Solarkitektur - Solar architecture

Solarkitektur är ett arkitektoniskt tillvägagångssätt som tar hänsyn till solen för att utnyttja ren och förnybar solenergi . Det är relaterat till områdena optik , termik , elektronik och materialvetenskap . Både aktiva och passiva solhuskompetenser är inblandade i solarkitektur.

Användningen av flexibla tunnfilms fotovoltaiska moduler ger flytande integration med ståltakprofiler , vilket förbättrar byggnadens design. Att orientera en byggnad mot solen, välja material med gynnsam termisk massa eller ljusspridande egenskaper och utforma utrymmen som naturligt cirkulerar luft utgör också solarkitektur.

Den första utvecklingen av solarkitekturen har begränsats av styvheten och vikten hos vanliga solpaneler. Den fortsatta utvecklingen av solceller för tunnfilm (PV) har tillhandahållit ett lätt men ändå robust fordon för att utnyttja solenergi för att minska byggnadens påverkan på miljön.

Historia

Idén om passiv solbyggnadsdesign dök först upp i Grekland runt 500 -talet f.Kr. Fram till den tiden hade grekernas främsta bränslekälla varit kol , men på grund av stor brist på ved att bränna tvingades de hitta ett nytt sätt att värma sina bostäder. Med nödvändighet som motivering revolutionerade grekerna utformningen av sina städer. De började använda byggmaterial som absorberade solenergi, mestadels sten, och började orientera byggnaderna så att de vetter mot söder. Dessa varv, tillsammans med överhäng som höll undan den varma sommarsolen, skapade strukturer som krävde väldigt lite uppvärmning och kylning. Sokrates skrev: "I hus som vetter mot söder tränger solen in i porten på vintern, medan sommaren är solens väg precis över våra huvuden och ovanför taket så att det blir skugga."

Från och med nu har de flesta civilisationer inriktat sina strukturer på att ge skugga på sommaren och värme på vintern. Romarna förbättrade grekernas design genom att täcka de södra fönstren med olika typer av transparenta material.

Ett annat enklare exempel på tidig solarkitektur är grottbostäderna i de sydvästra delarna av Nordamerika. Ungefär som de grekiska och romerska byggnaderna var klipporna där urbefolkningen i denna region byggde sina hem orienterade mot söder med ett överhäng för att skugga dem från middagssolen under sommarmånaderna och fånga så mycket av solenergin under vinter som möjligt.

Aktiv solarkitektur innebär att värme och/eller kyla flyttas mellan ett tillfälligt värmelagringsmedium och en byggnad, typiskt som svar på en termostats krav på värme eller kyla i byggnaden. Även om denna princip låter användbar i teorin, har betydande tekniska problem motverkat nästan all aktiv solarkitektur i praktiken. Den vanligaste formen av aktiv solarkitektur, bergbäddsförvaring med luft som värmeöverföringsmedium, växte vanligtvis giftig mögel i bergbädden som blåstes in i hus, tillsammans med damm och radon i vissa fall.

En mer komplex och modern inkarnation av solarkitektur introducerades 1954 med uppfinningen av den fotovoltaiska cellen av Bell Labs . Tidiga celler var extremt ineffektiva och användes därför inte i stor utsträckning, men genom åren har regering och privat forskning förbättrat effektiviteten till en punkt där den nu är en livskraftig energikälla.

Universitet var några av de första byggnaderna som anammade tanken på solenergi. År 1973 byggde University of Delaware Solar One, som var ett av världens första soldrivna hus.

När solcellsteknologin fortsätter att utvecklas blir solarkitekturen lättare att åstadkomma. 1998 utvecklade Subhendu Guha fotovoltaiska bältros, och nyligen har ett företag som heter Oxford Photovoltaics utvecklat perovskite solceller som är tillräckligt tunna för att införlivas i fönster. Även om fönstren inte skalas till en storlek som kan utnyttjas på kommersiell nivå än, anser företaget att utsikterna är lovande.

Element

Växthus

Ett växthus håller värmen från solen. I ett dubbelglasat växthus uppstår tre effekter: ingen konvektion (luftblockering), strålhållning (marken absorberar en foton, avger den med lägre infraröd energi och glaset reflekterar denna infraröd till marken) och liten ledning (dubbelglas ). Det verkar som att konvektionseffekten är den viktigaste, eftersom växthus i fattiga länder är gjorda av plast.

Växthuset kan användas för att odla växter på vintern, för att odla tropiska växter, som ett terrarium för reptiler eller insekter, eller helt enkelt för luftkomfort. Det måste ventileras, men inte för mycket, annars kommer konvektionen att göra insidan kallare och förlora önskad effekt. Växthuset kan kombineras med värmelagring eller en ogenomskinlig mask.

Fototermisk modul

Fototermiska moduler omvandlar solens ljus till värme. De värmer enkelt hushållsvatten till 80 ° C (353 K). De ställs inför den soliga kardinalpunkten, snarare pekar de mot horisonten för att undvika överhettning på sommaren och tar mer kalorier på vintern. På en 45 ° norr plats ska modulen vända mot söder och vinkeln mot horisontalen ska vara cirka 70 °.

Användningen av mellanliggande solvärmesystem som evakuerade rör, sammansatta paraboliska och parabola tråg diskuteras eftersom de motsvarar specifika, mellanliggande behov. En kund som vill ha ett billigt system föredrar det fototermiska, vilket ger 80 ° C (353 K) varmt vatten med 70-85 % effektivitet. En kund som vill ha höga temperaturer kommer att föredra solparabolen, vilket ger 200 ° C (573 K) med 70-85 % effektivitet.

Gör det själv fototermiska moduler är billigare och kan använda ett spiralrör, med varmt vatten från mitten av modulen. Andra geometrier finns, som serpentin eller fyrkantig.

Om det är på ett plant tak kan en spegel placeras framför den fototermiska modulen för att ge den mer solljus.

Den fototermiska modulen har blivit populär i Medelhavsländerna, där Grekland och Spanien räknade med 30-40 % av bostäderna utrustade med detta system och blev en del av landskapet.

Solcellsmodul

Fotovoltaiska moduler omvandlar solens ljus till elektricitet. Klassiska kiselsolmoduler har upp till 25% effektivitet men de är styva och kan inte lätt placeras på kurvor. Tunnfilms solmoduler är flexibla, men de har lägre effektivitet och livslängd.

Fotovoltaiska plattor kombinerar det användbara med det trevliga genom att tillhandahålla kakelliknande fotovoltaiska ytor.

En pragmatisk regel är att placera den fotovoltaiska ytan mot den soliga kardinalpunkten, med en latitud-lika vinkel mot horisontalen. Till exempel, om huset är 33 ° söderut, bör solcellsytan vända mot norr med 33 ° mot horisontalen. Från denna regel kommer en allmän standard för takvinkel, det är normen i solarkitektur.

Termisk lagring

Det enklaste solvärmevattensystemet är att placera en varmvattenbehållare mot solen och måla den svart.

En tjock stenmassa i ett växthus kommer att hålla lite värme hela natten. Stenen kommer att absorbera värme på dagen och avge den på natten. Vatten har den bästa termiska kapaciteten för ett vanligt material och förblir ett säkert värde.

Elektrisk förvaring

I autonoma (off-grid) fotovoltaiska system används batterier för att lagra överskottet av el och leverera den vid behov på natten.

Nätanslutna system kan använda lagring mellan säsonger tack vare pumpelagrad vattenkraft . En innovativ lagringsmetod, tryckluftsenergilagring , studeras också och kan tillämpas i storleken på en region eller ett hem, oavsett om en grotta eller en tank används för att lagra tryckluften.

vit vägg

På de grekiska öarna är husen målade i vitt för att inte absorbera värme. De vita väggarna täckta med kalk och de blå taken gör de grekiska öarnas traditionella stil uppskattad av turister för dess färger och av invånarna för den svalare inre luften.

Svart vägg

I Norden är detta motsatsen: husen är målade i svart för att bättre absorbera strålningsvärmen. Basalt är ett intressant material eftersom det är naturligt svart och uppvisar hög termisk lagringskapacitet.

Solar tracker

En del eller hela huset kan spåra solens tävling på himlen för att fånga sitt ljus. Den Heliotrop , första positiv energi hus i världen, roterar för att fånga solljus, omvandlas till elektricitet genom solcellsmoduler, uppvärmning av huset genom genomskinligt glas.

Spårning kräver elektronik och automatik. Det finns två sätt att låta systemet veta var solen är: instrumentell och teoretisk. Den instrumentala metoden använder fångare av ljus för att upptäcka solens position. Den teoretiska metoden använder astronomiska formler för att känna till Solens plats. En eller två axelmotorer får solsystemet att rotera mot solen och fånga mer av dess solsken.

En fotovoltaisk eller fototermisk modul kan få mer än 50% av produktionen, tack vare ett trackersystem.

Solmask

Ibland blir värmen för hög, så en skugga kan vara önskvärd. Heliodome har byggts på ett sådant sätt att taket döljer solen på sommaren för att undvika överhettning och låter solljuset passera på vintern.

Som en mask är alla ogenomskinliga material bra. En gardin, en klippa eller en vägg kan vara solmasker. Om ett lövträd sätts framför ett växthus kan det dölja växthuset på sommaren och låta solljuset komma in på vintern när bladen har fallit. Skuggorna fungerar inte på samma sätt beroende på säsong. Att använda säsongsförändringen för att få skugga på sommaren, ljus på vintern, är en allmän regel för en solmask.

Solar skorsten

En solskorsten är en skorsten med svart färg utanför. De användes i romersk antik som ett ventilationssystem. Den svarta ytan gör att skorstenen värms med solljus. Luften inuti blir varmare och rör sig uppåt, pumpar luften från underjorden, det vill säga vid 15 ° C (288 K) hela året. Denna traditionella luft-markbytare användes för att göra husen svala på sommaren, milda på vintern.

Solskorstenen kan kopplas till en badgir eller en träskorsten för starkare effekt.

Solparabol

En solparabel är en parabolisk spegel som koncentrerar solljuset för att nå höga temperaturer. I Aurovilles kollektiva kök ger en stor solparabol på taket värme för matlagning.

Solparabolen kan också användas för industribyggnad. Den Odeillo sol ugn , en av de största solenergi parabel i världen, koncentrerar solljus 10.000 gånger och når temperaturer över 3.200 K. Inga väsentliga resister, även diamant smältor. Det öppnar visionen om en futuristisk metallurgi med en ren och förnybar energikälla.

Exempel

En av de första stora kommersiella byggnader som exemplifierar solarkitektur är 4 Times Square i New York City . Den har inbyggda solpaneler på 37: e till 43: e våningen och införlivade mer energieffektiv teknik än någon annan skyskrapa vid byggtiden. Den National Stadium i Kaohsiung, Taiwan , ritad av den japanska arkitekten Toyo Ito , är en drake formad struktur som har 8,844 solpaneler på taket. Det byggdes 2009 för att rymma 2009 års världsspel. Den är helt konstruerad av återvunnet material och är den största soldrivna stadion i världen och driver den omgivande stadsdelen när den inte används. Sundial Building i Kina byggdes för att symbolisera behovet av att ersätta fossila bränslen med förnybara energikällor . Byggnaden är formad som en fläkt och är täckt av 4600 kvadratmeter solpaneler. Det utsågs till världens största soldrivna kontorsbyggnad 2009.

Även om det ännu inte är klart är Solar City Tower i Rio de Janeiro ett annat exempel på hur solarkitektur kan se ut i framtiden. Det är ett kraftverk som genererar energi till staden under dagen samtidigt som det pumpar vatten till toppen av strukturen. På natten, när solen inte skiner, släpps vattnet ut för att rinna över turbiner som kommer att fortsätta att generera el. Det skulle avslöjas vid OS 2016 i Rio, även om projektet fortfarande är i förslagsfasen.

Miljöfördelar

Att använda solenergi i arkitekturen bidrar till en värld av ren och förnybar energi. Detta är en investering: det ursprungliga priset är högt, men efteråt finns det nästan ingenting att betala. Tvärtom, fossila och klyvbara energier är billiga i början, men kostar enorma mängder för människor och natur. Fukushima -katastrofen uppskattas kosta 210 miljarder dollar till Japan. Den globala uppvärmningen har redan varit en orsak till artutrotning.

Solarkitektur är då antikris. Om alla hus skulle byggas om för att uppfylla solarkitekturstandarder, skulle detta ge hopp, jobb, pengar och ekonomisk tillväxt.

Kritik

Enligt en artikel på ECN: s webbplats med titeln "Arkitekter vill bara utveckla attraktiva byggnader", är arkitektens främsta syfte att "skapa ett rumsligt föremål med linjer, former, färger och textur. Detta är utmaningarna för arkitekten inom kundens program för krav. Men de tänker inte omedelbart på att använda en solpanel som ett intressant byggmaterial. Det finns fortfarande mycket att uppnå här. " I artikeln sägs det flera gånger att solpaneler inte är arkitektens förstahandsval för byggmaterial på grund av deras kostnad och estetik.

En annan kritik mot att installera solpaneler är deras förskottskostnad. Enligt energyinfomative.org är den genomsnittliga kostnaden för ett solsystem för bostäder mellan $ 15.000 och $ 40.000 (USD) och cirka $ 7 per watt. I artikeln står det att med dagens kurser skulle det ta 10 år att betala av ett genomsnittssystem. Eftersom en solpanel kan hålla mer än 20 år blir det i slutändan en fördel.

Se även

• Hållbar arkitektur
• Byggintegrerad solceller
• Solvärmesamlare
• Solar spis
• Solar skorsten

Referenser