أصبح نظام البناء الشمسي السلبي بشكل متزايد نمطًا مستقلاً للهندسة المعمارية ، والذي هو رسميًا في تقاليد الحداثة الكلاسيكية وتياراتها وحفلاتها ، في خضوع التصميم تحت الملاءمة (الشكل التالي ، الوظيفة ، النحت يبقى في الخلفية) يتم تعيينها إلى الوظيفية. في تصميم المبنى الشمسي السلبي ، تصنع النوافذ والجدران والأرضيات لجمع الطاقة الشمسية وتخزينها وتعكسها وتوزيعها على شكل حرارة في فصل الشتاء ورفض الحرارة الشمسية في فصل الصيف. يسمى هذا التصميم الشمسي السلبي لأنه ، على عكس أنظمة التسخين الشمسي النشطة ، لا ينطوي على استخدام الأجهزة الميكانيكية والكهربائية.
إن مفتاح تصميم المبنى الشمسي السلبي هو الاستفادة المثلى من المناخ المحلي لإجراء تحليل دقيق للموقع. العناصر التي يجب مراعاتها تشمل وضع النافذة وحجمها ، ونوع التزجيج ، والعزل الحراري ، والكتلة الحرارية ، والتظليل. يمكن تطبيق تقنيات التصميم الشمسي السلبي بسهولة أكثر على المباني الجديدة ، ولكن يمكن تعديل المباني الحالية أو “تحديثها”.
تكوينات المبنى الشمسي السلبي الرئيسية
هناك ثلاثة تكوينات الطاقة الشمسية السلبي الأساسي:
النظام الشمسي المباشر
النظام الشمسي غير المباشر
نظام الطاقة الشمسية المعزولة
كسب الطاقة السلبية
استخدام تقنيات الطاقة الشمسية استخدام ضوء الشمس دون أنظمة ميكانيكية نشطة (على النقيض من الطاقة الشمسية النشطة). هذه التقنيات تحول ضوء الشمس إلى حرارة قابلة للاستخدام (في الماء والهواء والكتلة الحرارية) ، مما يؤدي إلى حركة الهواء للتهوية ، أو الاستخدام المستقبلي ، مع القليل من استخدام مصادر الطاقة الأخرى. مثال شائع هو مقصورة التشمس الاصطناعي على جانب خط الاستواء من المبنى. التبريد السلبي هو استخدام نفس مبادئ التصميم للحد من متطلبات التبريد في الصيف.
تستخدم بعض الأنظمة السلبية كمية صغيرة من الطاقة التقليدية للتحكم في المخمدات ، والستائر ، والعزل الليلي ، والأجهزة الأخرى التي تعزز جمع الطاقة الشمسية وتخزينها واستخدامها ، وتقليل نقل الحرارة غير المرغوب فيه.
تشمل التقنيات الشمسية السلبية كسباً مباشراً وغير مباشراً للطاقة الشمسية لتسخين المساحات ، وأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية القائمة على التسخين الحراري ، واستخدام المواد الحرارية ومواد تغيير الطور لبطء تقلبات درجة حرارة الهواء الداخلية ، والمسببات الشمسية ، والمدخنة الشمسية لتعزيز التهوية الطبيعية ، و حماية الأرض.
على نطاق أوسع ، تتضمن تقنيات الطاقة الشمسية السلبية الفرن الشمسي ، ولكن هذا يتطلب عادة بعض الطاقة الخارجية لمراعاة مرايا التركيز أو المستقبلات ، ولم يثبت تاريخيا أنها عملية أو فعالة من حيث التكلفة للاستخدام على نطاق واسع. لقد أثبتت احتياجات الطاقة “منخفضة الدرجة” ، مثل تسخين المساحات والمياه ، بمرور الوقت ، أنها تطبيقات أفضل للاستخدام السلبي للطاقة الشمسية.
النظام الشمسي المباشر
في النظام الشمسي السلبي ذي الكسب المباشر ، يعمل الفضاء الداخلي كمجمع للطاقة الشمسية ، وامتصاص الحرارة ، ونظام التوزيع. الزجاج المواجه للجنوب في نصف الكرة الشمالي (الذي يواجه الشمال في نصف الكرة الجنوبي) يعترف بالطاقة الشمسية في داخل المبنى حيث يسخن بشكل مباشر (امتصاص الطاقة الإشعاعية) أو تسخين الكتلة الحرارية بشكل غير مباشر (بالحمل الحراري) في المبنى مثل الخرسانة أو البناء الأرضيات والجدران. تدرج الأرضيات والجدران التي تعمل ككتلة حرارية كأجزاء وظيفية للمبنى وتلطيف شدة التسخين خلال النهار. في الليل ، تشع الكتلة الحرارية المسخنة الحرارة في الفضاء الداخلي.
في المناخ البارد ، يعتبر المبنى المشبع بأشعة الشمس هو النوع الأساسي من التكوين الشمسي السلبي ذي الكسب المباشر والذي يتضمن ببساطة زيادة مساحة الزجاج التي تواجه الجنوب (قليلاً) ، دون إضافة كتلة حرارية إضافية. وهو نوع من نظام الكسب المباشر الذي يكون فيه غلاف المبنى معزولًا بشكل جيد ، ويتم تمديده في اتجاه من الشرق إلى الغرب ، ويحتوي على جزء كبير (~ 80٪ أو أكثر) من النوافذ على الجانب الجنوبي. لديها كتلة حرارية مضافة صغيرة تتجاوز ما هو موجود بالفعل في المبنى (على سبيل المثال ، مجرد إطار ، لوحة الحائط ، وهكذا دواليك). في مبنى خفف من الشمس ، يجب أن تكون منطقة النافذة المواجهة للجنوب محددة بـ 5 إلى 7٪ من مساحة الأرضية الكلية ، أقل في المناخ المشمس ، لمنع ارتفاع درجة الحرارة. يمكن إضافة زجاج إضافي بواجهة جنوبية فقط في حالة إضافة كتلة حرارية إضافية. التوفير في الطاقة متواضع مع هذا النظام ، والتخميد الشمسي منخفض التكلفة.
في الأنظمة الشمسية المنفعلة الكامنة المباشرة المباشرة ، يلزم وجود كتلة حرارية كافية لمنع التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة في الهواء الداخلي ؛ مطلوب كتلة حرارية أكثر من مبنى خفف من الشمس. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة حرارة المباني الداخلية إلى وجود كتلة حرارية غير كافية أو سيئة التصميم. يجب بناء حوالي نصف إلى ثلثي مساحة السطح الداخلي للأرضيات والجدران والأسقف من مواد التخزين الحراري. يمكن أن تكون مواد التخزين الحراري ملموسة ، وطوب اللبن ، والطوب ، والمياه. يجب أن تبقى الكتلة الحرارية في الأرضيات والجدران عارية مثل وظيفية وجمالية ممكنة ؛ الكتلة الحرارية يجب أن تتعرض لأشعة الشمس المباشرة. يجب تجنب السجاد من الجدار إلى الجدار ، وسجاد القذف الكبير ، والأثاث الواسع ، والحوائط الشديدة.
عادة ، لكل حوالي 1 ft2 من الزجاج المواجه للجنوب ، مطلوب حوالي 5 إلى 10 ft3 من الكتلة الحرارية للكتلة الحرارية (1 متر مكعب لكل 5 إلى 10 متر مربع). عند حساب الحد الأدنى إلى متوسط الجدران وأغطية الأرضيات والأثاث ، يساوي هذا عادة حوالي 5 إلى 10 قدم 2 لكل قدم مربع (5 إلى 10 متر مربع لكل متر مربع) من الزجاج المواجه للجنوب ، اعتمادًا على ما إذا كان ضوء الشمس يضرب السطح مباشرة. أبسط قواعد التجربة هي أن مساحة الكتلة الحرارية يجب أن يكون لها مساحة من 5 إلى 10 أضعاف المساحة السطحية لمنطقة التجميع المباشر للكتل (الزجاج).
يجب أن تكون الكتلة الحرارية الصلبة (على سبيل المثال ، الخرسانة ، البناء ، الحجر ، إلخ) نحيفة نسبيًا ، لا تزيد عن 4 بوصات بسماكة (100 مم). إن الكتل الحرارية ذات المناطق المكشوفة الكبيرة وتلك التي تتعرض لأشعة الشمس المباشرة لأدنى جزء من اليوم (أقل ساعتين) هي الأفضل. يجب استخدام ألوان متوسطة إلى معتمة عالية الامتصاص على أسطح عناصر الكتلة الحرارية التي ستكون في ضوء الشمس المباشر. الكتلة الحرارية التي ليست على اتصال مع أشعة الشمس يمكن أن يكون أي لون. عناصر خفيفة الوزن (على سبيل المثال ، الجدران والسقوف دريوال) يمكن أن يكون أي لون. إن تغطية الألواح الزجاجية بألواح العزل المحركة الضيقة خلال الفترات المظلمة والغائمة والساعات الليلية ستعزز بشكل كبير أداء نظام الكسب المباشر. المياه المحتواة داخل احتواء البلاستيك أو المعدن وتوضع في أشعة الشمس المباشرة تسخن بسرعة أكبر وبشكل أكثر توازنا من الكتلة الصلبة بسبب نقل الحرارة الحراري الطبيعي. كما أن عملية الحمل الحراري تمنع درجات الحرارة السطحية من أن تصبح أكثر تطرفًا مثلما تفعل أحيانًا عندما تتلقى سطوح الكتلة الصلبة الملونة الداكنة أشعة الشمس المباشرة.
اعتمادًا على المناخ ومع وجود كتلة حرارية كافية ، يجب أن تكون المساحة الزجاجية المواجهة للجنوب في نظام الكسب المباشر محدودة بـ 10 إلى 20٪ من مساحة الأرضية (على سبيل المثال ، 10 إلى 20 قدم مربع من الزجاج لمساحة طابقية 100 قدم مربع). يجب أن يعتمد ذلك على شبكة الزجاج أو منطقة التزجيج. لاحظ أن معظم النوافذ لديها مساحة زجاجية / زجاجية من 75 إلى 85٪ من المساحة الكلية لوحدة النوافذ. وفوق هذا المستوى ، من المرجح أن تحدث مشاكل في ارتفاع درجة الحرارة ، وهج وخبو الأقمشة.
النظام الشمسي غير المباشر
في النظام الشمسي السلبي غير المباشر الكسب ، تقع الكتلة الحرارية (الاسمنت ، البناء ، أو الماء) مباشرة خلف الزجاج المواجه للجنوب وأمام الفضاء الداخلي المسخن وبالتالي لا يوجد تدفئة مباشرة. ضوء الشمس من دخول الفضاء الداخلي ويمكن أيضا عرقلة الرؤية من خلال الزجاج. هناك نوعان من أنظمة الكسب غير المباشر: أنظمة جدار التخزين الحراري وأنظمة أحواض السقف.
التخزين الحراري (ترومبي) الجدران
في نظام حائط تخزين حراري ، غالباً ما يسمى جدار ترومبي ، يقع جدار ضخم خلف الزجاج المواجه للجنوب مباشرةً ، والذي يمتص الطاقة الشمسية ويطلقها بشكل انتقائي نحو داخل المبنى ليلاً. يمكن بناء الجدار من الخرسانة أو الطوب أو الطوب أو الحجر أو وحدات البناء الخرسانية الصلبة (أو المعبأة). يدخل ضوء الشمس من خلال الزجاج ويتم امتصاصه مباشرة على سطح الجدار الشامل وتخزينه أو إجرائه من خلال كتلة المادة إلى الفضاء الداخلي. لا تستطيع الكتلة الحرارية امتصاص الطاقة الشمسية بالسرعة التي تدخل بها المسافة بين الكتلة ومنطقة النافذة. يمكن درجات الحرارة في الهواء في هذا الفضاء تتجاوز 120 درجة فهرنهايت (49 درجة مئوية) بسهولة. يمكن إدخال هذا الهواء الساخن إلى المساحات الداخلية خلف الجدار من خلال دمج فتحات توزيع الحرارة في الجزء العلوي من الجدار. كان نظام الجدار هذا أول تصور له وبراءة اختراعه في عام 1881 من قبل مخترعه ، إدوارد مورس. كان فيليكس ترومبي ، الذي يُطلق عليه هذا النظام أحيانًا ، مهندسًا فرنسيًا بنى العديد من المنازل باستخدام هذا التصميم في جبال البيرينيه الفرنسية في الستينيات.
يتكون جدار التخزين الحراري عادة من جدار من 4 إلى 16 بوصة (100 إلى 400 مم) من الجدران الحجرية المغلفة بطبقة داكنة ممتصة للحرارة (أو سطح انتقائي) ومغطاة بطبقة مفردة أو مزدوجة من الزجاج الانتقائي العالي. يوضع الزجاج عادةً من ¾ إلى 2 من الجدار لإنشاء مجال جوي صغير. في بعض التصميمات ، تقع الكتلة من 1 إلى 2 قدم (0.6 متر) بعيداً عن الزجاج ، ولكن المساحة لا تزال غير قابلة للاستخدام. يمتص سطح الكتلة الحرارية الإشعاع الشمسي الذي يضربه ويخزنه للاستخدام الليلي. على عكس نظام الكسب المباشر ، يوفر نظام جدار التخزين الحراري تسخينًا شمسيًا سلبيًا بدون منطقة نافذة مفرطة وهجًا في الأماكن الداخلية. ومع ذلك ، يتم التخلص من القدرة على الاستفادة من وجهات النظر والإضاءة النهارية. يتضاءل أداء جدران ترومبي إذا لم يكن الجدار الداخلي مفتوحًا على المساحات الداخلية. سوف يقلل الأثاث وأرفف الكتب وخزانات الحائط المثبتة على السطح الداخلي للجدار من أدائها.
يحتوي جدار ترومبي الكلاسيكي ، والذي يطلق عليه أيضًا بشكل عام جدار حراري للتنفيس ، على فتحات قابلة للتشغيل بالقرب من مستويات السقف والأرضية للجدار الكتلي الذي يسمح بتدفق الهواء الداخلي من خلاله بواسطة الحمل الحراري الطبيعي. حيث يقوم الإشعاع الشمسي بتسخين الهواء المحبوس بين الزجاج والجدار ويبدأ في الارتفاع. يتم سحب الهواء إلى الفتحة السفلية ، ثم إلى الفضاء بين الزجاج والجدار للتسخين بالإشعاع الشمسي ، مما يزيد من درجة حرارته ويؤدي إلى ارتفاعه ، ثم يخرج من خلال الفتحة العلوية (السقفية) إلى الفضاء الداخلي. هذا يسمح للجدار بإدخال الهواء الساخن مباشرة إلى الفضاء ؛ عادة في درجة حرارة حوالي 90 درجة فهرنهايت (32 درجة مئوية).
إذا تركت الفتحات مفتوحة في الليل (أو في الأيام الملبدة بالغيوم) ، سيحدث انعكاس لتدفق الهواء الحامل ، مما يؤدي إلى إضاعة الحرارة عن طريق تبديدها في الهواء الطلق. يجب إغلاق الفتحات في الليل حتى تسخن الحرارة المشعة من السطح الداخلي لجدار التخزين الفضاء الداخلي. عموما ، يتم إغلاق الفتحات أيضا خلال أشهر الصيف عند عدم الحاجة إلى كسب الحرارة. خلال فصل الصيف ، يمكن فتح فتحة تهوية خارجية مثبتة في الجزء العلوي من الجدار للتنفيس إلى الخارج. هذا التنفيس يجعل النظام بمثابة مدخنة شمسية تدفع الهواء خلال المبنى خلال النهار.
أثبتت جدران التخزين الحراري المتنفذة في الداخل عدم الفعالية إلى حد ما ، وذلك بسبب أنها تسبب الكثير من الحرارة خلال النهار في طقس معتدل وخلال أشهر الصيف. انهم ببساطة اسخن وخلق مشاكل الراحة. أوصى معظم خبراء الطاقة الشمسية أن جدران التخزين الحراري لا ينبغي أن تنفيس إلى الداخل.
هناك العديد من الاختلافات في نظام الجدار الترومبي. يلتقط جدار التخزين الحراري غير المبتكر (من الناحية الفنية ليس جدارًا ترومبي) الطاقة الشمسية على السطح الخارجي ، ويسخن ، وينقل الحرارة إلى السطح الداخلي ، حيث يشع من سطح الجدار الداخلي إلى المساحة الداخلية في وقت لاحق من اليوم. يستخدم الجدار المائي نوعًا من الكتلة الحرارية التي تتكون من خزانات أو أنابيب مياه تستخدم ككتلة حرارية.
يتكون جدار التخزين الحراري غير المبتكر النموذجي من جدار من الطوب أو الجدار الأسمنتي المواجه للجنوب مع مادة مظلمة ممتصة للحرارة على السطح الخارجي ويواجه طبقة مفردة أو مزدوجة من الزجاج. يزيد زجاج النقل العالي من المكاسب الشمسية إلى الحائط الشامل. يتم وضع الزجاج من ¾ إلى 6 بوصات (20 إلى 150 ملم) من الجدار لإنشاء مجال جوي صغير. الإطارات الزجاجية عادة ما تكون معدنية (على سبيل المثال ، الألومنيوم) لأن الفينيل سوف يلين وسوف يصبح الخشب شديد التجفيف بدرجة حرارة 180 درجة فهرنهايت (82 درجة مئوية) التي يمكن أن توجد خلف الزجاج في الجدار. يتم امتصاص الحرارة من ضوء الشمس المارة من خلال الزجاج بواسطة السطح المظلم ، المخزنة في الجدار ، وتجري ببطء إلى الداخل من خلال البناء. كتفاصيل معمارية ، يمكن للزجاج المنقوش أن يحد من الرؤية الخارجية للجدار دون التضحية بالنقل الشمسي.
يستخدم جدار الماء حاويات من الماء للكتلة الحرارية بدلاً من جدار كتلة صلبة. عادة ما تكون الجدران المائية أكثر كفاءة بشكل طفيف من الجدران ذات الكتلة الصلبة لأنها تمتص الحرارة بشكل أكثر كفاءة بسبب تطور التيارات الحاملة في المياه السائلة عند تسخينها. تتسبب هذه التيارات في المزج السريع ونقل الحرارة بسرعة إلى المبنى أكثر مما يمكن توفيره من خلال جدران الكتلة الصلبة.
تغيرات درجة الحرارة بين سطح الجدران الخارجية والداخلية تحرك الحرارة من خلال الجدار الشامل. لكن داخل المبنى ، يتأخر ارتفاع الحرارة خلال النهار ، ولا يتوافر إلا على السطح الداخلي للكتلة الحرارية أثناء المساء عندما تكون هناك حاجة إليها بسبب غروب الشمس. الفارق الزمني هو فارق التوقيت بين ضرب ضوء الشمس أولاً للجدار وعند دخول الحرارة إلى داخل المبنى. يتوقف التأخر الزمني على نوع المادة المستخدمة في الجدار وسماكة الجدار ؛ سمك أكبر ينتج عنه تأخر زمني أكبر. إن خاصية التباطؤ الزمني للكتلة الحرارية ، جنباً إلى جنب مع تثبيط تقلبات درجات الحرارة ، تسمح باستخدام الطاقة الشمسية المتغيرة في النهار كمصدر حرارة أكثر ليونة. يمكن وضع النوافذ في الجدار للإضاءة الطبيعية أو لأسباب جمالية ، ولكن هذا يميل إلى تقليل الكفاءة إلى حد ما.
يجب أن يكون سمك جدار التخزين الحراري من 10 إلى 14 في (250 إلى 350 مم) للطوب ، 12 إلى 18 في (300 إلى 450 ملم) للخرسانة ، من 8 إلى 12 في (200 إلى 300 ملم) للأرض / الطوب ، وعلى الأقل 6 في (150 ملم) للمياه. هذه السماكة تؤخر حركة الحرارة بحيث تصل درجات الحرارة السطحية إلى ذروتها خلال ساعات المساء المتأخرة. وتستغرق الحرارة حوالي 8 إلى 10 ساعات للوصول إلى داخل المبنى (حيث تنتقل الحرارة عبر جدار خرساني بمعدل حوالي بوصة واحدة في الساعة). يعتبر التوصيل الحراري الجيد بين التشطيبات الداخلية للجدران (مثل الحوائط الجافة) والجدار الحراري الحراري ضروريًا لزيادة نقل الحرارة إلى المساحة الداخلية.
على الرغم من أن موقع جدار التخزين الحراري يقلل من ارتفاع درجة حرارة المساحات الداخلية أثناء النهار ، يجب أن يقتصر البناء المعزول بشكل جيد على حوالي 0.2 إلى 0.3 قدم مربع من سطح الجدار الحراري الشامل لكل قدم مربع من المساحة الأرضية التي يتم تسخينها (0.2 إلى 0.3 م 2 لكل متر مربع من مساحة الأرض) ، اعتمادا على المناخ. يجب أن يكون للجدار المائي حوالي 0.15 إلى 0.2 قدم مربع من سطح الجدار المائي لكل قدم مربع (0.15 إلى 0.2 متر مربع لكل متر مربع) من المساحة الأرضية.
تتناسب الجدران الحرارية بشكل أفضل مع المناخات الشتوية المشمسة التي تحتوي على تقلبات درجة حرارة نهارية عالية (مثل النهار والجنوب الغربي). فهي لا تؤدي أداءً جيدًا في المناخات الغائمة أو شديدة البرودة أو في المناخات حيث لا يكون هناك تحول كبير في درجة الحرارة نهاريًا. يمكن أن تظل الخسائر الحرارية الليلية من خلال الكتلة الحرارية للجدار مهمة في المناخات الغائمة والباردة ؛ يفقد الجدار الحرارة المخزونة في أقل من يوم ، ثم يسخن الحرارة ، مما يرفع متطلبات التسخين الاحتياطي بشكل كبير. إن تغطية الألواح الزجاجية بواسطة الألواح العازلة المحركة خلال فترات الغيوم الطويلة والساعات الليلية ستعزز أداء نظام التخزين الحراري.
العيب الرئيسي لجدران التخزين الحراري هو فقدان الحرارة إلى الخارج. الزجاج المزدوج (الزجاج أو أي من البلاستيك) ضروري للحد من فقدان الحرارة في معظم المناخات. في المناخ المعتدل ، الزجاج المفرد مقبول. يعمل السطح الانتقائي (السطح الممتص عالي الامتصاص / الانبعاث) المطبق على السطح الخارجي لجدار التخزين الحراري على تحسين الأداء عن طريق تقليل كمية الأشعة تحت الحمراء المشعة من خلال الزجاج ؛ عادة ، فإنه يحقق تحسن مماثل في الأداء دون الحاجة إلى التركيب اليومي وإزالة الألواح العازلة. يتكون السطح الانتقائي من لوح من رقائق معدنية ملتصقة بالسطح الخارجي للجدار. فهو يمتص تقريبا جميع الإشعاع في الجزء المرئي من الطيف الشمسي ولا يصدر إلا القليل جدا في نطاق الأشعة تحت الحمراء. يؤدي الامتصاص العالي إلى تحويل الضوء إلى حرارة على سطح الجدار ، كما يمنع انخفاض الانبعاثات الحرارة من أن تشع إلى الزجاج.
نظام بركة السقف
ويستخدم النظام الشمسي السلبي في بركة السباحة ، والذي يطلق عليه أحيانًا السقف الشمسي ، مياه مخزنة على السطح لتلطيف درجات الحرارة الداخلية الساخنة والباردة ، عادة في البيئات الصحراوية. وعادة ما يتم بناؤها من حاويات تحتوي على 6 إلى 12 في (150 إلى 300 ملم) من الماء على سقف مسطح. يتم تخزين المياه في أكياس بلاستيكية كبيرة أو حاويات مصنوعة من الألياف الزجاجية لتحقيق أقصى قدر من الانبعاثات الإشعاعية وتقليل التبخر. يمكن تركه غير مزجج أو يمكن تغطيته بواسطة الزجاج. يقوم الإشعاع الشمسي بتسخين المياه ، والتي تعمل كوسيط تخزين حراري. في الليل أو أثناء الطقس الغائم ، يمكن تغطية الحاويات بألواح عازلة. يتم تسخين المساحات الداخلية تحت بركة السطح بالطاقة الحرارية المنبعثة من تخزين بركة السطح أعلاه. وتتطلب هذه الأنظمة أنظمة صرف جيدة وعزلًا متحركًا ونظامًا بنيويًا مُحسَّنًا لدعم الحمل الميت من 35 إلى 70 رطل / قدم 2 (1.7 إلى 3.3 كيلو نيوتن / متر مربع).
مع زوايا حدوث أشعة الشمس خلال النهار ، فإن برك السطح ليست فعالة إلا للتدفئة في المناطق المنخفضة والمتوسطة ، في المناخات الساخنة والمعتدلة. تعمل أنظمة أحواض السقف على نحو أفضل للتبريد في المناخات الساخنة والرطوبة المنخفضة. لم يتم بناء العديد من الأسقف الشمسية ، وهناك معلومات محدودة عن التصميم والتكلفة والأداء وتفاصيل البناء لأسقف التخزين الحراري.
نظام شمسي معزول
في النظام الشمسي المنفرد الكسب المنعزل ، يتم عزل المكونات (على سبيل المثال ، المجمَّع والتخزين الحراري) من المنطقة الداخلية للمبنى.
المنطقة الشمسية المرفقة ، والتي يطلق عليها أحيانًا غرفة شمسية أو مقصورة التشمس الاصطناعي ، هي نوع من نظام الطاقة الشمسية الكتلي المعزول مع مساحة داخلية مزججة أو غرفة تكون جزءًا من مبنى أو ملحقًا به ولكن يمكن إغلاقها تمامًا من المناطق المحتلة الرئيسية. وهي تعمل مثل الدفيئة الملحقة التي تستخدم مزيجًا من خصائص نظام كسب مباشر وكسب غير مباشر. قد يطلق على الشمس مساحة الشمس وتبدو وكأنها دفيئة ، إلا أن الدفيئة مصممة لزراعة النباتات في حين أن الشمس الشمسية مصممة لتوفير الحرارة والجماليات للمبنى. تعد المساحات الشمسية عناصر تصميم سلبي شائع جدًا لأنها توسع مناطق المعيشة في المبنى وتوفر غرفة لتنمو النباتات والنباتات الأخرى. في المناخات المعتدلة والباردة ، ومع ذلك ، مطلوب تدفئة الفضاء الإضافية للحفاظ على النباتات من التجمد خلال الطقس شديد البرودة.
تجمع الزجاجات المواجهة للجنوب في المنطقة الشمسية الطاقة الشمسية كما هو الحال في نظام الكسب المباشر. أبسط تصميم للفضاء هو تثبيت نوافذ عمودية بدون زجاج علوي. قد تعاني مساحات الشمس من ارتفاع الحرارة وحرارة عالية من خلال وفرة من الزجاج. على الرغم من أن الزجاج الأفقى والمنحدر يجمع المزيد من الحرارة في الشتاء ، فإنه يتم تقليله إلى الحد الأدنى لمنع ارتفاع درجة الحرارة خلال أشهر الصيف. على الرغم من أن التزجيج العلوي يمكن أن يكون ممتعًا من الناحية الجمالية ، فإن السقف المعزول يوفر أداءً حراريًا أفضل. يمكن استخدام المناور لتوفير بعض إمكانات ضوء النهار. يمكن للتزجيج العمودي تحقيق أقصى قدر من الكسب في فصل الشتاء ، عندما تكون زاوية الشمس منخفضة ، وتنتج كمية أقل من الحرارة خلال فصل الصيف. الزجاج العمودي هو أقل تكلفة ، وأسهل في التركيب والعزل ، وليس عرضة للتسريب ، والهبوط ، والكسر ، وغيرها من أعطال الزجاج. مزيج من الزجاج العمودي وبعض الزجاج المائل هو مقبول إذا تم توفير التظليل في الصيف. قد يكون كل شيء ضروريًا لتدبيس الزجاج في الصيف.
يمكن التحكم في تغيرات درجة الحرارة الناجمة عن فقدان الحرارة والمكاسب عن طريق الكتلة الحرارية والنوافذ منخفضة الابتعاثية. يمكن أن تحتوي الكتلة الحرارية على أرضية حجرية ، أو جدار حجري يحيط بالمنزل ، أو حاويات مياه. يمكن تحقيق توزيع الحرارة على المبنى من خلال فتحات على مستوى السقف والأرضية ، النوافذ ، الأبواب ، أو المراوح. في تصميم مشترك ، فإن جدار الكتلة الحرارية الموجود على الجزء الخلفي من الفضاء الشمسي المتاخم لمساحة المعيشة سيعمل كجدار كتلة حرارية غير مباشرة. يتم الاحتفاظ بالطاقة الشمسية التي تدخل إلى الفضاء الشمسي في الكتلة الحرارية. يتم نقل الحرارة الشمسية إلى المبنى عن طريق الجدار الجماعي المشترك في الجزء الخلفي من الفضاء الشمسي ومن خلال فتحات التهوية (مثل جدار تخزين حراري غير مبدع) أو من خلال فتحات في الجدار تسمح بتدفق الهواء من الفضاء الشمسي إلى الفضاء الداخلي عن طريق الحمل الحراري ( مثل جدار حراري للتنفيس).
في المناخات الباردة ، ينبغي استخدام الزجاج المزدوج للحد من الخسائر الموصلة من خلال الزجاج إلى الخارج. إن فقدان الحرارة أثناء الليل ، بالرغم من أهميته خلال أشهر الشتاء ، ليس ضروريًا في المجال الشمسي كما هو الحال مع أنظمة الكسب المباشر ، حيث يمكن إغلاق المجال الشمسي عن بقية المبنى. في المناخات المعتدلة والباردة ، من المهم عزل حراري للمكان الشمسي من المبنى ليلاً. ستحافظ الألواح الزجاجية الكبيرة ، والأبواب الفرنسية ، والأبواب الزجاجية المنزلقة بين المبنى والفضاء الشمسي المرفق على الشعور المفتوح دون فقدان الحرارة المرتبط بمساحة مفتوحة.
ستحتاج المساحة الشمسية مع الجدار الحراري للبناء إلى حوالي 0.3 قدم مربع من سطح الجدار الحراري الشامل لكل قدم مربع من المساحة الأرضية التي يتم تسخينها (0.3 متر مربع لكل متر مربع من المساحة الأرضية) ، حسب المناخ. يجب أن تكون سماكة الجدار مماثلة لجدار التخزين الحراري. إذا تم استخدام جدار مائي بين الفضاء الشمسي ومساحة المعيشة ، فإن حوالي 0.20 قدمًا 2 من سطح الجدار الحراري الشامل لكل قدم مربع من المساحة الأرضية التي يتم تسخينها (0.2 م 2 لكل متر مربع من المساحة الأرضية) يكون مناسبًا. في معظم المناخات ، يلزم وجود نظام تهوية في أشهر الصيف لمنع ارتفاع درجة الحرارة. بوجه عام ، يجب عدم استخدام المساحات الزجاجية العريضة (الأفقية) والشرقية المواجهة للشرق والغرب في الفضاء الشمسي دون الاحتياطات الخاصة لسخونة الصيف مثل استخدام الزجاج العاكس للحرارة وتوفير مناطق أنظمة التظليل الصيفي.
يجب أن تكون الأسطح الداخلية للكتلة الحرارية مظلمة بالألوان. يمكن استخدام العزل المنقولة (مثل أغطية النوافذ ، والظلال ، والأغطية) للمساعدة في احتجاز الهواء الدافئ في الشمس بعد كل من غروب الشمس وأثناء الطقس الغائم. عندما تغلق النوافذ في الأيام الحارة للغاية ، يمكن أن تساعد أغطية النوافذ على الحفاظ على حرارة الشمس من الحرارة الزائدة.
لتحقيق أقصى قدر من الراحة والكفاءة ، يجب عزل الجدران الخالية من الزجاج والسقف والأساس بشكل جيد. يجب عزل محيط جدار الأساس أو اللوح إلى خط الصقيع أو حول محيط البلاطة. في المناخ المعتدل أو البارد ، يجب عزل الجدران الشرقية والغربية للفضاء الشمسي (بدون زجاج).
تدابير إضافية
يجب اتخاذ تدابير للحد من فقدان الحرارة في الليل مثل أغطية النوافذ أو عزل النوافذ المنقولة.
تخزين الحرارة
لا تشرق الشمس طوال الوقت. يحافظ تخزين الحرارة ، أو الكتلة الحرارية ، على دفء المبنى عندما لا تتمكن الشمس من تسخينه.
في المنازل الشمسية النهارية ، تم تصميم التخزين لمدة يوم أو بضعة أيام. الطريقة المعتادة هي كتلة حرارية مبنية حسب الطلب. وهذا يشمل جدار ترومبي أو أرضية خرسانية ذات تهوية أو صهريج أو جدار مائي أو حوض سقف. ومن الممكن أيضًا استخدام الكتلة الحرارية للأرض نفسها ، إما كما هي أو من خلال الدمج في البنية البنكية أو باستخدام الأرض المحطمة كوسط بنيوي.
في المناطق شبه القطبية ، أو المناطق التي لها شروط طويلة بدون كسب الشمس (على سبيل المثال أسابيع من الضباب المتجمد) ، تكون الكتلة الحرارية المبنية لغرض مكلف للغاية. لقد كان دون ستيفنس أول من استخدم تقنية تجريبية لاستخدام الأرض ككتلة حرارية كبيرة بما يكفي لتخزين الحرارة سنويًا. تعمل تصميماته على تشغيل طبقة حرارية معزولة على عمق 3 أمتار أسفل المنزل ، وعزل الأرض بطول 6 م.
عازلة
العزل الحراري أو العزل (النوع ، والتنسيب ، والمقدار) يقلل من التسرب غير المرغوب فيه للحرارة. في الواقع تم بناء بعض المباني السلبية من العزل.
أنظمة التزجيج الخاصة وأغطية النوافذ
يتم تعزيز فعالية أنظمة الكسب الشمسي المباشر بشكل كبير عن طريق العزل (مثل الزجاج المزدوج) ، التزجيج الانتقائي الطيفي (منخفض- e) ، أو عزل النوافذ المنقولة (لحاف النوافذ ، مصاريع العزل الداخلية الثنائية ، الظلال ، الخ).
بشكل عام ، يجب على النوافذ التي تواجه خط الاستواء عدم استخدام الطلاء الزجاجي الذي يثبط اكتساب الطاقة الشمسية.
هناك استخدام واسع للنوافذ فائقة العزل في معايير German Passive House. يعتمد اختيار طلاء النوافذ المختلف الطيفي المختلف على نسبة التسخين مقابل أيام درجة التبريد في موقع التصميم.
اختيار التزجيج
الزجاج المواجه للخط الاستواء
تختلف متطلبات الزجاج الرأسي لوجه الاستواء عن الجوانب الثلاثة الأخرى للمبنى. يمكن لطلاء النوافذ العاكسة وألواح الزجاج المتعددة تقليل الكسب الشمسي المفيد. ومع ذلك ، فإن أنظمة الكسب المباشر تعتمد أكثر على الزجاج المزدوج أو الثلاثي لتقليل فقد الحرارة. قد تظل الكسب غير المباشر والتكوينات ذات الكسب المعزول قادرة على العمل بفعالية من خلال الزجاج المزدوج. ومع ذلك ، فإن الحل الأمثل الفعال من حيث التكلفة يعتمد على الموقع والنظام.
زجاج زاوية السقف ومناور
المناور تعترف بأشعة الشمس المباشرة المباشرة والوهج إما أفقياً (سطح مسطح) أو مائلة في نفس زاوية منحدر السقف. في بعض الحالات ، تستخدم مناور أفقية مع عاكسات لزيادة شدة الإشعاع الشمسي (والوهج القاسي) ، تبعا لزاوية سقف السقوط. عندما تكون الشمس الشتوية منخفضة في الأفق ، فإن معظم الإشعاع الشمسي ينعكس عن الزجاج ذي الزاوية على السقف (زاوية الورود متقاربة تقريبا مع الزجاج ذي الزاوية على السطح وفترة الظهيرة). عندما تكون شمس الصيف مرتفعة ، فإنها تكون عمودية تقريبًا على الزجاج ذي الزاوية ، والتي تزيد من كسب الطاقة الشمسية في الوقت غير المناسب من السنة ، وتعمل مثل الفرن الشمسي. يجب تغطية المناور وعزلها بشكل جيد للحد من فقدان الحرارة الطبيعية (ارتفاع الهواء الدافئ) في ليالي الشتاء الباردة ، وكثافة الحرارة الشمسية خلال أيام الربيع / الصيف / الخريف الحارة.
الجانب المقابل من خط الاستواء من المبنى جنوب في نصف الكرة الشمالي ، والشمال في نصف الكرة الجنوبي. توفر المناور على الأسطح التي تواجه بعيدًا عن خط الاستواء إضاءة غير مباشرة في الغالب ، باستثناء أيام الصيف التي قد تشرق فيها الشمس على الجانب غير الاستوائي من المبنى (عند بعض خطوط العرض). توفر المناور على الأسقف المواجهة للشرق أقصى قدر من الضوء المباشر وكسب الحرارة الشمسية في صباح الصيف. توفر المناور المواجهة للغرب أشعة الشمس في فترة ما بعد الظهر وكسب الحرارة خلال الجزء الأكثر حرارة من اليوم.
تتميز بعض المناور بزجاج مكلف يقلل جزئيًا من كسب حرارة الشمس في فصل الصيف ، مع السماح ببعض انتقال الضوء المرئي. ومع ذلك ، إذا كان الضوء المرئي يمكن أن يمر عبره ، فيمكن كذلك الحصول على بعض كسب الحرارة الإشعاعي (وهما موجات إشعاعية كهرمغنطيسية).
يمكنك تقليل بعض مكاسب الحرارة الشمسية غير المرصوفة في السقف في الصيف عن طريق تثبيت كوة في ظلال الأشجار المتساقطة الأوراق أو إضافة نافذة عازلة متحركة تغطي داخل أو خارج الكوة. . هذا من شأنه القضاء على الاستفادة من ضوء النهار في فصل الصيف. إذا كانت أطراف الأشجار معلقة فوق سقف ، فإنها ستزيد من المشاكل مع الأوراق في مزاريب المطر ، ومن المحتمل أن تسبب سدودًا جليدية مدمرة للأسقف ، وتختصر عمر الأسقف ، وتوفر مسارًا أسهل للآفات لدخول العلية الخاصة بك. تعتبر الأوراق والأغصان على المناور غير جذابة وصعبة التنظيف ، ويمكن أن تزيد من خطر تكسر الزجاج في العواصف.
يمكن أن يحقق “سطح السقف المصنوع من الخشب المنشار” مع الزجاج الرأسي فقط بعض مزايا التصميم السلبي لمبنى الطاقة الشمسية في قلب مبنى تجاري أو صناعي ، دون الحاجة إلى أي زجاج بزاوية سقف أو مناور.
المناور توفر ضوء النهار. العرض الوحيد الذي يقدمونه هو بشكل أساسي مستقيم في معظم التطبيقات. يمكن أن توفر أنابيب الإضاءة المعزولة جيدًا ضوء النهار في الغرف الشمالية ، دون استخدام كوة. يوفر الدفيئة السلبي الشمسي وفرة من ضوء النهار بالنسبة لجانب إستوائي من المبنى.
يمكن للكاميرات الحرارية ذات الأشعة تحت الحمراء الملونة (المستخدمة في عمليات تدقيق الطاقة الرسمية) أن توثق بسرعة التأثير الحراري السلبي للزجاج الموجود على السقف أو كوة في ليلة شتوية باردة أو في أيام الصيف الحارة.
تقول وزارة الطاقة الأمريكية: “إن التزجيج الرأسي هو أفضل خيار عام للمساحات الشمسية.” لا ينصح بالزجاج على السقف والزجاج الجانبي لجدل الشمس الشمسي السلبي.
تشرح وزارة الطاقة الأمريكية عيوب الزجاج المكسو بالزجاج: فالزجاج والبلاستيك لا يتمتعان بالقوة الهيكلية. عند تركيبها عموديا ، يتحمل الزجاج (أو البلاستيك) وزنها لأن مساحة صغيرة فقط (الحافة العليا للزجاج) تكون عرضة للجاذبية. ومع إزاحة الزجاج عن المحور الرأسي ، فإن المنطقة المتزايدة (الآن المقطع العرضي المنحدر) للزجاج يجب أن تتحمل قوة الجاذبية. الزجاج هو أيضا هش. لا ينثني كثيرًا قبل الانهيار. لمواجهة هذا ، يجب عليك عادة زيادة سماكة الزجاج أو زيادة عدد الدعائم الهيكلية لتثبيت الزجاج. كل من زيادة التكلفة الإجمالية ، وهذا الأخير سوف يقلل من كمية كسب الشمس في المجال الشمسي.
مشكلة أخرى شائعة مع التزجيج المنحدر هي زيادة تعرضه للطقس. من الصعب الحفاظ على ختم جيد على الزجاج ذو الزاوية في ضوء الشمس الشديد. قد يسبب الحائل والأمطار المتجمدة والثلوج والرياح عطلًا ماديًا. بالنسبة لسلامة الركاب ، تحتاج الوكالات التنظيمية عادة إلى زجاج مائل مصنوع من زجاج الأمان ، أو الرقائق ، أو توليفة منها ، مما يقلل من إمكانية كسب الطاقة الشمسية. تم تحطيم معظم الزجاج ذو الزوايا الموجودة على مساحة الشمس في فندق Crowne Plaza Hotel Orlando Airport sunspace في عاصفة هوائية واحدة. يزيد الزجاج ذو الزاوية من تكلفة البناء ، ويمكن أن يزيد من أقساط التأمين. والزجاج العمودي أقل عرضة للأضرار الجوية من الزجاج ذي الزاوية.
من الصعب التحكم في اكتساب الحرارة الشمسية في الفضاء الشمسي مع التزجيج المنحدر خلال فصل الصيف وحتى في منتصف يوم شتاء معتدل ومشمس. المناور هي النقيض لبناء الطاقة صفر السلبي للطاقة الشمسية في المناخات مع متطلبات تكييف الهواء.
زاوية الإشعاع الحادث
تتأثر أيضًا كمية الكسب الشمسي التي تنتقل عبر الزجاج بزاوية الإشعاع الشمسي الذي يحدث. وينتقل ضوء الشمس الذي يصيب لوحًا زجاجيًا واحدًا ضمن 45 درجة عموديًا في الغالب (أقل من 10٪ ينعكس) ، في حين ينعكس ضوء الشمس عند 70 درجة من عمودي أكثر من 20٪ من الضوء ، وأكثر من 70 درجة تعكس هذه النسبة ارتفاعًا حادًا .
يمكن تصميم كل هذه العوامل بشكل أكثر دقة باستخدام مقياس ضوئي فوتوغرافي وواحد من الهيليودون أو مقعد ضوئي ، والذي يمكن أن يقيس نسبة الانعكاسية إلى الانتقال ، بناءً على زاوية الورود.
بدلا من ذلك ، يمكن لبرمجيات الكمبيوتر الشمسي السلبية تحديد تأثير مسار الشمس ، وأيام درجة التبريد والتدفئة على أداء الطاقة.
تظليل قابلة للتشغيل وعزل الأجهزة
يمكن للتصميم الذي يحتوي على الكثير من الزجاج المواجه للاستواء أن يؤدي إلى تسخين مفرط في الشتاء أو الربيع أو الخريف ، ومساحات معيشة مشرقة بشكل غير مريح في أوقات معينة من السنة ، ونقل حراري مفرط في ليالي الشتاء وأيام الصيف.
على الرغم من أن الشمس على نفس الارتفاع 6 أسابيع قبل وبعد الانقلاب ، تختلف متطلبات التدفئة والتبريد قبل وبعد الانقلاب بشكل كبير. يتسبب التخزين الحراري على سطح الأرض في “تأخر حراري”. يؤثر الغطاء السحابي المتغير على إمكانية كسب الطاقة الشمسية. وهذا يعني أن تراكبات النافذة الثابتة الخاصة بخطوط العرض ، رغم أهميتها ، لا تمثل حلًا شاملاً لمراقبة المكاسب الشمسية الموسمية.
يمكن أن تعوض آليات التحكم (مثل الستائر الداخلية المعزولة أو اليدوية ، أو الستائر ، أو شاشات الظل الخارجية المتدلية ، أو المظلات القابلة للسحب) عن الاختلافات الناجمة عن التأخر الحراري أو الغطاء السحابي ، وتساعد في التحكم في تغيرات متطلبات الكسب الشمسي اليومي / ساعة.
يمكن لنظم التشغيل الآلي للمنزل التي تقوم بمراقبة درجة الحرارة ، وضوء الشمس ، والوقت من اليوم ، وشغل الغرف التحكم بدقة في أجهزة تظليل النوافذ وعزلها.
الألوان الخارجية التي تعكس – تمتص
المواد والألوان التي يمكن اختيارها لعكس أو امتصاص الطاقة الحرارية الشمسية. استخدام المعلومات على لون للإشعاع الكهرومغناطيسي لتحديد خصائصه الإشعاعية الحرارية من الانعكاس أو الامتصاص يمكن أن يساعد الخيارات.