Bei der passiven solaren Gebäudeplanung werden Fenster, Wände und Böden so hergestellt, dass sie Sonnenenergie in Form von Wärme im Winter sammeln, speichern, reflektieren und verteilen und im Sommer Sonnenwärme ablehnen. Dies wird passives Solardesign genannt, da im Gegensatz zu aktiven Solarheizsystemen keine mechanischen und elektrischen Geräte verwendet werden.
Der Schlüssel zum Entwurf eines Passivsolargebäudes besteht darin, das lokale Klima am besten zu nutzen und eine genaue Standortanalyse durchzuführen. Zu berücksichtigende Elemente sind die Platzierung und Größe der Fenster, der Verglasungstyp, die Wärmedämmung, die thermische Masse und die Verschattung. Passive Solartechniken können am einfachsten bei Neubauten angewendet werden, bestehende Gebäude können jedoch angepasst oder „nachgerüstet“ werden.
Passiver Energiegewinn
Assive Solartechnologien verwenden Sonnenlicht ohne aktive mechanische Systeme (im Gegensatz zu aktiven Solaranlagen). Solche Technologien wandeln Sonnenlicht in nutzbare Wärme um (in Wasser, Luft und thermischer Masse), verursachen Luftbewegung zum Lüften oder zukünftige Nutzung, bei geringer Nutzung anderer Energiequellen. Ein typisches Beispiel ist ein Solarium auf der Äquatorseite eines Gebäudes. Passive Kühlung ist die Verwendung der gleichen Designprinzipien, um den Sommerkühlbedarf zu reduzieren.
Einige passive Systeme verwenden eine kleine Menge an konventioneller Energie, um Klappen, Rollläden, Nachtdämmung und andere Vorrichtungen zu steuern, die die Sammlung, Speicherung und Verwendung von Solarenergie verbessern und unerwünschte Wärmeübertragung reduzieren.
Passive Solartechnologien umfassen den direkten und indirekten Solargewinn für die Raumheizung, solare Wasserheizsysteme auf der Basis des Thermosiphons, die Verwendung thermischer Massen- und Phasenwechselmaterialien zur Verlangsamung der Lufttemperaturschwankungen, Solarkocher, den Solarkamin zur Verbesserung der natürlichen Belüftung und Schutz der Erde.
Im weiteren Sinne umfassen passive Solartechnologien den Sonnenofen, aber dies erfordert typischerweise eine gewisse externe Energie zum Ausrichten ihrer konzentrierenden Spiegel oder Empfänger und hat sich in der Vergangenheit nicht als praktisch oder kosteneffektiv für eine weit verbreitete Verwendung erwiesen. Niedrigerer Energiebedarf wie Raum- und Wassererwärmung haben sich im Laufe der Zeit als bessere Anwendungen für die passive Nutzung von Solarenergie erwiesen.
Als eine Wissenschaft
Die wissenschaftliche Grundlage für passives solares Bauen wurde aus einer Kombination von Klimatologie, Thermodynamik (insbesondere Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und elektromagnetische Strahlung), Strömungsmechanik / natürliche Konvektion (passive Bewegung von Luft und Wasser ohne Nutzung) entwickelt Elektrizität, Ventilatoren oder Pumpen) und menschlicher thermischer Komfort auf der Grundlage von Hitzeindex, Psychrometrie und Enthalpiekontrolle für Gebäude, die von Menschen oder Tieren bewohnt werden, Wintergärten, Solarien und Gewächshäuser für die Aufzucht von Pflanzen.
Besondere Aufmerksamkeit ist unterteilt in: Standort, Standort und Sonnenausrichtung des Gebäudes, lokaler Sonnenweg, vorherrschender Sonnenstand (Breite / Sonnenschein / Wolken / Niederschlag), Design und Bauqualität / Materialien, Platzierung / Größe / Art der Fenster und Wände und Einbau von solarenergiespeichernder thermischer Masse mit Wärmekapazität.
Während diese Überlegungen auf jedes Gebäude gerichtet sein können, erfordert das Erzielen einer optimalen optimierten Kosten- / Leistungslösung ein sorgfältiges, ganzheitliches Systemintegrations-Engineering dieser wissenschaftlichen Prinzipien. Moderne Verfeinerungen durch Computermodellierung (wie die umfassende Energiesimulationssoftware des US-Energieministeriums „Energy Plus“) und die Anwendung jahrzehntelanger Erfahrungen (seit der Energiekrise der 1970er Jahre) können ohne Energie zu erheblichen Energieeinsparungen und zur Verringerung von Umweltschäden führen Funktionalität oder Ästhetik opfern. Tatsächlich können Passiv-Solar-Designmerkmale wie ein Gewächshaus / Wintergarten / Solarium die Wohnfähigkeit, das Tageslicht, die Aussicht und den Wert eines Hauses bei niedrigen Kosten pro Raumeinheit erheblich verbessern.
Seit den Energiekrisen der 70er Jahre wurde viel über Passivhausbau gelernt. Viele unwissenschaftliche, intuitionsbasierte teure Konstruktionsexperimente haben versucht und versagt, Null-Energie zu erreichen – die totale Eliminierung von Heiz- und Kühlenergierechnungen.
Passive solare Gebäudekonstruktionen mögen nicht schwierig oder teuer sein (die Verwendung bereits vorhandener Materialien und Technologien), aber das wissenschaftliche passive solare Gebäudedesign ist ein nicht-trivialer technischer Aufwand, der ein gründliches Studium bisheriger kontraintuitiver Lektionen erfordert, und Zeit, die Eingabe und Ausgabe der Simulation einzugeben, zu bewerten und iterativ zu verfeinern.
Eine der nützlichsten Nachbearbeitungswerkzeuge war die Verwendung von Thermographie unter Verwendung digitaler Wärmebildkameras für ein formales quantitatives wissenschaftliches Energieaudit. Wärmebilder können verwendet werden, um Bereiche mit schlechter thermischer Leistung zu dokumentieren, z. B. die negative thermische Auswirkung von Dachneigungsverglasungen oder ein Oberlicht in einer kalten Winternacht oder einem heißen Sommertag.
Die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die in den letzten drei Jahrzehnten gesammelt wurden, wurden in hochentwickelten Computersimulatoren für Gebäudesimulationen (wie US DOE Energy Plus) erfasst.
Wissenschaftliches passives Solargebäudedesign mit quantitativem Kostenvorteil Produktoptimierung ist für einen Anfänger nicht einfach. Das Ausmaß an Komplexität hat zu einer fortwährenden schlechten Architektur und vielen intuitionsbasierten, unwissenschaftlichen Konstruktionsexperimenten geführt, die ihre Designer enttäuschen und einen erheblichen Teil ihres Baubudgets für unangemessene Ideen verschwenden.
Die wirtschaftliche Motivation für wissenschaftliches Design und Engineering ist signifikant. Wenn es ab 1980 (ausgehend von den Erfahrungen aus den 1970er Jahren) umfassend auf Neubauten angewendet worden wäre, könnte Amerika heute über 250.000.000 $ pro Jahr für teure Energie und damit verbundene Umweltverschmutzung einsparen.
Seit 1979 ist das passive solare Gebäudedesign ein entscheidendes Element für das Erzielen von null Energie durch Bildungsinstitutionsexperimente und Regierungen auf der ganzen Welt, einschließlich des US-Energieministeriums und der Energieforschungswissenschaftler, die sie seit Jahrzehnten unterstützen. Der kosteneffektive Proof of Concept wurde vor Jahrzehnten eingeführt, aber die kulturelle Assimilierung in Architektur, Baugewerbe und Entscheidungsfindung von Bauherren war sehr langsam und schwierig zu ändern.
Die neuen Begriffe „Architectural Science“ und „Architectural Technology“ werden in einige Architekturschulen aufgenommen, mit dem Ziel, die oben genannten wissenschaftlichen und energietechnischen Prinzipien zu vermitteln.
Der Solarweg im Passiv-Design
Die Fähigkeit, diese Ziele gleichzeitig zu erreichen, hängt im Wesentlichen von den jahreszeitlich bedingten Schwankungen des Sonnenstandes im Laufe des Tages ab.
Dies geschieht als Folge der Neigung der Rotationsachse der Erde in Bezug auf ihre Umlaufbahn. Der Sonnenweg ist für jeden gegebenen Breitengrad einzigartig.
In nördlichen Hemisphären nicht-tropischen Breiten weiter als 23,5 Grad vom Äquator:
Die Sonne wird ihren höchsten Punkt in Richtung Süden (in Richtung Äquator) erreichen
Wenn sich die Wintersonnenwende nähert, bewegt sich der Winkel, in dem die Sonne auf und ab geht, immer weiter nach Süden und die Tagesstunden werden kürzer
Das Gegenteil wird im Sommer festgestellt, wo die Sonne aufgehen und weiter nach Norden gehen wird und die Tageslichtstunden länger werden
Das Gegenteil wird in der südlichen Hemisphäre beobachtet, aber die Sonne steigt nach Osten und setzt sich nach Westen ab, egal in welcher Hemisphäre Sie sich befinden.
In äquatorialen Regionen mit weniger als 23,5 Grad schwingt die Sonnenposition am Sonnenmittag im Laufe des Jahres von Norden nach Süden und wieder zurück.
In Regionen, die näher als 23,5 Grad vom Nord- oder Südpol sind, wird die Sonne im Sommer einen vollständigen Kreis am Himmel ziehen, ohne sich zu setzen, während sie sechs Monate später, im Winter, nie über dem Horizont erscheinen wird.
Der Unterschied von 47 Grad in der Höhe der Sonne am Sonnenmittag zwischen Winter und Sommer bildet die Grundlage für passives Solardesign. Diese Informationen werden kombiniert mit lokalen Klimadaten (Grad Tag) Heiz- und Kühlbedarf, um zu bestimmen, zu welcher Jahreszeit der Solargewinn für den Wärmekomfort vorteilhaft ist und wann er mit Schattierung blockiert werden sollte. Durch die strategische Platzierung von Elementen wie Verglasungs- und Sonnenschutzvorrichtungen kann der prozentuale Anteil der Sonneneinstrahlung, der in ein Gebäude gelangt, das ganze Jahr über kontrolliert werden.
Ein passives Problem der Sonne Sonnenbahn Design ist, dass, obwohl die Sonne ist in der gleichen relativen Position sechs Wochen vor und sechs Wochen nach der Sonnenwende, wegen der „thermischen Verzögerung“ von der thermischen Masse der Erde, die Temperatur und Solargewinn Anforderungen sind vor und nach der Sommer- oder Wintersonnenwende ganz anders. Bewegliche Fensterläden, Jalousien, Rollos oder Fenstersteppdecken können die täglichen Solar- und Dämmungserfordernisse für die tägliche Nutzung und für die tägliche Nutzung abdecken.
Eine sorgfältige Anordnung der Räume vervollständigt das passive Solardesign. Eine gemeinsame Empfehlung für Wohnhäuser besteht darin, Wohnbereiche mit Sonnen- und Schlafplätzen auf der gegenüberliegenden Seite zu platzieren. Ein Heliodon ist ein traditionelles bewegliches Lichtgerät, das von Architekten und Designern verwendet wird, um Sonnenstrahlen zu modellieren. In modernen Zeiten kann 3D-Computergrafik diese Daten visuell simulieren und Performance-Vorhersagen berechnen.
Passive solare Wärmeübertragungsprinzipien
Persönlicher thermischer Komfort ist eine Funktion persönlicher Gesundheitsfaktoren (medizinisch, psychologisch, soziologisch und situativ), der Umgebungstemperatur, der mittleren Strahlungstemperatur, der Luftbewegung (Windchill, Turbulenz) und der relativen Feuchtigkeit (die die menschliche Verdunstungskühlung beeinflusst). Wärmeübertragung in Gebäuden erfolgt durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung durch Dach, Wände, Boden und Fenster.
Konvektive Wärmeübertragung
Konvektive Wärmeübertragung kann vorteilhaft oder schädlich sein. Unkontrollierte Luftinfiltration durch schlechte Witterung / Wetterschutz / Dammschutz kann im Winter zu bis zu 40% Wärmeverlust beitragen; Die strategische Platzierung von Fenstern oder Lüftungsöffnungen kann jedoch die Konvektion, die Querlüftung und die Sommerkühlung verbessern, wenn die Außenluft eine angenehme Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit aufweist. Gefilterte Energierückgewinnungssysteme können nützlich sein, um unerwünschte Feuchtigkeit, Staub, Pollen und Mikroorganismen in ungefilterter Ventilationsluft zu eliminieren.
Natürliche Konvektion, die aufsteigende warme Luft und fallende kühle Luft verursacht, kann zu einer ungleichmäßigen Schichtung von Wärme führen. Dies kann unbequeme Temperaturschwankungen im oberen und unteren klimatisierten Raum verursachen, als eine Methode zur Entlüftung heißer Luft dienen oder in Form einer natürlichen Konvektionsluftströmungsschleife für passive solare Wärmeverteilung und Temperaturausgleich gestaltet sein. Natürliche menschliche Kühlung durch Transpiration und Verdunstung kann durch natürliche oder erzwungene Konvektionsluftbewegung durch Ventilatoren erleichtert werden, aber Deckenventilatoren können die geschichteten isolierenden Luftschichten an der Oberseite eines Raumes stören und die Wärmeübertragung von einem heißen Dachboden oder durch nahe gelegene Fenster beschleunigen . Darüber hinaus hemmt eine hohe relative Luftfeuchtigkeit die Verdunstungskühlung durch Menschen.
Strahlungswärmeübertragung
Die Hauptquelle der Wärmeübertragung ist Strahlungsenergie, und die primäre Quelle ist die Sonne. Sonnenstrahlung tritt vorwiegend durch Dach und Fenster (aber auch durch Wände) auf. Wärmestrahlung bewegt sich von einer wärmeren zu einer kühleren Oberfläche. Dächer erhalten den größten Teil der Sonnenstrahlung, die an ein Haus geliefert wird. Ein kühles Dach oder Gründach zusätzlich zu einer Strahlungsbarriere kann dazu beitragen, dass Ihr Dachboden nicht heißer wird als die Sommerlufttemperatur im Sommer (siehe Albedo, Absorptionsvermögen, Emissionsvermögen und Reflexionsvermögen).
Fenster sind eine fertige und vorhersehbare Stelle für Wärmestrahlung. Energie aus Strahlung kann sich tagsüber in ein Fenster und nachts in dasselbe Fenster bewegen. Strahlung verwendet Photonen, um elektromagnetische Wellen durch ein Vakuum oder durchscheinendes Medium zu übertragen. Der solare Wärmegewinn kann sogar an kalten, klaren Tagen signifikant sein. Die solare Wärmegewinnung durch Fenster kann durch Isolierverglasung, Verschattung und Ausrichtung reduziert werden. Fenster sind im Vergleich zu Dach und Wänden besonders schwierig zu isolieren. Konvektive Wärmeübertragung durch und um Fensterabdeckungen verschlechtert auch seine Isolationseigenschaften. Beim Beschatten von Fenstern ist eine externe Beschattung wirksamer, um die Wärmezunahme zu reduzieren als bei inneren Fensterabdeckungen.
Westliche und östliche Sonne kann Wärme und Beleuchtung liefern, ist aber im Sommer anfällig für Überhitzung, wenn sie nicht beschattet wird. Im Gegensatz dazu gibt die niedrige Mittagssonne im Winter leicht Licht und Wärme, kann aber im Sommer mit geeigneten Längenüberhängen oder abgewinkelten Lamellen beschattet werden und im Sommer mit Laubbäumen, die ihre Blätter im Herbst abwerfen. Die Menge an empfangener Strahlungswärme hängt von der geografischen Breite, der Höhe, der Bewölkung und dem saisonalen / stündlichen Einfallswinkel ab (siehe Sonnenverlauf und Lambertsches Kosinusgesetz).
Ein weiteres Prinzip des passiven Solar-Designs ist, dass Wärmeenergie in bestimmten Baumaterialien gespeichert und wieder abgegeben werden kann, wenn die Wärmezunahme die täglichen (Tag / Nacht) Temperaturschwankungen stabilisiert. Die komplexe Wechselwirkung thermodynamischer Prinzipien kann für Erstentwickler nicht nachvollziehbar sein. Präzise Computermodellierung kann teure Konstruktionsexperimente vermeiden helfen.
Standortspezifische Überlegungen beim Design
Breitengrad, Sonnenweg und Sonneneinstrahlung (Sonnenschein)
Saisonale Schwankungen des Sonnengewinns, z. B. Kühl- oder Heizgradtage, Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit
Tagesschwankungen in der Temperatur
Mikroklima-Details in Bezug auf Brisen, Feuchtigkeit, Vegetation und Landkontur
Hindernisse / Überschatten – zu Solargewinn oder lokalen Seitenwinden
Design-Elemente für Wohngebäude in gemäßigten Klimazonen
Platzierung von Raumtypen, Innentüren und -wänden sowie Ausstattung im Haus.
Ausrichtung des Gebäudes auf den Äquator (oder einige Grad nach Osten, um die Morgensonne einzufangen)
Erweiterung der Gebäudedimension entlang der Ost / West-Achse
Ausreichend dimensionierende Fenster, um im Winter der Mittagssonne zu begegnen und im Sommer beschattet zu werden.
Minimierung von Fenstern auf anderen Seiten, insbesondere westlichen Fenstern
Aufstellen von richtig dimensionierten, breitenspezifischen Dachüberhängen oder Verschattungselementen (Sträucher, Bäume, Spaliere, Zäune, Fensterläden, etc.)
Verwenden Sie die geeignete Menge und Art der Isolierung einschließlich Strahlungsbarrieren und Bulk-Isolierung, um saisonale übermäßige Wärmezunahme oder -verlust zu minimieren
Verwenden der thermischen Masse, um überschüssige Sonnenenergie während des Wintertages zu speichern (die dann während der Nacht wieder abgestrahlt wird)
Die genaue Menge des äquatorzugewandten Glases und der thermischen Masse sollte auf der sorgfältigen Berücksichtigung von Breitengrad, Höhe, klimatischen Bedingungen und Anforderungen an den Heiz- / Kühlgrad-Tag basieren.
Faktoren, die die Wärmeleistung beeinträchtigen können:
Abweichung von idealer Ausrichtung und Nord / Süd / Ost / West-Seitenverhältnis
Übermäßige Glasfläche („Überverglasung“), die zu Überhitzung führt (Blendung und Ausbleichen der Polstermöbel) und Wärmeverlust bei fallender Temperatur der Umgebungsluft
Installation von Verglasungen, bei denen der Solargewinn während des Tages und die Wärmeverluste während der Nacht nicht leicht kontrolliert werden können, z. B. nach Westen gerichtete, abgewinkelte Verglasungen, Oberlichter
Wärmeverluste durch nicht isolierte oder ungeschützte Verglasungen
Mangel an adäquater Beschattung während saisonaler Perioden mit hohem Solargewinn (besonders an der Westwand)
Falsche Anwendung der thermischen Masse, um die täglichen Temperaturschwankungen zu modulieren
Offene Treppen führen zu ungleicher Verteilung der warmen Luft zwischen den oberen und unteren Etagen, wenn warme Luft aufsteigt
Hohe Gebäudefläche zum Volumen – zu viele Ecken
Unzureichende Bewitterung führt zu hoher Luftinfiltration
Fehlende oder falsch installierte Strahlungsbarrieren während der heißen Jahreszeit. (Siehe auch kühles Dach und grünes Dach)
Dämmstoffe, die nicht auf die Hauptart der Wärmeübertragung abgestimmt sind (z. B. unerwünschte konvektive / leitfähige / Strahlungswärmeübertragung)
Effizienz und Wirtschaftlichkeit der passiven Solarheizung
Technisch gesehen ist PSH sehr effizient. Direktverstärkungssysteme können 65-70% der Energie der Sonnenstrahlung, die auf die Öffnung oder den Kollektor trifft, verwenden (dh in „nützliche“ Wärme umwandeln).
Der passive Solaranteil (PSF) ist der prozentuale Anteil der erforderlichen Wärmelast, der durch PSH erreicht wird, und stellt somit eine potentielle Verringerung der Heizkosten dar. RETScreen International hat eine PSF von 20-50% gemeldet. Im Bereich der Nachhaltigkeit wird Energieeinsparung in der Größenordnung von 15% als wesentlich angesehen.
Andere Quellen melden die folgenden PSFs:
5-25% für bescheidene Systeme
40% für „hochoptimierte“ Systeme
Bis zu 75% für „sehr intensive“ Systeme
In günstigen Klimazonen wie im Südwesten der USA können hochoptimierte Systeme 75% PSF überschreiten.
Landschaftsbau und Gärten
Energieeffiziente Landschaftsbaumaterialien für die sorgfältige Auswahl passiver Solarenergie umfassen Hardscape-Baumaterialien und „Softscape“ -Pflanzen. Die Verwendung von Prinzipien der Landschaftsgestaltung für die Auswahl von Bäumen, Hecken und Spalier-Pergola-Merkmalen mit Reben; Alle können verwendet werden, um Sommerschattierungen zu erzeugen. Für den Winter Solargewinn ist es wünschenswert, Laubpflanzen zu verwenden, die ihre Blätter im Herbst fallen lassen, gibt das ganze Jahr über passive solare Vorteile. Nicht laubwechselnde immergrüne Sträucher und Bäume können Windschutze sein, in verschiedenen Höhen und Abständen, um Schutz und Schutz vor Winterwindkälte zu schaffen. Xeriscaping mit „reiferen Größe“ einheimischen Arten von und trockenheitstolerante Pflanzen, Tropfbewässerung, Mulchen und Bio-Gartenbaupraktiken reduzieren oder beseitigen die Notwendigkeit für energie- und wasserintensive Bewässerung, gasbetriebene Gartengeräte und reduziert den Deponieabfall Fußabdruck. Solarbetriebene Landschaftsbeleuchtung und Springbrunnenpumpen sowie überdachte Schwimmbecken und Tauchbecken mit solaren Wasserheizungen können die Auswirkungen solcher Annehmlichkeiten reduzieren.
Nachhaltige Gartenarbeit
Nachhaltige Landschaftsgestaltung
Nachhaltige Landschaftsarchitektur
Andere passive solare Prinzipien
Passive Solarbeleuchtung
Passive solare Beleuchtungstechniken verbessern die Nutzung der natürlichen Beleuchtung für Innenräume und reduzieren so die Abhängigkeit von künstlichen Beleuchtungssystemen.
Dies kann durch sorgfältige Gebäudeplanung, Orientierung und Platzierung von Fensterabschnitten zum Sammeln von Licht erreicht werden. Andere kreative Lösungen beinhalten die Verwendung von reflektierenden Oberflächen, um Tageslicht in das Innere eines Gebäudes einzulassen. Fensterabschnitte sollten ausreichend dimensioniert sein, und um eine Überbelichtung zu vermeiden, können sie mit einem Brise Soleil, Markisen, gut platzierten Bäumen, Glasbeschichtungen und anderen passiven und aktiven Vorrichtungen abgeschirmt werden.
Ein anderes wichtiges Problem für viele Fenstersysteme ist, dass sie möglicherweise anfällige Stellen mit übermäßigem Wärmegewinn oder Wärmeverlust sein können. Während hoch angebrachte Lichtgadenfenster und traditionelle Oberlichter Tageslicht in schlecht ausgerichtete Gebäudeabschnitte einbringen können, ist eine unerwünschte Wärmeübertragung schwer zu kontrollieren. Somit wird Energie, die durch die Reduzierung von künstlichem Licht eingespart wird, oft durch die Energie, die zum Betreiben von HVAC-Systemen zum Aufrechterhalten des thermischen Komforts erforderlich ist, mehr als ausgeglichen.
Verschiedene Verfahren können eingesetzt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Fensterabdeckungen, Isolierverglasungen und neuartige Materialien wie halbtransparente Aerogeldämmungen, in Wände oder Dach eingebettete optische Fasern oder hybride Solarbeleuchtung im Oak Ridge National Laboratory.
Reflektierende Elemente von aktiven und passiven Tageslichtkollektoren wie Lichtböden, hellere Wand- und Bodenfarben, verspiegelte Wandflächen, Innenwände mit oberen Glasscheiben und klare oder transluzente Glas-Schwingtüren und Glasschiebetüren nehmen das eingefangene Licht auf und reflektieren passiv es drinnen weiter. Das Licht kann von passiven Fenstern oder Oberlichtern und Sonnenlichtröhren oder von aktiven Tageslichtquellen stammen. In der traditionellen japanischen Architektur sind die Shōji-Schiebepaneeltüren mit durchsichtigen Washi-Bildschirmen ein originärer Präzedenzfall. Der internationale Stil, die moderne Architektur des Modernismus und die Mid Century waren frühere Innovatoren dieser passiven Durchdringung und Reflexion in industriellen, kommerziellen und privaten Anwendungen.
Passive Solarwasserheizung
Es gibt viele Möglichkeiten, Solarthermie zu nutzen, um Wasser für den häuslichen Gebrauch zu erwärmen. Unterschiedliche aktive und passive solare Heißwassertechnologien haben unterschiedliche standortspezifische wirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analysen.
Grundlegende passive solare Warmwasserbereitung beinhaltet keine Pumpen oder irgendetwas Elektrisches. Es ist sehr kosteneffektiv in Klimazonen, die keine langwierigen untergefrorenen oder sehr bewölkten Wetterbedingungen haben. Andere aktive Technologien zur solaren Wasserheizung usw. können für einige Standorte geeigneter sein.
Es ist möglich, aktives solares Warmwasser zu haben, das auch „netzunabhängig“ sein kann und als nachhaltig gilt. Dies geschieht durch den Einsatz einer Photovoltaikzelle, die die Energie der Sonne nutzt, um die Pumpen anzutreiben.
Klima und Komfort
Jedes Gebäude ist so gebaut, dass es uns vor der Außenwelt schützt und schützt und ein Innenklima schafft. Wenn die äußeren Bedingungen den Komfort des Innenraums beeinträchtigen, werden Heiz- oder Kühlsysteme verwendet.
Zu den effektivsten Maßnahmen gehört die Einsparung von Energie durch den Einsatz von Wärmedämmung. Energie zu sparen bedeutet jedoch, uns von außen zu isolieren. Das passive Design versucht, das Gebäude so nach außen zu öffnen, dass eine natürliche Konditionierung erreicht werden kann.
Das Klima, in dem sich das Gebäude befindet, ist also durch die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Geschwindigkeit und Richtung der Winde und das Sonnenlicht des Geländes bestimmt. Dann können die klimatischen Bedingungen einen Nachteil oder einen Vorteil für eine ausreichende Energieeffizienz des Hauses darstellen. Dann werden einfache Konzepte des täglichen Lebens angewendet, wie zum Beispiel:
Wenn es zu kalt ist, um sich wohl zu fühlen, dann wickeln wir uns = Wärmedämmung
Wenn es ein windiger Tag ist und uns kalt ist, suchen wir nach einem Objekt, um uns zu schützen und zum Komfort = Windschutz zurückzukehren
Wenn es zu heiß ist und wir in der Sonne sind, suchen wir den Schatten = Sonnenschutz
Wenn es heiß ist, auch im Schatten, suchen wir nach der Brise, um uns zu kühlen = Belüftung
Wenn es heiß ist und die Luft sehr trocken ist, suchen Sie nach etwas Schatten und kühlem Keller = thermische Masse
Berghaus
Für ein Berghaus, das an einem Ort liegt, an dem es sehr kalt und windig ist, möchten wir, dass die Lage an einem sonnigen, windgeschützten Hang liegt, Wärmedämmung an Decken, Wänden und Fenstern eingeht; Lokalisieren Sie die Fenster vorzugsweise zur Mittagssonne hin; Bauen Sie so, dass dort die geringste Anzahl von Schlitzen vorhanden ist, an denen kalte Luft eindringt und die darin enthaltene Wärme ableitet.
Haus der Wüste
Ein Haus in der Wüste sollte vor Sonneneinstrahlung geschützt werden. Da andererseits die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht aufgrund des Mangels an Feuchtigkeit in der Luft hoch sind, ist es ratsam, die thermische Masse zu nutzen, indem dicke Wände mit lokalen Materialien gebaut werden. Es ist notwendig, die niedrige Nachttemperatur zu nutzen, um die Masse des Gebäudes durch strategisch angeordnete Öffnungen zu kühlen, die eine Belüftung ermöglichen.
Die Grundlage jedes umweltbewussten Designs, das effektiv sein soll, ist eine angemessene Antwort auf die Unannehmlichkeiten und Vorteile des Klimas des Ortes. Wenn dies nicht berücksichtigt wird, müssen wir zu mechanischen Systemen der thermischen Konditionierung gehen, mit dem Energieverbrauch und den daraus resultierenden Treibhausgasemissionen.
Vergleich zum Passivhaus-Standard in Europa
Die Dynamik des Passivhaus-Instituts in Deutschland nimmt in Europa zu. Anstatt sich ausschließlich auf traditionelle passive Solartechniken zu verlassen, versucht dieser Ansatz, alle passiven Wärmequellen zu nutzen, den Energieverbrauch zu minimieren und betont die Notwendigkeit einer hohen Dämmleistung, die durch sorgfältige Detailarbeit verstärkt wird, um Wärmebrücken zu überwinden Kaltluft-Infiltration. Die meisten Gebäude, die nach dem Passivhaus-Standard gebaut wurden, enthalten auch eine aktive Wärmerückgewinnungs-Lüftungseinheit mit oder ohne einer kleinen (typischerweise 1 kW) eingebauten Heizkomponente.
Das Energiedesign von Passivhausgebäuden wird mithilfe eines Kalkulationstabellen-basierten Modellierungstools entwickelt, das als Passivhausplanungspaket (PHPP) bezeichnet wird und regelmäßig aktualisiert wird. Die aktuelle Version ist PHPP2007, wobei 2007 das Erscheinungsjahr ist. Ein Gebäude kann als „Passivhaus“ zertifiziert werden, wenn nachgewiesen werden kann, dass es bestimmte Kriterien erfüllt. Der wichtigste ist, dass der jährliche spezifische Wärmebedarf des Hauses 15 kWh / m2a nicht übersteigen sollte.
Passive Solarsysteme
Die passiven Solarsysteme werden hauptsächlich zur Erfassung und Speicherung der Wärme aus der Sonnenenergie eingesetzt. Sie werden als passiv bezeichnet, da andere elektromechanische Vorrichtungen nicht zum Rückführen der Wärme verwendet werden. Dies geschieht aufgrund grundlegender physikalischer Prinzipien wie Wärmeleitung, Strahlung und Wärmekonvektion.
Direkter Gewinn: Es ist das einfachste System und beinhaltet die Erfassung der Sonnenenergie durch verglaste Flächen, die für jede Ausrichtung und abhängig von den Wärmebedürfnissen des Gebäudes oder der zu beheizenden Räume bemessen sind.
Nicht belüftete Wand der Ansammlung: alias trombe Wand, die eine Wand ist, die mit Stein, Ziegeln, Beton oder sogar Wasser errichtet wird, gemaltes Schwarzes oder sehr dunkle Farbe auf der Außenseite. Um die Aufnahme zu verbessern, wird eine Eigenschaft des Glases verwendet, die einen Treibhauseffekt erzeugen soll, durch den sichtbares Licht eintritt und wenn die Wand berührt wird, erwärmt es Infrarotstrahlung, die nicht in das Glas eindringen kann. Aus diesem Grund steigt die Temperatur der dunklen Oberfläche und der Luftkammer zwischen der Wand und dem Glas.
Belüftete Akkumulationswand: ähnlich wie die vorhergehende, aber mit Öffnungen im oberen und unteren Teil, um den Wärmeaustausch zwischen der Wand und der Atmosphäre durch Konvektion zu erleichtern.
Angebautes Gewächshaus: In diesem Fall enthält die Mauer am Mittag eine verglaste Fläche, die bewohnbar sein kann, was die Wärmeaufnahme während des Tages verbessert und die Wärmeverluste nach außen reduziert.
Dach der Wärmestauung: In bestimmten Breitengraden ist es möglich, die Dachfläche zu nutzen, um die Sonnenenergie aufzunehmen und zu speichern. Auch als Solarteiche bekannt, benötigen sie komplexe mobile Geräte, um zu verhindern, dass nachts Wärme entweicht.
Sonnenkollektion und Wärmeakkumulation: Es ist ein komplexeres System und ermöglicht es, den direkten Gewinn von Fenstern mit Sonnenkollektoren von Luft oder heißem Wasser zu kombinieren, um es unter dem Boden zu sammeln. Dann wird auf ähnliche Weise wie bei der belüfteten Speicherwand Wärme in die Innenumgebung gebracht. Richtig dimensioniert lässt sich Wärme für mehr als sieben Tage speichern.
In fast allen Fällen kann es durch Umkehren des Bediensinns als passives Kühlsystem verwendet werden.
Entwurfswerkzeuge
Traditionell wurde ein Heliodon verwendet, um die Höhe und den Azimut der Sonne zu simulieren, die zu jeder Zeit eines Jahres auf ein Modellgebäude schien. In modernen Zeiten können Computerprogramme dieses Phänomen modellieren und lokale Klimadaten (einschließlich Standorteinflüsse wie Überschatten und physische Hindernisse) integrieren, um das solare Gewinnpotenzial für ein bestimmtes Gebäudedesign im Laufe eines Jahres vorherzusagen. GPS-basierte Smartphone-Anwendungen können dies jetzt kostengünstig auf einem Handheld-Gerät tun. Diese Konstruktionswerkzeuge bieten dem passiven Solardesigner die Möglichkeit, lokale Bedingungen, Designelemente und die Ausrichtung vor dem Bau zu bewerten. Die Energieleistungsoptimierung erfordert normalerweise einen iterativ-verfeinerten Entwurfs- und Bewertungsprozess. Es gibt keine universelle passive solare Gebäudekonstruktion, die an allen Standorten gut funktionieren würde.
Ebenen der Anwendung
Viele freistehende Vorstadthäuser können Heizkostenersparnisse erzielen, ohne offensichtliche Änderungen an Aussehen, Komfort oder Benutzerfreundlichkeit vorzunehmen. Dies geschieht durch eine gute Standort- und Fensterpositionierung, kleine Mengen an thermischer Masse, mit einer gut-herkömmlichen Isolierung, Wetterbewitterung und gelegentlich einer zusätzlichen Wärmequelle, wie beispielsweise einem zentralen Heizkörper, der mit einem (Solar-) Wasserheizer verbunden ist. Sonnenstrahlen können tagsüber auf eine Wand fallen und die Temperatur ihrer thermischen Masse erhöhen. Diese wird dann abends Wärme in das Gebäude strahlen. Eine externe Schattierung oder eine Strahlungsbarriere plus Luftspalt kann verwendet werden, um einen unerwünschten Sommer-Solargewinn zu reduzieren.
Eine Erweiterung des „passiv solar“ -Ansatzes zur saisonalen solaren Erfassung und Speicherung von Wärme und Kälte. Diese Konstruktionen versuchen, die Sonnenwärme der warmen Jahreszeit einzufangen und sie zu einem saisonalen Wärmespeicher zu transportieren, der Monate später während der kalten Jahreszeit verwendet wird („annualisierte passive Sonnenenergie“). Eine erhöhte Speicherung wird durch Verwendung großer Mengen thermischer Masse oder Erdungskopplung erreicht. Anekdotische Berichte deuten darauf hin, dass sie wirksam sein können, aber keine formelle Studie wurde durchgeführt, um ihre Überlegenheit zu demonstrieren. Der Ansatz kann auch Kühlung in die warme Jahreszeit verschieben. Beispiele:
Passive jährliche Wärmespeicherung (PAHS) – von John Hait
Annualized Geothermal Solar (AGS) Heizung – von Don Stephen
Erddach
Ein „rein passives“ solar beheiztes Haus würde keine mechanische Ofeneinheit haben, sondern sich auf Energie stützen, die von der Sonne eingefangen wird, nur ergänzt durch „zufällige“ Wärmeenergie, die von Lichtern, Computern und anderen aufgabenspezifischen Geräten (wie z Kochen, Unterhaltung, etc.), Duschen, Menschen und Haustiere. Die Verwendung von natürlichen Konvektionsluftströmen (anstelle von mechanischen Vorrichtungen wie Lüftern) zum Zirkulieren von Luft ist verwandt, wenn auch nicht streng solarthermisch. Passives solares Gebäudedesign verwendet manchmal begrenzte elektrische und mechanische Steuerungen, um Klappen, isolierende Fensterläden, Jalousien, Markisen oder Reflektoren zu betreiben. Einige Systeme verwenden kleine Ventilatoren oder solar beheizte Schornsteine, um den konvektiven Luftstrom zu verbessern. Ein vernünftiger Weg zur Analyse dieser Systeme besteht in der Messung ihrer Leistungszahl. Eine Wärmepumpe könnte 1 J für jede 4 J verbrauchen, die sie liefert, was einen COP von 4 ergibt. Ein System, das nur einen 30 W Lüfter verwendet, um 10 kW Solarwärme durch ein ganzes Haus gleichmäßiger zu verteilen, würde einen COP von 300 haben.
Passives solares Gebäudedesign ist oft ein grundlegendes Element eines kostengünstigen Nullenergiehauses. Obwohl ein ZEB mehrere passive solare Gebäudeentwurfskonzepte verwendet, ist ein ZEB in der Regel nicht rein passiv und verfügt über aktive mechanische Systeme zur Erzeugung erneuerbarer Energien wie: Windkraftanlage, Photovoltaik, Mikrowasserkraft, Geothermie und andere aufkommende alternative Energiequellen.
Passives Solardesign auf Wolkenkratzern
In jüngster Zeit gab es ein Interesse an der Nutzung der großen Flächen an Wolkenkratzern, um ihre Gesamtenergieeffizienz zu verbessern. Da Wolkenkratzer in städtischen Umgebungen immer ubiquitärer werden und dennoch große Mengen an Energie benötigen, besteht die Möglichkeit, große Energieeinsparungen durch passive Solartechniken zu erzielen. Eine Studie, die den vorgeschlagenen 22 Bishopsgate Tower in London analysierte, fand heraus, dass ein 35% iger Nachfragerückgang theoretisch durch indirekte solare Gewinne erreicht werden kann, indem das Gebäude gedreht wird, um eine optimale Belüftung und Tageslichtdurchdringung zu erreichen um die Temperaturschwankungen innerhalb des Gebäudes zu verringern und ein doppelt- oder dreifach verglastes Fensterglas mit niedrigem Emissionsgrad für direkten Solargewinn zu verwenden. Indirekte Solarverstärkungstechniken beinhalteten die Moderation des Wandwärmestroms durch Variationen der Wandstärke (von 20 bis 30 cm), die Verwendung von Fensterverglasungen auf dem Außenraum, um Wärmeverluste zu verhindern, 15-20% der Bodenfläche für die Wärmespeicherung und die Implementierung eines Trombe Wand, um die Wärme aufzunehmen, die in den Raum eindringt.Übernehmen wird, um im Sommer zu gehen. Wärmereflektierende Jalousien werden zwischen die thermische Wand und die Verglasung gelegt, um die Wärmeentwicklung in den Sommermonaten zu begrenzen.
Eine weitere Studie untersuchte die Doppel-grüne Hautfassade (DGSF) an der Außenseite von Hochhäusern in Hongkong. Eine grüne Fassade oder Vegetation, die die Außenwände bedeckt, kann die Nutzung von Klimaanlagen stark befangen – so viel wie 80%, wie der Forscher herausgefunden haben.
In den folgenden Klimazonen können Strategien zur Verglasung, Sonnenschutz und Dachstrategien im Bereich von 30% bis 60% angewendet werden.