Пассивное использование солнечной энергии в архитектуре и строительстве

Пассивный солнечный дизайн: энергоэффективные здания без электричества! Используем тепло солнца для отопления и охлаждения. Окна, теплоизоляция, ориентация.

36 мин чтения

100%

Источник: Passive solar building design — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Архитектурное проектирование, использующее солнечное тепло без электрических или механических систем.

В пассивном солнечном проектировании окон, стен и полов создаются для сбора, хранения, отражения и распределения солнечной энергии в виде тепла зимой и для защиты от перегрева летом. Такой подход называется пассивным солнечным проектированием, поскольку, в отличие от активных солнечных систем отопления, он не предполагает использования механических и электрических устройств. Ключевым моментом при проектировании пассивного солнечного здания является максимально эффективное использование местного климата, что требует тщательного анализа участка. Необходимо учитывать расположение и размер окон, тип остекления, теплоизоляцию, тепловую массу и систему затенения. Методы пассивного солнечного проектирования легче всего применять при строительстве новых зданий, но существующие здания также можно адаптировать или модернизировать.

Пассивное увеличение энергии

Пассивные солнечные технологии используют солнечный свет без активных механических систем (в отличие от активных солнечных, которые используют тепловые коллекторы). Эти технологии преобразуют солнечный свет в полезное тепло (в воде, воздухе и теплоаккумулирующих материалах), создают движение воздуха для вентиляции или последующего использования, при минимальном использовании других источников энергии. Типичным примером является солярий, ориентированный на южную сторону здания. Пассивное охлаждение – это применение схожих принципов проектирования для снижения потребности в охлаждении летом. Некоторые пассивные системы используют небольшое количество традиционной энергии для управления демпферами, ставнями, ночной изоляцией и другими устройствами, которые повышают эффективность сбора, хранения и использования солнечной энергии, а также уменьшают нежелательный теплообмен. К пассивным солнечным технологиям относятся прямой и непрямой солнечный нагрев для отопления помещений, системы солнечного нагрева воды, основанные на термосифонном принципе, использование теплоаккумулирующих материалов и материалов с фазовым переходом для замедления колебаний температуры воздуха в помещении, солнечные печи, солнечные дымоходы для усиления естественной вентиляции и заглубленные конструкции. В более широком смысле к солнечным технологиям относится и солнечная печь, однако она обычно требует некоторого количества внешней энергии для ориентации концентрирующих зеркал или приемников и исторически не показала свою практичность и экономическую эффективность для широкого применения. Потребности в энергии "низкого качества", такие как отопление помещений и нагрев воды, со временем доказали свою эффективность в качестве областей применения пассивного использования солнечной энергии.

Как наука

Научная основа пассивного проектирования солнечных зданий была разработана на основе сочетания климатологии, термодинамики (в особенности теплопередачи: теплопроводности, конвекции и электромагнитного излучения), механики жидкостей/естественной конвекции (пассивное движение воздуха и воды без использования электричества, вентиляторов или насосов), а также обеспечения теплового комфорта человека, основанного на тепловом индексе, психометрии и управлении энтальпией для зданий, предназначенных для проживания людей или животных, зимних садов, соляриев и теплиц для выращивания растений. Особое внимание уделяется: участку, расположению и солнечной ориентации здания, местному солнечному пути, преобладающему уровню солнечной инсоляции (широта/солнечный свет/облачность/осадки), качеству/материалам проектирования и строительства, расположению/размеру/типу окон и стен, а также интеграции теплоаккумулирующей массы с теплоемкостью для хранения солнечной энергии. Хотя эти соображения применимы к любому зданию, достижение оптимального решения по соотношению стоимости и эффективности требует тщательной, целостной, системной интеграции этих научных принципов. Современные усовершенствования, такие как компьютерное моделирование (например, комплексное программное обеспечение для моделирования энергопотребления зданий "Energy Plus" Министерства энергетики США) и применение опыта, накопленного за десятилетия (с энергетического кризиса 1970-х годов), позволяют значительно экономить энергию и снижать экологический ущерб, не жертвуя функциональностью или эстетикой. Фактически, элементы пассивного солнечного дизайна, такие как теплица/зимний сад/солярий, могут значительно повысить комфорт, освещенность, вид из окна и стоимость дома при низкой стоимости за единицу площади. С энергетического кризиса 1970-х годов было получено много знаний о пассивном проектировании солнечных зданий. Многие ненаучные, основанные на интуиции и дорогостоящие строительные эксперименты пытались, но не смогли достичь нулевого энергопотребления – полного устранения счетов за отопление и охлаждение. Строительство пассивных солнечных зданий может быть не сложным или дорогим (с использованием доступных материалов и технологий), но научный дизайн пассивного солнечного здания – это нетривиальная инженерная задача, требующая глубокого изучения предыдущих, контринтуитивных уроков, а также времени на ввод, оценку и итеративную доработку входных и выходных данных моделирования. Одним из наиболее полезных инструментов оценки после строительства является использование термографии с применением цифровых тепловизионных камер для проведения формального количественного научного энергетического аудита. Тепловизионная съемка может использоваться для выявления областей с плохой тепловой эффективностью, например, негативного влияния на теплоизоляцию наклонного остекления крыши или мансардного окна в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день. Научные уроки, извлеченные за последние три десятилетия, были зафиксированы в сложных комплексных компьютерных системах моделирования энергопотребления зданий (например, U.S. DOE Energy Plus). Научный пассивный дизайн солнечных зданий с количественной оптимизацией затрат и выгод не прост для новичка. Высокий уровень сложности привел к появлению некачественной архитектуры и множества интуитивных, ненаучных строительных экспериментов, которые разочаровали их разработчиков и привели к значительным потерям строительного бюджета на нецелесообразные идеи. Экономическая мотивация для научного проектирования и инженерии значительна. Если бы этот подход был всесторонне применен к строительству новых зданий, начиная с 1980 года (на основе уроков, извлеченных в 1970-х годах), Соединенные Штаты могли бы экономить более 250 миллионов долларов в год на дорогостоящей энергии и связанном с ней загрязнении. Обратная ситуация наблюдается в Южном полушарии, но солнце восходит на востоке и заходит на западе, независимо от полушария. В экваториальных регионах, расположенных на широте менее 23,5 градусов, положение солнца в солнечный полдень будет колебаться с севера на юг и обратно в течение года. В регионах, расположенных ближе, чем на 23,5 градуса к северному или южному полюсу, летом солнце будет описывать полный круг в небе, не заходя, а через шесть месяцев, в разгар зимы, оно никогда не появится над горизонтом. Разница в 47 градусов в высоте солнца в солнечный полдень между зимой и летом является основой пассивного солнечного дизайна. Эта информация в сочетании с местными климатическими данными (градус-днями) для отопления и охлаждения позволяет определить, в какое время года солнечный выигрыш будет полезен для теплового комфорта, а когда его следует блокировать с помощью затенения. Стратегическое размещение элементов, таких как остекление и устройства затенения, позволяет контролировать процент солнечного выигрыша, попадающего в здание, в течение года. Одна из проблем пассивного солнечного дизайна, связанных с определением солнечного пути, заключается в том, что, хотя солнце находится в одном и том же относительном положении за шесть недель до и после солнцестояния, из-за "тепловой инерции" земной тепловой массы температура и требования к солнечному выигрышу существенно различаются до и после летнего или зимнего солнцестояния. Подвижные ставни, шторы, солнцезащитные экраны или оконные "одеяла" могут учитывать ежедневные и почасовые требования к солнечному выигрышу и теплоизоляции. Тщательная планировка помещений завершает пассивный солнечный дизайн. Распространенная рекомендация для жилых домов – размещать жилые зоны, ориентированные на солнечное полуденное положение, а спальни – на противоположной стороне. Гелиодон – традиционное подвижное осветительное устройство, используемое архитекторами и дизайнерами для моделирования эффектов солнечного пути. В настоящее время 3D-компьютерная графика может визуально моделировать эти данные и рассчитывать прогнозные показатели эффективности.

The scientific basis for passive solar building design has been developed from a combination of climatology, thermodynamics (particularly heat transfer: conduction (heat), convection, and electromagnetic radiation), fluid mechanics/natural convection (passive movement of air and water without the use of electricity, fans or pumps), and human thermal comfort based on heat index, psychrometrics and enthalpy control for buildings to be inhabited by humans or animals, sunrooms, solariums, and greenhouses for raising plants. Specific attention is divided into: the site, location and solar orientation of the building, local sun path, the prevailing level of insolation (latitude/sunshine/clouds/precipitation), design and construction quality/materials, placement/size/type of windows and walls, and incorporation of solar energy storing thermal mass with heat capacity. While these considerations may be directed toward any building, achieving an ideal optimized cost/performance solution requires careful, holistic, system integration engineering of these scientific principles. Modern refinements through computer modeling (such as the comprehensive U. S. Department of Energy "Energy Plus" building energy simulation software), and application of decades of lessons learned (since the 1970s energy crisis) can achieve significant energy savings and reduction of environmental damage, without sacrificing functionality or aesthetics. In fact, passive solar design features such as a greenhouse/sunroom/solarium can greatly enhance the livability, daylight, views, and value of a home, at a low cost per unit of space. Much has been learned about passive solar building design since the 1970s energy crisis. Many unscientific, intuition based expensive construction experiments have attempted and failed to achieve zero energy – the total elimination of heating and cooling energy bills. Passive solar building construction may not be difficult or expensive (using off the shelf existing materials and technology), but the scientific passive solar building design is a non trivial engineering effort that requires significant study of previous counter intuitive lessons learned, and time to enter, evaluate, and iteratively refine the simulation input and output. One of the most useful post construction evaluation tools has been the use of thermography using digital thermal imaging cameras for a formal quantitative scientific energy audit. Thermal imaging can be used to document areas of poor thermal performance such as the negative thermal impact of roof angled glass or a skylight on a cold winter night or hot summer day. The scientific lessons learned over the last three decades have been captured in sophisticated comprehensive building energy simulation computer software systems (like U. S. DOE Energy Plus). Scientific passive solar building design with quantitative cost benefit product optimization is not easy for a novice. The level of complexity has resulted in ongoing bad architecture, and many intuition based, unscientific construction experiments that disappoint their designers and waste a significant portion of their construction budget on inappropriate ideas. The economic motivation for scientific design and engineering is significant. If it had been applied comprehensively to new building construction beginning in 1980 (based on 1970s lessons learned), The United States could be saving over $250,000,000 per year on expensive energy and related pollution today. The converse is observed in the Southern Hemisphere, but the sun rises to the east and sets toward the west regardless of which hemisphere you are in. In equatorial regions at less than 23.5 degrees, the position of the sun at solar noon will oscillate from north to south and back again during the year. In regions closer than 23.5 degrees from either north or south pole, during summer the sun will trace a complete circle in the sky without setting whilst it will never appear above the horizon six months later, during the height of winter. The 47 degree difference in the altitude of the sun at solar noon between winter and summer forms the basis of passive solar design. This information is combined with local climatic data (degree day) heating and cooling requirements to determine at what time of the year solar gain will be beneficial for thermal comfort, and when it should be blocked with shading. By strategic placement of items such as glazing and shading devices, the percentage of solar gain entering a building can be controlled throughout the year. One passive solar sun path design problem is that although the sun is in the same relative position six weeks before, and six weeks after, the solstice, due to "thermal lag" from the thermal mass of the Earth, the temperature and solar gain requirements are quite different before and after the summer or winter solstice. Movable shutters, shades, shade screens, or window quilts can accommodate day to day and hour to hour solar gain and insulation requirements. Careful arrangement of rooms completes the passive solar design. A common recommendation for residential dwellings is to place living areas facing solar noon and sleeping quarters on the opposite side. A heliodon is a traditional movable light device used by architects and designers to help model sun path effects. In modern times, 3D computer graphics can visually simulate this data, and calculate performance predictions.

Конвективный теплопередач

Конвективный теплообмен может быть полезным или вредным. Неконтролируемая инфильтрация воздуха из-за недостаточной герметизации / уплотнения / защиты от сквозняков может приводить к потерям до 40% тепла зимой; однако, стратегическое размещение открывающихся окон или вентиляционных отверстий может усилить конвекцию, перекрестную вентиляцию и летнее охлаждение, когда наружный воздух имеет комфортную температуру и относительную влажность. Системы вентиляции с рекуперацией энергии, оснащенные фильтрами, могут быть полезны для удаления нежелательной влажности, пыли, пыльцы и микроорганизмов из нефильтрованного приточного воздуха. Естественная конвекция, вызывающая подъем теплого воздуха и опускание более холодного, может приводить к неравномерному расслоению температуры. Это может вызывать дискомфортные колебания температуры в верхней и нижней частях отапливаемого помещения, служить способом удаления горячего воздуха или быть спроектировано как конвективный воздушный поток для пассивного распределения солнечного тепла и выравнивания температуры. Естественное охлаждение человека посредством потоотделения и испарения может быть облегчено естественным или принудительным конвективным движением воздуха с помощью вентиляторов, но потолочные вентиляторы могут нарушать слоистую изоляцию воздушных слоев в верхней части помещения и ускорять теплопередачу от горячего чердака или через близлежащие окна. Кроме того, высокая относительная влажность препятствует испарительному охлаждению организма.

Прямая солнечная система

В пассивной солнечной системе с прямым усилением внутреннее пространство выполняет функции солнечного коллектора, аккумулятора тепла и системы его распределения. Остекление, ориентированное на юг в северном полушарии (на север в южном полушарии), пропускает солнечную энергию внутрь здания, где она непосредственно нагревает (поглощение лучистой энергии) или косвенно нагревает (через конвекцию) теплоаккумулирующие материалы в здании, такие как бетонные или каменные полы и стены. Полы и стены, выполняющие функцию теплоаккумулятора, являются неотъемлемыми функциональными элементами здания и смягчают интенсивность нагрева в течение дня. Ночью нагретый теплоаккумулятор излучает тепло в помещение. В холодных климатах здание с солнечной регуляцией температуры является наиболее простым типом пассивной солнечной системы с прямым усилением, который заключается в незначительном увеличении площади остекления, ориентированного 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. Она имеет небольшую дополнительную тепловую массу сверх уже существующей в здании (т.е. только каркас, облицовочные панели и т.п.). В здании с солнечной регуляцией температуры площадь окон, ориентированных на юг, должна быть ограничена примерно 5-7% от общей площади пола, и меньше в солнечных климатических условиях, чтобы предотвратить перегрев. Дополнительное остекление, ориентированное на юг, может быть добавлено только при увеличении тепловой массы. Экономия энергии при использовании этой системы умеренна, а солнечная регуляция температуры – экономически выгодна. В настоящих пассивных солнечных системах с прямым усилением требуется достаточная тепловая масса для предотвращения значительных колебаний температуры воздуха в помещении; требуется больше тепловой массы, чем в здании с солнечной регуляцией температуры. Недостаточная или неправильно спроектированная тепловая масса может привести к перегреву внутреннего пространства здания. Примерно половина – две трети внутренней поверхности полов, стен и потолков должны быть выполнены из материалов для аккумулирования тепла. В качестве материалов для аккумулирования тепла могут использоваться бетон, саман, кирпич и вода. Тепловая масса в полах и стенах должна быть максимально открытой, насколько это функционально и эстетически возможно; тепловая масса должна подвергаться воздействию прямых солнечных лучей. Следует избегать ковровых покрытий от стены до стены, больших ковров, массивной мебели и больших настенных украшений. Обычно на каждый квадратный фут остекления, ориентированного на юг, требуется от 5 до 10 кубических футов тепловой массы (1 м³ на 5-10 м²). С учетом минимальных и средних покрытий стен и полов, а также мебели, это обычно соответствует примерно 5-10 квадратным футам на квадратный фут (5-10 м² на м²) остекления, ориентированного на юг, в зависимости от того, попадает ли солнечный свет непосредственно на поверхность. Самое простое эмпирическое правило заключается в том, что площадь тепловой массы должна быть в 5-10 раз больше площади поверхности солнечного коллектора прямого усиления (стекла). Твердая тепловая масса (например, бетон, каменная кладка, камень и т.д.) должна быть относительно тонкой, не более 4 дюймов (100 мм) толщиной. Наиболее эффективны тепловые массы с большими открытыми поверхностями и те, которые подвергаются воздействию прямого солнечного света по крайней мере в течение части дня (минимум 2 часа). Для поверхностей элементов тепловой массы, которые будут находиться под прямым солнечным светом, следует использовать цвета средней и темной тональности с высокой поглощающей способностью. Тепловая масса, не контактирующая с солнечным светом, может быть любого цвета. Легкие элементы (например, гипсокартонные стены и потолки) могут быть любого цвета. Укрытие остекления плотно прилегающими, перемещаемыми изоляционными панелями в темное, пасмурное время и в ночное время значительно повысит эффективность системы прямого усиления. Вода, содержащаяся в пластиковых или металлических емкостях и помещенная под прямым солнечным светом, нагревается быстрее и равномернее, чем твердая масса, благодаря естественной конвективной теплопередаче. Процесс конвекции также предотвращает чрезмерный нагрев поверхности, который иногда происходит при воздействии прямого солнечного света на темные твердые поверхности. В зависимости от климата и при наличии достаточной тепловой массы площадь остекления, ориентированного на юг, в системе прямого усиления должна быть ограничена примерно 10-20% от площади пола (например, 10-20 квадратных футов стекла для площади пола 100 квадратных футов). Это должно основываться на чистой площади стекла или остекления. Следует отметить, что чистая площадь стекла/остекления большинства окон составляет 75-85% от общей площади оконного блока. При превышении этого уровня могут возникнуть проблемы с перегревом, бликами и выцветанием тканей.

In a direct gain passive solar system, the indoor space acts as a solar collector, heat absorber, and distribution system. South facing glass in the northern hemisphere(north facing in the southern hemisphere) admits solar energy into the building interior where it directly heats (radiant energy absorption) or indirectly heats (through convection) thermal mass in the building such as concrete or masonry floors and walls. The floors and walls acting as thermal mass are incorporated as functional parts of the building and temper the intensity of heating during the day. At night, the heated thermal mass radiates heat into the indoor space. In cold climates, a sun tempered building is the most basic type of direct gain passive solar configuration that simply involves increasing (slightly) the south facing glazing area, without adding additional thermal mass. It is a type of direct gain system in which the building envelope is well insulated, is elongated in an east–west direction, and has a large fraction (~80% or more) of the windows on the south side. It has little added thermal mass beyond what is already in the building (i. e., just framing, wall board, and so forth). In a sun tempered building, the south facing window area should be limited to about 5 to 7% of the total floor area, less in a sunny climate, to prevent overheating. Additional south facing glazing can be included only if more thermal mass is added. Energy savings are modest with this system, and sun tempering is very low cost. In genuine direct gain passive solar systems, sufficient thermal mass is required to prevent large temperature fluctuations in indoor air; more thermal mass is required than in a sun tempered building. Overheating of the building interior can result with insufficient or poorly designed thermal mass. About one half to two thirds of the interior surface area of the floors, walls and ceilings must be constructed of thermal storage materials. Thermal storage materials can be concrete, adobe, brick, and water. Thermal mass in floors and walls should be kept as bare as is functionally and aesthetically possible; thermal mass needs to be exposed to direct sunlight. Wall to wall carpeting, large throw rugs, expansive furniture, and large wall hangings should be avoided. Typically, for about every 1 ft2 of south facing glass, about 5 to 10 ft3 of thermal mass is required for thermal mass (1 m3 per 5 to 10 m2). When accounting for minimal to average wall and floor coverings and furniture, this typically equates to about 5 to 10 ft2 per ft2 (5 to 10 m2 per m2) of south facing glass, depending upon whether the sunlight strikes the surface directly. The simplest rule of thumb is that thermal mass area should have an area of 5 to 10 times the surface area of the direct gain collector (glass) area. Solid thermal mass (e. g., concrete, masonry, stone, etc.) should be relatively thin, no more than about 4 in (100 mm) thick. Thermal masses with large exposed areas and those in direct sunlight for at least part of the day (2 hour minimum) perform best. Medium to dark, colors with high absorptivity, should be used on surfaces of thermal mass elements that will be in direct sunlight. Thermal mass that is not in contact with sunlight can be any color. Lightweight elements (e. g., drywall walls and ceilings) can be any color. Covering the glazing with tight fitting, moveable insulation panels during dark, cloudy periods and nighttime hours will greatly enhance performance of a direct gain system. Water contained within plastic or metal containment and placed in direct sunlight heats more rapidly and more evenly than solid mass due to natural convection heat transfer. The convection process also prevents surface temperatures from becoming too extreme as they sometimes do when dark colored solid mass surfaces receive direct sunlight. Depending on climate and with adequate thermal mass, south facing glass area in a direct gain system should be limited to about 10 to 20% of the floor area (e. g., 10 to 20 ft2 of glass for a 100 ft2 floor area). This should be based on the net glass or glazing area. Note that most windows have a net glass/glazing area that is 75 to 85% of the overall window unit area. Above this level, problems with overheating, glare and fading of fabrics are likely.

Косвенная солнечная система

В системе косвенного пассивного солнечного отопления теплоаккумулирующий материал (бетон, каменная кладка или вода) располагается непосредственно за южным остеклением и перед отапливаемым помещением, поэтому прямого нагрева не происходит. Расположение теплоаккумулирующего материала препятствует попаданию солнечного света непосредственно в помещение и может также ухудшать обзор через стекло. Существуют два типа систем косвенного усиления: системы теплоаккумулирующих стен и системы крышных бассейнов.

Термохранилища (Тромб)

В системе теплоаккумулирующей стены, часто называемой стеной Тромбе, массивная стена расположена непосредственно за южным остеклением, которое поглощает солнечную энергию и отдает ее селективно во внутреннее пространство здания ночью. Стена может быть построена из монолитного бетона, кирпича, саманного кирпича, камня или полнотелых (или заполненных) бетонных блоков. Солнечный свет проникает через стекло и немедленно поглощается поверхностью массивной стены, где он либо накапливается, либо передается через материал в помещение. Тепловая масса не способна поглощать солнечную энергию так же быстро, как она поступает в пространство между массой и оконной поверхностью. Температура воздуха в этом пространстве может легко превышать 49 °C (120 °F). Этот нагретый воздух может поступать во внутренние помещения за стеной через вентиляционные отверстия, расположенные в верхней части стены. Эта система стен была впервые задумана и запатентована в 1881 году ее изобретателем, Эдвардом Морсом. Феликс Тромбе, в честь которого иногда называют эту систему, был французским инженером, построившим несколько домов с использованием этой конструкции во Французских Пиренеях в 1960-х годах. Теплоаккумулирующая стена обычно состоит из каменной кладки толщиной от 100 до 400 мм, покрытой темным, теплопоглощающим покрытием (или селективной поверхностью) и облицованной одним или двумя слоями стекла с высокой светопропускаемостью. Стекло обычно располагается на расстоянии от 20 до 50 мм (3/4 - 2 дюйма) от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. В некоторых конструкциях масса расположена на расстоянии от 0,6 м (1-2 фута) от стекла, но это пространство все равно остается неиспользуемым. Поверхность тепловой массы поглощает солнечное излучение, падающее на нее, и сохраняет его для использования ночью. В отличие от системы прямого солнечного прогрева, система теплоаккумулирующей стены обеспечивает пассивный солнечный обогрев без избыточной площади остекления и бликов во внутренних помещениях. Однако возможность наслаждаться видом и естественным освещением отсутствует. Эффективность стен Тромбе снижается, если внутренняя часть стены не открыта для внутренних помещений. Мебель, книжные полки и настенные шкафы, установленные на внутренней поверхности стены, снижают ее эффективность. Классическая стена Тромбе, также называемая вентилируемой теплоаккумулирующей стеной, имеет регулируемые вентиляционные отверстия вблизи уровня пола и потолка массивной стены, которые позволяют воздуху в помещении циркулировать через них за счет естественной конвекции. Солнечное излучение нагревает воздух, запертый между стеклом и стеной, и он начинает подниматься. Воздух затягивается в нижнее вентиляционное отверстие, затем в пространство между стеклом и стеной, где нагревается солнечным излучением, повышая его температуру и заставляя подниматься, и выходит через верхнее (потолочное) вентиляционное отверстие обратно в помещение. Это позволяет стене непосредственно подавать нагретый воздух в помещение, обычно при температуре около 32 °C (90 °F). Если вентиляционные отверстия остаются открытыми ночью (или в пасмурные дни), происходит обращение конвективного потока воздуха, что приводит к потере тепла из-за рассеивания его наружу. Вентиляционные отверстия должны быть закрыты ночью, чтобы излучаемое тепло от внутренней поверхности теплоаккумулирующей стены нагревало помещение. Обычно вентиляционные отверстия также закрываются в летние месяцы, когда дополнительный нагрев не требуется. Летом можно открыть внешний вытяжной вентиль, установленный в верхней части стены, для удаления воздуха наружу. Такая вентиляция заставляет систему работать как солнечный дымоход, обеспечивая циркуляцию воздуха через здание в течение дня. Вентилируемые теплоаккумулирующие стены, вентилируемые в помещение, оказались несколько неэффективными, в основном потому, что они доставляют слишком много тепла в течение дня в умеренную погоду и в летние месяцы, вызывая перегрев и дискомфорт. Большинство экспертов в области солнечной энергетики рекомендуют не предусматривать вентиляцию в теплоаккумулирующих стенах. Существует множество вариантов системы стен Тромбе. Невентилируемая теплоаккумулирующая стена (технически не стена Тромбе) улавливает солнечную энергию на внешней поверхности, нагревается и проводит тепло к внутренней поверхности, где оно излучается с внутренней поверхности стены в помещение позже в течение дня. Водная стена использует тип тепловой массы, состоящий из резервуаров или труб с водой, используемой в качестве теплоаккумулятора. Типичная невентилируемая теплоаккумулирующая стена состоит из южной каменной или бетонной стены с темным, теплопоглощающим материалом на внешней поверхности и облицованной одним или двумя слоями стекла. Стекло с высокой светопропускаемостью максимизирует солнечные выигрыши для массивной стены. Стекло располагается на расстоянии от 20 до 150 мм (3/4 - 6 дюймов) от стены, чтобы создать небольшое воздушное пространство. Рамы для стекла обычно изготавливаются из металла (например, алюминия), поскольку винил размягчается, а дерево сильно высыхает при температуре 82 °C (180 °F), которая может существовать за стеклом в стене. Тепло от солнечного света, проходящего через стекло, поглощается темной поверхностью, накапливается в стене и медленно передается внутрь через каменную кладку. В качестве архитектурной детали узорное стекло может ограничить внешнюю видимость стены, не снижая при этом ее светопропускаемость. Водная стена использует контейнеры с водой в качестве тепловой массы вместо сплошной массивной стены. Водные стены обычно немного эффективнее сплошных массивных стен, поскольку они поглощают тепло более эффективно благодаря развитию конвективных потоков в жидкости, когда она нагревается. Эти потоки вызывают быстрое перемешивание и более быстрый перенос тепла в здание, чем это возможно при использовании сплошных массивных стен. Разница температур между внешней и внутренней поверхностями стены приводит к передаче тепла через массивную стену. Внутри здания дневной прирост тепла задерживается и становится доступным на внутренней поверхности тепловой массы только вечером, когда солнце зашло. Задержка по времени – это разница между моментом, когда солнечный свет впервые попадает на стену, и моментом, когда тепло поступает во внутреннее пространство здания. Задержка по времени зависит от типа материала, используемого в стене, и ее толщины: большая толщина обеспечивает большую задержку по времени. Характерная для тепловой массы задержка по времени, в сочетании с демпфированием колебаний температуры, позволяет использовать изменяющуюся в течение дня солнечную энергию в качестве более равномерного источника тепла ночью. Окна могут быть установлены в стене для естественного освещения или эстетических целей, но это несколько снижает эффективность. Толщина теплоаккумулирующей стены должна составлять примерно 250-350 мм (10-14 дюймов) для кирпича, 300-450 мм (12-18 дюймов) для бетона, 200-300 мм (8-12 дюймов) для земли/саманного кирпича и не менее 150 мм (6 дюймов) для воды. Эти толщины замедляют движение тепла, так что температура внутренней поверхности достигает пика в поздние вечерние часы. Теплу потребуется около 8-10 часов, чтобы достичь внутренней части здания (тепло проходит через бетонную стену со скоростью около 25 мм в час). Необходимо обеспечить хорошее тепловое соединение между внутренней отделкой стен (например, гипсокартоном) и теплоаккумулирующей стеной, чтобы максимизировать передачу тепла в помещение. Хотя положение теплоаккумулирующей стены минимизирует перегрев помещения в дневное время, хорошо изолированное здание должно быть ограничено примерно 0,2-0,3 м2 теплоаккумулирующей поверхности стены на 1 м2 отапливаемой площади (0,2-0,3 кв. фута на 1 кв. фут площади пола), в зависимости от климата. Водная стена должна иметь около 0,15-0,2 м2 поверхности водной стены на 1 м2 (0,15-0,2 кв. фута на 1 кв. фут) площади пола. Теплоаккумулирующие стены лучше всего подходят для солнечных зимних климатов с большими суточными колебаниями температуры (например, юго-запад, горный запад). Они работают не так хорошо в пасмурных или очень холодных климатах или в климатах, где нет большой суточной разницы температур. Ночные тепловые потери через тепловую массу стены все еще могут быть значительными в пасмурных и холодных климатах: стена теряет накопленное тепло менее чем за день, а затем отдает тепло, что значительно увеличивает требования к резервному отоплению. Покрытие остекления плотно прилегающими, перемещаемыми изоляционными панелями в течение длительных пасмурных периодов и ночью повысит эффективность теплоаккумулирующей системы. Основным недостатком теплоаккумулирующих стен является потеря тепла наружу.

In a thermal storage wall system, often called a Trombe wall, a massive wall is located directly behind south facing glass, which absorbs solar energy and releases it selectively towards the building interior at night. The wall can be constructed of cast in place concrete, brick, adobe, stone, or solid (or filled) concrete masonry units. Sunlight enters through the glass and is immediately absorbed at the surface of the mass wall and either stored or conducted through the material mass to the inside space. The thermal mass cannot absorb solar energy as fast as it enters the space between the mass and the window area. Temperatures of the air in this space can easily exceed 120 °F (49 °C). This hot air can be introduced into interior spaces behind the wall by incorporating heat distributing vents at the top of the wall. This wall system was first envisioned and patented in 1881 by its inventor, Edward Morse. Felix Trombe, for whom this system is sometimes named, was a French engineer who built several homes using this design in the French Pyrenees in the 1960s. A thermal storage wall typically consists of a 4 to 16 in (100 to 400 mm) thick masonry wall coated with a dark, heat absorbing finish (or a selective surface) and covered with a single or double layer of high transmissivity glass. The glass is typically placed from 3/4 in to 2 in from the wall to create a small airspace. In some designs, the mass is located 1 to 2 ft (0.6 m) away from the glass, but the space is still not usable. The surface of the thermal mass absorbs the solar radiation that strikes it and stores it for nighttime use. Unlike a direct gain system, the thermal storage wall system provides passive solar heating without excessive window area and glare in interior spaces. However, the ability to take advantage of views and daylighting are eliminated. The performance of Trombe walls is diminished if the wall interior is not open to the interior spaces. Furniture, bookshelves and wall cabinets installed on the interior surface of the wall will reduce its performance. A classical Trombe wall, also generically called a vented thermal storage wall, has operable vents near the ceiling and floor levels of the mass wall that allow indoor air to flow through them by natural convection. As solar radiation heats the air trapped between the glass and wall and it begins to rise. Air is drawn into the lower vent, then into the space between the glass and wall to get heated by solar radiation, increasing its temperature and causing it to rise, and then exit through the top (ceiling) vent back into the indoor space. This allows the wall to directly introduce heated air into the space; usually at a temperature of about 90 °F (32 °C). If vents are left open at night (or on cloudy days), a reversal of convective airflow will occur, wasting heat by dissipating it outdoors. Vents must be closed at night so radiant heat from the interior surface of the storage wall heats the indoor space. Generally, vents are also closed during summer months when heat gain is not needed. During the summer, an exterior exhaust vent installed at the top of the wall can be opened to vent to the outside. Such venting makes the system act as a solar chimney driving air through the building during the day. Vented thermal storage walls vented to the interior have proven somewhat ineffective, mostly because they deliver too much heat during the day in mild weather and during summer months; they simply overheat and create comfort issues. Most solar experts recommended that thermal storage walls should not be vented to the interior. There are many variations of the Trombe wall system. An unvented thermal storage wall (technically not a Trombe wall) captures solar energy on the exterior surface, heats up, and conducts heat to the interior surface, where it radiates from the interior wall surface to the indoor space later in the day. A water wall uses a type of thermal mass that consists of tanks or tubes of water used as thermal mass. A typical unvented thermal storage wall consists of a south facing masonry or concrete wall with a dark, heat absorbing material on the exterior surface and faced with a single or double layer of glass. High transmission glass maximizes solar gains to the mass wall. The glass is placed from 3/4 to 6 in. (20 to 150 mm) from the wall to create a small airspace. Glass framing is typically metal (e. g., aluminum) because vinyl will soften and wood will become super dried at the 180 °F (82 °C) temperature that can exist behind the glass in the wall. Heat from sunlight passing through the glass is absorbed by the dark surface, stored in the wall, and conducted slowly inward through the masonry. As an architectural detail, patterned glass can limit the exterior visibility of the wall without sacrificing solar transmissivity. A water wall uses containers of water for thermal mass instead of a solid mass wall. Water walls are typically slightly more efficient than solid mass walls because they absorb heat more efficiently due to the development of convective currents in the liquid water as it is heated. These currents cause rapid mixing and quicker transfer of heat into the building than can be provided by the solid mass walls. Temperature variations between the exterior and interior wall surfaces drive heat through the mass wall. Inside the building, however, daytime heat gain is delayed, only becoming available at the interior surface of the thermal mass during the evening when it is needed because the sun has set. The time lag is the time difference between when sunlight first strikes the wall and when the heat enters the building interior. Time lag is contingent upon the type of material used in the wall and the wall thickness; a greater thickness yields a greater time lag. The time lag characteristic of thermal mass, combined with dampening of temperature fluctuations, allows the use of varying daytime solar energy as a more uniform night time heat source. Windows can be placed in the wall for natural lighting or aesthetic reasons, but this tends to lower the efficiency somewhat. The thickness of a thermal storage wall should be approximately 10 to 14 in (250 to 350 mm) for brick, 12 to 18 in (300 to 450 mm) for concrete, 8 to 12 in (200 to 300 mm) for earth/adobe, and at least 6 in (150 mm) for water. These thicknesses delay movement of heat such that indoor surface temperatures peak during late evening hours. Heat will take about 8 to 10 hours to reach the interior of the building (heat travels through a concrete wall at rate of about one inch per hour). A good thermal connection between the inside wall finishes (e. g., drywall) and the thermal mass wall is necessary to maximize heat transfer to the interior space. Although the position of a thermal storage wall minimizes daytime overheating of the indoor space, a well insulated building should be limited to approximately 0.2 to 0.3 ft2 of thermal mass wall surface per ft2 of floor area being heated (0.2 to 0.3 m2 per m2 of floor area), depending upon climate. A water wall should have about 0.15 to 0.2 ft2 of water wall surface per ft2 (0.15 to 0.2 m2 per m2) of floor area. Thermal mass walls are best suited to sunny winter climates that have high diurnal (day night) temperature swings (e. g., southwest, mountain west). They do not perform as well in cloudy or extremely cold climates or in climates where there is not a large diurnal temperature swing. Nighttime thermal losses through the thermal mass of the wall can still be significant in cloudy and cold climates; the wall loses stored heat in less than a day, and then leak heat, which dramatically raises backup heating requirements. Covering the glazing with tight fitting, moveable insulation panels during lengthy cloudy periods and nighttime hours will enhance performance of a thermal storage system. The main drawback of thermal storage walls is their heat loss to the outside. Double glass (glass or any of the plastics) is necessary for reducing heat loss in most climates. In mild climates, single glass is acceptable. A selective surface (high absorbing/low emitting surface) applied to the exterior surface of the thermal storage wall improves performance by reducing the amount of infrared energy radiated back through the glass; typically, it achieves a similar improvement in performance without the need for daily installation and removal of insulating panels. A selective surface consists of a sheet of metal foil glued to the outside surface of the wall. It absorbs almost all the radiation in the visible portion of the solar spectrum and emits very little in the infrared range. High absorbency turns the light into heat at the wall's surface, and low emittance prevents the heat from radiating back towards the glass.

Система крыши пруда

Пассивная солнечная система для крыши, иногда называемая солнечной крышей, использует воду, накапливаемую на крыше, для регулирования внутренней температуры, смягчая жару и холод, как правило, в пустынных условиях. Обычно такая система состоит из резервуаров, содержащих от 150 до 300 мм (от 6 до 12 дюймов) воды на плоской крыше. Вода хранится в больших пластиковых мешках или контейнерах из стекловолокна для максимизации теплового излучения и минимизации испарения. Система может быть открытой или покрытой остеклением. Солнечное излучение нагревает воду, которая служит теплоаккумулирующей средой. Ночью или в пасмурную погоду резервуары можно накрывать теплоизоляционными панелями. Внутреннее пространство под крышей нагревается тепловой энергией, излучаемой накопителем воды над ним. Для таких систем необходимы эффективные дренажные системы, подвижная теплоизоляция и усиленная несущая конструкция, способная выдерживать постоянную нагрузку от 1,7 до 3,3 кН/м2 (от 35 до 70 фунтов на квадратный фут). Учитывая угол падения солнечных лучей в течение дня, системы крышных накопителей эффективны для отопления только в нижних и средних широтах, в жарком и умеренном климате. Системы крышных накопителей лучше всего подходят для охлаждения в жарком климате с низкой влажностью. Количество построенных солнечных крыш невелико, и информации о конструкции, стоимости, эффективности и деталях строительства теплоаккумулирующих крыш ограничено.

Гибридная прямая/непрямая солнечная система

Качадориан продемонстрировал, что недостатки теплоаккумулирующих стен можно преодолеть, ориентируя стену Тромбе горизонтально, а не вертикально. Если тепловая масса выполнена в виде вентилируемой бетонной плиты пола вместо стены, она не препятствует проникновению солнечного света в дом (самый очевидный недостаток стены Тромбе), но при этом может подвергаться воздействию прямых солнечных лучей через окна с двойным остеклением, ориентированные по экватору, которые можно дополнительно изолировать тепловыми ставнями или шторами ночью. Проблематичная задержка в накоплении тепла в течение дня, свойственная стене Тромбе, устраняется, поскольку тепло не нужно проводить через стену, чтобы достичь внутреннего пространства: часть его отражается или переизлучается непосредственно от пола. При условии, что плита имеет воздушные каналы, как и стена Тромбе, проходящие через нее с севера на юг и выводящиеся во внутреннее пространство через бетонный пол непосредственно у северной и южной стен, в плите по-прежнему происходит интенсивное термосифонирование воздуха, как в вертикальной стене Тромбе, распределяя накопленное тепло по всему дому (и охлаждая дом летом обратным процессом). Вентилируемая горизонтальная плита обходится дешевле в строительстве, чем вертикальные стены Тромбе, поскольку она формирует фундамент дома, который является необходимыми расходами при любом строительстве. Плиты на грунте – распространенный, хорошо изученный и экономически эффективный строительный элемент (модифицированный лишь незначительно за счет включения слоя бетонных кирпичей для воздушных каналов), а не экзотическая конструкция стены Тромбе. Единственным оставшимся недостатком такой тепломассовой солнечной архитектуры является отсутствие подвала, как и в любой конструкции на плите на грунте. Конструкция пола Качадория представляет собой пассивную солнечную систему прямого выигрыша, но ее тепловая масса также действует как косвенный элемент нагрева (или охлаждения), отдавая тепло ночью. Это гибридная система с чередующимся циклом, подобная гибридному электромобилю.

Изолированная солнечная система

В изолированной пассивной солнечной системе с накоплением, компоненты (например, коллектор и аккумулирующее тепловое хранилище) отделены от жилой зоны здания. Пристроенное солнечное пространство, также иногда называемое солнечной комнатой или солярием, представляет собой тип изолированной солнечной системы с застекленным внутренним пространством или комнатой, являющейся частью здания или примыкающей к нему, но которую можно полностью отделить от основных жилых помещений. Оно функционирует как пристроенная теплица, использующая комбинацию принципов прямого и косвенного накопления солнечной энергии. Солнечное пространство может называться и выглядеть как теплица, но теплица предназначена для выращивания растений, в то время как солнечное пространство предназначено для обеспечения тепла и эстетики здания. Солнечные пространства очень популярны в пассивном дизайне, поскольку они расширяют жилую площадь здания и предоставляют место для выращивания растений и другой растительности. Однако в умеренном и холодном климате требуется дополнительное отопление, чтобы растения не замерзали в сильные морозы. Южная сторона пристроенного солнечного пространства, с ее остеклением, собирает солнечную энергию, как в системе прямого накопления. Самая простая конструкция солнечного пространства – установка вертикальных окон без верхнего остекления. Солнечные пространства могут испытывать значительный тепловой прирост и большие теплопотери из-за обилия остекления. Хотя горизонтальное и наклонное остекление собирает больше тепла зимой, оно минимизируется для предотвращения перегрева в летние месяцы. Верхнее остекление может быть эстетически привлекательным, но теплоизолированная крыша обеспечивает лучшую тепловую эффективность. Для обеспечения естественного освещения можно использовать мансардные окна. Вертикальное остекление может максимизировать прирост тепла зимой, когда угол падения солнечных лучей низкий, и уменьшить тепловой прирост летом. Вертикальное стекло дешевле, его легче устанавливать и изолировать, и оно менее подвержено протечкам, запотеванию, поломкам и другим повреждениям. Комбинация вертикального и наклонного остекления допустима, если предусмотрено затенение летом. Хорошо спроектированного козырька может быть достаточно для затенения остекления летом. Температурные колебания, вызванные теплопритоком и теплопотерями, можно смягчить за счет тепловой массы и окон с низким коэффициентом излучения. Тепловая масса может включать каменный пол, каменную стену, примыкающую к дому, или емкости с водой. Распределение тепла в здании может осуществляться через вентиляционные отверстия в потолке и на уровне пола, окна, двери или вентиляторы. В типичной конструкции стена тепловой массы, расположенная сзади солнечного пространства, примыкающая к жилой зоне, будет функционировать как стена тепловой массы с косвенным накоплением. Солнечная энергия, поступающая в солнечное пространство, сохраняется в тепловой массе. Солнечное тепло передается в здание посредством теплопроводности через общую стену тепловой массы сзади солнечного пространства и через вентиляционные отверстия (например, невентилируемую стену теплового аккумулятора) или через отверстия в стене, обеспечивающие циркуляцию воздуха из солнечного пространства во внутреннее пространство за счет конвекции (например, вентилируемую стену теплового аккумулятора). В холодном климате следует использовать двойное остекление для уменьшения теплопотерь через стекло наружу. Ночные теплопотери, хотя и значительные зимой, не так критичны для солнечного пространства, как для систем прямого накопления, поскольку солнечное пространство можно отделить от остальной части здания. В умеренном и холодном климате важно теплоизолировать солнечное пространство от здания ночью. Большие стеклянные панели, французские двери или раздвижные стеклянные двери между зданием и пристроенным солнечным пространством создают ощущение открытости без теплопотерь, связанных с открытым пространством. Солнечному пространству с каменной тепловой стеной потребуется примерно 0,3 м² поверхности тепловой массы стены на 1 м² отапливаемой площади пола, в зависимости от климата. Толщина стен должна быть аналогична толщине стены теплового аккумулятора. Если между солнечным пространством и жилой зоной используется водяная стена, то потребуется около 0,2 м² поверхности тепловой массы стены на 1 м² отапливаемой площади пола. В большинстве климатов летом требуется система вентиляции для предотвращения перегрева. Как правило, большие горизонтальные (верхние) и окна, выходящие на восток и запад, не следует использовать в солнечном пространстве без специальных мер предосторожности против летнего перегрева, таких как использование стекла с теплоотражающим покрытием и обеспечение летнего затенения. Внутренние поверхности тепловой массы должны быть темного цвета. Для удержания теплого воздуха в солнечном пространстве после захода солнца и в пасмурную погоду можно использовать подвижную изоляцию (например, шторы, жалюзи, ставни). В закрытом состоянии в жаркие дни шторы могут помочь предотвратить перегрев солнечного пространства. Для обеспечения максимального комфорта и эффективности не остекленные стены, потолок и фундамент солнечного пространства должны быть хорошо изолированы. Периметр фундаментной стены или плиты следует изолировать до линии промерзания или по периметру плиты. В умеренном или холодном климате восточные и западные стены солнечного пространства должны быть изолированы (без остекления).

In an isolated gain passive solar system, the components (e. g., collector and thermal storage) are isolated from the indoor area of the building. An attached sunspace, also sometimes called a solar room or solarium, is a type of isolated gain solar system with a glazed interior space or room that is part of or attached to a building but which can be completely closed off from the main occupied areas. It functions like an attached greenhouse that makes use of a combination of direct gain and indirect gain system characteristics. A sunspace may be called and appear like a greenhouse, but a greenhouse is designed to grow plants whereas a sunspace is designed to provide heat and aesthetics to a building. Sunspaces are very popular passive design elements because they expand the living areas of a building and offer a room to grow plants and other vegetation. In moderate and cold climates, however, supplemental space heating is required to keep plants from freezing during extremely cold weather. An attached sunspace's south facing glass collects solar energy as in a direct gain system. The simplest sunspace design is to install vertical windows with no overhead glazing. Sunspaces may experience high heat gain and high heat loss through their abundance of glazing. Although horizontal and sloped glazing collects more heat in the winter, it is minimized to prevent overheating during summer months. Although overhead glazing can be aesthetically pleasing, an insulated roof provides better thermal performance. Skylights can be used to provide some daylighting potential. Vertical glazing can maximize gain in winter, when the angle of the sun is low, and yield less heat gain during the summer. Vertical glass is less expensive, easier to install and insulate, and not as prone to leaking, fogging, breaking, and other glass failures. A combination of vertical glazing and some sloped glazing is acceptable if summer shading is provided. A well designed overhang may be all that is necessary to shade the glazing in the summer. The temperature variations caused by the heat losses and gains can be moderated by thermal mass and low emissivity windows. Thermal mass can include a masonry floor, a masonry wall bordering the house, or water containers. Distribution of heat to the building can be accomplished through ceiling and floor level vents, windows, doors, or fans. In a common design, thermal mass wall situated on the back of the sunspace adjacent to the living space will function like an indirect gain thermal mass wall. Solar energy entering the sunspace is retained in the thermal mass. Solar heat is conveyed into the building by conduction through the shared mass wall in the rear of the sunspace and by vents (like an unvented thermal storage wall) or through openings in the wall that permit airflow from the sunspace to the indoor space by convection (like a vented thermal storage wall). In cold climates, double glazing should be used to reduce conductive losses through the glass to the outside. Night time heat loss, although significant during winter months, is not as essential in the sunspace as with direct gain systems since the sunspace can be closed off from the rest of the building. In temperate and cold climates, thermally isolating the sunspace from the building at night is important. Large glass panels, French doors, or sliding glass doors between the building and attached sunspace will maintain an open feeling without the heat loss associated with an open space. A sunspace with a masonry thermal wall will need approximately 0.3 ft2 of thermal mass wall surface per ft2 of floor area being heated (0.3 m2 per m2 of floor area), depending on climate. Wall thicknesses should be similar to a thermal storage wall. If a water wall is used between the sunspace and living space, about 0.20 ft2 of thermal mass wall surface per ft2 of floor area being heated (0.2 m2 per m2 of floor area) is appropriate. In most climates, a ventilation system is required in summer months to prevent overheating. Generally, vast overhead (horizontal) and east and west facing glass areas should not be used in a sunspace without special precautions for summer overheating such as using heat reflecting glass and providing summer shading systems areas. The internal surfaces of the thermal mass should be dark in color. Movable insulation (e. g., window coverings, shades, shutters) can be used help trap the warm air in the sunspace both after the sun has set and during cloudy weather. When closed during extremely hot days, window coverings can help keep the sunspace from overheating. To maximize comfort and efficiency, the non glass sunspace walls, ceiling and foundation should be well insulated. The perimeter of the foundation wall or slab should be insulated to the frost line or around the slab perimeter. In a temperate or cold climate, the east and west walls of the sunspace should be insulated (no glass).

Дополнительные меры

Следует принять меры по снижению теплопотерь ночью, например, использовать шторы или передвижную теплоизоляцию для окон.

Хранение тепла

Солнце светит не всегда. Аккумулирование тепла, или тепловая масса, поддерживает температуру в здании, когда солнце не может его нагреть. В домах с дневным солнечным отоплением аккумулирующая способность рассчитана на один или несколько дней. Обычно для этого используется специально спроектированная тепловая масса, такая как стена Тромба, вентилируемый бетонный пол, резервуар, водяная стена или крышевой бассейн. Также возможно использовать тепловую массу самой земли, в естественном состоянии или путем ее интеграции в конструкцию посредством обратной засыпки или использования трамбованной земли в качестве конструкционного материала. В субарктических регионах или районах с длительными периодами отсутствия солнечного излучения (например, неделями тумана с морозом) создание специализированной тепловой массы обходится очень дорого. Дон Стивенс первым разработал экспериментальную технологию использования земли в качестве тепловой массы, достаточной для годового накопления тепла. Его проекты предусматривают прокладку изолированного термосифона на глубине 3 м под домом и изоляцию грунта водонепроницаемой оболочкой шириной 6 м.

Изоляция

Теплоизоляция или суперизоляция (тип, расположение и количество) снижает нежелательные теплопотери. Она может быть выполнена горизонтально (плоская крыша) или под углом, соответствующим уклону крыши. В некоторых случаях используются горизонтальные световые фонари с отражателями для увеличения интенсивности солнечного излучения (и резкого блика) в зависимости от угла падения солнечных лучей на крышу. Когда зимнее солнце находится низко над горизонтом, большая часть солнечного излучения отражается от наклонного стекла крыши (угол падения почти параллелен стеклу крыши утром и днем). Когда летнее солнце находится высоко, оно почти перпендикулярно наклонному стеклу крыши, что максимизирует нежелательный солнечный нагрев и превращает крышу в подобие солнечной печи. Световые фонари следует закрывать и хорошо изолировать, чтобы уменьшить потери тепла из-за естественной конвекции (подъем теплого воздуха) в холодные зимние ночи и интенсивный солнечный нагрев в жаркие весенние/летние/осенние дни. Сторона здания, обращенная к экватору, – юг в северном полушарии и север в южном полушарии. Световые фонари на крышах, ориентированных от экватора, обеспечивают преимущественно рассеянное освещение, за исключением летних дней, когда солнце может восходить с противоположной экватору стороны здания (на определенных широтах). Световые фонари на крышах, обращенных на восток, обеспечивают максимальное прямое освещение и солнечный нагрев летним утром. Световые фонари на крышах, обращенных на запад, обеспечивают послеполуденное солнечное освещение и нагрев в самые жаркие часы дня. Некоторые световые фонари оснащены дорогостоящим остеклением, которое частично снижает летний солнечный нагрев, сохраняя при этом определенную светопроницаемость. Однако, если через него проходит видимый свет, то проходит и некоторое тепловое излучение (оба являются электромагнитными волнами). Можно частично уменьшить нежелательный летний солнечный нагрев через наклонное остекление крыши, установив световой фонарь в тени лиственных (сбрасывающих листву) деревьев или добавив подвижное изолированное непрозрачное покрытие на внутренней или внешней стороне светового фонаря. Это исключит преимущества дневного света летом. Если ветви деревьев нависают над крышей, это может привести к засорению водостоков листьями, образованию ледяных дамб, сокращению срока службы крыши и облегчению доступа вредителей в чердак. Листья и ветки на световых фонарях выглядят непривлекательно, их трудно чистить, и они могут увеличить риск повреждения остекления во время штормов. "Зубчатое остекление крыши" с использованием только вертикального стекла может принести некоторые преимущества пассивного солнечного проектирования здания в центральную часть коммерческого или промышленного здания, без необходимости использования наклонного остекления крыши или световых фонарей. Световые фонари обеспечивают дневное освещение. В большинстве случаев они обеспечивают вид практически прямо вверх. Хорошо изолированные световоды могут приносить дневной свет в помещения, ориентированные на север, без использования светового фонаря. Пассивная солнечная теплица обеспечивает обильное дневное освещение для стороны здания, обращенной к экватору. Инфракрасовые термографические камеры цветного тепловидения (используемые при проведении официальных энергоаудитов) могут быстро зафиксировать негативное влияние наклонного остекления крыши или светового фонаря на тепловой режим в холодную зимнюю ночь или жаркий летний день. Министерство энергетики США заявляет: "Вертикальное остекление – оптимальный вариант для солнечных помещений". Наклонное остекление крыши и боковое остекление не рекомендуются для пассивных солнечных пространств. Министерство энергетики США объясняет недостатки наклонного остекления: стекло и пластик обладают низкой несущей способностью. При вертикальной установке стекло (или пластик) выдерживает собственный вес, поскольку только небольшая площадь (верхний край остекления) подвергается воздействию силы тяжести. Однако по мере наклона стекла от вертикальной оси увеличивается площадь (теперь наклонное сечение) остекления, которая должна выдерживать силу тяжести. Стекло также хрупкое; оно мало изгибается перед разрушением. Чтобы компенсировать это, обычно необходимо увеличить толщину остекления или увеличить количество несущих конструкций для его поддержки. Оба варианта увеличивают общую стоимость, а последний снизит количество солнечного тепла, поступающего в помещение. Еще одна распространенная проблема с наклонным остеклением – его повышенная подверженность воздействию погодных условий. Трудно обеспечить надежную герметизацию наклонного остекления крыши под воздействием интенсивного солнечного света. Град, мокрый снег, снег и ветер могут привести к разрушению материала. В целях безопасности пользователей нормативные органы обычно требуют, чтобы наклонное остекление было изготовлено из безопасного стекла, ламинированного стекла или их комбинации, что снижает потенциал солнечного нагрева. Большая часть наклонного остекления в солнечном помещении отеля Crowne Plaza Orlando Airport была разрушена во время одного шторма. Наклонное остекление увеличивает стоимость строительства и может увеличить страховые взносы. Вертикальное стекло менее подвержено повреждениям от погодных условий, чем наклонное остекление. Трудно контролировать солнечный нагрев в солнечном помещении с наклонным остеклением летом и даже в середине мягкой солнечной зимы. Световые фонари – противоположность зданиям с нулевым энергопотреблением и пассивному солнечному охлаждению в климате, требующем кондиционирования воздуха.

Thermal insulation or superinsulation (type, placement and amount) reduces unwanted leakage of heat. either horizontally (a flat roof) or pitched at the same angle as the roof slope. In some cases, horizontal skylights are used with reflectors to increase the intensity of solar radiation (and harsh glare), depending on the roof angle of incidence. When the winter sun is low on the horizon, most solar radiation reflects off of roof angled glass ( the angle of incidence is nearly parallel to roof angled glass morning and afternoon ). When the summer sun is high, it is nearly perpendicular to roof angled glass, which maximizes solar gain at the wrong time of year, and acts like a solar furnace. Skylights should be covered and well insulated to reduce natural convection ( warm air rising ) heat loss on cold winter nights, and intense solar heat gain during hot spring/summer/fall days. The equator facing side of a building is south in the northern hemisphere, and north in the southern hemisphere. Skylights on roofs that face away from the equator provide mostly indirect illumination, except for summer days when the sun may rise on the non equator side of the building (at some latitudes). Skylights on east facing roofs provide maximum direct light and solar heat gain in the summer morning. West facing skylights provide afternoon sunlight and heat gain during the hottest part of the day. Some skylights have expensive glazing that partially reduces summer solar heat gain, while still allowing some visible light transmission. However, if visible light can pass through it, so can some radiant heat gain (they are both electromagnetic radiation waves). You can partially reduce some of the unwanted roof angled glazing summer solar heat gain by installing a skylight in the shade of deciduous (leaf shedding) trees, or by adding a movable insulated opaque window covering on the inside or outside of the skylight. This would eliminate the daylight benefit in the summer. If tree limbs hang over a roof, they will increase problems with leaves in rain gutters, possibly cause roof damaging ice dams, shorten roof life, and provide an easier path for pests to enter your attic. Leaves and twigs on skylights are unappealing, difficult to clean, and can increase the glazing breakage risk in wind storms. "Sawtooth roof glazing" with vertical glass only can bring some of the passive solar building design benefits into the core of a commercial or industrial building, without the need for any roof angled glass or skylights. Skylights provide daylight. The only view they provide is essentially straight up in most applications. Well insulated light tubes can bring daylight into northern rooms, without using a skylight. A passive solar greenhouse provides abundant daylight for the equator side of the building. Infrared thermography color thermal imaging cameras ( used in formal energy audits ) can quickly document the negative thermal impact of roof angled glass or a skylight on a cold winter night or hot summer day. The U. S. Department of Energy states: "vertical glazing is the overall best option for sunspaces." Roof angled glass and sidewall glass are not recommended for passive solar sunspaces. The U. S. DOE explains drawbacks to roof angled glazing: Glass and plastic have little structural strength. When installed vertically, glass (or plastic) bears its own weight because only a small area (the top edge of the glazing) is subject to gravity. As the glass tilts off the vertical axis, however, an increased area (now the sloped cross section) of the glazing has to bear the force of gravity. Glass is also brittle; it does not flex much before breaking. To counteract this, you usually must increase the thickness of the glazing or increase the number of structural supports to hold the glazing. Both increase overall cost, and the latter will reduce the amount of solar gain into the sunspace. Another common problem with sloped glazing is its increased exposure to the weather. It is difficult to maintain a good seal on roof angled glass in intense sunlight. Hail, sleet, snow, and wind may cause material failure. For occupant safety, regulatory agencies usually require sloped glass to be made of safety glass, laminated, or a combination thereof, which reduce solar gain potential. Most of the roof angled glass on the Crowne Plaza Hotel Orlando Airport sunspace was destroyed in a single windstorm. Roof angled glass increases construction cost, and can increase insurance premiums. Vertical glass is less susceptible to weather damage than roof angled glass. It is difficult to control solar heat gain in a sunspace with sloped glazing during the summer and even during the middle of a mild and sunny winter day. Skylights are the antithesis of zero energy building Passive Solar Cooling in climates with an air conditioning requirement.

Угол падающего излучения

На количество солнечного тепла, проходящего через стекло, также влияет угол падения солнечного излучения. Солнечный свет, попадающий на один лист стекла под углом до 45 градусов к перпендикуляру, в основном проходит сквозь стекло (отражается менее 10%), в то время как при угле падения 70 градусов от перпендикуляра отражается уже более 20% света, а при углах более 70 градусов процент отражения резко возрастает. Все эти факторы можно более точно смоделировать с помощью фотоэлектрического измерителя освещенности и гелиодона или оптической скамьи, которые позволяют количественно оценить соотношение отражательной способности к пропусканию в зависимости от угла падения. В качестве альтернативы, специализированное программное обеспечение для пассивного солнечного проектирования может определить влияние траектории солнца, а также градусо-дней отопления и охлаждения на энергетические характеристики здания.

Приспособления для затенения и изоляции

Конструкция с избыточным количеством окон, ориентированных по экватору, может приводить к чрезмерному нагреву помещений зимой, весной или осенью, создавать некомфортно яркое освещение в определенное время года, а также к повышенной теплопередаче зимой ночью и летом днем. Несмотря на то, что солнце находится на одной и той же высоте в течение 6 недель до и после солнцестояния, потребности в отоплении и охлаждении до и после солнцестояния существенно различаются. Накопление тепла на поверхности Земли вызывает "тепловую инерцию". Изменчивая облачность влияет на потенциальный солнечный выигрыш. Это означает, что фиксированные козырьки над окнами, рассчитанные с учетом широты местности, хотя и важны, не обеспечивают полного контроля над сезонным солнечным выигрышем. Устройства управления (такие как ручные или автоматические внутренние теплоизолирующие шторы, жалюзи, наружные рулонные шторы или выдвижные маркизы) могут компенсировать различия, вызванные тепловой инерцией или облачностью, и помогать регулировать суточные/часовые колебания потребности в солнечном тепле. Системы автоматизации дома, отслеживающие температуру, солнечный свет, время суток и присутствие людей в помещении, могут точно управлять автоматическими устройствами затенения и теплоизоляции окон.

Внешние цвета отражающие поглощающие

Материалы и цвета могут быть подобраны для отражения или поглощения солнечной тепловой энергии. Использование данных о цвете в отношении электромагнитного излучения для определения его тепловых свойств – отражения или поглощения – может помочь в выборе подходящих материалов. В холодных климатах с короткими зимними днями системы прямого солнечного прогрева, использующие окна, ориентированные на экватор, могут работать эффективнее, когда земля покрыта снегом, поскольку в дом будет проникать как прямой, так и отраженный солнечный свет, который будет накапливаться в виде тепла.

Пассивное солнечное освещение

Пассивные методы солнечного освещения усиливают использование естественного освещения для интерьеров, тем самым снижая зависимость от искусственных систем освещения. Это достигается за счет продуманного проектирования здания, его ориентации и размещения оконных секций для сбора света. Другие креативные решения включают использование отражающих поверхностей для проникновения дневного света внутрь здания. Оконные секции должны иметь достаточный размер, а для предотвращения избыточного освещения могут быть защищены с помощью солнцезащитных козырьков, маркиз, правильно расположенных деревьев, специальных покрытий для стекла и других пассивных и активных устройств. Важной проблемой для многих оконных систем является их потенциальная уязвимость к чрезмерному теплопоступлению или теплопотерям. В то время как высоко расположенные фрамуги и традиционные световые фонари могут обеспечивать дневным светом плохо ориентированные части здания, нежелательный теплообмен может быть трудно контролировать. Таким образом, энергия, сэкономленная за счет снижения использования искусственного освещения, часто нивелируется энергией, необходимой для работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) для поддержания теплового комфорта. Для решения этой проблемы можно использовать различные методы, включая, но не ограничиваясь, оконные шторы, многослойное остекление и новые материалы, такие как полупрозрачная аэрогелевая изоляция, оптическое волокно, встроенное в стены или крышу, или гибридные системы солнечного освещения, разработанные в Национальной лаборатории Оук-Риджа. Отражающие элементы, от активных и пассивных коллекторов дневного света, такие как световые полочки, более светлые цвета стен и пола, зеркальные участки стен, внутренние стены с верхними стеклянными панелями, а также прозрачные или полупрозрачные стеклянные распашные и раздвижные двери, улавливают свет и пассивно отражают его глубже внутрь. Источником света могут служить пассивные окна или световые фонари, солнечные туннели или активные источники дневного света. В традиционной японской архитектуре дверные панели Сёджи с полупрозрачными ширмами Васи являются оригинальным примером. Международный стиль, модернизм и архитектура середины XX века были пионерами в использовании этого пассивного проникновения и отражения света в промышленных, коммерческих и жилых зданиях.

Passive solar lighting techniques enhance taking advantage of natural illumination for interiors, and so reduce reliance on artificial lighting systems. This can be achieved by careful building design, orientation, and placement of window sections to collect light. Other creative solutions involve the use of reflecting surfaces to admit daylight into the interior of a building. Window sections should be adequately sized, and to avoid over illumination can be shielded with a Brise soleil, awnings, well placed trees, glass coatings, and other passive and active devices. Another major issue for many window systems is that they can be potentially vulnerable sites of excessive thermal gain or heat loss. Whilst high mounted clerestory window and traditional skylights can introduce daylight in poorly oriented sections of a building, unwanted heat transfer may be hard to control. Thus, energy that is saved by reducing artificial lighting is often more than offset by the energy required for operating HVAC systems to maintain thermal comfort. Various methods can be employed to address this including but not limited to window coverings, insulated glazing and novel materials such as aerogel semi transparent insulation, optical fiber embedded in walls or roof, or hybrid solar lighting at Oak Ridge National Laboratory. Reflecting elements, from active and passive daylighting collectors, such as light shelves, lighter wall and floor colors, mirrored wall sections, interior walls with upper glass panels, and clear or translucent glassed hinged doors and sliding glass doors take the captured light and passively reflect it further inside. The light can be from passive windows or skylights and solar light tubes or from active daylighting sources. In traditional Japanese architecture the Shōji sliding panel doors, with translucent Washi screens, are an original precedent. International style, Modernist and Mid century modern architecture were earlier innovators of this passive penetration and reflection in industrial, commercial, and residential applications.

Пассивное солнечное отопление воды

Существует множество способов использования солнечной тепловой энергии для нагрева воды для бытовых нужд. Различные активные и пассивные технологии солнечного водонагрева имеют различные экономические последствия и влияют на анализ соотношения затрат и выгод в зависимости от конкретного местоположения. Базовая пассивная система солнечного водонагрева не использует насосы или какое-либо электрическое оборудование. Она очень экономична в климате, где нет продолжительных периодов отрицательных температур или очень пасмурной погоды. Другие активные технологии солнечного водонагрева могут быть более подходящими для некоторых регионов. Возможно использование активной системы солнечного водонагрева, которая также может работать автономно и считаться экологически устойчивой. Это достигается за счет использования фотоэлектрического элемента, преобразующего солнечную энергию в электричество для питания насосов.

Сравнение с европейским стандартом пассивного дома

В Европе набирает обороты подход, разработанный Институтом пассивного дома (Passivhaus) в Германии. В отличие от полагания исключительно на традиционные методы пассивного солнечного проектирования, этот подход стремится использовать все пассивные источники тепла, минимизировать энергопотребление и подчеркивает необходимость высокой степени теплоизоляции, подкрепленной скрупулезным вниманием к деталям для устранения тепловых мостов и проникновения холодного воздуха. Большинство зданий, построенных по стандарту пассивного дома, также оснащаются системой активной вентиляции с рекуперацией тепла, с небольшим (обычно 1 кВт) встроенным отопительным элементом. Энергоэффективное проектирование зданий пассивного дома осуществляется с использованием программного инструмента моделирования на основе таблиц, известного как Passive House Planning Package (PHPP), который регулярно обновляется. Текущая версия – PHPP 9.6 (2018). Здание может быть сертифицировано как "пассивный дом", если будет доказано, что оно соответствует определенным критериям, важнейшим из которых является то, что годовой удельный расход тепла на дом не должен превышать 15 кВтч/м² в год.

Сравнение с зданием с нулевым отоплением

С развитием технологий остекления с ультранизким коэффициентом U, предлагается концепция здания с (почти) нулевым потреблением на отопление, основанная на принципах Пассивного дома, как замена зданий с почти нулевым энергопотреблением в ЕС, которые, по всей видимости, не оправдали ожиданий. Здание с нулевым отоплением снижает зависимость от пассивного солнечного проектирования, позволяя использовать более традиционные архитектурные решения. Годовой удельный спрос на тепло для такого здания не должен превышать 3 кВтч/м² в год. Здания с нулевым отоплением проще в проектировании и эксплуатации. Например, в них нет необходимости в регулируемых системах солнцезащиты.

Инструменты проектирования

Традиционно гелиодон использовался для моделирования высоты и азимута солнца, освещающего макет здания в любое время любого дня в году. В настоящее время компьютерные программы могут моделировать это явление и интегрировать местные климатические данные (включая влияние местности, такое как затенение и физические препятствия), чтобы спрогнозировать потенциальный солнечный выигрыш для конкретного проекта здания в течение года. Приложения для смартфонов, использующие GPS, теперь позволяют делать это недорого на портативном устройстве. Эти инструменты проектирования предоставляют специалисту по пассивному солнечному проектированию возможность оценить местные условия, элементы дизайна и ориентацию до начала строительства. Оптимизация энергоэффективности обычно требует итеративного процесса проектирования, оценки и доработки. Не существует универсального решения в области пассивного солнечного проектирования зданий, которое бы одинаково хорошо работало во всех местах.

Пассивная солнечная конструкция на небоскребах

В последнее время наблюдается интерес к использованию больших площадей поверхности небоскребов для повышения их общей энергоэффективности. Поскольку небоскребы все чаще встречаются в городской среде, но требуют значительных затрат энергии на эксплуатацию, существует потенциал для существенной экономии энергии за счет применения методов пассивного солнечного проектирования. Одно исследование, посвященное анализу проекта лондонской башни 22 Bishopsgate, показало, что теоретически возможно снизить энергопотребление на 35% за счет использования косвенных солнечных тепловых усилений, путем поворота здания для обеспечения оптимальной вентиляции и проникновения дневного света, применения напольных материалов с высокой тепловой массой для уменьшения колебаний температуры внутри здания и использования двойного или тройного остекления с низким коэффициентом эмиссии для прямого солнечного нагрева. Методы использования косвенных солнечных тепловых усилений включали регулирование теплового потока стен путем изменения их толщины (от 20 до 30 см), использование остекления на открытых пространствах для предотвращения потерь тепла, выделение 15–20% площади пола под теплоаккумулирующие системы и применение стены Тромба для поглощения тепла, поступающего в помещение. Навесы используются для блокировки прямого солнечного света летом и его пропускания зимой, а теплоотражающие жалюзи устанавливаются между тепловой стеной и остеклением для ограничения накопления тепла в летние месяцы. Другое исследование анализировало применение двойного зеленого фасада (DGSF) на внешней стороне высотных зданий в Гонконге. Такой зеленый фасад, или растительность, покрывающая внешние стены, может значительно снизить потребность в кондиционировании воздуха – до 80%, как установили исследователи. В более умеренном климате стратегии, такие как остекление, регулирование соотношения площади окон к площади стен, затенение и решения для кровли, могут обеспечить значительную экономию энергии в диапазоне от 30% до 60%.