Passiv solbyggnadsdesign - Passive solar building design

Del av en serie om
Hållbar energi
En bil kör förbi 4 vindkraftverk på ett fält, med mer i horisonten
Energibesparing
Förnybar energi
Hållbar transport

I passiv solbyggnadsdesign 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 soldesign eftersom det, till skillnad från aktiva solvärmesystem , inte innebär användning av mekaniska och elektriska enheter.

Nyckeln till att utforma en passiv solbyggnad är att bäst dra nytta av det lokala klimatet som utför en exakt platsanalys . Element som ska övervägas inkluderar fönsterplacering och -storlek och inglasningstyp , värmeisolering , termisk massa och skuggning. Passiva soldesigntekniker kan lättast tillämpas på nya byggnader, men befintliga byggnader kan anpassas eller "eftermonteras".

Passiv energivinst

Element av passiv soldesign, visas i en direktförstärkningsprogram

Passiv solteknik använder solljus utan aktiva mekaniska system (i motsats till aktiv sol ). Sådan teknik omvandlar solljus till användbar värme (i vatten, luft och termisk massa), orsakar luftrörelse för ventilation eller framtida användning, med liten användning av andra energikällor. Ett vanligt exempel är ett solarium på ekvatorns sida av en byggnad. Passiv kylning är användning av liknande designprinciper för att minska behovet av sommarkylning.

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

Passiva solenergi innefattar direkt och indirekt solvärme för uppvärmning, sol varmvatten system baserade på den termosifon , användning av termiska mass och fas-förändringsmaterial för att sakta inomhusluft temperatursvängningar, solspisar , den sol skorstenen för att förhöja naturlig ventilation, och jordskydd .

Mer passivt inkluderar passiv solteknologi solugnen , men detta kräver vanligtvis lite extern energi för att anpassa sina koncentrerade speglar eller mottagare, och har historiskt sett inte visat sig vara praktiskt eller kostnadseffektivt för utbredd användning. Energibehov av ”låg kvalitet”, till exempel utrymme och vattenuppvärmning, har med tiden visat sig vara bättre applikationer för passiv användning av solenergi.

Som 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 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 växthöjning.

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

Även om dessa överväganden kan riktas mot någon byggnad, att uppnå en ideal optimerad kostnad / prestanda-lösning kräver noggrann, holistiskt , systemintegration engineering av dessa vetenskapliga principer. Moderna förfiningar genom datormodellering (som det omfattande amerikanska energidepartementet "Energy Plus" som bygger energisimuleringsprogram ) och tillämpning av decennier av lärdomar (sedan energikrisen från 1970 -talet) kan uppnå betydande energibesparingar och minskning av miljöskador, utan att offra funktionalitet eller estetik. Faktum är att passiva soldesignfunktioner som ett växthus/solrum/solarium i hög grad kan förbättra bostadens livbarhet, dagsljus, utsikt och värde till en låg kostnad per rymdenhet.

Mycket har lärt sig om passiv konstruktion av solbyggnader sedan energikrisen på 1970 -talet. Många ovetenskapliga, intuitionbaserade dyra konstruktionsexperiment har försökt och misslyckats med att uppnå noll energi- den totala elimineringen av värme- och kylningsenheter.

Passiv solbyggnadskonstruktion kanske inte är svår eller dyr (med hjälp av befintligt material och teknik från hyllan), men den vetenskapliga passiva solbyggnadsdesignen är en icke-trivial konstruktion som kräver betydande studier av tidigare lärdag, och tid att ange, utvärdera och iterativt förfina simuleringens in- och utdata.

Ett av de mest användbara utvärderingsverktygen efter konstruktionen har varit användningen av termografi med hjälp av digitala värmekameror för en formell kvantitativ vetenskaplig energirevision . Värmeavbildning kan användas för att dokumentera områden med dålig termisk prestanda, såsom den negativa termiska påverkan av takvinklat glas eller ett takfönster på en kall vinternatt eller varm sommardag.

De vetenskapliga lärdomarna som har dragits under de senaste tre decennierna har fångats i sofistikerade omfattande byggnadsenergisimuleringsdatorsystem (som US DOE Energy Plus).

Vetenskaplig passiv solbyggnadsdesign med kvantitativ kostnads ​​-nytta -produktoptimering är inte lätt för en nybörjare. Komplexitetsnivån har resulterat i pågående dålig arkitektur och många intuitionbaserade, ovetenskapliga konstruktionsexperiment som gör sina konstruktörer besvikna och slösar en betydande del av sin byggnadsbudget på olämpliga idéer.

Den ekonomiska motivationen för vetenskaplig design och teknik är betydande. Om det hade tillämpats omfattande på nybyggnation som började 1980 (baserat på 1970 -talets lärdomar), skulle Amerika kunna spara över $ 250.000.000 per år på dyr energi och relaterad förorening idag.

Sedan 1979 har passiv solbyggnadsdesign varit ett kritiskt element för att uppnå noll energi genom experimentella utbildningsinstitutioner och regeringar runt om i världen, inklusive USA: s energidepartement och energiforskare som de har stött i decennier. Det kostnadseffektiva beviset på konceptet upprättades för decennier sedan, men kulturell förändring i arkitektur, byggbranschen och beslutsfattare från byggägare har varit mycket långsam och svår.

De nya termerna "Arkitekturvetenskap" och "Arkitektonisk teknik" läggs till på några skolor i arkitektur, med ett framtida mål att lära ut ovanstående vetenskapliga och energitekniska principer.

Solvägen i passiv design

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

Möjligheten att uppnå dessa mål samtidigt är i grunden beroende av säsongens variationer i solens väg hela dagen.

Detta sker som ett resultat av lutningen av jordens rotationsaxel i förhållande till dess bana . Den sol väg är unikt för varje given latitud.

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

  • Solen når sin högsta punkt söderut (i riktning mot ekvatorn)
  • Som vintern ståndet närmar, den vinkel vid vilken solen går upp och uppsättningar rör sig progressivt längre mot söder och dagsljus blir kortare
  • Motsatsen noteras på sommaren där solen kommer att gå upp och gå ner mot norr och dagsljuset kommer att förlängas

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

I ekvatoriala regioner på mindre än 23,5 grader kommer solens position vid solmiddag att svänga från norr till söder och tillbaka igen under året.

I områden som är närmare än 23,5 grader från antingen nord- eller sydpolen, kommer sommaren under sommaren att spåra en fullständig cirkel på himlen utan att gå ner, medan den aldrig kommer att dyka upp över horisonten sex månader senare, under vinternas höjd.

47 graders skillnad i solens höjd vid solmiddag mellan vinter och sommar utgör grunden för passiv soldesign. Denna information kombineras med lokala klimatdata ( graddag ) uppvärmnings- och kylbehov för att avgöra vid vilken tid på året solförstärkning kommer att vara fördelaktig för termisk komfort och när den ska blockeras med skuggning. Genom strategisk placering av föremål som glasrutor och skuggningsanordningar kan andelen solförstärkning som kommer in i en byggnad kontrolleras under hela året.

Ett passivt solcellsdesignproblem är att även om solen befinner sig i samma relativa position sex veckor före och sex veckor efter, solståndet, på grund av "termisk fördröjning" från jordens termiska massa , kraven på temperatur och solförstärkning är ganska olika före och efter sommaren eller vintersolståndet. Rörliga fönsterluckor, nyanser, skärmskärmar eller fönstertäcken rymmer dagliga och timmars krav på solförstärkning och isolering.

Noggrann uppläggning av rum kompletterar den passiva soldesignen. En vanlig rekommendation för bostadshus är att placera vardagsrum mot solnedgången och sovplatser på motsatt sida. En heliodon är en traditionell rörlig ljusenhet som används av arkitekter och designers för att modellera solvägseffekter. I modern tid kan 3D -datorgrafik visuellt simulera dessa data och beräkna prestanda förutsägelser.

Passiva principer för överföring av solvärme

Personlig termisk komfort är en funktion av personliga hälsofaktorer (medicinska, psykologiska, sociologiska och situationella), omgivande lufttemperatur, genomsnittlig strålningstemperatur , luftrörelse ( vindkylning , turbulens ) och relativ luftfuktighet (som påverkar människans förångningskylning ). Värmeöverföring i byggnader sker genom konvektion , ledning och värmestrålning genom tak, väggar, golv och fönster.

Konvektiv värmeöverföring

Konvektiv värmeöverföring kan vara fördelaktig eller skadlig. Okontrollerad luftinfiltrering från dålig väderbeständighet / väderborttagning / dragskydd kan bidra med upp till 40% av värmeförlusten under vintern; Men strategisk placering av användbara fönster eller ventiler kan förbättra konvektion, tvärventilation och sommarkylning när uteluften har en behaglig temperatur och relativ luftfuktighet . Filtrerade ventilationssystem för energiåtervinning kan vara användbara för att eliminera oönskad luftfuktighet, 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 värme. Detta kan orsaka obekväma temperaturvariationer i det övre och nedre konditionerade rummet, fungera som en metod för att ventilera varm luft eller vara utformad som en naturlig konvektion luftflödesslinga för passiv solvärmefördelning och temperaturutjämning. Naturlig mänsklig kylning genom svettning och avdunstning kan underlättas genom naturlig eller forcerad konvektiv luftrörelse av fläktar, men takfläktar kan störa de skiktade isolerande luftlagren högst upp i ett rum och påskynda värmeöverföring från en varm vind eller genom närliggande fönster . Dessutom hämmar hög relativ luftfuktighet förångningskylning av människor.

Strålande värmeöverföring

Huvudkällan för värmeöverföring är strålningsenergi , och den primära källan är solen. Solstrålning sker främst genom tak och fönster (men också genom väggar). Värmestrålning rör sig från en varmare yta till en svalare. Tak tar emot majoriteten av solstrålningen som levereras till ett hus. Ett kallt tak eller grönt tak förutom en strålande barriär kan hjälpa till att förhindra att din vind blir varmare än sommarens högsta utetemperatur (se albedo , absorptivitet , emissivitet och reflektivitet ).

Windows är en klar och förutsägbar plats för värmestrålning . Energi från strålning kan röra sig in i ett fönster på dagtid och ut från samma fönster på natten. Strålning använder fotoner för att överföra elektromagnetiska vågor genom ett vakuum eller genomskinligt medium. Solvärmeökning kan vara betydande även på kalla, klara dagar. Solvärme genom fönster kan reduceras genom isolerat glas , skuggning och orientering. Fönster är särskilt svåra att isolera jämfört med tak och väggar. Konvektiv värmeöverföring genom och runt fönstertäckningar försämrar också dess isoleringsegenskaper. Vid skuggning av fönster är yttre skuggning mer effektiv för att minska värmevinst än interna fönstertäckningar .

Västra och östra solen kan ge värme och belysning, men är sårbara för överhettning på sommaren om de inte är skuggade. Däremot medger den låga middagssolen lätt ljus och värme under vintern, men kan lätt skuggas med lämpliga längdöverhäng eller vinklade lameller under sommaren och blad som bär sommarskuggträd som fäller sina löv på hösten. Mängden strålningsvärme som tas emot är relaterad till platsens latitud , höjd , molntäckning och säsongens / timmars infallsvinkel (se solbanan och Lamberts kosinuslag ).

En annan passiv soldesignprincip är att värmeenergi kan lagras i vissa byggmaterial och släppas ut igen när värmevinst ökar för att stabilisera dagliga (dag/natt) temperaturvariationer. Den komplexa interaktionen mellan termodynamiska principer kan vara kontraintuitiv för förstagångsdesigners. Exakt datormodellering kan hjälpa till att undvika kostsamma konstruktionsexperiment.

Platsspecifika överväganden under design

Designelement för bostadshus i tempererat klimat

  • Placering av rumstyper, innerdörrar och väggar och utrustning i huset.
  • Orientera byggnaden mot ekvatorn (eller några grader österut för att fånga morgonsolen)
  • Byggnadsdimensionen utökas längs öst -västaxeln
  • Tillpassade fönster för att möta middagssolen på vintern och vara skuggade på sommaren.
  • Minimera fönster på andra sidor, särskilt västra fönster
  • Uppförande av rätt storlek, latitudspecifika taköverhäng eller skuggningselement (buskar, träd, spaljéer, staket, fönsterluckor etc.)
  • Använd lämplig mängd och typ av isolering inklusive strålningsbarriärer och bulkisolering för att minimera säsongens överdriven värmeökning eller förlust
  • Använda termisk massa för att lagra överskott av solenergi under vinterdagen (som sedan utstrålas om natten)

Den exakta mängden av ekvatorn vända glas och termisk massa bör baseras på noggrant övervägande av latitud, höjd, klimatförhållanden, och uppvärmning / kylning graddagskrav.

Faktorer som kan försämra termisk prestanda:

  • Avvikelse från ideal orientering och nord -syd/öst/väst bildförhållande
  • Överdriven glasyta ("överglasering") som resulterar i överhettning (resulterar också i bländning och blekning av mjuka möbler) och värmeförlust när omgivande lufttemperaturer sjunker
  • Installera glasrutor där solvärdet under dagen och värmeförluster under natten inte kan kontrolleras enkelt, t.ex. västläge, vinklat glas, takfönster
  • Värmeförluster genom oisolerat eller oskyddat glas
  • Brist på tillräcklig skuggning under säsongsperioder med hög solförstärkning (särskilt på västväggen)
  • Felaktig applicering av termisk massa för att modulera dagliga temperaturvariationer
  • Öppna trappor leder till ojämn fördelning av varm luft mellan övre och nedre våningar när varm luft stiger
  • Hög byggnadsyta till volym - För många hörn
  • Otillräcklig väderlek som leder till hög luftinfiltration
  • Brist på eller felaktigt installerade strålningsbarriärer under den varma säsongen. (Se även svalt tak och grönt tak )
  • Isoleringsmaterial som inte är anpassade till det huvudsakliga värmeöverföringsläget (t.ex. oönskad konvektiv/ledande/strålande värmeöverföring )

Effektivitet och ekonomi för passiv solvärme

Tekniskt sett är PSH mycket effektivt. Direktförstärkningssystem kan utnyttja (dvs. omvandla till "användbar" värme) 65–70% av energin från solstrålning som träffar bländaren eller kollektorn.

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

Andra källor rapporterar följande PSF:

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

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

För mer information, se Solar Air Heat

Viktiga passiva solbyggnadskonfigurationer

Det finns tre primära passiva solenergi -konfigurationer:

  • direkt solsystem
  • indirekt solsystem
  • isolerat solsystem

Direkt solsystem

I ett passivt solsystem med direkt förstärkning fungerar inomhusutrymmet som en solfångare, värmeabsorberare och distributionssystem. Söderläge glas på norra halvklotet (norrläge på södra halvklotet) släpper in solenergi i byggnadens inre där det direkt värms upp (strålningsenergiabsorbering) eller indirekt värmer (genom konvektion) termisk massa i byggnaden som betong eller murverk golv och väggar. Golven och väggarna som fungerar som termisk massa är integrerade som funktionella delar av byggnaden och dämpar intensiteten av uppvärmning under dagen. På natten utstrålar den uppvärmda termiska massan värme till inomhusutrymmet.

I kallt klimat är en solhärdad byggnad den mest grundläggande typen av passiv solcellskonfiguration med direkt förstärkning som helt enkelt innebär att (något) öka den söderläge glasytan utan att lägga till ytterligare termisk massa. Det är en typ av direktförstärkningssystem där byggnadens hölje är välisolerat, är långsträckt i öst-västlig riktning och har en stor del (~ 80% eller mer) av fönstren på södra sidan. Den har lite extra termisk massa utöver vad som redan finns i byggnaden (dvs bara inramning, väggbräda 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 söderläge kan ingå endast om mer termisk massa läggs till. Energibesparingar 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 inre kan resultera i otillräcklig eller dåligt utformad termisk massa. Ungefär hälften till två tredjedelar av golvens, väggarnas och takens inre ytarea måste vara tillverkade av värmelagringsmaterial. Termiska lagringsmaterial kan vara betong, adobe, tegel och vatten. Termisk massa i golv och väggar bör hållas så nakna som funktionellt och estetiskt är möjligt. termisk massa måste utsättas för direkt solljus. Vägg-till-vägg-mattor, stora kastmattor, expansiva möbler och stora vägghängningar bör undvikas.

Normalt krävs för ungefär varje 1 fot 2 söderläge glas cirka 5 till 10 fot 3 termisk massa för termisk massa (1 m 3 per 5 till 10 m 2 ). När man tar hänsyn till vägg- och golvbeläggningar och möbler med minimal medelvärde motsvarar detta vanligtvis cirka 5 till 10 fot 2 per fot 2 (5 till 10 m 2 per m 2 ) söderläge glas, beroende på om solljuset slår mot ytan direkt. Den enklaste tumregeln är att den termiska massarealen ska ha en yta på 5 till 10 gånger ytan på området med direkt förstärkningsuppsamlare (glas).

Fast termisk massa (t.ex. betong, murverk, sten, etc.) bör vara relativt tunn, högst 100 mm tjock. Värmemassor med stora exponerade områden och de i direkt solljus under minst en del av dagen (minst 2 timmar) fungerar bäst. Medium till mörk, färger med hög absorption, bör användas på ytor av termiska masselement som kommer att vara i direkt solljus. Termisk massa som inte kommer i kontakt med solljus kan ha valfri färg. Lätta element (t.ex. gipsväggar och tak) kan ha valfri färg. Att täcka inglasningen med tätsittande, rörliga isoleringspaneler under mörka, grumliga perioder och nattetid kommer att förbättra prestandan hos ett direktförstärkningssystem. Vatten i plast- eller metallinnehåll och placerat i direkt solljus värms snabbare och jämnare än fast massa på grund av naturlig konvektionsvärmeöverföring. Konvektionsprocessen förhindrar också att yttemperaturerna blir för extrema som de ibland gör när mörkfärgade fasta massor får direkt solljus.

Beroende på klimat och med tillräcklig termisk massa bör sydvätskande glasyta i ett system med direkt förstärkning begränsas till cirka 10 till 20% av golvytan (t.ex. 10 till 20 fot 2 glas för en 100 fot 2 golvyta) . Detta bör baseras på nätglaset eller glasytan. Observera att de flesta fönster har ett nätglas/glasyta som är 75 till 85% av den totala fönsterenheten. Över denna nivå är troliga problem med överhettning, bländning och blekning av tyger.

Indirekt solsystem

I ett passivt solsystem med indirekt förstärkning är den termiska massan ( betong , murverk eller vatten) belägen direkt bakom det söderläge glaset och framför det uppvärmda inomhusutrymmet så att det inte finns någon direkt uppvärmning Massans läge förhindrar solljus från att komma in i inomhusutrymmet och kan också hindra utsikten genom glaset. Det finns två typer av indirekt förstärkningssystem: termiska lagringsväggsystem och takdammsystem.

Väggar för termisk lagring (Trombe)

I ett termiskt lagringsväggssystem , ofta kallat en Trombe-vägg , ligger en massiv vägg direkt bakom söderläge glas, som absorberar solenergi och släpper ut det selektivt mot byggnadens inre på natten. Väggen kan vara konstruerad av gjuten betong, tegel, adobe, sten eller massiva (eller fyllda) betong murade enheter. Solljus tränger in genom glaset och absorberas omedelbart på massväggens yta och antingen lagras eller ledas genom materialmassan till det inre utrymmet. Den termiska massan kan inte absorbera solenergi så snabbt som den kommer in i utrymmet mellan massan och fönsterområdet. Temperaturen i luften i detta utrymme kan lätt överstiga 120 ° F (49 ° C). Denna varma luft kan införas i inre utrymmen bakom väggen genom att införliva värmefördelande ventiler ovanpå väggen. Detta väggsystem först tänktes och patenterades 1881 av uppfinnaren Edward Morse. Felix Trombe, som systemet 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 murad vägg belagd med en mörk, värmeabsorberande finish (eller en selektiv yta) och täckt med ett enda eller dubbelskikt av högtransmissivitetsglas. Glaset placeras vanligtvis från ¾ in till 2 in från väggen för att skapa ett litet luftrum. I vissa utföranden är massan 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 nattetid. Till skillnad från ett direktförstärkningssystem ger det termiska lagringsväggssystemet passiv solvärme utan överdriven fönsteryta och bländning i inre utrymmen. Men möjligheten att dra nytta av vyer och dagsljus elimineras. Trombe -väggarnas prestanda minskar om väggens inre inte är öppen för de inre utrymmena. Möbler, bokhyllor och väggskåp installerade på väggens insida minskar dess prestanda.

En klassisk Trombe -vägg , även allmänt kallad ventilerad termisk lagringsvägg , har manövreringsventiler nära massans väggs tak- och golvnivåer som gör att inomhusluften kan strömma genom dem genom naturlig konvektion. När solstrålning värmer upp luften 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 bli uppvärmd av solstrålning, vilket ökar temperaturen och får den att stiga och går sedan ut genom den övre (tak) ventilen tillbaka till inomhusutrymmet. Detta gör att väggen direkt kan införa uppvärmd luft i utrymmet; vanligtvis vid en temperatur av cirka 90 ° F (32 ° C).

Om ventilationsöppningar lämnas öppna på natten (eller på grumliga dagar), kommer en omvänd konvektiv luftflöde att inträffa och slösa värme genom att släppa ut den utomhus. Ventilerna måste stängas på natten så att strålningsvärme från förvaringsväggens inre yta värmer inomhusutrymmet. I allmänhet är ventiler också stängda under sommarmånaderna när värmeökning inte behövs. Under sommaren kan en yttre avgasventil installerad på 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 värmeförvaringsväggar som ventileras inuti har visat sig lite ineffektiva, mest för att de levererar för mycket värme under dagen vid milt väder och under sommarmånaderna. de överhettas helt enkelt och skapar komfortproblem. De flesta solsexperter rekommenderade att termiska lagringsväggar inte skulle ventileras inuti.

Det finns många varianter av Trombe 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 från innerväggsytan till inomhusutrymmet senare på dagen. En vattenvägg använder en typ av termisk massa som består av tankar eller vattenrör som används som termisk massa.

En typisk oventilerad värmeförvaringsvägg består av en vägg i söder mot murverk eller betong med ett mörkt, värmeabsorberande material på utsidan och med ett eller två glasskikt. Hög transmissionsglas maximerar solvinster till massväggen. Glaset placeras från to till 6 tum (20 till 150 mm) från väggen för att skapa ett litet luftrum. Glasramar är vanligtvis metall (t.ex. aluminium) eftersom vinyl mjuknar och trä blir supertorkat vid temperaturen 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 förs långsamt inåt genom murverket. Som en arkitektonisk detalj kan mönstrat glas begränsa väggens yttre synlighet utan att offra solgenomsläpplighet.

En vattenvägg använder behållare med vatten för termisk massa istället för en fast massvägg. Vattenväggar är vanligtvis något effektivare än fasta väggar 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 till byggnaden än vad de massiva massväggarna kan tillhandahålla.

Temperaturvariationer mellan yttre och inre väggytor driver värme genom massväggen. Inuti byggnaden fördröjs dock värmevinsten på dagtid, och blir bara tillgänglig på den inre ytan av den termiska massan under kvällen när det behövs eftersom solen har gått ner. Tidsfördröjningen är tidsskillnaden mellan när solljus först träffar väggen och när värmen kommer in i byggnadens inre. Tidsfördröjning är beroende av vilken typ 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, gör det möjligt att använda varierande solenergi under dagen som en mer enhetlig värmekälla om natten. Fönster kan placeras i väggen av naturlig belysning eller estetiska skäl, men detta tenderar att sänka effektiviteten något.

Tjockleken på en termisk förvaringsvägg bör vara cirka 250 till 350 mm för tegel, 300 till 450 mm för betong, 200 till 300 mm för jord/adobe och minst 150 mm för vatten. Dessa tjocklekar fördröjer rörelse av värme så att inomhustemperaturen når topp under sena kvällstimmar. Värme tar cirka 8 till 10 timmar för att nå byggnadens inre (värme går genom en betongvägg med en hastighet av cirka en tum per timme). En bra termisk anslutning mellan de inre väggfinisherna (t.ex. gips) och den termiska massväggen är nödvändig för att maximera värmeöverföringen till det inre utrymmet.

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

Termiska massväggar är bäst lämpade för soliga vinterklimat som har höga dagliga (dag-natt) temperatursvängningar (t.ex. sydväst, berg-väst). De presterar inte lika bra i grumligt eller extremt kallt klimat eller i klimat där det inte finns en stor daglig temperatursvängning. Termiska förluster på natten genom väggens termiska massa kan fortfarande vara betydande i grumligt och kallt klimat; väggen tappar lagrad värme på mindre än ett dygn och läcker sedan ut värme, vilket dramatiskt ökar behovet av reservvärme. Om du täcker glaset med tätt passande, rörliga isoleringspaneler under långa grumliga perioder och nattetid kommer det att förbättra prestandan hos ett termiskt lagringssystem.

Den största nackdelen med värmeförvaringsväggar är deras värmeförlust till utsidan. Dubbelglas (glas eller någon av plasterna) är nödvändigt för att minska värmeförlust i de flesta klimat. I milda klimat är enstaka glas acceptabelt. En selektiv yta (högabsorberande/lågemitterande yta) applicerad på den yttre ytan av den termiska lagringsväggen förbättrar prestanda genom att minska mängden infraröd energi som strålas tillbaka genom glaset; vanligtvis uppnår den en liknande förbättring av prestanda utan behov av daglig installation och demontering av isolerande paneler. En selektiv yta består av en plåt av metallfolie limmad på väggens utsida. Den absorberar nästan all strålning i den synliga delen av solspektret och avger väldigt lite inom det infraröda området. Hög absorptionsförmåga förvandlar ljuset till värme vid väggens yta och låg emittans hindrar värmen från att stråla tillbaka mot glaset.

Takdammsystem

Ett takdamm passivt solsystem , ibland kallat soltak , använder vatten lagrat på taket för att temperera varma och kalla inre temperaturer, vanligtvis i ökenmiljöer. Den är vanligtvis konstruerad av behållare som rymmer 150 till 300 mm vatten på ett plant tak. Vatten lagras i stora plastpåsar eller glasfiberbehållare för att maximera strålningsutsläpp och minimera avdunstning. Det kan lämnas obeglasat eller kan täckas av glas. Solstrålning värmer vattnet, som fungerar som ett termiskt lagringsmedium. På natten eller under grumligt väder kan behållarna täckas med isolerande paneler. Inomhusutrymmet under takdammen värms upp av värmeenergi som släpps ut från takdammsförrådet ovan. Dessa system kräver bra dräneringssystem, rörlig isolering och ett förbättrat konstruktionssystem för att stödja en dödlast på 1,7 till 3,3 kN/m 2 från 35 till 70 lb/ft 2 .

Med infallsvinklarna för solljus under dagen är takdammar endast effektiva för uppvärmning på lägre och mellersta latitud, i varma till tempererade klimat. Takdammsystem fungerar bättre för kylning i varma klimat med låg luftfuktighet. Det har inte byggts många soltak och det finns begränsad information om konstruktion, kostnad, prestanda och konstruktionsdetaljer för termiska lagertak.

Isolerat solsystem

I en isolerad förstärknings passivt solsystem , är komponenterna (t.ex., kollektor- och termisk lagring) isolerats från inomhusområdet av byggnaden.

Ett anslutet solrum , även ibland kallat ett solrum eller solarium , är en typ av isolerat förstärkningssolsystem med ett inglasat inre utrymme eller rum som är en del av eller ansluten till en byggnad men som kan stängas helt från de huvudsakliga ockuperade områdena. Det fungerar som ett anslutet växthus som använder en kombination av systemfördelar med direkt förstärkning och indirekt förstärkning. Ett solrum kan kallas och se ut som ett växthus, men ett växthus är utformat för att odla växter medan ett solrum är utformat för att ge värme och estetik till en byggnad. Solutrymmen är mycket populära passiva designelement eftersom de utvidgar bostadsytorna i en byggnad och erbjuder ett utrymme för odling av växter och annan vegetation. I måttligt och kallt klimat krävs emellertid kompletterande uppvärmning för att förhindra att växter fryser under extremt kallt väder.

Ett bifogat solrums söderläge glas samlar solenergi som i ett direktförstärkningssystem. Den enklaste solrumsdesignen är att installera vertikala fönster utan takglas. Solrum kan uppleva hög värmeökning och hög värmeförlust genom sitt överflöd av glasrutor. Även om horisontellt och sluttande glas samlar mer värme på vintern, minimeras det för att förhindra överhettning under sommarmånaderna. Även om takglas kan vara estetiskt tilltalande, ger ett isolerat tak bättre termisk prestanda. Takfönster kan användas för att ge lite dagsljuspotential. Vertikala glasrutor kan maximera vinsten på vintern, när solvinkeln är låg, och ge mindre värmevinst under sommaren. Vertikalt glas är billigare, lättare att installera och isolera, och inte lika benäget att läcka, dimma, bryta och andra glasfel. En kombination av vertikalt glas och en del sluttande glasrutor är acceptabelt om sommarskuggning tillhandahålls. Ett väldesignat överhäng kan vara allt som behövs för att skugga glaset på sommaren.

Temperaturvariationerna som orsakas av värmeförlusterna och vinsterna kan dämpas av termisk massa och lågemissiv fönster. Termisk massa kan innehålla ett murat golv, en murad mur som gränsar till huset eller vattenbehållare. Värmefördelning till byggnaden kan ske genom tak- och golvnivåer, fönster, dörrar eller fläktar. I en vanlig design fungerar termisk massvägg som ligger på baksidan av solrummet intill vardagsrummet som en termisk massvägg med indirekt förstärkning. Solenergi som kommer in i solrummet behålls i den termiska massan. Solvärme transporteras in i byggnaden genom ledning genom den gemensamma massväggen på baksidan av solrummet och av ventiler (som en oventilerad termisk lagringsvägg) eller genom öppningar i väggen som tillåter luftflöde från solrummet till inomhusutrymmet genom konvektion ( som en ventilerad termisk lagringsvägg).

I kalla klimat bör dubbelglas användas för att minska ledande förluster genom glaset till utsidan. Värmeförlust på natten, även om det är betydande under vintermånaderna, är inte lika viktigt i solrummet som med system med direkt förstärkning eftersom solrummet kan stängas av från resten av byggnaden. I tempererade och kalla klimat är det viktigt att isolera solrummet från byggnaden på natten termiskt. Stora glaspaneler, franska dörrar eller skjutbara glasdörrar mellan byggnaden och det bifogade solrummet bibehåller en öppen känsla utan värmeförlusten i samband med ett öppet utrymme.

Ett solrum med en murad värmevägg kommer att behöva cirka 0,3 fot 2 termisk massa väggyta per fot 2 golvyta som värms upp (0,3 m 2 per m 2 golvyta), beroende på klimatet. Väggtjocklekar bör likna en termisk lagringsvägg. Om en vattenvägg används mellan solrummet och bostadsutrymmet är cirka 0,20 fot 2 värmemassa väggyta per fot 2 golvyta som värms upp (0,2 m 2 per m 2 golvyta) lämpligt. I de flesta klimat krävs ett ventilationssystem under sommarmånaderna för att förhindra överhettning. Generellt sett bör stora överliggande (horisontella) och öster- och västläge glasytor inte användas i ett solrum utan särskilda försiktighetsåtgärder för överhettning på sommaren, till exempel att använda värmereflekterande glas och tillhandahålla sommarskuggsystem.

Den termiska massans inre ytor ska vara mörka. Rörlig isolering (t.ex. fönsterbeklädnader, nyanser, fönsterluckor) kan användas för att fånga den varma luften i solrummet både efter att solen gått ner och under grumligt väder. När det är stängt under extremt varma dagar kan fönstertäckningar hjälpa till att förhindra överhettning av solrummet.

För att maximera komforten och effektiviteten bör väggarna, taket och fundamentet i solsken utan glas vara välisolerade. Grundväggens eller plattans omkrets bör isoleras mot frostlinjen eller runt plattans omkrets. I ett tempererat eller kallt klimat bör solrummets östra och västra väggar isoleras (inget glas).

Ytterligare åtgärder

Åtgärder bör vidtas för att minska värmeförlusten på natten, t.ex. fönstertäckningar eller rörlig fönsterisolering.

Värmelagring

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

I dagliga solhus är lagringen avsedd för en eller några dagar. Den vanliga metoden är en specialkonstruerad 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 jorden själv, antingen som den är eller genom att införliva den i strukturen genom bank eller använda ramad jord som ett strukturellt medium.

I subarktiska områden, eller områden som har långa perioder utan solvinst (t.ex. veckor med frysande dimma), är specialbyggd termisk massa mycket dyr. Don Stephens var pionjär inom 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 överisolering (typ, placering och mängd) minskar oönskat värmeläckage. Vissa passiva byggnader är faktiskt konstruerade av isolering .

Speciella glasrutor och fönsterbeklädnader

Huvudartiklar: Isolerat glas och fönstertäckning

Effektiviteten av direkt solförstärkningssystem förbättras avsevärt genom isolerande (t.ex. tvåglasfönster ), spektralt selektivt glas ( låg-e ) eller rörlig fönsterisolering (fönstertäcken, tvåfaldiga isoleringsluckor, skärmar etc.).

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

Det finns stor användning av superisolerade fönster i den tyska passivhusstandarden . Urval av olika spektralt selektiva fönster beläggningen beror på förhållandet av upphettning kontra kylning graddagar för konstruktion plats.

Glasurval

Ekvatorn mot glas

Kravet på vertikalt glas mot ekvatorn skiljer sig från de tre andra sidorna av en byggnad. Reflekterande fönsterbeläggningar och flera glasrutor kan minska användbar solförstärkning. System med direkt förstärkning är dock mer beroende av dubbel- eller trippelglas eller till och med fyrdubbla glasrutor på högre geografiska breddgrader för att minska värmeförlust. Konfigurationer med indirekt förstärkning och isolerad förstärkning kan fortfarande fungera effektivt med endast enruta. Den optimala kostnadseffektiva lösningen är dock både plats- och systemberoende.

Takvinkelglas och takfönster

Takfönster tillåter hårt direkt solljus och bländar antingen horisontellt (ett platt tak) eller ställs i samma vinkel som taklutningen. I vissa fall används horisontella takfönster med reflektorer för att öka solstrålningens intensitet (och hård bländning), beroende på takets infallsvinkel . När vintersolen är låg i horisonten reflekterar de flesta solstrålningen från takvinklat glas ( infallsvinkeln är nästan parallell med takvinklad glas morgon och eftermiddag). När sommarsolen är hög är den nästan vinkelrät mot takvinklat glas, vilket maximerar solvärdet vid fel tid på året och fungerar som en solugn. Takfönster bör vara täckta och välisolerade för att minska den naturliga konvektionen (varmluft som stiger) värmeförlust på kalla vinternätter och intensiv solvärme under varm vår/sommar/höstdagar.

Ekatorns sida mot en byggnad ligger söderut på norra halvklotet och norrut på södra halvklotet. Takfönster på tak som vetter bort från ekvatorn ger mestadels indirekt belysning, förutom sommardagar då solen kan gå upp på byggnaden utanför ekvatorn (på vissa breddgrader ). Takfönster på tak som vetter mot öst ger maximal direkt ljus och solvärme på sommarmorgonen. Västläst takfönster ger eftermiddagssol och värme under den hetaste delen av dagen.

Vissa takfönster har dyra glasrutor som delvis minskar solvärmen från sommaren, samtidigt som de möjliggör viss synlig ljusöverföring. Men om synligt ljus kan passera genom det, så kan viss strålningsvärme öka (de är båda elektromagnetiska strålningsvågor ).

Du kan delvis minska några av de oönskade takvinklade sommarvärmen genom att installera ett takfönster i skuggan av lövträd (eller lövfällande ) träd, eller genom att lägga till ett rörligt isolerat ogenomskinligt fönsterhölje på insidan eller utsidan av takfönstret . Detta skulle eliminera dagsljusfördelen på sommaren. Om trädbenen hänger över ett tak kommer de att öka problemen med löv i regntak, eventuellt orsaka takskadade isdammar , förkorta takets livslängd och ge en lättare väg för skadedjur att komma in på din vind. Löv och kvistar på takfönster är oattraktiva, svåra att rengöra och kan öka risken för glasrutor i vindstormar.

"Sågtaksglas" med endast vertikalt glas kan bara ge några av de passiva solbyggnadens fördelar in i kärnan i en kommersiell eller industriell byggnad, utan att det behövs några takvinklade glas eller takfönster.

Takfönster ger dagsljus. Den enda vy de ger är i princip rakt upp i de flesta applikationer. Välisolerade ljusrör kan föra dagsljus in i norra rum utan att använda takfönster. Ett passivt solväxthus ger gott om dagsljus till byggnadens ekvatorsida.

Infraröd termografi färgvärmekameror (används vid formella energirevisioner ) kan snabbt dokumentera den negativa termiska påverkan av takvinklat glas eller ett takfönster på en kall vinternatt eller varm sommardag.

Det amerikanska energidepartementet säger: "vertikala glasrutor är det övergripande bästa alternativet för solrum." Takvinklat glas och sidoväggsglas rekommenderas inte för passiva solrum.

Den amerikanska DOE förklarar nackdelarna med takvinkliga glasrutor: Glas och plast har liten strukturell hållfasthet. När det installeras vertikalt, bär glas (eller plast) sin egen vikt eftersom endast en liten yta (glasets överkant) är utsatt för tyngdkraft. När glaset lutar från den vertikala axeln måste emellertid ett ökat område (nu det sluttande tvärsnittet) av glasrutan bära tyngdkraften. Glas är också sprött; det böjer sig inte mycket innan det går sönder. För att motverka detta måste du vanligtvis öka glasets tjocklek eller öka antalet strukturella stöd för att hålla glaset. Båda ökar den totala kostnaden, och den senare kommer att minska mängden solvinst i solrummet.

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

Det är svårt att kontrollera solvärmevinsten i ett solrum med sluttande inglasning under sommaren och till och med under en mild och solig vinterdag. Takfönster är motsatsen till att bygga passiv solkylning med noll energi i klimat med krav på luftkonditionering.

Vinkel för infallande strålning

Mängden solförstärkning som överförs genom glas påverkas också av vinkeln på den infallande solstrålningen . Solljus som träffar ett enda glasskiva inom 45 grader vinkelrätt överförs mestadels (mindre än 10% reflekteras ), medan för solljus som träffar 70 grader från vinkelrätt reflekteras över 20% av ljuset reflekteras, och över 70 grader stiger denna reflekterade procent 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 solenergi datorprogram bedöma effekten av solen vägen , och kylning-and-uppvärmning graddagar på energi prestanda.

Användbara skuggnings- och isoleringsanordningar

En design med för mycket ekvatorn mot glas kan resultera i överdriven uppvärmning av vintern, våren eller hösten, obehagligt ljusa vardagsrum 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 uppvärmnings- och kylbehovet före och efter solståndet betydligt olika. Värmelagring på jordens yta orsakar "termisk fördröjning". Variabelt molntäcke påverkar potentialen för solförstärkning. Detta innebär att latitudspecifika fasta fönsteröverhäng, även om det är viktigt, inte är en fullständig säsongsbetonad lösning för solförstärkning.

Kontrollmekanismer (som manuellt eller motoriserade interiörisolerade gardiner, fönsterluckor, utvändiga nedrullningsbara skärmar eller infällbara markiser) kan kompensera för skillnader som orsakas av termisk fördröjning eller molntäckning och hjälpa till att kontrollera dagliga / timmars variationer i solförstärkningskrav.

Hemautomatiseringssystem som övervakar temperatur, solljus, tid på dagen och beläggning i rummet kan exakt styra motoriserade fönsterskärmnings- och isoleringsenheter.

Ytterfärger som reflekterar - absorberar

Material och färger kan väljas för att reflektera eller absorbera solenergi . 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"

Landskapsarkitektur och trädgårdar

Huvudartikel: Energieffektiv landskapsarkitektur

Energieffektiva landskapsarkitektur för noggranna passiva solval inkluderar hardscape byggmaterial och " softscape " växter . Användningen av landskapsplanering principer för val av träd , häckar och spaljé - pergola funktioner med vinstockar ; allt kan användas för att skapa sommarskuggning. För vintern solvärme är det önskvärt att använda lövfällande växter som släpper sina löv på hösten ger året runt passiv solenergi fördelar. Ej lövfällande vintergröna buskar och träd kan vara vindskydd , på varierande höjder och avstånd, för att skapa skydd och skydd mot vintervindens kyla . Xeriscaping med "lämplig mogen storlek" inhemska arter av och torktoleranta växter , droppbevattning , mulching och organisk trädgårdsarbete minskar eller eliminerar behovet av energi- och vattenintensiv bevattning , gasdriven trädgårdsutrustning och minskar deponeringsavfallet fotavtryck. Solcellsdriven landskapsbelysning och fontänpumpar, och täckta pooler och djupdammar 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 därmed beroende av artificiella belysningssystem.

Detta kan uppnås genom noggrann byggnadsdesign, orientering och placering av fönsterpartier för att samla in ljus. Andra kreativa lösningar innebär användning av reflekterande ytor för att släppa in dagsljus inuti en byggnad. Fönsterpartier bör ha tillräcklig storlek och för att undvika överbelysning kan skärmas med en Brise-soleil , markiser , välplacerade träd, glasbeläggningar och andra passiva och aktiva enheter.

En annan stor fråga för många fönstersystem är att de kan vara potentiellt sårbara platser med överdriven termisk förstärkning eller värmeförlust. Medan högt placerat clerestory fönster och traditionella takfönster kan införa dagsljus i dåligt orienterade sektioner av en byggnad, kan oönskad värmeöverföring vara svårt att styra. Energi som sparas genom att minska konstgjord belysning kompenseras därför ofta mer än den energi som krävs för att driva HVAC -system för att upprätthålla termisk komfort .

Olika metoder kan användas för att åtgärda detta, inklusive men inte begränsat till fönsterbeklädnader , isolerade glasrutor och nya material såsom aerogel halvtransparent isolering, optisk fiber inbäddad i väggar eller tak, eller hybrid solbelysning vid Oak Ridge National Laboratory .

Reflekterande element, från aktiva och passiva Dagsljus samlare, såsom lätta hyllor , lättare vägg- och golvfärger, speglad väggsektioner, innerväggar med övre glaspaneler och klar eller genomskinlig glassed ledade dörrar och skjutdörrar av glas tar den infångade ljuset och passivt reflektera det längre inuti. Ljuset kan vara från passiva fönster eller takfönster och solrör eller från aktiva dagsljuskällor . I traditionell japansk arkitektur är Shōji -skjutdörrarna med genomskinliga Washi -skärmar ett originalt prejudikat. Internationell stil , modernistisk och modern arkitektur från mitten av århundradet var tidigare innovatörer av denna passiva penetration och reflektion i industriella, kommersiella och bostäder.

Passiv solvattenuppvärmning

Huvudartikel: Solvarmvatten

Det finns många sätt att använda solenergi för att värma vatten för hushållsbruk. Olika aktiva och passiva solvarmvattentekniker har olika platsspecifika ekonomiska kostnads-nyttoanalyser .

Grundläggande passiv uppvärmning av solvatten innebär inga pumpar eller något elektriskt. Det är mycket kostnadseffektivt i klimat som inte har långa underfrysning eller mycket grumliga 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 kvalificerar sig som hållbart. Detta görs med hjälp av en fotovoltaisk cell som använder energi från solen för att driva pumparna.

Jämförelse med passivhusstandarden i Europa

Huvudartikel: Passivhus

Det växer fart i Europa för tillvägagångssättet som passivhuset ( Passivhaus på tyska) i Tyskland ansåg . I stället för att enbart förlita sig på traditionella passiva soldesigntekniker, syftar detta tillvägagångssätt till att använda alla passiva värmekällor, minimerar energianvändningen och betonar behovet av höga isoleringsnivåer förstärkta genom noggrann uppmärksamhet på detaljer för att hantera värmeöverbryggning och kall luftinfiltration. De flesta byggnader som är byggda enligt passivhusstandarden har också en ventilationsenhet för aktiv värmeåtervinning med eller utan en liten (vanligtvis 1 kW) integrerad värmekomponent.

Energidesignen för passivhusbyggnader utvecklas med hjälp av ett kalkylbladbaserat modelleringsverktyg som kallas passivhusplaneringspaketet (PHPP) som uppdateras regelbundet. Den nuvarande versionen är PHPP 9.6 (2018). En byggnad kan certifieras som "passivhus" när det kan visas att det uppfyller vissa kriterier, det viktigaste är att den årliga efterfrågan specifika värmen för huset inte bör överstiga 15kWh / m 2 a.

Jämförelse med nollvärmebyggnaden

Huvudartikel: Nollvärmebyggnad

Med framsteg inom ultralågt U-värde- glasering föreslås en passivhusbaserad (nästan) nollvärmebyggnad som ersätter de uppenbarligen misslyckade nästan noll energibyggnaderna i EU. Nollvärmebyggnaden minskar den passiva soldesignen 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 utforma och använda. Till exempel: det finns inget behov av modulerad solskydd i nollvärmande hus.

Designverktyg

Traditionellt användes en heliodon för att simulera solens höjd och azimut på en modellbyggnad när som helst på vilken dag som helst på året. I modern tid kan datorprogram modellera detta fenomen och integrera lokala klimatdata (inklusive platseffekter som överskuggning och fysiska hinder) för att förutsäga potentialen för solvinst för en viss byggnadsdesign under ett år. GPS -baserade smartphone -applikationer kan nu göra detta billigt på en handhållen enhet. Dessa designverktyg ger den passiva soldesignern möjligheten att utvärdera lokala förhållanden, designelement och orientering före konstruktion. Optimering av energiprestanda kräver normalt en iterativ-förfining design-och-utvärderingsprocess. Det finns inget sådant som en "en-storlek-passar-alla" universell passiv solbyggnadsdesign som skulle fungera bra på alla platser.

Användningsnivåer

Många fristående förortshus kan minska värmekostnaderna utan uppenbara förändringar i 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, till exempel en central radiator ansluten till en (sol) varmvattenberedare. Solstrålar kan falla på en vägg under dagtid och höja temperaturen på dess termiska massa . Detta strålar sedan ut värme i byggnaden på kvällen. Extern skuggning, eller en strålningsbarriär plus luftgap, kan användas för att minska oönskad solvärme på sommaren.

En förlängning av den "passiva sol" -metoden för säsongsinställning och lagring av värme och kyla. Dessa konstruktioner försöker fånga solvärme under varm säsong och överföra den till ett säsongsbetonat termiskt lager för användning månader senare under den kalla årstiden ("årlig passiv sol.") 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 kylningen in i den varma årstiden. Exempel:

Ett "rent passivt" soluppvärmt hus skulle inte ha någon mekanisk ugnsenhet, utan istället förlita sig på energi som fångats från solsken, endast kompletterat med "tillfällig" värmeenergi som avges av lampor, datorer och andra uppgiftsspecifika apparater (t.ex. för 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 solkonstruktion. Passiv solbyggnadsdesign använder ibland begränsade elektriska och mekaniska reglage för att styra spjäll, isolerande fönsterluckor, skärmar, markiser eller reflektorer. Vissa system får små fläktar eller solvärmda skorstenar för att förbättra konvektivt luftflöde. Ett rimligt sätt att analysera dessa system är genom att mäta deras prestationskoefficient . 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 jämnare fördela 10 kW solvärme genom ett helt hus skulle ha en COP på 300.

Passiv solbyggnadsdesign är ofta en grundläggande del av en kostnadseffektiv nollenergibyggnad . Även om en ZEB använder flera passiva designkoncept för solbyggnader, är en ZEB vanligtvis inte rent passiv, med aktiva mekaniska förnybara energiproduktionssystem som: vindkraftverk , solceller , mikrohydro , geotermiska och andra framväxande alternativa energikällor. Passiv solceller är också en kärnbyggnadsdesignstrategi för passiv överlevnad , tillsammans med andra passiva strategier.

Passiv soldesign på skyskrapor

Det har nyligen funnits intresse för att använda de stora mängder yta på skyskrapor för att förbättra deras totala energieffektivitet. Eftersom skyskrapor alltmer förekommer i stadsmiljöer, men ändå kräver stora mängder energi för att fungera, finns det potential för stora mängder energibesparingar som använder passiva soldesigntekniker. En studie, som analyserade det föreslagna 22 Bishopsgate -tornet i London, fann att en minskning av efterfrågan med 35% teoretiskt sett kan uppnås genom indirekta solvinster, genom att rotera byggnaden för att uppnå optimal ventilation och dagsljusgenomträngning, användning av golvmaterial med hög termisk massa för att minska temperaturfluktuationer inuti byggnaden och använda dubbel- eller trippelglasat lågemissiv fönsterglas för direkt solförstärkning. Indirekta solförstärkningstekniker inkluderade måttlig väggvärmeflöde genom variationer i väggtjocklek (från 20 till 30 cm), genom att använda fönsterrutor på utomhusytan för att förhindra värmeförlust, avsätta 15–20% av golvytan för termisk lagring och implementera 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 värmeväggen och inglasningen 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 kraftigt - så mycket som 80%, som upptäckt av forskarna.

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

Se även

Energiklassificeringssystem

Referenser

externa länkar