporering av solenergilagrande termisk massa med värmekapacitet .

som helst , för att uppnå en idealisk optimerad kostnads-/prestandalösning kräver noggrann, holistisk systemintegration av dessa vetenskapliga principer. Moderna förbättringar genom datormodellering (som det omfattande amerikanska energidepartementets "Energy Plus" programvara för energisimulering av byggnader ) och tillämpning av årtionden av lärdomar (sedan 1970-talets energikris) kan uppnå betydande energibesparingar och minskning av miljöskador, utan att offra funktionalitet eller estetik. Faktum är att passiv-soldesignfunktioner som ett växthus/solrum/solarium kan avsevärt förbättra boendet, dagsljuset, utsikten och värdet av ett hem, till en låg kostnad per utrymmesenhet.

Mycket har lärt sig om passiv solenergibyggnadsdesign sedan 1970-talets energikris. Många ovetenskapliga, intuitionsbaserade dyra konstruktionsexperiment har försökt och misslyckats med att uppnå nollenergi – den totala elimineringen av energiräkningar för uppvärmning och kylning.

Passiv solbyggnadskonstruktion kanske inte är svårt eller dyrt (med användning av befintliga material och teknik från hyllan), men den vetenskapliga passiva solbyggnadskonstruktionen är en icke-trivial ingenjörsinsats som kräver betydande studier av tidigare kontraintuitiva lärdomar, och tid att ange, utvärdera och iterativt förfina simuleringsinmatningen och -utgången.

Ett av de mest användbara utvärderingsverktygen efter konstruktion har varit användningen av termografi med hjälp av digitala värmekameror för en formell kvantitativ vetenskaplig energirevision . Värmebilder kan användas för att dokumentera områden med dålig värmeprestanda, såsom den negativa värmeeffekten av takvinklat glas eller ett takfönster en kall vinternatt eller varm sommardag.

De vetenskapliga lärdomarna under de senaste tre decennierna har fångats i sofistikerade omfattande datorsystem för simulering av byggnadsenergi ( som US DOE Energy Plus).

Vetenskaplig passiv solenergibyggnadsdesign med kvantitativ kostnadsfördel produktoptimering är inte lätt för en nybörjare. Graden av komplexitet har resulterat i pågående dålig arkitektur och många intuitionsbaserade, ovetenskapliga byggexperiment som gör sina designers besvikna och slösar bort en betydande del av sin byggbudget på olämpliga idéer.

Den ekonomiska motivationen för vetenskaplig design och ingenjörskonst är betydande. Om det hade tillämpats heltäckande på nybyggnadskonstruktioner med början 1980 (baserat på 1970-talets lärdomar), skulle USA kunna spara över $250 000 000 per år på dyr energi och relaterade föroreningar idag.

Sedan 1979 har Passive Solar Building Design varit ett avgörande element för att uppnå noll energi genom experiment från utbildningsinstitutioner och regeringar runt om i världen, inklusive US Department of Energy, och de energiforskare som de har stöttat i årtionden. Det kostnadseffektiva proof of concept etablerades för decennier sedan, men kulturförändringar inom arkitektur, byggbranschen och byggnadsägares beslutsfattande har varit mycket långsamma och svåra.

De nya ämnena som arkitekturvetenskap och arkitekturteknik läggs till på några arkitektskolor, med ett framtida mål att lära ut ovanstående naturvetenskapliga och energitekniska principer. [ citat behövs ]

Solvägen i passiv design

Solhöjd över ett år; latitud baserad på New York , New York
Huvudartiklar: Solens väg och solens position

Förmågan att uppnå dessa mål samtidigt är i grunden beroende av årstidsvariationerna i solens bana under dygnet.

Detta uppstår som ett resultat av lutningen av jordens rotationsaxel i förhållande till dess omloppsbana . Solbanan är unik för varje given breddgrad .

På norra halvklotet icke-tropiska breddgrader längre än 23,5 grader från ekvatorn:

  • Solen når sin högsta punkt mot söder (i ekvatorns riktning)
  • När vintersolståndet närmar sig rör sig vinkeln med vilken solen går upp och ner gradvis längre mot söder och dagsljusetimmar kommer att bli kortare
  • Motsatsen noteras på sommaren där solen kommer att gå upp och gå ner längre mot norr och dagsljuset kommer att förlängas

Det omvända observeras på södra halvklotet, men solen går upp i öster och går ner mot väster oavsett vilket halvklot du befinner dig på.

I ekvatorialregioner vid mindre än 23,5 grader kommer solens position vid solens middagstid att pendla från norr till söder och tillbaka igen under året.

I regioner närmare än 23,5 grader från antingen nord- eller sydpolen kommer solen under sommaren att spåra en hel cirkel på himlen utan att gå ner medan den aldrig kommer att dyka upp över horisonten sex månader senare, under högvintern.

47-gradersskillnaden i solens höjd vid solens middagstid mellan vinter och sommar utgör grunden för passiv solenergidesign. Denna information kombineras med lokala klimatdata ( graddagar ) krav på uppvärmning och kylning för att avgöra vid vilken tid på året solvinst kommer att vara fördelaktigt för termisk komfort , och när den bör blockeras med skuggning. Genom strategisk placering av föremål som glas och skuggningsanordningar kan procentandelen av solvinsten som kommer in i en byggnad kontrolleras under hela året.

Ett problem med utformningen av passiva solvägar är att även om solen befinner sig i samma relativa position sex veckor före och sex veckor efter solståndet, på grund av "termisk eftersläpning" från jordens termiska massa, kräver temperatur och solvinst . är ganska olika före och efter sommar- eller vintersolståndet. Rörliga fönsterluckor, skärmar, skärmar eller fönstertäcken kan tillgodose dagliga krav på solenergi och isolering från timme till timme.

Noggrant arrangemang av rum kompletterar den passiva solcellsdesignen. En vanlig rekommendation för bostäder är att placera bostadsområden mot solen middag och sovplatser på motsatt sida. En heliodon är en traditionell rörlig ljusanordning som används av arkitekter och designers för att hjälpa till att modellera solvägseffekter. I modern tid kan 3D-datorgrafik visuellt simulera dessa data och beräkna prestandaförutsägelser.

Principer för passiv solvärmeöverföring

Personlig termisk komfort är en funktion av personliga hälsofaktorer (medicinska, psykologiska, sociologiska och situationsbetingade), omgivande lufttemperatur, medelstrålningstemperatur , luftrörelse ( vindkyla , turbulens ) och relativ luftfuktighet (påverkar människans avdunstningskylning ). Värmeöverföring i byggnader sker genom konvektion , ledning och värmestrålning genom tak, väggar, golv och fönster.

Konvektiv värmeöverföring

Konvektiv värmeöverföring kan vara fördelaktigt eller skadligt. Okontrollerad luftinfiltration från dålig väderbeständighet / vindskydd / dragskydd kan bidra med upp till 40 % av värmeförlusten under vintern; strategisk placering av manövrerbara fönster eller ventiler kan dock förbättra konvektion, korsventilation och sommarkyla när uteluften har en behaglig temperatur och relativ luftfuktighet . Filtrerade ventilationssystem för energiåtervinning kan vara användbara för att eliminera oönskad fukt, damm, pollen och mikroorganismer i ofiltrerad ventilationsluft.

Naturlig konvektion som orsakar stigande varm luft och fallande svalare luft kan resultera i en ojämn skiktning av värmen. Detta kan orsaka obekväma temperaturvariationer i det övre och nedre konditionerade utrymmet, fungera som en metod för att ventilera varm luft, eller vara utformad som en naturligt konvektionsluftflödesslinga för passiv solvärmedistribution och temperaturutjämning . Naturlig mänsklig nedkylning genom svett och avdunstning kan underlättas genom naturlig eller påtvingad konvektiv luftrörelse av fläktar, men takfläktar kan störa de skiktade isolerande luftlagren överst i ett rum och påskynda värmeöverföringen från en varm vind eller genom närliggande fönster . Dessutom hämmar hög relativ luftfuktighet avdunstningskylning av människor.

Strålningsvärmeöverföring

Den huvudsakliga källan till värmeöverföring är strålningsenergi , och den primära källan är solen. Solinstrålning sker främst genom tak och fönster (men även genom väggar). Termisk strålning rör sig från en varmare yta till en svalare. Tak får merparten av den solstrålning som levereras till ett hus. Ett svalt tak , eller grönt tak utöver en strålande barriär kan hjälpa till att förhindra att din vind blir varmare än den maximala utomhustemperaturen på sommaren (se albedo , absorptionsförmåga , emissivitet och reflektivitet ).

Fönster är en färdig och förutsägbar plats för termisk strålning . Energi från strålning kan flytta in i ett fönster på dagtid och ut genom samma fönster på natten. Strålning använder fotoner för att sända elektromagnetiska vågor genom ett vakuum, eller genomskinligt medium. Solvärmevinsten kan vara betydande även under kalla klara dagar. Solvärmevinsten genom fönster kan minskas genom isolerade glasrutor , skuggning och orientering. Fönster är särskilt svårisolerade jämfört med tak och väggar. Konvektiv värmeöverföring genom och runt fönsterbeklädnader försämrar också dess isoleringsegenskaper. Vid skuggning av fönster är yttre skuggning effektivare för att minska värmevinsten än invändiga fönsterbeklädnader .

Västerländsk och östlig sol kan ge värme och belysning, men är känsliga för överhettning på sommaren om de inte skuggas. Däremot släpper den låga middagssolen lätt in ljus och värme under vintern, men kan lätt skuggas med lämplig längd överhäng eller vinklade jalusier under sommaren och lövbärande sommarskuggträd som fäller sina löv på hösten. Mängden strålningsvärme som tas emot är relaterat till platsen för latitud , höjd , molntäcke och säsongs/timmes infallsvinkel (se Solbanan och Lamberts cosinuslag) .

En annan passiv solcellsdesignprincip är att värmeenergi kan lagras i vissa byggnadsmaterial och frigöras igen när värmeökningen lättar för att stabilisera dygnstemperaturvariationer (dag/natt). Den komplexa interaktionen mellan termodynamiska principer kan vara kontraintuitiv för förstagångsdesigners. Exakt datormodellering kan hjälpa till att undvika kostsamma byggexperiment.

Platsspecifika överväganden under design

Designelement för bostadshus i tempererat klimat

  • Placering av rumstyper, innerdörrar och väggar samt utrustning i huset.
  • Orientera byggnaden mot ekvatorn (eller några grader österut för att fånga morgonsolen)
  • Förlängning av byggnadsdimensionen längs axeln öst–väst
  • Passande storlek på fönster för att möta middagssolen på vintern och vara skuggad på sommaren.
  • Minimera fönster på andra sidor, speciellt västra fönster
  • Uppföra korrekt dimensionerade, breddgradsspecifika taköverhäng eller skuggelement (buskage, träd, spaljéer, staket, fönsterluckor, etc.)
  • Använda lämplig mängd och typ av isolering inklusive strålningsbarriärer och bulkisolering för att minimera säsongsbetonad överdriven värmeökning eller förlust
  • Använda termisk massa för att lagra överskott av solenergi under vinterdagen (som sedan återbestrålas under natten)

Den exakta mängden glas som vänder mot ekvatorn och termisk massa bör baseras på noggrant övervägande av latitud, höjd över havet, klimatförhållanden och krav på uppvärmnings-/ kylningsgradsdagar .

Faktorer som kan försämra termisk prestanda:

  • Avvikelse från ideal orientering och bildförhållande nord–syd/öst/väst
  • Överdriven glasyta ("överglasning") som resulterar i överhettning (vilket också resulterar i bländning och blekning av mjuka möbler) och värmeförlust när den omgivande lufttemperaturen sjunker
  • Installera inglasningar där solvinst under dagen och värmeförluster under natten inte kan kontrolleras lätt, t.ex.
  • Värmeförluster genom oisolerade eller oskyddade glas
  • Brist på tillräcklig skuggning under säsongsperioder med hög solvinst (särskilt på västra väggen)
  • Felaktig applicering av termisk massa för att modulera dagliga temperaturvariationer
  • Öppna trappor som leder till ojämn fördelning av varm luft mellan övre och nedre våningen när varm luft stiger
  • Stor byggnadsyta till volym – För många hörn
  • Otillräcklig väderbeständighet leder till hög luftinfiltration
  • Brist på, eller felaktigt installerade, strålningsbarriärer under den varma årstiden. (Se även coolt tak och grönt tak )
  • Isoleringsmaterial som inte är anpassade till huvudsättet för värmeöverföring (t.ex. oönskad konvektiv/ledande/strålande värmeöverföring )

Effektivitet och ekonomi för passiv solvärme

Tekniskt sett är PSH mycket effektivt. System med direktförstärkning kan utnyttja (dvs. omvandla till "nyttig" värme) 65–70 % av energin från solstrålning som träffar öppningen eller kollektorn.

Passiv solfraktion (PSF) är den procentandel av den erforderliga värmebelastningen som PSH uppfyller och representerar därmed en potentiell minskning av uppvärmningskostnaderna. RETScreen International har rapporterat en PSF på 20–50 %. Inom hållbarhetsområdet anses energibesparing till och med i storleksordningen 15 % vara betydande .

Andra källor rapporterar följande PSF:er:

  • 5–25 % för blygsamma system
  • 40 % för "högt optimerade" system
  • Upp till 75 % för "mycket intensiva" system

I gynnsamma klimat som sydvästra USA kan mycket optimerade system överstiga 75 % PSF.

För mer information se Solar Air Heat

Nyckelkonfigurationer för passiva solenergibyggnader

Det finns tre distinkta passiva solenergikonfigurationer, och åtminstone en anmärkningsvärd hybrid av dessa grundläggande konfigurationer:

  • direkta solsystem
  • indirekta solsystem
  • hybrid direkt/indirekt solsystem
  • isolerade solsystem

Direkt solsystem

I ett passivt solsystem med direktförstärkning fungerar inomhusutrymmet som en solfångare, värmeabsorbent och distributionssystem. Södervänt glas på norra halvklotet (norrvänt på södra halvklotet) släpper in solenergi i byggnadens inre där det direkt värmer (strålningsenergiabsorption) eller indirekt värmer (genom konvektion) termisk massa i byggnaden såsom betong eller murverk golv och väggar. Golven och väggarna som fungerar som termisk massa ingår som funktionella delar av byggnaden och dämpar uppvärmningsintensiteten under dagen. På natten utstrålar den uppvärmda termiska massan värme till inomhusutrymmet.

I kalla klimat är en solhärdad byggnad den mest grundläggande typen av passiv solkonfiguration med direkt förstärkning som helt enkelt innebär att man ökar (något) den södervända glasytan utan att lägga till ytterligare termisk massa. Det är en typ av direktförstärkningssystem där byggnadsskalet är välisolerat, är avlångt i öst–västlig riktning och har en stor del (~80 % eller mer) av fönstren på södra sidan. Den har lite extra termisk massa utöver det som redan finns i byggnaden (dvs. bara inramning, väggskiva och så vidare). I en solhärdad byggnad bör fönsterytan i söderläge begränsas till cirka 5 till 7 % av den totala golvytan, mindre i ett soligt klimat, för att förhindra överhettning. Ytterligare fönster i söderläge kan ingå endast om mer termisk massa tillsätts. Energibesparingarna är blygsamma med detta system, och solhärdning är mycket låg kostnad.

I äkta passiva solsystem med direkt förstärkning krävs tillräcklig termisk massa för att förhindra stora temperaturfluktuationer i inomhusluften; mer termisk massa krävs än i en solhärdad byggnad. Överhettning av byggnadens interiör kan leda till otillräcklig eller dåligt utformad termisk massa. Ungefär en halv till två tredjedelar av den inre ytan på golv, väggar och tak måste vara konstruerade av värmelagringsmaterial. Värmelagringsmaterial kan vara betong, adobe, tegel och vatten. Termisk massa i golv och väggar bör hållas så kal som funktionellt och estetiskt möjligt; termisk massa måste utsättas för direkt solljus. Vägg-till-vägg mattor, stora mattor, vidsträckta möbler och stora väggbonader bör undvikas.

Typiskt, för ungefär var 1 fot 2 av glas i söderläge, krävs ungefär 5 till 10 fot 3 termisk massa för termisk massa (1 m 3 per 5 till 10 m 2 ). När man räknar med minimala till genomsnittliga vägg- och golvbeläggningar och möbler motsvarar detta vanligtvis cirka 5 till 10 ft 2 per ft 2 (5 till 10 m 2 per m 2 ) av glas i söderläge, beroende på om solljuset träffar ytan direkt. Den enklaste tumregeln är att termisk massayta bör ha en yta på 5 till 10 gånger ytan av den direktförstärkta uppsamlaren (glas) arean.

Fast termisk massa (t.ex. betong, murverk, sten, etc.) bör vara relativt tunn, inte mer än cirka 100 mm tjock. Termiska massor med stora exponerade ytor och de i direkt solljus under åtminstone en del av dagen (minst 2 timmar) fungerar bäst. Medium till mörka färger med hög absorptionsförmåga bör användas på ytor av termiska massaelement som kommer att vara i direkt solljus. Termisk massa som inte är i kontakt med solljus kan vara vilken färg som helst. Lättviktselement (t.ex. gipsväggar och tak) kan ha vilken färg som helst. Att täcka glaset med tättslutande, flyttbara isoleringspaneler under mörka, molniga perioder och nattetid kommer att avsevärt förbättra prestandan hos ett system med direktförstärkning. Vatten som finns i plast- eller metallinneslutning och placerat i direkt solljus värms upp snabbare och jämnare än fast massa på grund av naturlig konvektionsvärmeöverföring. Konvektionsprocessen förhindrar också att yttemperaturerna blir för extrema, vilket de ibland gör när mörkfärgade fasta massaytor får direkt solljus.

Beroende på klimat och med adekvat termisk massa bör glasarea i söderläge i ett direktförstärkningssystem begränsas till cirka 10 till 20 % av golvytan (t.ex. 10 till 20 fot 2 glas för en 100 fot 2 golvarea ) . Detta bör baseras på nätglaset eller glasytan. Observera att de flesta fönster har en nettoglasyta som är 75 till 85 % av den totala fönsterenhetens area. Över denna nivå är problem med överhettning, bländning och blekning av tyger troliga.

Indirekt solsystem

I ett passivt solsystem med indirekt förstärkning är den termiska massan ( betong , murverk eller vatten) belägen direkt bakom glaset som vetter mot söder och framför det uppvärmda inomhusutrymmet, så det finns ingen direkt uppvärmning. Massans position förhindrar solljus kommer in i inomhusutrymmet och kan även hindra sikten genom glaset. Det finns två typer av indirekta förstärkningssystem: termiska lagringsväggsystem och takdammssystem.

Termisk lagring (Trombe) Väggar

I ett termiskt lagringsväggsystem , ofta kallat en Trombe-vägg , är en massiv vägg placerad direkt bakom söderläge glas, som absorberar solenergi och släpper ut den selektivt mot byggnadens inre nattetid. Väggen kan konstrueras av platsgjuten betong, tegel, adobe, sten eller massiva (eller fyllda) murverk av betong. Solljus kommer in genom glaset och absorberas omedelbart vid ytan av massaväggen och antingen lagras eller leds genom materialmassan till det inre utrymmet. Den termiska massan kan inte absorbera solenergi lika snabbt som den kommer in i utrymmet mellan massan och fönsterytan. Temperaturen på luften i detta utrymme kan lätt överstiga 49 °C (120 °F). Denna heta luft kan föras in i de inre utrymmena bakom väggen genom att införliva värmefördelande ventiler längst upp på väggen. Detta väggsystem föreställdes och patenterades först 1881 av dess uppfinnare, Edward Morse. Felix Trombe, som detta system ibland kallas för, var en fransk ingenjör som byggde flera hem med denna design i de franska Pyrenéerna på 1960-talet.

En termisk lagringsvägg består vanligtvis av en 4 till 16 tum (100 till 400 mm) tjock murvägg belagd med en mörk, värmeabsorberande finish (eller en selektiv yta) och täckt med ett enkelt eller dubbelt lager av glas med hög transmissivitet. Glaset placeras vanligtvis från ¾ till 2 tum från väggen för att skapa ett litet luftrum. I vissa utföranden är massan placerad 1 till 2 fot (0,6 m) från glaset, men utrymmet är fortfarande inte användbart. Ytan på den termiska massan absorberar solstrålningen som träffar den och lagrar den för nattlig användning. Till skillnad från ett direktförstärkningssystem ger det termiska lagringsväggsystemet passiv solvärme utan överdriven fönsteryta och bländning i interiöra utrymmen. Möjligheten att dra nytta av utsikt och dagsljus är dock eliminerad. Trombe-väggars prestanda försämras om väggen inte är öppen mot de inre utrymmena. Möbler, bokhyllor och väggskåp installerade på väggens inre yta kommer att minska dess prestanda.

En klassisk Trombe-vägg , även allmänt kallad en ventilerad termisk lagringsvägg , har manövrerbara ventiler nära taket och golvnivåerna på massväggen som tillåter inomhusluft att flöda genom dem genom naturlig konvektion. När solstrålningen värmer upp luften som är instängd mellan glaset och väggen och den börjar stiga. Luft dras in i den nedre ventilen, sedan in i utrymmet mellan glaset och väggen för att värmas upp av solstrålning, vilket ökar dess temperatur och får den att stiga, och går sedan ut genom den övre (taket) ventilen tillbaka till inomhusutrymmet. Detta tillåter väggen att direkt införa uppvärmd luft i utrymmet; vanligtvis vid en temperatur av cirka 90 °F (32 °C).

Om ventilationsöppningarna lämnas öppna på natten (eller på molniga dagar), kommer en omkastning av konvektivt luftflöde att inträffa, vilket slösar bort värme genom att avleda den utomhus. Ventilerna måste vara stängda på natten så att strålningsvärmen från förvaringsväggens insida värmer upp inomhusutrymmet. Generellt är ventilationsöppningarna också stängda under sommarmånaderna när värmeökning inte behövs. Under sommaren kan en utvändig utblåsningsventil installerad i toppen av väggen öppnas för att ventilera utåt. Sådan ventilation gör att systemet fungerar som en solskorsten som driver luft genom byggnaden under dagen.

Ventilerade termiska lagringsväggar som ventileras till interiören har visat sig vara något ineffektiva, mest för att de levererar för mycket värme under dagen i milt väder och under sommarmånaderna; de överhettas helt enkelt och skapar komfortproblem. De flesta solexperter rekommenderade att värmelagringsväggar inte skulle ventileras till interiören.

Det finns många varianter av Trombes väggsystem. En oventilerad termisk lagringsvägg (tekniskt sett inte en Trombe-vägg) fångar upp solenergi på den yttre ytan, värmer upp och leder värme till den inre ytan, där den strålar ut från den inre väggytan till inomhusutrymmet senare på dagen. En vattenvägg använder en typ av termisk massa som består av tankar eller rör med vatten som används som termisk massa.

En typisk oventilerad värmeförrådsvägg består av en mur- eller betongvägg i söderläge med ett mörkt, värmeabsorberande material på utsidan och belagd med ett enkelt eller dubbelt lager glas. Högtransmissionsglas maximerar solvinster till massväggen. Glaset placeras från ¾ till 6 tum (20 till 150 mm) från väggen för att skapa ett litet luftrum. Glasinramning är vanligtvis av metall (t.ex. aluminium) eftersom vinyl kommer att mjukna och trä kommer att bli supertorkat vid den temperatur på 180 °F (82 °C) som kan finnas bakom glaset i väggen. Värme från solljus som passerar genom glaset absorberas av den mörka ytan, lagras i väggen och leds långsamt inåt genom murverket. Som en arkitektonisk detalj kan mönstrat glas begränsa väggens yttre synlighet utan att ge avkall på soltransmissiviteten.

En vattenvägg använder behållare med vatten för termisk massa istället för en fast massavägg. Vattenväggar är vanligtvis något mer effektiva än väggar med fast massa eftersom de absorberar värme mer effektivt på grund av utvecklingen av konvektiva strömmar i det flytande vattnet när det värms upp. Dessa strömmar orsakar snabb blandning och snabbare överföring av värme in i byggnaden än vad de fasta massaväggarna kan tillhandahålla.

Temperaturvariationer mellan ytter- och innerväggsytor driver värme genom massväggen. Inne i byggnaden fördröjs dock värmeökningen under dagen och blir endast tillgänglig på den inre ytan av den termiska massan under kvällen när den behövs eftersom solen har gått ner. Tidsfördröjningen är tidsskillnaden mellan när solljuset först träffar väggen och när värmen kommer in i byggnaden. Tidsfördröjning är beroende av typen av material som används i väggen och väggtjockleken; en större tjocklek ger en större tidsfördröjning. Tidsfördröjningen som är karakteristisk för termisk massa, i kombination med dämpning av temperaturfluktuationer, möjliggör användningen av varierande solenergi under dagen som en mer enhetlig värmekälla på natten. Fönster kan placeras i väggen av naturlig belysning eller estetiska skäl, men detta tenderar att sänka effektiviteten något.

Tjockleken på en termisk lagringsvägg bör vara cirka 10 till 14 tum (250 till 350 mm) för tegel, 12 till 18 tum (300 till 450 mm) för betong, 8 till 12 tum (200 till 300 mm) för jord/adobe , och minst 150 mm (6 tum) för vatten. Dessa tjocklekar fördröjer värmerörelsen så att yttemperaturen inomhus når en topp under sena kvällstimmar. Värme kommer att ta cirka 8 till 10 timmar att nå byggnadens inre (värme går genom en betongvägg med en hastighet av cirka en tum per timme). En bra termisk anslutning mellan ytskikten på innerväggen (t.ex. gipsskivor) och den termiska massaväggen är nödvändig för att maximera värmeöverföringen till det inre utrymmet.

Även om placeringen av en termisk lagringsvägg minimerar överhettning av inomhusutrymmet under dagtid, bör en välisolerad byggnad begränsas till cirka 0,2 till 0,3 ft 2 av termisk massa väggyta per ft 2 golvyta som värms upp (0,2 till 0,3 m 2 per m 2 golvyta), beroende på klimatet. En vattenvägg bör ha cirka 0,15 till 0,2 ft 2 vattenväggsyta per ft 2 (0,15 till 0,2 m 2 per m 2 ) golvyta.

Termiska massaväggar är bäst lämpade för soliga vinterklimat som har höga dygns- (dag-natt) temperatursvängningar (t.ex. sydväst, berg-väst). De presterar inte lika bra i molnigt eller extremt kalla klimat eller i klimat där det inte finns en stor dygnstemperatursvängning. Termiska förluster på natten genom väggens termiska massa kan fortfarande vara betydande i molnigt och kallt klimat; väggen förlorar lagrad värme på mindre än ett dygn och sedan läcker värme, vilket dramatiskt ökar behovet av reservvärme. Att täcka glaset med tättslutande, rörliga isoleringspaneler under långa molniga perioder och nattetid kommer att förbättra prestandan hos ett termiskt lagringssystem.

Den största nackdelen med värmelagringsväggar är deras värmeförlust till utsidan. Dubbelglas (glas eller någon av plasterna) är nödvändigt för att minska värmeförlusten i de flesta klimat. I milda klimat är ett glas acceptabelt. En selektiv yta (högabsorberande/lågamitterande yta) applicerad på den yttre ytan av den termiska lagringsväggen förbättrar prestandan genom att minska mängden infraröd energi som utstrålas tillbaka genom glaset; typiskt sett uppnår den en liknande förbättring i prestanda utan behov av daglig installation och borttagning av isoleringspaneler. En selektiv yta består av en plåt av metallfolie limmad på väggens utsida. Den absorberar nästan all strålning i den synliga delen av solspektrumet och avger väldigt lite i det infraröda området. Hög absorbans gör ljuset till värme vid väggens yta och låg emittans förhindrar att värmen strålar tillbaka mot glaset.

Takdammsystem

Ett passivt solsystem för takdamm , ibland kallat soltak , använder vatten som lagras på taket för att temperera varma och kalla inre temperaturer, vanligtvis i ökenmiljöer. Den är vanligtvis konstruerad av behållare som rymmer 6 till 12 tum (150 till 300 mm) vatten på ett platt tak. Vatten lagras i stora plastpåsar eller glasfiberbehållare för att maximera strålningsutsläppen och minimera avdunstning. Den kan lämnas oglaserad eller kan täckas av glasering. Solstrålning värmer vattnet, som fungerar som ett termiskt lagringsmedium. På natten eller under molnigt väder kan behållarna täckas med isolerande paneler. Inomhusutrymmet under takdammen värms upp av värmeenergi som avges från takdammen ovanför. Dessa system kräver bra dräneringssystem, rörlig isolering och ett förbättrat struktursystem för att stödja en dödlast på 35 till 70 lb/ft 2 (1,7 till 3,3 kN/m 2 ).

Med infallsvinklarna för solljus under dagen är takdammar endast effektiva för uppvärmning på lägre och mellanliggande breddgrader, i varma till tempererade klimat. Takdammssystem fungerar bättre för kylning i varma klimat med låg luftfuktighet. Inte många soltak har byggts, och det finns begränsad information om design, kostnad, prestanda och konstruktionsdetaljer för värmelagringstak.

Hybrid direkt/indirekt solsystem

Kachadorian visade att nackdelarna med termiska lagringsväggar kan övervinnas genom att orientera Trombe-väggen horisontellt istället för vertikalt. Om den termiska lagringsmassan är konstruerad som ett ventilerat betonggolv istället för som en vägg, hindrar den inte solljus från att komma in i bostaden (Trombeväggens mest uppenbara nackdel) men den kan ändå utsättas för direkt solljus genom dubbelglasad ekvator - Fönster som vetter mot varandra, som kan isoleras ytterligare med termiska fönsterluckor eller skärmar på natten. Trombe-väggens problematiska fördröjning av värmeupptagning under dagtid elimineras, eftersom värme inte behöver drivas genom väggen för att nå det inre luftrummet: en del av den reflekteras eller återutstrålar omedelbart från golvet. Förutsatt att plattan har luftkanaler som Trombe-väggen, som löper genom den i nord-sydlig riktning och ventileras till det inre luftrummet genom betongplattans golv strax innanför norra och södra väggarna, sker fortfarande kraftig lufttermosifonering genom plattan. som i den vertikala Trombe-väggen, fördelar den belagda värmen i hela huset (och kyler huset på sommaren genom den omvända processen).

Den ventilerade horisontella plattan är billigare att konstruera än vertikala Trombe-väggar, eftersom den utgör grunden för huset vilket är en nödvändig kostnad i alla byggnader. Platta-on-grade fundament är en vanlig, välförstådd och kostnadseffektiv byggnadskomponent (modifierad endast något genom införandet av ett lager av betong-tegel luftkanaler), snarare än en exotisk Trombe väggkonstruktion. Den enda kvarvarande nackdelen med denna typ av termisk massa solararkitektur är frånvaron av en källare, som i alla planlösningar.

Den Kachadorianska golvdesignen är ett passivt solsystem med direktförstärkning , men dess termiska massa fungerar också som ett indirekt uppvärmnings- (eller kylelement) och avger sin värme på natten. Det är ett hybridenergisystem med omväxlande cykel, som ett elhybridfordon .

Isolerat solsystem

I ett passivt solsystem med isolerad förstärkning är komponenterna (t.ex. kollektor och termisk lagring) isolerade från byggnadens inomhusområde.

Ett angränsat solutrymme , även ibland kallat ett solrum eller solarium , är en typ av isolerat förstärkt solsystem med ett inglasat inre utrymme eller rum som är en del av eller fäst vid en byggnad men som kan stängas av helt från de huvudsakliga ockuperade områdena. Det fungerar som ett bifogat växthus som använder en kombination av systemegenskaper med direkt vinst och indirekt vinst. Ett solutrymme kan kallas och se ut som ett växthus, men ett växthus är utformat för att odla växter medan ett solutrymme är utformat för att ge värme och estetik till en byggnad. Solutrymmen är mycket populära passiva designelement eftersom de utökar bostadsområdena i en byggnad och erbjuder ett rum för att odla växter och annan vegetation. I måttliga och kalla klimat krävs dock extra uppvärmning för att hålla växterna från att frysa under extremt kallt väder.

Ett bifogat solrums glas i söderläge samlar solenergi som i ett direktförstärkningssystem. Den enklaste solutrymmesdesignen är att installera vertikala fönster utan överliggande glas. Solutrymmen kan uppleva hög värmeökning och hög värmeförlust genom sitt överflöd av glas. Även om horisontella och sluttande glas samlar in mer värme på vintern, minimeras det för att förhindra överhettning under sommarmånaderna. Även om takfönster kan vara estetiskt tilltalande ger ett isolerat tak bättre termisk prestanda. Takfönster kan användas för att ge viss dagsljuspotential. Vertikal inglasning kan maximera vinsten på vintern, när solens vinkel är låg, och ge mindre värmevinst under sommaren. Vertikalt glas är billigare, lättare att installera och isolera och inte lika benäget att läcka, imma, gå sönder och andra glasfel. En kombination av vertikal glasning och viss sluttande inglasning är acceptabel om sommarskuggning tillhandahålls. Ett väldesignat överhäng kan vara allt som behövs för att skugga inglasningen på sommaren.

Temperaturvariationerna som orsakas av värmeförlusterna och vinsterna kan dämpas av termisk massa och lågemissionsfönster. Termisk massa kan innefatta ett murat golv, en murad vägg som gränsar till huset eller vattenbehållare. Distribution av värme till byggnaden kan åstadkommas genom ventiler, fönster, dörrar eller fläktar i tak och golv. I en vanlig design kommer termisk massavägg placerad på baksidan av solutrymmet i anslutning till bostadsutrymmet att fungera som en indirekt förstärkt termisk massavägg. Solenergi som kommer in i solrummet hålls kvar i den termiska massan. Solvärme transporteras in i byggnaden genom ledning genom den delade massaväggen på baksidan av solutrymmet och genom ventiler (som en oventilerad termisk lagringsvägg) eller genom öppningar i väggen som tillåter luftflöde från solutrymmet till inomhusutrymmet genom konvektion ( som en ventilerad termisk förvaringsvägg).

I kallt klimat bör dubbla glasrutor användas för att minska ledningsförlusterna genom glaset till utsidan. Värmeförlusten nattetid, även om den är betydande under vintermånaderna, är inte lika viktig i solutrymmet som med direktförstärkningssystem eftersom solutrymmet kan stängas av från resten av byggnaden. I tempererade och kalla klimat är det viktigt att termiskt isolera solutrymmet från byggnaden på natten. Stora glaspaneler, franska dörrar eller skjutdörrar i glas mellan byggnaden och det anslutande solutrymmet kommer att bibehålla en öppen känsla utan värmeförlusten i samband med ett öppet utrymme.

Ett solutrymme med en murad termisk vägg kommer att behöva cirka 0,3 ft 2 av termisk massa väggyta per ft 2 golvyta som värms upp (0,3 m 2 per m 2 golvarea), beroende på klimatet. Väggtjocklekar bör likna en termisk lagringsvägg. Om en vattenvägg används mellan solutrymmet och bostadsutrymmet, är cirka 0,20 ft 2 av termisk massa väggyta per ft 2 golvyta som värms upp (0,2 m 2 per m 2 golvarea). I de flesta klimat krävs ett ventilationssystem under sommarmånaderna för att förhindra överhettning. I allmänhet bör stora överliggande (horisontella) och öst- och västvända glasytor inte användas i solutrymmen utan särskilda försiktighetsåtgärder för överhettning sommartid, som att använda värmereflekterande glas och tillhandahålla områden med sommarskuggsystem.

De inre ytorna på den termiska massan ska vara mörka i färgen. Rörlig isolering (t.ex. fönsterbeklädnader, skärmar, fönsterluckor) kan användas för att fånga den varma luften i solrummet både efter att solen har gått ner och under molnigt väder. När den är stängd under extremt varma dagar kan fönsterbeklädnader hjälpa till att hålla solutrymmet från överhettning.

För att maximera komforten och effektiviteten bör solutrymmesväggarna, taket och grunden vara välisolerade. Grundmurens eller plattans omkrets bör isoleras till frostlinjen eller runt plattans omkrets. I ett tempererat eller kallt klimat bör solutrymmets östra och västra väggar isoleras (inget glas).

Ytterligare åtgärder

Åtgärder bör vidtas för att minska värmeförlusten nattetid, t.ex. fönsterbeklädnader eller rörlig fönsterisolering.

Värmelagring

Solen skiner inte hela tiden. Värmelagring, eller termisk massa , håller byggnaden varm när solen inte kan värma den.

I dygnssolhus är förrådet utformat för en eller några dagar. Den vanliga metoden är en specialbyggd termisk massa. Detta inkluderar en Trombe-vägg , ett ventilerat betonggolv, en cistern, vattenvägg eller takdamm. Det är också möjligt att använda den termiska massan av själva jorden, antingen i befintligt skick eller genom inkorporering i strukturen genom bankning eller genom att använda ramad jord som ett strukturellt medium.

I subarktiska områden, eller områden som har långa sikt utan solvinst (t.ex. veckor av iskall dimma), är specialbyggd termisk massa mycket dyr. Don Stephens var pionjär med en experimentell teknik för att använda marken som termisk massa som är tillräckligt stor för årlig värmelagring. Hans design kör en isolerad termosifon 3 m under ett hus och isolerar marken med en 6 m vattentät kjol.

Isolering

Huvudartikel: Byggnadsisolering

Värmeisolering eller superisolering (typ, placering och mängd) minskar oönskat läckage av värme. Vissa passiva byggnader är faktiskt byggda av isolering .

Specialglassystem och fönsterbeklädnader

Huvudartiklar: Isolerglas och Fönsterbeklädnad

Effektiviteten hos system för direkt solenergi förbättras avsevärt av isolerande (t.ex. dubbelglas ), spektralt selektiva glas ( låg-e ) eller rörlig fönsterisolering (fönstertäcken, dubbelsidiga inre isoleringsluckor, skärmar, etc.).

I allmänhet bör fönster som vetter mot ekvatorn inte använda glasbeläggningar som hämmar solvinst.

Det finns en omfattande användning av superisolerade fönster i den tyska passivhusstandarden . Valet av olika spektralt selektiva fönsterbeläggningar beror på förhållandet mellan uppvärmning och kylningsgraddagar för designplatsen.

Val av glas

Ekvatornvänt glas

Kravet på vertikalt ekvatorvänt glas skiljer sig från de andra tre sidorna av en byggnad. Reflekterande fönsterbeläggningar och flera glasrutor kan minska användbar solvinst. System med direktförstärkning är dock mer beroende av dubbel- eller trippelglas eller till och med fyrglas på högre geografiska breddgrader för att minska värmeförlusten. Konfigurationer med indirekt förstärkning och isolerad förstärkning kan fortfarande fungera effektivt med endast englasglas. Ändå är den optimala kostnadseffektiva lösningen både plats- och systemberoende.

Takvinkelglas och takfönster

Takfönster släpper in starkt direkt solljus och bländar antingen horisontellt (ett platt tak) eller lutande i samma vinkel som takets lutning. I vissa fall används horisontella takfönster med reflektorer för att öka intensiteten av solstrålningen (och hård bländning), beroende på takets infallsvinkel . När vintersolen står lågt vid horisonten reflekteras den mesta solstrålningen från takvinklat glas (infallsvinkeln är nästan parallell med takvinklad glas morgon och eftermiddag). När sommarsolen står högt är den nästan vinkelrät mot takvinklat glas, vilket maximerar solvinsten vid fel tid på året och fungerar som en solugn. Takfönster bör vara täckta och välisolerade för att minska naturlig konvektion (varm luft som stiger), värmeförlust på kalla vinternätter och intensiv solvärmevinst under varma vår-/sommar-/höstdagar.

Den ekvatorvända sidan av en byggnad är söder på norra halvklotet och norr på södra halvklotet. Takfönster på tak som vetter bort från ekvatorn ger mestadels indirekt belysning, förutom sommardagar då solen kan gå upp på byggnadens sida utanför ekvatorn (på vissa breddgrader ). Takfönster på östervända tak ger maximal direktljus och solvärmevinst på sommarmorgonen. Takfönster i västerläge ger eftermiddagssolljus och värmeökning under den varmaste delen av dagen.

Vissa takfönster har dyra glasrutor som delvis minskar sommarens solvärmevinst, samtidigt som det tillåter en viss överföring av synligt ljus. Men om synligt ljus kan passera genom det, så kan viss strålningsvärmeökning (de är båda elektromagnetiska strålningsvågor ).

Du kan delvis minska en del av den oönskade takvinklade sommarsolvärmevinsten genom att installera ett takfönster i skuggan av lövträd , eller genom att lägga till en rörlig isolerad ogenomskinlig fönstertäckning på insidan eller utsidan av takfönstret . Detta skulle eliminera fördelen med dagsljus på sommaren. Om trädgrenar hänger över ett tak kommer de att öka problemen med löv i regnrännor, eventuellt orsaka takskadande isdammar , förkorta takets livslängd och ge en enklare väg för skadedjur att ta sig in på din vind. Löv och kvistar på takfönster är föga tilltalande, svåra att rengöra och kan öka risken för glasbrott i vindstormar.

"Sagtandstakglas" med enbart vertikalt glas kan föra in några av de passiva solenergibyggnadsfördelarna i kärnan av en kommersiell eller industribyggnad, utan behov av något takvinklat glas eller takfönster.

Takfönster ger dagsljus. Den enda vy de ger är i princip rakt upp i de flesta applikationer. Välisolerade ljusrör kan föra in dagsljus i norra rum, utan att använda takfönster. Ett passivt solcellsväxthus ger rikligt med dagsljus för ekvatorsidan av byggnaden.

Infraröd termografi med färgvärmekameror (används i formella energibesiktningar ) kan snabbt dokumentera den negativa värmeeffekten av takvinklat glas eller ett takfönster en kall vinternatt eller varm sommardag.

USA:s energidepartement säger: "Vertikal glasering är det överlag bästa alternativet för solutrymmen." Takvinklat glas och sidoväggsglas rekommenderas inte för passiva solutrymmen.

US DOE förklarar nackdelarna med takvinklade glasrutor: Glas och plast har liten strukturell styrka. När det installeras vertikalt, bär glas (eller plast) sin egen vikt eftersom endast ett litet område (överkanten av glaset) är utsatt för gravitation. När glaset lutar från den vertikala axeln måste dock en ökad yta (nu det lutande tvärsnittet) av glaset bära tyngdkraften. Glas är också sprött; den böjer sig inte mycket innan den går sönder. För att motverka detta måste man vanligtvis öka tjockleken på glaset eller öka antalet konstruktionsstöd för att hålla glaset. Båda ökar den totala kostnaden, och den senare kommer att minska mängden solenergi i solrummet.

Ett annat vanligt problem med sluttande glas är dess ökade exponering för vädret. Det är svårt att hålla en bra tätning på takvinklat glas i intensivt solljus. Hagel, snöslask, snö och vind kan orsaka materialfel. För passagerarnas säkerhet kräver tillsynsmyndigheter vanligtvis att lutande glas är tillverkat av säkerhetsglas, laminerat eller en kombination därav, vilket minskar potentialen för solenergi. Det mesta av det takvinklade glaset på Crowne Plaza Hotel Orlando Airports solutrymme förstördes i en enda vindstorm. Takvinklat glas ökar byggkostnaden och kan öka försäkringspremierna. Vertikalt glas är mindre känsligt för väderskador än takvinklat glas.

Det är svårt att kontrollera solvärmeökningen i ett solrum med sluttande glas under sommaren och även under mitten av en mild och solig vinterdag. Takfönster är motsatsen till nollenergibyggnad Passiv solkyla i klimat med krav på luftkonditionering.

Vinkel för infallande strålning

Mängden solvinst som överförs genom glas påverkas också av vinkeln på den infallande solstrålningen . Solljus som träffar en enstaka glasskiva inom 45 grader vinkelrätt transmitteras för det mesta (mindre än 10 % reflekteras ) , medan för solljus som träffar 70 grader från vinkelrät reflekteras över 20 % av ljuset, och över 70 grader ökar denna procentandel som reflekteras kraftigt. .

Alla dessa faktorer kan modelleras mer exakt med en fotografisk ljusmätare och en heliodon eller optisk bänk , som kan kvantifiera förhållandet mellan reflektivitet och transmissivitet , baserat på infallsvinkel .

Alternativt kan passiv solcellsdatorprogramvara bestämma effekten av solvägar och dagar för kylning och uppvärmning på energiprestanda .

Användbara skuggnings- och isoleringsanordningar

En design med för mycket glas som vetter mot ekvatorn kan resultera i överdriven uppvärmning på vintern, våren eller hösten, obehagligt ljusa utrymmen vid vissa tider på året och överdriven värmeöverföring på vinternätter och sommardagar.

Även om solen är på samma höjd 6 veckor före och efter solståndet, är kraven på uppvärmning och kylning före och efter solståndet väsentligt olika. Värmelagring på jordens yta orsakar "termisk eftersläpning". Variabelt molntäcke påverkar solvinstpotentialen. Detta innebär att latitudspecifika fasta fönsteröverhäng, även om de är viktiga, inte är en komplett lösning för säsongsbetonad solvinstkontroll.

Kontrollmekanismer (som manuella eller motoriserade invändiga isolerade gardiner, jalusier, utvändiga rullgardiner eller infällbara markiser) kan kompensera för skillnader som orsakas av termisk eftersläpning eller molntäcke, och hjälpa till att kontrollera variationer i solvinstbehovet varje dag/timme.

Hemautomationssystem som övervakar temperatur, solljus, tid på dagen och rumsbeläggning kan exakt styra motoriserade fönsterskuggnings- och isoleringsenheter.

Exteriöra färger reflekterande – absorberande


Material och färger kan väljas för att reflektera eller absorbera solvärmeenergi . Att använda information om en färg för elektromagnetisk strålning för att bestämma dess termiska strålningsegenskaper för reflektion eller absorption kan hjälpa valen. Se Lawrence Berkeley National Laboratory och Oak Ridge National Laboratory: "Cool Colors"

I kalla klimat med korta vinterdagar kan direktförstärkningssystem som använder ekvatornvända fönster faktiskt fungera bättre när snö täcker marken, eftersom reflekterat såväl som direkt solljus kommer in i huset och fångas upp som värme.

Landskapsarkitektur och trädgårdar

Huvudartikel: Energieffektiv landskapsarkitektur

Energieffektiva landskapsmaterial för noggranna passiva solenergival inkluderar byggnadsmaterial i hårda landskap och " softscape " växter . Användningen av landskapsdesignprinciper för val av träd , häckar och spaljé - pergola med vinrankor ; allt kan användas för att skapa sommarskuggning. För vintersolenergi är det önskvärt att använda lövfällande växter som tappar sina löv på hösten ger passiva solenergifördelar året runt. Icke lövfällande vintergröna buskar och träd kan vara vindskydd , på varierande höjder och avstånd, för att skapa skydd och skydd mot vinterns vindkyla . Xeriscaping med inhemska arter av "lämplig storlek" och torktoleranta växter , droppbevattning , mulching och ekologiska trädgårdsskötselmetoder minskar eller eliminerar behovet av energi- och vattenintensiv bevattning , gasdriven trädgårdsutrustning och minskar deponiavfallet fotavtryck. Soldriven landskapsbelysning och fontänpumpar och täckta simbassänger och avsvalkningspooler med solvärmare kan minska effekten av sådana bekvämligheter.

Andra passiva solprinciper

Passiv solbelysning

Huvudartikel: Passiv solbelysning

Passiv solbelysningsteknik förbättrar utnyttjandet av naturlig belysning för interiörer och minskar på så sätt beroendet av artificiella belysningssystem.

Detta kan uppnås genom noggrann byggnadsdesign, orientering och placering av fönsterpartier för att samla ljus. Andra kreativa lösningar innebär användning av reflekterande ytor för att släppa in dagsljus i en byggnads inre. Fönsterpartier bör vara tillräckligt stora och för att undvika överbelysning kan de skärmas av med en Brise-sula , markiser , välplacerade träd, glasbeläggningar och andra passiva och aktiva enheter.

En annan viktig fråga för många fönstersystem är att de kan vara potentiellt sårbara platser med överdriven värmeförstärkning eller värmeförlust. Medan högt monterade fönster och traditionella takfönster kan införa dagsljus i dåligt orienterade delar av en byggnad, kan oönskad värmeöverföring vara svår att kontrollera . Således kompenseras energi som sparas genom att minska artificiell belysning ofta mer än av den energi som krävs för att driva HVAC- system för att upprätthålla termisk komfort .

Olika metoder kan användas för att ta itu med detta, inklusive men inte begränsat till fönsterbeklädnader , isolerade glasrutor och nya material som aerogel semi-transparent isolering, optisk fiber inbäddad i väggar eller tak, eller hybrid solenergibelysning vid Oak Ridge National Laboratory .

Reflekterande element, från aktiva och passiva dagsljussamlare , såsom ljushyllor , ljusare vägg- och golvfärger, spegelväggspartier , innerväggar med övre glaspaneler, och klara eller genomskinliga glasade gångjärnsdörrar och skjutbara glasdörrar tar det fångade ljuset och reflekterar passivt det längre inuti. Ljuset kan komma från passiva fönster eller takfönster och solljusrör eller från aktiva dagsljuskällor . I traditionell japansk arkitektur är Shōji- skjutdörrarna, med genomskinliga Washi- skärmar, ett ursprungligt prejudikat. Internationell stil , modernistisk och modern arkitektur från mitten av århundradet var tidigare innovatörer av denna passiva penetration och reflektion i industriella, kommersiella och bostadsapplikationer.

Passiv solvärme för vatten

Huvudartikel: Solvarmvatten

Det finns många sätt att använda solvärme för att värma vatten för hushållsbruk. Olika aktiva och passiva solvarmvattentekniker har olika platsspecifika konsekvenser för ekonomisk kostnadsnyttoanalys .

Grundläggande passiv solvarmvattenuppvärmning innebär inga pumpar eller något elektriskt. Det är mycket kostnadseffektivt i klimat som inte har långa frysningar eller mycket molniga väderförhållanden. Andra aktiva solvattenuppvärmningstekniker etc. kan vara mer lämpliga för vissa platser.

Det är möjligt att ha aktivt solvarmvatten som också kan vara "off grid" och kvalificeras som hållbart. Detta görs genom att använda en solcellscell som använder energi från solen för att driva pumparna.

Jämförelse med passivhusstandarden i Europa

Huvudartikel: Passivhus

passivhusinstitutet ( Passivhaus på tyska) i Tyskland förespråkar. Istället för att enbart förlita sig på traditionella passiva solenergidesigntekniker försöker detta tillvägagångssätt att utnyttja alla passiva värmekällor, minimerar energianvändningen och betonar behovet av höga nivåer av isolering förstärkt av noggrann uppmärksamhet på detaljer för att ta itu med köldbryggor och kall luft infiltration. De flesta byggnader byggda enligt passivhusstandarden har även en aktiv värmeåtervinningsventilation med eller utan en liten (typiskt 1 kW) inbyggd värmekomponent.

Energidesignen för passivhusbyggnader utvecklas med hjälp av ett kalkylbladsbaserat modelleringsverktyg som kallas Passive House Planning Package (PHPP) som uppdateras regelbundet. Den nuvarande versionen är PHPP 9.6 (2018). En byggnad kan certifieras som "Passivhus" när det kan visas att den uppfyller vissa kriterier, det viktigaste är att det årliga specifika värmebehovet för huset inte ska överstiga 15kWh/m 2 a .

Jämförelse med Zero heating-byggnaden

Huvudartikel: Nollvärmebyggnad

Med framsteg inom glas med ultralågt U-värde föreslås en passivhusbaserad (nästan) nollvärmebyggnad ersätta de uppenbarligen misslyckade nästan-nollenergibyggnaderna i EU. Den nollvärmebyggnaden minskar på den passiva solcellsdesignen och gör byggnaden mer öppen för konventionell arkitektonisk design. Det årliga specifika värmebehovet för nollvärmehuset bör inte överstiga 3 kWh/m 2 a. Nollvärmebyggnad är enklare att designa och att använda. Till exempel: det finns inget behov av modulerad solavskärmning i nollvärmehus.

Designverktyg

användes en heliodon för att simulera höjden och azimuten för solen som skiner på en modellbyggnad när som helst på vilken dag på året som helst. I modern tid kan datorprogram modellera detta fenomen och integrera lokal klimatdata (inklusive platspåverkan som överskuggning och fysiska hinder) för att förutsäga solvinstpotentialen för en viss byggnadsdesign under loppet av ett år. GPS -baserade smartphoneapplikationer kan nu göra detta billigt på en handhållen enhet. Dessa designverktyg ger den passiva solenergidesignern möjligheten att utvärdera lokala förhållanden, designelement och orientering innan byggandet. Optimering av energiprestanda kräver normalt en iterativ design- och utvärderingsprocess. Det finns inget sådant som en "en-storlek-passar-alla" universell passiv solcellsbyggnadsdesign som skulle fungera bra på alla platser.

Nivåer av tillämpning

Många fristående förortshus kan uppnå sänkta uppvärmningskostnader utan uppenbara förändringar av deras utseende, komfort eller användbarhet. Detta görs med bra placering och fönsterpositionering, små mängder termisk massa, med bra men konventionell isolering, väderbeständighet och en och annan kompletterande värmekälla, såsom en centralradiator ansluten till en (sol)vattenberedare. Solstrålar kan falla på en vägg under dagtid och höja temperaturen på dess termiska massa . Detta kommer sedan att stråla ut värme i byggnaden på kvällen. Extern skuggning, eller en strålande barriär plus luftgap, kan användas för att minska oönskad sommarsolvinst.

En utvidgning av den "passiva solenergin" till säsongsbetonad solfångst och lagring av värme och kyla. Dessa konstruktioner försöker fånga solvärme under den varma säsongen och föra den till ett säsongsbetonat termiskt lager för användning månader senare under den kalla årstiden ("annualiserad passiv solenergi.") Ökad lagring uppnås genom att använda stora mängder termisk massa eller jordkoppling . Anekdotiska rapporter tyder på att de kan vara effektiva men ingen formell studie har genomförts för att visa deras överlägsenhet. Tillvägagångssättet kan också flytta kylning in i den varma årstiden. Exempel:

Ett "rent passivt" soluppvärmt hus skulle inte ha någon mekanisk ugnsenhet, utan förlita sig i stället på energi som fångas upp från solsken, endast kompletterad med "oavsiktlig" värmeenergi som avges av lampor, datorer och andra uppgiftsspecifika apparater (som t.ex. matlagning, underhållning etc.), duscha, människor och husdjur. Användningen av naturliga konvektionsluftströmmar (snarare än mekaniska enheter som fläktar) för att cirkulera luft är relaterad, men inte strikt solenergidesign. Passiv solenergibyggnadsdesign använder ibland begränsade elektriska och mekaniska kontroller för att styra spjäll, isolerande luckor, skärmar, markiser eller reflektorer. Vissa system använder små fläktar eller soluppvärmda skorstenar för att förbättra konvektivt luftflöde. Ett rimligt sätt att analysera dessa system är att mäta deras prestandakoefficient . En värmepump kan använda 1 J för varje 4 J den levererar vilket ger en COP på 4. Ett system som bara använder en 30 W fläkt för att fördela 10 kW solvärme jämnare genom ett helt hus skulle ha en COP på 300.

Passiv solenergibyggnadsdesign är ofta en grundläggande del av en kostnadseffektiv nollenergibyggnad . Även om en ZEB använder flera passiva designkoncept för solenergibyggnader, är en ZEB vanligtvis inte rent passiv, utan har aktiva mekaniska system för förnybar energigenerering såsom: vindkraftverk , solceller , mikrovattenkraft , geotermisk energi och andra nya alternativa energikällor. Passiv solenergi är också en central byggnadsdesignstrategi för passiv överlevnadsförmåga , tillsammans med andra passiva strategier.

Passiv solenergidesign på skyskrapor

Det har nyligen funnits ett intresse för att utnyttja de stora mängderna yta på skyskrapor för att förbättra deras totala energieffektivitet. Eftersom skyskrapor är allt mer allmänt förekommande i stadsmiljöer, men ändå kräver stora mängder energi för att fungera, finns det potential för stora mängder energibesparingar med hjälp av passiv solcellsdesignteknik. En studie, som analyserade det föreslagna 22 Bishopsgate -tornet i London, fann att en energiminskning på 35 % i efterfrågan teoretiskt kan uppnås genom indirekta solvinster, genom att rotera byggnaden för att uppnå optimal ventilation och dagsljuspenetration, användning av golvmaterial med hög termisk massa för att minska temperaturfluktuationerna inuti byggnaden och använda dubbel- eller treglasfönster med låg emissionsförmåga för direkt solenergi. Teknikerna för indirekt solenergi inkluderade moderering av väggvärmeflödet genom variationer av väggtjocklek (från 20 till 30 cm), användning av fönsterglas på utomhusutrymmet för att förhindra värmeförlust, avsättning av 15–20 % av golvytan för termisk lagring och implementering av en trombe . vägg för att absorbera värme som kommer in i utrymmet. Överhäng används för att blockera direkt solljus på sommaren och tillåta det på vintern, och värmereflekterande persienner sätts in mellan den termiska väggen och glaset för att begränsa värmeuppbyggnaden under sommarmånaderna.

En annan studie analyserade dubbelgrön hudfasad (DGSF) på utsidan av höghus i Hong Kong. En sådan grön fasad, eller vegetation som täcker ytterväggarna, kan bekämpa användningen av luftkonditionering avsevärt - så mycket som 80%, som upptäckts av forskarna.

I mer tempererade klimat kan strategier som inglasning, justering av förhållande mellan fönster och vägg, solskydd och takstrategier erbjuda avsevärda energibesparingar, i intervallet 30 % till 60 %.

Se även

Bibliografi

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Passive_solar_building_design&oldid=1140501831 "