Пассивная солнечная конструкция здания - Passive solar building design

Часть серии о
Устойчивая энергия
Ветряные турбины возле Вендсисселя, Дания (2004 г.)
Обзор
Энергосбережение
Возобновляемая энергия
Экологичный транспорт
  • Ветряная турбина-icon.svg Портал возобновляемой энергии
  • Aegopodium podagraria1 ies.jpg Портал окружающей среды

В пассивная солнечная конструкция зданияокна, стены и полы созданы для сбора, хранения, отражения и распределения солнечная энергия в виде тепла зимой и отклонения солнечного тепла летом. Это называется пассивным солнечным дизайном, потому что в отличие от активного солнечное отопление систем, он не предполагает использование механических и электрических устройств.[1]

Ключом к проектированию здания с пассивной солнечной энергией является максимальное использование преимуществ местных климат выполнение точного анализ сайта. Учитываемые элементы включают размещение и размер окон, а также остекление тип, теплоизоляция, термическая масса, и штриховка.[2] Методы пассивного солнечного проектирования проще всего применить к новым зданиям, но существующие здания можно адаптировать или «модернизировать».

Пассивный прирост энергии

Элементы пассивной солнечной конструкции, показанные в приложении прямого усиления

Пассивный солнечный использование технологий Солнечный лучик без активных механических систем (в отличие от активный солнечный ). Такие технологии преобразуют солнечный свет в полезное тепло (в воде, воздухе и тепловой массе), вызывают движение воздуха для вентиляция или использование в будущем с минимальным использованием других источников энергии. Типичным примером является солярий на экватор -сторона здания. Пассивное охлаждение Использование аналогичных принципов проектирования для снижения требований к летнему охлаждению.

Некоторые пассивные системы используют небольшое количество обычной энергии для управления заслонками, жалюзи, ночной изоляцией и другими устройствами, которые улучшают сбор, хранение и использование солнечной энергии, а также сокращают нежелательные теплопередача.

Пассивные солнечные технологии включают прямые и косвенные солнечное усиление для отопления помещений, солнечное водонагревание системы на основе термосифон, использование термическая масса и материалы с фазовым переходом для замедления колебаний температуры воздуха в помещении, солнечные плиты, то солнечный дымоход для улучшения естественной вентиляции, и укрытие земли.

В более широком смысле, пассивные солнечные технологии включают солнечная печь, но это обычно требует некоторой внешней энергии для юстировки их концентрирующих зеркал или приемников, и исторически не оказалось практичным или рентабельным для широкого использования. Потребности в «низкопотенциальной» энергии, такие как отопление помещений и воды, со временем оказались лучшими приложениями для пассивного использования солнечной энергии.

Как наука

В научный основа для проектирования пассивных солнечных батарей была разработана на основе комбинации климатология, термодинамика (особенно теплопередача: проводимость (тепло), конвекция, и электромагнитное излучение ), механика жидкости /естественная конвекция (пассивное движение воздуха и воды без использования электричества, вентиляторов или насосов) и человека тепловой комфорт на основе индекс тепла, психрометрия и энтальпия контроль за зданиями, в которых живут люди или животные, солярии, солярии и теплицы для выращивания растений.

Особое внимание делится на: расположение, расположение и солнечную ориентацию здания, местную путь солнца, преобладающий уровень инсоляция (широта / солнце / облака /атмосферные осадки ), качество дизайна и строительства / материалы, размещение / размер / тип окон и стен, а также включение накопителей солнечной энергии термическая масса с участием теплоемкость.

Хотя эти соображения могут быть направлены на любое здание, достижение идеального оптимизированного решения по соотношению цена / производительность требует осторожности, целостный, системная интеграция инженерное дело этих научных принципов. Современные доработки с помощью компьютерного моделирования (например, комплексной программы Министерства энергетики США "Energy Plus"[3] моделирование энергии здания программное обеспечение), а также применение накопленных за десятилетия уроков (начиная с энергетического кризиса 1970-х годов) может обеспечить значительную экономию энергии и сокращение ущерба окружающей среде без ущерба для функциональности или эстетики.[4] Фактически, конструктивные элементы с пассивным солнечным излучением, такие как теплица / солярий / солярий, могут значительно улучшить жизнеспособность, дневной свет, виды и ценность дома при низкой стоимости единицы площади.

После энергетического кризиса 1970-х годов о проектировании пассивных солнечных батарей стало известно многое. Многие ненаучные, основанные на интуиции дорогостоящие строительные эксперименты пытались и не смогли достичь нулевая энергия - полное исключение счетов за отопление и охлаждение.

Строительство здания с пассивной солнечной батареей может быть несложным или дорогостоящим (с использованием готовых существующих материалов и технологий), но научное проектирование здания с пассивной солнечной батареей - это нетривиальная инженерная задача, требующая значительного изучения ранее полученных нелогичных уроков, и время вводить, оценивать и итеративно уточнять симуляция ввод и вывод.

Одним из наиболее полезных инструментов оценки после строительства было использование термография используя цифровые тепловизионные камеры для формального количественного научного энергоаудит. Тепловизионное изображение можно использовать для документирования областей с плохими тепловыми характеристиками, таких как негативное тепловое воздействие скошенного под углом стекла или окна в крыше холодной зимней ночью или жарким летним днем.

Научные уроки, извлеченные за последние три десятилетия, были отражены в сложных комплексных моделирование энергии здания компьютерные программные системы (например, US DOE Energy Plus).

Научный пассивный солнечный проект строительства с количественным затрат и выгод оптимизация продукта для новичка непросто. Уровень сложности привел к продолжающейся плохой архитектуре и множеству основанных на интуиции, ненаучных строительных экспериментов, которые разочаровывают их дизайнеров и тратят значительную часть их строительного бюджета на неподходящие идеи.[5]

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

С 1979 года проектирование зданий с использованием пассивных солнечных батарей было критическим элементом достижения нулевая энергия экспериментами образовательных учреждений и правительствами всего мира, в том числе Министерством энергетики США, а также учеными-исследователями в области энергетики, которых они поддерживали на протяжении десятилетий. В экономически эффективным доказательство концепции была создана несколько десятилетий назад, но культурные изменения в архитектуре, строительном промысле и строителе принятие решений был очень медленным и трудным.[5]

Новые термины «Архитектурная наука» и «Архитектурная технология» добавляются к некоторым архитектурным школам с будущей целью преподавания вышеуказанных научных и энергетических принципов.[нужна цитата ]

Солнечный путь в пассивном дизайне

Солнечная высота более года; широта на основе Нью-Йорк, Нью-Йорк
Основные статьи: Путь солнца и Положение Солнца

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

Это происходит в результате склонность оси вращения Земли по отношению к ее орбита. В путь солнца уникален для любой заданной широты.

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

  • Солнце достигнет своего высшая точка на юг (в направлении экватора)
  • Как зима солнцестояние подходы, угол на котором солнце поднимается и наборы постепенно смещается к югу, и световой день станет короче
  • Обратное наблюдается летом, когда солнце поднимается и садится дальше к северу, а световой день удлиняется.[6]

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

В экваториальных регионах под углом менее 23,5 градусов положение Солнца солнечный полдень будет колебаться с севера на юг и обратно в течение года.[7]

В регионах, расположенных ближе, чем 23,5 градуса от северного или южного полюса, летом солнце будет рисовать полный круг в небе, не заходя за него, и никогда не появится над горизонтом шесть месяцев спустя, в разгар зимы.[8]

47-градусная разница в высоте солнца на солнечный полдень Между зимой и летом - основа пассивного солнечного дизайна. Эта информация сочетается с местными климатическими данными (день степени ) требования к отоплению и охлаждению, чтобы определить, в какое время года солнечная энергия будет полезна для тепловой комфорт, а когда его следует заблокировать штриховкой. Благодаря стратегическому размещению таких элементов, как устройства для остекления и затенения, процент солнечного излучения, поступающего в здание, можно контролировать в течение года.

Один пассивный солнечный Проблема проектирования пути солнца заключается в том, что, хотя Солнце находится в том же относительном положении за шесть недель до и шесть недель после солнцестояния, из-за "теплового запаздывания" от термическая масса На Земле требования к температуре и увеличению солнечной энергии сильно различаются до и после летнего или зимнего солнцестояния. Сдвижные ставни, шторы, шторы или оконные одеяла могут удовлетворить повседневные и ежечасные требования к солнечной энергии и изоляции.

Тщательная планировка комнат завершает пассивный солнечный дизайн. Обычная рекомендация для жилых домов - располагать жилые помещения, выходящие на солнечный полдень, и спальные помещения на противоположной стороне.[9] А гелиодон - это традиционный передвижной светильник, используемый архитекторами и дизайнерами для моделирования эффектов солнечной траектории. В наше время трехмерная компьютерная графика может визуально моделировать эти данные и рассчитывать прогнозы производительности.[4]

Принципы пассивной солнечной теплопередачи

Личное тепловой комфорт является функцией факторов личного здоровья (медицинских, психологических, социологических и ситуационных), температуры окружающего воздуха, средняя лучистая температура, движение воздуха (холодный ветер, турбулентность ) и относительная влажность (воздействуя на человека испарительный охлаждение). Теплопередача в зданиях происходит через конвекция, проводимость, и тепловое излучение через крышу, стены, пол и окна.[10]

Конвективная теплопередача

Конвективная теплопередача может быть полезным или вредным. Неконтролируемое проникновение воздуха из бедных утепление / водонепроницаемые / сквозняки могут обеспечить до 40% потерь тепла зимой;[11] тем не менее, стратегическое размещение работающих окон или вентиляционных отверстий может улучшить конвекцию, перекрестную вентиляцию и летнее охлаждение, когда наружный воздух имеет комфортную температуру и относительная влажность.[12] Отфильтровано вентиляция с рекуперацией энергии системы могут быть полезны для устранения нежелательной влажности, пыли, пыльцы и микроорганизмов в нефильтрованном вентиляционном воздухе.

Естественная конвекция, вызывающая поднимающийся теплый воздух и падающий холодный воздух могут привести к неравномерному расслоению тепла. Это может вызвать неудобные колебания температуры в верхнем и нижнем кондиционируемом пространстве, служить способом отвода горячего воздуха или быть спроектировано в виде контура потока воздуха с естественной конвекцией для пассивный солнечный распределение тепла и выравнивание температуры. Естественное охлаждение человека пот и испарение может быть обеспечено естественным или принудительным конвективным движением воздуха вентиляторами, но потолочные вентиляторы могут нарушить многослойные изолирующие слои воздуха в верхней части комнаты и ускорить передачу тепла от горячего чердака или через близлежащие окна. Кроме того, высокий относительная влажность подавляет испарительное охлаждение человека.

Лучистая теплопередача

Основной источник теплопередача является энергия излучения, а первоисточник - солнце. Солнечное излучение проходит преимущественно через крышу и окна (но также и через стены). Тепловое излучение перемещается с более теплой поверхности на более прохладную. Крыши получают большую часть солнечного излучения, поступающего в дом. А крутая крыша, или зеленая крыша в дополнение к лучистый барьер может помочь предотвратить повышение температуры на чердаке выше пиковой летней температуры наружного воздуха[13] (увидеть альбедо, поглощающая способность, излучательная способность, и отражательная способность ).

Windows - это готовый и предсказуемый сайт для тепловое излучение.[14]Энергия излучения может перемещаться в окно днем ​​и из того же окна ночью. Радиация использует фотоны передавать электромагнитные волны через вакуум или полупрозрачную среду. Прирост солнечного тепла может быть значительным даже в холодные ясные дни. Приток солнечного тепла через окна можно уменьшить за счет изоляционное остекление, затенение и ориентация. Окна особенно сложно изолировать по сравнению с крышей и стенами. Конвективная теплопередача через и вокруг оконные покрытия также ухудшают его изоляционные свойства.[14] При затенении окон внешнее затенение более эффективно снижает приток тепла, чем внутреннее. оконные покрытия.[14]

Западное и восточное солнце может обеспечить тепло и освещение, но летом они уязвимы для перегрева, если не будут в тени. Напротив, низкое полуденное солнце легко пропускает свет и тепло зимой, но может быть легко затенено с помощью выступов соответствующей длины или наклонных жалюзи летом и летних деревьев с листвой, которые сбрасывают листья осенью. Количество получаемого лучистого тепла зависит от местоположения широта, высота, облачность, и сезонный / почасовой угол падения (увидеть Путь солнца и Закон косинусов Ламберта ).

Еще один принцип пассивного солнечного дизайна заключается в том, что тепловая энергия может быть хранится в некоторых строительных материалах и снова высвобождается, когда приток тепла уменьшается для стабилизации дневной (день / ночь) перепады температуры. Сложное взаимодействие термодинамический принципы могут быть нелогичный для начинающих дизайнеров. Точный компьютерное моделирование поможет избежать дорогостоящих строительных экспериментов.

Особенности сайта при проектировании

Элементы дизайна жилых домов в умеренном климате

  • Размещение в доме типов комнат, межкомнатных дверей и стен, оборудования.
  • Ориентация здания лицом к экватору (или на несколько градусов к востоку, чтобы запечатлеть утреннее солнце)[9]
  • Увеличение размеров здания по оси восток / запад
  • Окна подходящего размера, чтобы зимой смотреть на полуденное солнце, а летом быть в тени.
  • Минимизация окон на других сторонах, особенно западных окон[14]
  • Возведение свесов крыши с учетом широты и правильного размера,[15] или затемняющие элементы (кусты, деревья, решетки, заборы, ставни и т. д.)[16]
  • Использование соответствующего количества и типа изоляция включая излучающие барьеры и объемную изоляцию для минимизации сезонного чрезмерного притока или потери тепла
  • С помощью термическая масса для хранения избыточной солнечной энергии в течение зимнего дня (которая затем повторно излучается ночью)[17]

Точное количество обращенного к экватору стекла и тепловая масса должны основываться на тщательном учете широты, высоты, климатических условий и нагрева / охлаждения. день степени требования.

Факторы, которые могут ухудшить тепловые характеристики:

  • Отклонение от идеальной ориентации и соотношение сторон север / юг / восток / запад
  • Избыточная площадь остекления ("чрезмерное остекление"), приводящее к перегреву (что также приводит к ослеплению и выцветанию мягкой мебели) и потерям тепла при понижении температуры окружающего воздуха
  • Установка остекления в местах, где солнечное излучение днем ​​и тепловые потери ночью невозможно контролировать, например На запад, угловое остекление, световые люки[18]
  • Тепловые потери через неизолированное или незащищенное остекление
  • Отсутствие адекватного затенения в сезонные периоды высокого солнечного излучения (особенно на западной стене)
  • Неправильное применение термическая масса для регулирования суточных колебаний температуры
  • Открытые лестницы, приводящие к неравномерному распределению теплого воздуха между верхними и нижними этажами при подъеме теплого воздуха
  • Большая площадь здания по отношению к объему - слишком много углов
  • Неадекватный утепление приводит к высокой инфильтрации воздуха
  • Отсутствие или неправильная установка, лучистые барьеры в жаркое время года. (Смотрите также крутая крыша и зеленая крыша )
  • Изоляционные материалы которые не соответствуют основному режиму теплопередачи (например, нежелательные конвективные / проводящие / лучистые теплопередача )

Эффективность и экономичность пассивного солнечного отопления

Технически PSH очень эффективен. Системы с прямым усилением могут утилизировать (т.е. преобразовать в «полезное» тепло) 65–70% энергии солнечного излучения, попадающего в отверстие или коллектор.

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

Другие источники сообщают о следующих PSF:

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

В благоприятных климатических условиях, например на юго-западе США, оптимизированные системы могут превышать 75% PSF.[19]

Для получения дополнительной информации см. Солнечное тепло воздуха

Основные конфигурации пассивных солнечных батарей

Существует три основных конфигурации пассивной солнечной энергии:[20]

  • непосредственный Солнечная система
  • непрямая солнечная система
  • изолированная солнечная система

Прямая солнечная система

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

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

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

Обычно примерно на каждые 1 фут2 стекла, обращенного на юг, от 5 до 10 футов3 тепловой массы требуется для тепловой массы (1 м3 на 5-10 м2). При учете минимальных и средних размеров настенных и напольных покрытий и мебели это обычно составляет от 5 до 10 футов.2 за фут2 (От 5 до 10 м2 за м2) стекла, обращенного на юг, в зависимости от того, падает ли солнечный свет непосредственно на поверхность. Простейшее практическое правило состоит в том, что площадь тепловой массы должна в 5-10 раз превышать площадь поверхности коллектора прямого усиления (стекла).[20]

Твердая термическая масса (например, бетон, кладка, камень и т. Д.) Должна быть относительно тонкой, не более 4 дюймов (100 мм). Лучше всего работают тепловые массы с большими открытыми участками и под прямыми солнечными лучами хотя бы часть дня (минимум 2 часа). Цвета от средних до темных с высокой поглощающей способностью следует использовать на поверхностях элементов из термальных масс, которые будут находиться под прямыми солнечными лучами. Тепловая масса, не контактирующая с солнечными лучами, может быть любого цвета. Легкие элементы (например, стены и потолок из гипсокартона) могут быть любого цвета. Покрытие остекления плотно прилегающими подвижными изоляционными панелями в темное, пасмурное время и в ночное время значительно повысит производительность системы прямого усиления. Вода, содержащаяся в пластиковой или металлической оболочке и находящаяся под прямыми солнечными лучами, нагревается быстрее и равномернее, чем твердая масса, благодаря естественной конвекционной теплопередаче. Процесс конвекции также предотвращает чрезмерное повышение температуры поверхности, как это иногда бывает, когда на темные твердые поверхности падает прямой солнечный свет.

В зависимости от климата и адекватной тепловой массы площадь остекления, обращенного на юг, в системе прямого усиления должна быть ограничена примерно 10-20% площади пола (например, 10-20 футов2 стекла на 100 футов2 площадь пола). Это должно быть основано на чистом стекле или площади остекления. Обратите внимание, что у большинства окон чистая площадь остекления / остекления составляет от 75 до 85% от общей площади оконного блока. Выше этого уровня вероятны проблемы с перегревом, бликами и выцветанием тканей.[20]

Косвенная солнечная система

В пассивная солнечная система с косвенным усилением, тепловая масса (бетон, кирпичная кладка или вода) расположен непосредственно за стеклом, выходящим на юг, и перед отапливаемым внутренним пространством, поэтому прямого нагрева нет.Положение массы препятствует попаданию солнечного света в внутреннее пространство, а также может затруднять обзор через стекло. Существует два типа систем косвенного усиления: системы теплоаккумулирующих стен и системы водоема на крыше.[20]

Стены для хранения тепла (тромб)

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

Стена аккумулирования тепла обычно состоит из каменной стены толщиной от 4 до 16 дюймов (от 100 до 400 мм), покрытой темной, поглощающей тепло (или выборочной поверхностью) и покрытой одинарным или двойным слоем стекла с высокой пропускной способностью. Стекло обычно размещают на расстоянии от до 2 дюймов от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. В некоторых конструкциях масса расположена на расстоянии от 1 до 2 футов (0,6 м) от стекла, но пространство по-прежнему не используется. Поверхность термальной массы поглощает падающее на нее солнечное излучение и сохраняет его для использования в ночное время. В отличие от системы прямого усиления, стенная система аккумулирования тепла обеспечивает пассивное солнечное отопление без чрезмерной площади окон и бликов во внутренних помещениях. Однако возможность пользоваться видами и дневным светом исключается. Характеристики стен Trombe ухудшаются, если внутренняя часть стены не открыта для внутреннего пространства. Мебель, книжные полки и навесные шкафы, установленные на внутренней поверхности стены, снизят ее эффективность.

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

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

Вентилируемые перегородки для аккумулирования тепла, идущие внутрь, оказались несколько неэффективными, в основном потому, что они отводят слишком много тепла днем ​​в мягкую погоду и в летние месяцы; они просто перегреваются и создают проблемы с комфортом. Большинство специалистов по солнечной энергии рекомендуют не выводить теплоаккумулирующие стены внутрь помещения.

Существует множество вариантов стеновой системы Trombe. An невентилируемая стена аккумулирования тепла (технически не стена Trombe) улавливает солнечную энергию на внешней поверхности, нагревается и отводит тепло к внутренней поверхности, откуда оно излучается с внутренней поверхности стены во внутреннее пространство в конце дня. А водная стена использует тип тепловой массы, которая состоит из резервуаров или трубок с водой, используемых в качестве тепловой массы.

Типичная невентилируемая стена аккумулирования тепла состоит из кирпичной или бетонной стены, обращенной на юг, с темным теплопоглощающим материалом на внешней поверхности и облицованной одинарным или двойным слоем стекла. Стекло с высоким коэффициентом пропускания максимизирует солнечный свет на стену. Стекло размещается на расстоянии от ¾ до 6 дюймов (от 20 до 150 мм) от стены для создания небольшого воздушного пространства. Стеклянная рама, как правило, металлическая (например, алюминиевая), потому что винил размягчается, а древесина становится сверхвысохшей при температуре 180 ° F (82 ° C), которая может существовать за стеклом в стене. Тепло от солнечного света, проходящего через стекло, поглощается темной поверхностью, сохраняется в стене и медленно проходит внутрь через кладку. В качестве архитектурной детали узорчатое стекло может ограничить внешний вид стены без ущерба для пропускания солнечного света.

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

Температурные колебания между внешней и внутренней поверхностями стен пропускают тепло через массивную стену. Однако внутри здания поступление тепла в дневное время задерживается, и оно становится доступным на внутренней поверхности тепловой массы только вечером, когда это необходимо, потому что солнце село. Временной лаг - это разница во времени между моментом, когда солнечный свет впервые попадает в стену, и моментом, когда тепло проникает внутрь здания. Временная задержка зависит от типа материала, из которого изготовлена ​​стена, и толщины стены; большая толщина приводит к большему запаздыванию. Запаздывание, характерное для тепловой массы, в сочетании с гашением колебаний температуры позволяет использовать переменную дневную солнечную энергию в качестве более однородного источника тепла в ночное время. Окна можно разместить в стене для естественного освещения или из эстетических соображений, но это имеет тенденцию несколько снижать эффективность.

Толщина стены аккумулирования тепла должна составлять приблизительно от 10 до 14 дюймов (от 250 до 350 мм) для кирпича, от 12 до 18 дюймов (от 300 до 450 мм) для бетона, от 8 до 12 дюймов (от 200 до 300 мм) для земли / самана. и не менее 6 дюймов (150 мм) для воды. Эти толщины задерживают движение тепла, так что температура поверхностей в помещении достигает пика в поздние вечерние часы. Тепло достигнет внутренней части здания за 8-10 часов (тепло проходит через бетонную стену со скоростью около одного дюйма в час). Хорошая тепловая связь между внутренней отделкой стен (например, гипсокартоном) и стеной из термостойкого материала необходима для максимальной передачи тепла во внутреннее пространство.

Хотя расположение стены аккумулирования тепла сводит к минимуму дневной перегрев внутреннего пространства, хорошо изолированное здание должно быть ограничено примерно 0,2-0,3 фута.2 тепловой массы поверхности стены на фут2 обогреваемой площади пола (от 0,2 до 0,3 м2 за м2 площади пола), в зависимости от климата. Водная стена должна иметь от 0,15 до 0,2 фута.2 поверхности водной стены на фут2 (От 0,15 до 0,2 м2 за м2) площади пола.

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

Главный недостаток теплоаккумулирующих перегородок - отвод тепла наружу. Двойное стекло (стекло или любой из пластиков) необходимо для уменьшения потерь тепла в большинстве климатических условий. В мягком климате допустимо одинарное стекло. Селективная поверхность (поверхность с высоким поглощением / низким уровнем излучения), нанесенная на внешнюю поверхность стены аккумулирования тепла, улучшает рабочие характеристики за счет уменьшения количества инфракрасной энергии, излучаемой обратно через стекло; обычно достигается аналогичное улучшение характеристик без необходимости ежедневной установки и снятия изоляционных панелей. Селективная поверхность состоит из листа металлической фольги, приклеенного к внешней поверхности стены. Он поглощает почти все излучение в видимой части солнечного спектра и очень мало излучает в инфракрасном диапазоне. Высокая поглощающая способность превращает свет в тепло на поверхности стены, а низкий коэффициент излучения предотвращает обратное излучение тепла к стеклу.[20]

Система пруда на крыше

А пруд на крыше пассивная солнечная система, иногда называемый солнечная крыша, использует воду, хранящуюся на крыше, для поддержания высоких и низких внутренних температур, обычно в пустынях. Обычно он состоит из контейнеров, вмещающих от 6 до 12 дюймов (от 150 до 300 мм) воды на плоской крыше. Вода хранится в больших пластиковых пакетах или контейнерах из стекловолокна, чтобы максимизировать излучение и свести к минимуму испарение. Его можно оставить неглазурованным или покрыть остеклением. Солнечное излучение нагревает воду, которая действует как накопитель тепла. Ночью или в пасмурную погоду контейнеры можно накрыть изоляционными панелями. Внутреннее пространство под прудом на крыше обогревается тепловой энергией, излучаемой накопителем пруда на крыше. Для этих систем требуются хорошие дренажные системы, подвижная изоляция и улучшенная структурная система, способная выдержать от 35 до 70 фунтов / фут.2 (От 1,7 до 3,3 кН / м2) статическая нагрузка.

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

Изолированная солнечная система

В пассивная солнечная система с изолированным усилением, компоненты (например, коллектор и накопитель тепла) изолированы от внутренней части здания.[20]

An прикрепленное солнечное пространство, также иногда называемый солнечная комната или солярий, представляет собой тип солнечной системы с изолированным усилением с застекленным внутренним пространством или комнатой, которая является частью здания или присоединена к нему, но может быть полностью изолирована от основных жилых помещений. Он функционирует как пристроенная теплица, в которой используется комбинация характеристик системы прямого и косвенного усиления. Солнечное пространство может называться и выглядеть как оранжерея, но оранжерея предназначена для выращивания растений, тогда как солнечное пространство предназначено для обеспечения тепла и эстетики здания. Солнечные пространства - очень популярные пассивные элементы дизайна, потому что они расширяют жилую площадь здания и предлагают место для выращивания растений и другой растительности. Однако в умеренном и холодном климате требуется дополнительное отопление помещения, чтобы растения не замерзали в очень холодную погоду.

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

Температурные колебания, вызванные тепловыми потерями и приростом, могут быть смягчены за счет термической массы и окон с низким коэффициентом излучения. Тепловая масса может включать каменный пол, каменную стену, граничащую с домом, или емкости с водой. Распределение тепла в здании может осуществляться через вентиляционные отверстия на уровне потолка и пола, окна, двери или вентиляторы. В обычном дизайне стена из термической массы, расположенная на задней стороне солнечного пространства, прилегающего к жилому пространству, будет функционировать как стена из тепловой массы с косвенным усилением. Солнечная энергия, попадающая в солнечное пространство, сохраняется в тепловой массе. Солнечное тепло передается в здание за счет теплопроводности через общую стену массы в задней части солнечного пространства и через вентиляционные отверстия (например, невентилируемые стены аккумулирования тепла) или через отверстия в стене, которые обеспечивают поток воздуха из солнечного пространства во внутреннее пространство за счет конвекции ( как вентилируемая стена для аккумулирования тепла).

В холодном климате следует использовать двойное остекление, чтобы уменьшить проводящие потери через стекло наружу. Потеря тепла в ночное время, хотя и значительная в зимние месяцы, не так существенна в солнечном пространстве, как в системах прямого усиления, поскольку солнечное пространство может быть закрыто от остальной части здания. В умеренном и холодном климате важна термическая изоляция солнечного пространства от здания в ночное время. Большие стеклянные панели, французские двери или раздвижные стеклянные двери между зданием и прилегающим солнечным пространством сохранят ощущение открытости без потерь тепла, связанных с открытым пространством.

Солнечное пространство с теплоизоляционной стеной из кирпичной кладки потребует примерно 0,3 фута.2 тепловой массы поверхности стены на фут2 обогреваемой площади пола (0,3 м2 за м2 площади пола) в зависимости от климата. Толщина стены должна быть такой же, как у стены, аккумулирующей тепло. Если между солнечным пространством и жилым пространством используется водная стена, примерно 0,20 футов2 тепловой массы поверхности стены на фут2 обогреваемой площади пола (0,2 м2 за м2 площади пола) уместно. В большинстве климатических случаев в летние месяцы требуется система вентиляции, чтобы предотвратить перегрев. Как правило, обширные верхние (горизонтальные) и обращенные на восток и запад стеклянные площади не должны использоваться в солнечном пространстве без специальных мер предосторожности от летнего перегрева, таких как использование теплоотражающего стекла и обеспечение зон с системой летнего затенения.

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

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

Дополнительные меры

Следует принять меры по снижению потерь тепла в ночное время, например, оконные покрытия или утеплитель сдвижных окон.

Хранение тепла

Солнце светит не все время. Накопление тепла, или термическая масса, сохраняет тепло в здании, когда солнце не может его нагреть.

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

В субарктических областях или областях, которые долгое время не получали солнечной энергии (например, недели ледяного тумана), специально построенная тепловая масса стоит очень дорого. Дон Стивенс первым изобрел экспериментальную технику использования земли в качестве тепловой массы, достаточно большой для годового хранения тепла. Его конструкции включают изолированный термосифон на 3 метра под домом и изолируют землю 6-метровой водонепроницаемой юбкой.[23]

Изоляция

Основная статья: Утепление здания

Теплоизоляция или суперизоляция (тип, размещение и количество) снижает нежелательную утечку тепла.[10] Некоторые пассивные здания на самом деле построен из изоляции.

Специальные системы остекления и оконные покрытия

Основные статьи: Изоляционное остекление и Оконное покрытие

Эффективность прямого солнечное усиление системы значительно усилены изоляционными (например, двойное остекление ), спектрально-селективное остекление (low-e ) или изоляция подвижных окон (оконные стеганые одеяла, двойные внутренние изоляционные ставни, шторы и т. д.).[24]

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

В доме широко используются окна с повышенной изоляцией. Немецкий Пассивный дом стандарт. Выбор различных спектрально-селективных оконных покрытий зависит от соотношения нагрева и охлаждения. дипломные дни для проектной локации.

Выбор остекления

Экваториальное стекло

Требования к стеклу, обращенному к вертикальному экватору, отличаются от остальных трех сторон здания. Светоотражающие оконные покрытия и несколько оконных стекол могут снизить полезное солнечное излучение. Однако системы с прямым усилением больше зависят от двойное или тройное остекление уменьшить теплопотери. Конфигурации с косвенным усилением и изолированным усилением могут по-прежнему эффективно работать только с одинарным остеклением. Тем не менее, оптимальное экономичное решение зависит как от местоположения, так и от системы.

Мансардное стекло и мансардные окна

Мансардные окна пропускают резкие прямые солнечные лучи и блики[25] либо горизонтально (плоская крыша), либо под тем же углом, что и скат крыши. В некоторых случаях используются горизонтальные световые люки с отражателями для увеличения интенсивности солнечного излучения (и резкого ослепления), в зависимости от крыши. угол падения. Когда зимнее солнце низко над горизонтом, большая часть солнечного излучения отражается от наклонного стекла крыши ( угол падения почти параллельна скошенному стеклу утром и днем). Когда летнее солнце находится высоко, оно почти перпендикулярно стеклу под углом, которое максимизирует солнечную энергию в неподходящее время года и действует как солнечная печь. Мансардные окна должны быть закрыты и хорошо изолированы, чтобы уменьшить естественная конвекция (подъем теплого воздуха) потеря тепла холодными зимними ночами и интенсивное солнечное тепло в дни горячих источников / лета / осени.

Сторона здания, обращенная к экватору, находится на юге в северном полушарии и на севере в южном полушарии. Мансардные окна на крышах, обращенных от экватора, обеспечивают в основном непрямое освещение, за исключением летних дней, когда солнце может вставать на неэкваториальной стороне здания (в некоторых широты ). Мансардные окна на крышах, выходящих на восток, обеспечивают максимальное попадание прямого света и солнечного тепла в летнее утро. Окна в крыше, выходящие на запад, обеспечивают дневной солнечный свет и тепло в самое жаркое время дня.

Некоторые световые люки имеют дорогостоящее остекление, которое частично снижает приток солнечного тепла летом, но позволяет пропускать видимый свет. Однако, если видимый свет может проходить через него, то может и некоторое количество лучистого тепла (они оба являются электромагнитное излучение волны).

Вы можете частично уменьшить нежелательный приток тепла летом от остекления под углом, установив световой люк в тени лиственный (опадающих) деревьев, или путем добавления подвижного изолированного непрозрачного оконного покрытия с внутренней или внешней стороны светового люка. Это исключит возможность использования дневного света летом. Если ветки деревьев свисают над крышей, это усугубит проблемы с листьями в водосточных желобах и может вызвать повреждение крыши. ледяные дамбы, сокращают срок службы крыши и упрощают проникновение вредителей на чердак. Листья и ветки на мансардных окнах непривлекательны, их трудно чистить, и они могут увеличить риск повреждения остекления во время урагана.

«Пилообразное остекление крыши» только с вертикальным остеклением может принести некоторые преимущества пассивной солнечной конструкции здания в ядро ​​коммерческого или промышленного здания без необходимости в каком-либо остеклении под углом или мансардных окнах.

Мансардные окна обеспечивают дневной свет. Единственный вид, который они предоставляют, в большинстве приложений по существу прямой. Хорошо изолирован световые трубки может пропускать дневной свет в северные комнаты без использования светового люка. Теплица с пассивным солнечным излучением обеспечивает обильный дневной свет на экваториальной стороне здания.

Инфракрасный термография цветные тепловизионные камеры (используются в формальных энергетический аудит ) может быстро задокументировать негативное тепловое воздействие остекления под углом или окна в крыше холодной зимней ночью или жарким летним днем.

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

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

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

Сложно контролировать получение солнечного тепла в солнечном пространстве с наклонным остеклением летом и даже в середине мягкого и солнечного зимнего дня. Мансардные окна являются полной противоположностью здание с нулевым потреблением энергии Пассивное солнечное охлаждение в климатических условиях, требующих кондиционирования воздуха.

Угол падающего излучения

На количество солнечного излучения, передаваемого через стекло, также влияет угол падения. солнечная радиация. Солнечный лучик удары по листу стекла под углом 45 градусов перпендикуляр в основном передается (менее 10% отраженный ), тогда как для солнечного света, падающего под углом 70 градусов от перпендикуляра, отражается более 20% света, а при превышении 70 градусов этот процент отраженного света резко возрастает.[27]

Все эти факторы можно более точно смоделировать с помощью фотографического люксметр и гелиодон или оптическая скамья, который может количественно оценить соотношение отражательная способность к пропускающая способность, на основе угол падения.

В качестве альтернативы, программное обеспечение для пассивного солнечного компьютера может определить влияние путь солнца, и охлаждение-обогрев дипломные дни на энергия спектакль.

Работающие устройства затенения и изоляции

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

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

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

Домашняя автоматизация системы, которые контролируют температуру, солнечный свет, время суток и заполняемость комнаты, могут точно управлять моторизованными устройствами затенения и изоляции окон.

Цвета экстерьера отражающие - впитывающие

Материалы и цвета можно выбрать таким образом, чтобы они отражали или поглощали солнечная тепловая энергия. Использование информации о цвет для электромагнитное излучение определить ее тепловое излучение свойства отражения или поглощения могут помочь сделать выбор.
Увидеть Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Национальная лаборатория Ок-Ридж: «Холодные цвета»

Ландшафтный дизайн и сады

Основная статья: Энергоэффективное озеленение

Энергоэффективное озеленение материалы для тщательного выбора пассивных солнечных батарей включают хардскейп строительный материал и "софтскейп " растения. Использование ландшафтный дизайн принципы выбора деревья, живые изгороди, и решетка -беседка особенности с лозы; все можно использовать для создания летней тени. Для зимнего солнечного усиления желательно использовать лиственный растения, которые сбрасывают листья осенью, дают круглогодичные пассивные солнечные преимущества. Нелистные вечнозеленый кусты и деревья могут быть ветрозащитные полосы, на разных высотах и ​​расстояниях, чтобы создать защиту и укрытие от зимы холодный ветер. Ксерискапирование с "подходящим размером для взрослых" местные виды из-и засухоустойчивые растения, капельное орошение, мульчирование и органическое садоводство методы уменьшают или устраняют потребность в энерго- и водоемких орошение, садовое оборудование, работающее на газе, и сокращает выбросы мусора на свалки. На солнечных батареях ландшафтное освещение и фонтанные насосы, и крытые бассейны и глубокие бассейны с участием солнечные водонагреватели может уменьшить влияние таких удобств.

Другие пассивные солнечные принципы

Пассивное солнечное освещение

Основная статья: Пассивное солнечное освещение

Пассивное солнечное освещение методы улучшают использование естественный освещение для интерьеров и, таким образом, уменьшить зависимость от систем искусственного освещения.

Этого можно достичь путем тщательного проектирования здания, ориентации и размещения оконных секций для сбора света. Другие креативные решения включают использование отражающих поверхностей, которые пропускают дневной свет внутрь здания. Оконные секции должны быть подходящего размера и избегать чрезмерное освещение может быть экранирован Бриз солей, навесы, хорошо расположенные деревья, стеклянные покрытия и другие пассивные и активные устройства.[28]

Еще одна важная проблема для многих окно систем заключается в том, что они могут быть потенциально уязвимыми участками чрезмерного тепловыделения или потери тепла. Пока высоко установлен фонарь окна и традиционные световые люки может проникать дневной свет в плохо ориентированные части здания, нежелательную теплопередачу трудно контролировать.[29][30] Таким образом, энергия, сэкономленная за счет уменьшения искусственного освещения, часто более чем компенсируется энергией, необходимой для работы. HVAC системы для обслуживания тепловой комфорт.

Для решения этой проблемы могут использоваться различные методы, включая, помимо прочего, оконные покрытия, изоляционное остекление и новые материалы, такие как аэрогель полупрозрачная изоляция, оптоволокно встроены в стены или крышу, или гибридное солнечное освещение в Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Отражающие элементы от активных и пассивное дневное освещение коллекционеры, такие как легкие полки, светлые тона стен и пола, зеркальный секции стен, внутренние стены с верхними стеклянными панелями, а также петли из прозрачного или полупрозрачного остекления двери и раздвижные стеклянные двери взять уловленный свет и пассивно отразить его дальше внутрь. Свет может быть из пассивных окон или мансардных окон и солнечного света. световые трубки или из активное дневное освещение источники. В традиционных Японская архитектура то Сёдзи раздвижные панельные двери с полупрозрачными Васи экраны, являются своеобразным прецедентом. Международный стиль, Модернист и Середина века модерн архитектура ранее были новаторами этого пассивного проникновения и отражения в промышленных, коммерческих и жилых приложениях.

Пассивный солнечный водонагреватель

Основная статья: Солнечная горячая вода

Есть много способов использовать солнечная тепловая энергия для нагрева воды для бытовых нужд. Разные активно-пассивные солнечная горячая вода технологии имеют разные экономические анализ выгоды и затрат последствия.

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

Есть возможность использовать активную солнечную горячую воду, которая также может быть отключена от сети и считается экологически безопасной. Это достигается за счет использования фотоэлементов, которые используют энергию солнца для питания насосов.[32]

Сравнение со стандартом пассивного дома в Европе

Основная статья: Пассивный дом

В Европе набирает обороты подход, поддерживаемый Пассивный дом (Passivhaus на немецком языке) Институт в Германии. Вместо того, чтобы полагаться исключительно на традиционные методы проектирования пассивных солнечных батарей, этот подход направлен на использование всех пассивных источников тепла, минимизирует потребление энергии и подчеркивает необходимость высокого уровня изоляции, усиленной тщательным вниманием к деталям, чтобы решить проблему тепловых мостов и проникновение холодного воздуха. В большинстве зданий, построенных по стандарту пассивного дома, также есть активный вентиляция с рекуперацией тепла агрегат с небольшим встроенным нагревательным элементом (обычно 1 кВт) или без него.

Энергетический расчет зданий пассивного дома разработан с использованием инструмента моделирования на основе электронных таблиц, который называется Пакет планирования пассивного дома (PHPP), который периодически обновляется. Текущая версия - PHPP 9.6 (2018). Здание может быть сертифицировано как «Пассивный дом», если будет продемонстрировано, что оно соответствует определенным критериям, наиболее важным из которых является то, что годовая удельная потребность дома в тепле не должна превышать 15 кВтч / м2а.

Инструменты дизайна

Традиционно гелиодон был использован для моделирования высоты и азимута солнца, падающего на модельное здание в любое время и в любой день года.[33] В наше время компьютерные программы могут моделировать это явление и интегрировать местные климатические данные (включая данные о воздействии на объекты, такие как затенение и физические препятствия) для прогнозирования потенциала солнечной энергии для конкретной конструкции здания в течение года. GPS -на основании смартфон приложения теперь могут делать это недорого на портативных устройствах. Эти инструменты дизайна Предоставить проектировщику пассивных солнечных батарей возможность оценить местные условия, элементы дизайна и ориентацию до начала строительства. Оптимизация энергетических характеристик обычно требует итеративного процесса проектирования и оценки. Не существует такой вещи, как универсальная пассивная солнечная конструкция здания «один размер для всех», которая бы хорошо работала во всех местах.

Уровни применения

Во многих отдельно стоящих загородных домах можно снизить расходы на отопление без очевидных изменений внешнего вида, комфорта и удобства использования.[34] Это достигается за счет правильного размещения и расположения окон, небольшого количества тепловой массы, хорошей, но традиционной изоляции, защиты от атмосферных воздействий и случайного дополнительного источника тепла, такого как центральный радиатор, подключенный к (солнечному) водонагревателю. Днем солнечные лучи могут падать на стену и повышать ее температуру. термическая масса. Тогда это будет излучать тепло в здание вечером. Внешнее затенение или радиационный барьер плюс воздушный зазор можно использовать для уменьшения нежелательного солнечного излучения летом.

Расширение подхода «пассивной солнечной энергии» к сезонному улавливанию и хранению тепла и холода. Эти конструкции пытаются улавливать солнечное тепло в теплый сезон и передавать его в сезонный термальный магазин для использования через несколько месяцев в холодное время года («пассивная солнечная энергия в годовом исчислении»). Увеличенное хранение достигается за счет использования большого количества тепловой массы или заземление. Отдельные сообщения предполагают, что они могут быть эффективными, но официальных исследований, демонстрирующих их превосходство, не проводилось. Такой подход также может перенести охлаждение в теплое время года. Примеры:

«Чисто пассивный» дом с солнечным отоплением не будет иметь механической печи, полагаясь вместо этого на энергию, улавливаемую солнечным светом, только дополненную «случайной» тепловой энергией, выделяемой светильниками, компьютерами и другими специализированными приборами (например, для приготовление пищи, развлечения и т. д.), душ, люди и домашние животные. Использование потоков воздуха с естественной конвекцией (а не механических устройств, таких как вентиляторы) для циркуляции воздуха связано, хотя и не строго с солнечным дизайном. При проектировании пассивных солнечных батарей иногда используются ограниченные электрические и механические элементы управления для управления заслонками, изолирующими ставнями, шторами, навесами или отражателями. В некоторых системах используются небольшие вентиляторы или дымоходы с солнечным обогревом для улучшения конвективного воздушного потока. Разумный способ проанализировать эти системы - измерить их коэффициент производительности. Тепловой насос может использовать 1 Дж на каждые 4 Дж, которые он доставляет, что дает COP, равный 4. Система, которая использует только 30 Вт вентилятор для более равномерного распределения 10 кВт солнечного тепла по всему дому, будет иметь COP 300.

Пассивная солнечная конструкция здания часто является основополагающим элементом экономически эффективного здание с нулевым потреблением энергии.[35][36] Хотя ZEB использует несколько концепций проектирования пассивных солнечных батарей, ZEB обычно не является чисто пассивным, имея активные механические системы генерации возобновляемой энергии, такие как: ветряная турбина, фотогальваника, микро гидро, геотермальный, и другие новые альтернативные источники энергии. Пассивная солнечная энергия также является основной стратегией проектирования зданий для пассивная живучесть, наряду с другими пассивными стратегиями.[37]

Пассивный солнечный дизайн на небоскребах

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

Другое исследование[39] проанализировали фасад с двойной зеленой обшивкой (DGSF) на внешней стороне высотных зданий в Гонконге. Такой зеленый фасад или растительность, покрывающая внешние стены, может значительно снизить использование кондиционирования воздуха - до 80%, как обнаружили исследователи.

В более умеренном климате такие стратегии, как остекление, регулировка соотношения окна к стене, защита от солнца и стратегии крыши, могут обеспечить значительную экономию энергии в диапазоне от 30% до 60%.[40]

Смотрите также

Системы оценки энергопотребления

использованная литература

  1. ^ Дорр, Томас (2012). Пассивный солнечный упрощенный (1-е изд.). Получено 24 октября, 2012.
  2. ^ Нортон, Брайан (2014). Использование солнечного тепла. Springer. ISBN  978-94-007-7275-5.
  3. ^ «Министерство энергетики США - Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии - Программное обеспечение для моделирования энергии Energy Plus». Получено 2011-03-27.
  4. ^ а б «Рейтинговые инструменты». Архивировано из оригинал 30 сентября 2007 г.. Получено 2011-11-03.
  5. ^ а б c Таламон, Аттила (7 августа 2013 г.). «Пассивный солнечный дизайн в архитектуре - новый тренд?». Губернатор.
  6. ^ http://www.srrb.noaa.gov/highlights/sunrise/fig5_40n.gif
  7. ^ http://www.srrb.noaa.gov/highlights/sunrise/fig5_0n.gif
  8. ^ http://www.srrb.noaa.gov/highlights/sunrise/fig5_90n.gif
  9. ^ а б "Техническое руководство для вашего дома - 4.3 Ориентация - Часть 1". 9 ноября 2012. Архивировано с оригинал на 2012-11-09.
  10. ^ а б "Техническое руководство для вашего дома - 4.7 Изоляция". 25 марта 2012 г. Архивировано с оригинал 25 марта 2012 г.
  11. ^ «BERC - Герметичность». Ornl.gov. 2004-05-26. Архивировано из оригинал на 2010-08-28. Получено 2010-03-16.
  12. ^ "Техническое руководство для вашего дома - 4.6 Пассивное охлаждение". 20 марта 2012 г. Архивировано с оригинал 2012-03-20.
  13. ^ «Сияющие барьеры EERE». Eere.energy.gov. 2009-05-28. Получено 2010-03-16.
  14. ^ а б c d «Остекление». Архивировано из оригинал 15 декабря 2007 г.. Получено 2011-11-03.
  15. ^ Спрингер, Джон Л. (декабрь 1954 г.). "Большой путь строительства". Популярная наука. 165 (6): 157.
  16. ^ "Техническое руководство по вашему дому - 4.4 Затенение - Часть 1". 21 января 2012. Архивировано из оригинал 21 января 2012 г.
  17. ^ «Техническое руководство для вашего дома - 4.9 Тепловая масса». 16 февраля 2011. Архивировано с оригинал на 16.02.2011.
  18. ^ «Вводный обзор технологии пассивной солнечной энергии». Министерство энергетики США - Цех пассивной солнечной энергетики ORNL. Архивировано из оригинал на 2019-03-29. Получено 2007-12-23.
  19. ^ «Пассивный солнечный дизайн». Солнечная ассоциация Нью-Мексико. Архивировано из оригинал на 2015-12-01. Получено 2015-11-11.
  20. ^ а б c d е ж г час я Вуек, Джозеф (2010). Механические и электрические системы в архитектуре, проектировании и строительстве. Pearson Education / Prentice Hall. ISBN  9780135000045.
  21. ^ Шарифи, Айюб; Ямагата, Йошики (декабрь 2015 г.). «Крышные пруды как пассивные системы отопления и охлаждения: систематический обзор». Прикладная энергия. 160: 336–357. Дои:10.1016 / j.apenergy.2015.09.061.
  22. ^ "Земные корабли". earthship.com.
  23. ^ Годовое геосолнечное отопление, Дон Стивенс - Проверено 05 февраля 2009 г.
  24. ^ Шурклифф, Уильям А. (1980). Тепловые ставни и шторы - более 100 схем снижения потерь тепла через окна 1980 г.. ISBN  978-0-931790-14-0.
  25. ^ "Флоридский центр солнечной энергии - Мансардные окна". Получено 2011-03-29.
  26. ^ «Министерство энергетики США - Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии - Ориентация солнечного пространства и углы остекления». Получено 2011-03-28.
  27. ^ "Получение солнечного тепла через стекло". Irc.nrc-cnrc.gc.ca. 2010-03-08. Архивировано из оригинал на 2009-03-21. Получено 2010-03-16.
  28. ^ Чирас, Д. Солнечный дом: пассивное отопление и охлаждение. Издательская компания Chelsea Green; 2002 г.
  29. ^ «[СОДЕРЖАНИЕ В АРХИВЕ] Эффективное утепление и обогрев вашего дома: Directgov - Окружающая среда и экология». Direct.gov.uk. Получено 2010-03-16.
  30. ^ «Уменьшите свои счета за отопление этой зимой - недооцененные источники тепловых потерь в доме». Allwoodwork.com. 14 февраля 2003 г. Архивировано из оригинал на 2010-09-17. Получено 2010-03-16.
  31. ^ Брайан Нортон (2011) Солнечные водонагреватели: обзор системных исследований и инновационных разработок, Green. 1, 189–206, ISSN (Online) 1869-8778
  32. ^ Андраде, Мартин (6 марта 2011 г.). «Дизайн дома на солнечной энергии» (PDF).
  33. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 18 марта 2009 г.. Получено 6 февраля, 2016.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  34. ^ «Программа промышленных технологий: промышленная распределенная энергия». Eere.energy.gov. Получено 2010-03-16.
  35. ^ «Пример использования доступных домов с нулевым потреблением энергии в условиях холодного климата: препринт» (PDF). Получено 2010-03-16.
  36. ^ «Дома с нулевым энергопотреблением: краткое руководство» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2006-08-13. Получено 2010-03-16.
  37. ^ Уилсон, Алекс (1 декабря 2005 г.). «Пассивная живучесть». Зеленое здание.
  38. ^ Лотфабади, Пуйя (2015). «Солнечные соображения в высотных зданиях». Энергия и здания. 89: 183–195. Дои:10.1016 / j.enbuild.2014.12.044.
  39. ^ Вонг, Ирэн; Болдуин, Эндрю Н. (15 февраля 2016 г.). «Изучение возможностей применения вертикальных зеленых стен в многоэтажных жилых домах для энергосбережения в субтропических регионах». Строительство и окружающая среда. 97: 34–39. Дои:10.1016 / j.buildenv.2015.11.028.
  40. ^ Раджи, Бабак; Tenpierik, Martin J .; ван ден Доббельстин, Энди (2016). «Оценка энергосберегающих решений при проектировании ограждающих конструкций высотных зданий в умеренном климате: пример из Нидерландов». Энергия и здания. 124: 210–221. Дои:10.1016 / j.enbuild.2015.10.049.

внешние ссылки