Пассивті күн энергиясымен жылытылатын үйлер және Trombe қабырғасы

Кіріспе

Пассивті күн сәулелі ғимарат

Тромб қабырғасы – экваторға қарай орналасқан, күн сәулесінен жылу энергиясын сіңіру үшін қара түске боялған, сырты әйнекпен жабылған және қабырға мен әйнек арасында оқшаулау үшін ауа қуысы бар массивті қабырға. Тромб қабырғасы – пассивті күн сәулелі ғимаратты жобалау стратегиясы, ол күн сәулесі алдымен ауаның жылу массасымен жанасқан күн энергиясын жинау бетіне түсетін жанама пайдалану принципін қабылдайды. Массаға сіңірілген күн сәулесі жылу энергиясына (жылуға) айналады, содан кейін тұрғын кеңістікке беріледі. Тромб қабырғалары бұқаралық қабырға, күн қабырғасы немесе жылуды сақтау қабырғасы деп те аталады. Дегенмен, профессор Феликс Тромбе мен архитектор Феликс пассивті қыздырылатын және салқындатылатын күн құрылымдарын жобалаудағы кең ауқымды жұмыстарының арқасында олар көбінесе Тромб қабырғалары деп аталады.

Пассивті күн жүйелерінің тарихы және Тромб қабырғаларының эволюциясы

1920 жылдары күн сәулесінен жылу алу идеясы Еуропада туды. Германияда күн сәулесін тиімді пайдалануға бағытталған тұрғын үйлерді жобалау жұмыстары жүргізілді. Күн энергиясын зерттеу және жинақталған тәжірибе Уолтер Гропиус және Марсель Брюер сияқты сәулетшілер арқылы Атлант мұхитының ар жағына тарады. Осы алғашқы мысалдардан өзге, үйлерді күнмен жылыту 1930 жылға дейін баяу дамыды, содан кейін бірнеше американдық сәулетшілер күн жылытудың мүмкіндіктерін зерттеуге кірісті. Америкалық сәулетшілердің пионерлік жұмысы, еуропалық иммигранттардың ықпалы және соғыс жылдарындағы отын тапшылығының естелігі Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін тұрғын үй құрылысының қарқынды даму кезеңінде күн жылытуды кеңінен танымал етті. 1970 жылдары, 1973 жылғы халықаралық мұнай дағдарысынан бұрын және кейін, кейбір еуропалық сәулеттік журналдар стандартты құрылыс әдістері мен сол кездегі сәулетке сын көзбен қарады. Олар сәулетшілер мен инженерлердің дағдарысқа қалай ден қойғанын, энергия мен табиғи ресурстарды тиімді пайдалану үшін жаңа техникалар мен жобаларды ұсынғанын сипаттады. Сонымен қатар, табиғи ресурстардың азаюы күн сияқты жаңаруға жарамды энергия көздеріне қызығушылықты арттырды. Халық санының өсуімен қатар энергия тұтыну және қоршаған орта мәселелері де жаһандық мәселеге айналды, әсіресе құрылыс секторы әлемде ең көп энергияны тұтынады және энергияның көп бөлігі жылыту, желдету және кондиционерлеу жүйелеріне жұмсалады. Осы себептерге байланысты бүгінгі таңдағы ғимараттар жылу беру және салқындату үшін шикізат энергиясын толығымен немесе ішінара жаңаруға жарамды энергиямен алмастыру арқылы энергия тиімділігі мен экологиялық тазалыққа қол жеткізуі күтілуде. Осы бағытта ғимараттарға пассивті күн жүйелерін енгізу тұрақты даму стратегиясы болып табылады және халықаралық ережелермен ынталандырылады. Бүгінгі күні төмен энергияны тұтынатын, Тромбе қабырғалары бар ғимараттар ежелгі техниканы жетілдіреді, ол жылуды сақтау және беру жүйесін қамтиды: күндіз күннің жылуын сіңіріп, түнде оны баяу және біркелкі босату арқылы ғимаратты жылыту үшін қалың қабырғалар немесе тас. Бүгінде Тромбе қабырғасы пассивті күн энергиясын пайдаланудың тиімді стратегиясы ретінде қызмет етеді. Тромбе қабырға жүйесінің белгілі мысалы алғаш рет 1967 жылы Франциядағы Одейльо қаласындағы Тромбе үйінде қолданылды. 1974 жылы Тромбе қабырға жүйесінің алғашқы мысалы Нью-Джерси штатының Принстон қаласындағы Келбоу үйінде пайдаланылды. Тромбе қабырғасының жұмыс істеуінде маңызды рөл атқаратын тағы бір фактор – материалдардың жылу сыйымдылығынан туындаған уақыт кешігуі. Тромбе қабырғалары өте қалың және жоғары жылу сыйымдылығы бар материалдардан жасалғандықтан, жылу ағыны ыстық сыртқы беттен салқын ішкі бетке төмен жылу сыйымдылығы бар материалдарға қарағанда баяу жүреді. Бұл жылу ағынының кешігуі уақыт кешігуі деп аталады және ол күндіз алынған жылудың жылу массасының ішкі бетіне кейінірек жетуіне себеп болады. Бұл қасиет кешкі уақытта да тұрғын үйді жылытуға көмектеседі. Тромбе қабырғалары көбінесе бетон, кірпіш, тас немесе балшықтан жасалса да, судан да жасалуы мүмкін. Суды жылу массасы ретінде пайдаланудың артықшылығы – су көлем бірлігіне қарай жылуды көп сақтайды (жоғары жылу сыйымдылығы). Күн энергиясын жинаудың тағы бір стратегиясы – Тромбе қабырғаларының кейбір кемшіліктерінен құтылу үшін сыртқы айна сияқты шағылыстырғыштарды пайдалану. Алайда, жылу шығынын өтеу үшін кешкі және түнгі уақытта жапқышы бар бір шыныны пайдалану ұсынылады. Жоғары өткізгіштігі бар шыны Тромбе қабырғасының күн энергиясын барынша арттырады, сонымен қатар шыны артындағы қара кірпішті, табиғи тастарды, су контейнерлерін немесе басқа да тартымды жылу массасын көруге мүмкіндік береді. Алайда, эстетикалық тұрғыдан қара термиялық массаны ажырату қажет емес. Архитектуралық бөлшектер ретінде қараңғы қабырғаның сыртқы көрінуін шектеуге арналған өрнекті шыныны пайдалануға болады. Тромбе қабырғасын ғимараттарда пайдалану ғимараттың энергия тұтынуын 30%-ға дейін азайтуға мүмкіндік береді, сонымен қатар ол экологиялық таза. Сол сияқты, егер ғимараттың қабырғасына Тромбе қабырғасы қосылса, жылу энергиясын үнемдеуге 16,36% жетуге болады. Жарық, ультракүлгін сәулелердің әсері немесе түнгі уақыттағы жеке өмірдің шектелуі толық биіктіктегі Тромбе қабырға жүйесімен байланысты емес. Тромбе қабырғасын жобалау және құрылыс бөлімінде көрсетілгендей, Тромбе қабырғаларының жұмысы әртүрлі жобалар мен климаттық параметрлер үшін жақсы сипатталған. Басқа да мүмкін модификацияларға негізге орнатылған қатаң жылу оқшаулағыш тақта және жылудың ғимаратқа қажетсіз кезеңдерде немесе Тромбе қабырғасынан негізге жылу шығынын болдырмау үшін шыны мен жылу массасы арасына орнатылған жылу оқшаулағыш перделер, сондай-ақ қабырға жүйесіне (қабырғаның жоғарғы және төменгі тежегіштері болса) ауа конвекциясы арқылы қосымша жылу беруді қамтамасыз ету үшін желдету жүйесін қосу кіреді. Тромбе қабырғалары ыстық жаз және жылы қыс аймақтарында дәстүрлі қабырғамен салыстырғанда бірлік қабырға ауданына шаққанда көбірек энергияны үнемдесе, егер жылыту маусымында күн сәулесі төмен болса, олар нашар экономикалық тиімділікке ие. Жүйенің жұмыс істеуі үшін жылдам ауыстырылатын жылу оқшаулағыштарды немесе жапқыштарды пайдалану қажет, көбінесе күнделікті. Жергілікті тұрғындар жүйемен таныс емес аймақтарда Тромбе қабырға жүйесінен максималды тиімділік алу үшін пайдаланушыларға прототипті модельдеу немесе әртүрлі маусымдар мен күндерде қабырғаны пайдалану бойынша пайдаланушыға ыңғайлы нұсқаулық ұсыну маңызды. Бұл қатысу жобадан кейін Тромбе қабырға идеясын қабылдауға және жергілікті тұрғындарға оны жергілікті жерде көбейтуге көмектеседі.

In 1920s, the idea of solar heating started in Europe. In Germany, housing projects were designed to take advantage of the sun. The research and accumulated experience with solar design then spread across the Atlantic by architects like Walter Gropius and Marcel Breuer. Besides from these early examples, the heating of homes with the sun made slow progress until the 1930s, when several different American architects started to explore the potential of solar heating. The pioneering work of these American architects, the influence of the immigrant Europeans, and the memory of the wartime fuel shortages made solar heating very popular during the initial housing boom at the end of World War II. Later in 1970s, before and after the international oil crisis of 1973, some European architectural periodicals were critical of standard construction methods and the architecture of the time. They described how architects and engineers reacted to the crisis, proposing new techniques and projects in order to intervene innovatively in the built environment, using energy and natural resources more efficiently. Moreover, the depletion of natural sources generated interest in renewable energy sources, such as the sun. Also, parallel to the global population growth, energy consumption and environmental issues become a global concern especially while the building sector is consuming the highest energy in the world and most of the energy is used for heating, ventilation and air condition systems. For these reasons, the buildings today are expected to achieve both energy efficient and environmental friendly design by using renewable energy partly or completely instead of fossil energy for heating and cooling. In this direction, the integration of passive solar systems in buildings is one strategy for sustainable development and increasingly encouraged by international regulations. Today's low energy buildings with Trombe walls often improve on the ancient technique that incorporates a thermal storage and delivery system people have used: thick walls of adobe or stone to trap the sun's heat during the day and release it slowly and evenly at night to heat their building. Today, the Trombe wall continues to serve as an effective strategy of passive solar design. The well known example of the Trombe wall system is first used in the Trombe house in Odeillo, France in 1967. In 1974, the first example of Trombe wall system is used in the Kelbaugh House in Princeton, New Jersey. Another phenomenon that plays a role in the Trombe wall's operation is the time lag caused by the heat capacity of the materials. Since Trombe walls are quite thick and made of high heat capacity materials, the heat flow from the warmer outer surface to the cooler inner surface is slower than other materials with less heat capacity. This delayed heat flow phenomenon is known as time lag and it causes the heat gained during the day to reach the interior surface of the thermal mass later. This property of the mass helps to heat the living space in the evenings as well. Although the Trombe walls are usually made of solid materials, such as concrete, brick, stone, or adobe, they can also be made of water. The advantage of using water as a thermal mass is that water stores considerably more heat per volume (has a greater heat capacity) than masonry. Another strategy helps to benefit from the solar collection without some of the drawbacks of the Trombe walls is to use exterior mirror like reflectors. However, it is recommended to use the single glass with a shutter for the evening and night times, to offset its heat losses. High transmission glazing maximizes solar gains of the Trombe wall while allowing to recognize the dark brick, natural stones, water containers, or another attractive thermal mass system behind the glazing as well. However, from an aesthetics perspective, sometimes it is not desirable to distinguish the black thermal mass. As an architectural detail, patterned glass can be used to limit the exterior visibility of the dark wall without sacrificing transmissivity. specifically using a Trombe wall in building can reduce a building's energy consumption up to 30% in addition to being environmentally friendly. Similarly, the energy heating savings of 16.36% can be achieved if a Trombe wall was added to the building envelope. Glare, ultraviolet degradation, or reduction of night time privacy are not problems with a full height Trombe wall system. As seen in the Trombe wall design and construction section, the performance of the Trombe walls is well characterized for a variety of design and climate parameters. Possible other modifications can be adding a rigid insulation board to foundation area and insulation curtains between the glass and thermal mass to avoid heat transfer into the building during undesired periods or heat loss from the Trombe wall to the foundation, or adding a ventilation system into the wall system (if the wall has upper and lower vents) to provide an additional heat transfer by air convection which is desirable to circulate the air evenly. Even though Trombe walls built in hot summer and warm winter zones provide more energy saving per unit wall area compared with a conventional wall, they display a poorer economic performance if solar radiation is low during the heating season. The system requires user action to operate movable insulation or shutters, often on a daily basis. In regions where the local users are not familiar with the system, to get the maximum performance from the Trombe wall system, it is important that users are given guidance either by modeling a prototype or providing a user friendly operation manual for the wall during different seasons or days. This participation can yield to post project acceptance of the Trombe wall idea and make it easier for locals to reproduce it locally.

Құрылыс түрлерін жеңілдету

Качадорлық еден Тромбе қабырғасының кемшіліктерін тігінен емес, көлденең бағытта орналастыру арқылы жояды. Барра жүйесі нақты Тромбе қабырғаларын Качадорлық еден сияқты желдетілетін тақтамен үйлестіреді.