تصميم المبنى الشمسي السلبي

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”.

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.

كعلم
تم تطوير الأساس العلمي لتصميم المباني الشمسية السلبي من مزيج من علم المناخ ، الديناميكا الحرارية (خاصة نقل الحرارة: التوصيل (الحرارة) ، الحمل الحراري ، والإشعاع الكهرومغناطيسي) ، وميكانيكا السوائل / الحمل الحراري الطبيعي (الحركة السلبية للهواء والماء دون استخدام الكهرباء والمراوح أو المضخات ، والراحة الحرارية البشرية على أساس مؤشر الحرارة ، وقياس الضغط النفسي والتحكم الحراري في المباني التي يسكنها البشر أو الحيوانات ، و sunrooms ، والاستلقاء تحت أشعة الشمس ، والدفيئات الزراعية لتربية النباتات.

ينقسم الاهتمام الخاص إلى: الموقع والموقع والتوجيه الشمسي للمبنى ومسار الشمس المحلي والمستوى السائد من التشمس (خطوط العرض / أشعة الشمس / السحب / الهطول) ، وجودة التصميم / البناء ، ووضع / حجم / نوع النوافذ والجدران ، وإدماج الكتلة الحرارية تخزين الطاقة الشمسية مع القدرة الحرارية.

في حين قد تكون هذه الاعتبارات موجهة نحو أي مبنى ، فإن تحقيق حل مثالي للتكلفة / الأداء الأمثل يتطلب هندسة تكاملية دقيقة وشاملة لهذه المبادئ العلمية. إن التحسينات الحديثة من خلال نمذجة الكمبيوتر (مثل وزارة الطاقة الأمريكية الشاملة “Energy Plus” لبناء برامج محاكاة الطاقة) وتطبيق عقود من الدروس المستفادة (منذ أزمة الطاقة في السبعينيات) يمكن أن تحقق وفورات كبيرة في الطاقة وتقليل الضرر البيئي ، بدون التضحية وظيفة أو علم الجمال. في الواقع ، يمكن لميزات التصميم السلبي-الشمسي مثل الاحتباس الحراري / سونرووم / الاستلقاء تحت أشعة الشمس أن تعزز إلى حد كبير القدرة على العيش ، وضوء النهار ، ووجهات النظر ، وقيمة المنزل ، بتكلفة منخفضة لكل وحدة من الفضاء.

لقد تم تعلم الكثير عن تصميم المبنى الشمسي السلبي منذ أزمة الطاقة في السبعينيات. لقد حاولت العديد من تجارب البناء باهظة التكاليف غير العلمية ، المستندة إلى الحدس ، وفشلت في تحقيق الطاقة صفر – القضاء التام على فواتير الطاقة للتدفئة والتبريد.

قد لا يكون بناء المباني الشمسية السلبية أمراً صعباً أو باهظاً (باستخدام مواد وتكنولوجيا موجودة حاليًا) ، ولكن تصميم المبنى الشمسي السلبي العلمي هو جهد هندسي غير تافه يتطلب دراسة مهمة للدروس السابقة غير البديهية المستفادة ، الوقت للدخول ، وتقييم ، وصقل مدخلات وإخراج المحاكاة.

واحدة من أكثر أدوات تقييم ما بعد البناء فائدة هي استخدام التصوير الحراري باستخدام كاميرات التصوير الحراري الرقمية لإجراء تدقيق رسمي للطاقة الكمية العلمية. يمكن استخدام التصوير الحراري لتوثيق المناطق ذات الأداء الحراري المنخفض مثل التأثير الحراري السلبي للزجاج الموجود على السقف أو كوة في ليلة شتوية باردة أو في أيام الصيف الحارة.

الدروس العلمية التي تم تعلمها على مدى العقود الثلاثة الماضية تم التقاطها في أنظمة برامج حاسوبية محاكية شاملة لمحاكاة الطاقة (مثل DOE Energy Plus).

التصميم السلبي لمبنى الطاقة الشمسية مع تحسين المنتج الكمي لفائدة التكلفة ليس سهلاً بالنسبة للمبتدئين. وقد أدى مستوى التعقيد إلى استمرار العمارة السيئة ، والعديد من تجارب البناء المستندة إلى الحدس والغير علمية والتي تخيب مصمميها وتضيع جزءًا كبيرًا من ميزانية البناء على أفكار غير مناسبة.

الدافع الاقتصادي للتصميم العلمي والهندسي مهم. إذا تم تطبيقه بشكل شامل على بناء المباني الجديدة ابتداء من عام 1980 (استنادًا إلى الدروس المستفادة من السبعينيات) ، يمكن لأميركا توفير أكثر من 250،000،000 دولار سنويًا على الطاقة الباهظة والتلوث المتصل بها اليوم.

منذ عام 1979 ، كان تصميم البناء السلبي للطاقة الشمسية عنصرا حاسما في تحقيق الطاقة الصفرية من خلال تجارب المؤسسات التعليمية ، والحكومات في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك وزارة الطاقة الأمريكية ، وعلماء أبحاث الطاقة الذين دعمواهم لعقود. لقد تم تأسيس الدليل الفعال من حيث التكلفة منذ عقود ، لكن الاستيعاب الثقافي في مجال العمارة ، وحرف التشييد ، وصناعة القرارات في المالك ، كان بطيئًا جدًا وصعبًا التغيير.

تضاف المصطلحات الجديدة “العلوم المعمارية” و “الهندسة المعمارية” إلى بعض مدارس الهندسة المعمارية ، مع هدف مستقبلي لتدريس مبادئ العلوم والهندسة المذكورة أعلاه.

المسار الشمسي في التصميم السلبي
تعتمد القدرة على تحقيق هذه الأهداف في وقت واحد بشكل أساسي على التغيرات الموسمية في مسار الشمس على مدار اليوم.

يحدث هذا نتيجة ميل محور دوران الأرض فيما يتعلق بمدارها. ومسار الشمس فريد لأي خط عرض معين.

في خطوط العرض غير المدارية في نصف الكرة الشمالي ، أبعد من 23.5 درجة من خط الاستواء:

ستصل الشمس إلى أعلى نقطة في اتجاه الجنوب (في اتجاه خط الاستواء)
مع اقتراب الانقلاب الشتوي ، فإن الزاوية التي تشرق فيها الشمس وتضعها تدريجيًا تتحرك باتجاه الجنوب ، وستصبح ساعات النهار أقصر
يلاحظ العكس في فصل الصيف حيث تشرق الشمس وتطوّق نحو الشمال وتضيء ساعات النهار
لوحظ العكس في نصف الكرة الجنوبي ، لكن الشمس تشرق إلى الشرق وتوجه نحو الغرب بغض النظر عن أي نصف الكرة الأرضية الذي أنت فيه.

في المناطق الاستوائية أقل من 23.5 درجة ، سيتذبذب موقع الشمس عند الظهيرة الشمسية من الشمال إلى الجنوب والعودة مرة أخرى خلال العام.

في المناطق الأقرب من 23.5 درجة من أي من القطبين الشمالي أو الجنوبي ، خلال فصل الصيف سوف تتبع الشمس دائرة كاملة في السماء دون وضعها في حين أنها لن تظهر أبداً فوق الأفق بعد ستة أشهر ، في ذروة فصل الشتاء.

يمثل الاختلاف البالغ 47 درجة في ارتفاع الشمس عند الظهيرة الشمسية بين الشتاء والصيف أساس التصميم الشمسي السلبي. يتم الجمع بين هذه المعلومات والبيانات المتعلقة بالطقس المحلي (درجة الدرجات) للتدفئة والتبريد لتحديد ما إذا كان كسب الطاقة الشمسية سيكون مفيدًا للراحة الحرارية في أي وقت من السنة ، وعندما يتم حظره مع التظليل. من خلال التنسيب الاستراتيجي للعناصر مثل أجهزة التظليل والتظليل ، يمكن التحكم في نسبة الكسب الشمسي الذي يدخل إلى المبنى على مدار العام.

تتمثل إحدى مشكلات تصميم مسار الشمس الشمسي السلبي في أنه على الرغم من أن الشمس في نفس الوضع النسبي قبل ستة أسابيع ، وبعد ستة أسابيع ، فإن الانقلاب ، بسبب “التأخر الحراري” من الكتلة الحرارية للأرض ، ومتطلبات درجة الحرارة والكسب الشمسي تختلف تمامًا قبل وبعد الانقلاب الصيفي أو الشتوي. يمكن أن تستوعب المصاريع المنقولة أو الظلال أو الشاشات الظل أو لحاف النوافذ متطلبات العزل والطاقة الشمسية من الساعة إلى الساعة ومن الساعة إلى الساعة.

الترتيب الدقيق للغرف يكمل التصميم الشمسي السلبي. وهناك توصية مشتركة للمساكن السكنية هي وضع مناطق المعيشة التي تواجه ظهر الشمس وأحياء النوم على الجانب الآخر. الهليودون هو جهاز ضوئي تقليدي متحرك يستخدمه المهندسون المعماريون والمصممين للمساعدة في تحديد تأثيرات مسار الشمس. في الأوقات الحديثة ، يمكن لرسومات الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد محاكاة هذه البيانات بشكل مرئي ، وحساب توقعات الأداء.

مبادئ نقل الحرارة الشمسية السلبية
والراحة الحرارية الشخصية هي دالة على عوامل الصحة الشخصية (الطبية والنفسية والاجتماعية والظروفية) ودرجة حرارة الهواء المحيط ودرجة حرارة الإشعاع الوسطي وحركة الهواء (برد الرياح والاضطراب) والرطوبة النسبية (التي تؤثر على التبريد التبخيري البشري). يحدث انتقال الحرارة في المباني من خلال الحمل الحراري والتوصيل والإشعاع الحراري من خلال السقف والجدران والأرضية والنوافذ.

نقل الحرارة convective
نقل الحرارة الحراري يمكن أن يكون مفيدا أو ضارا. يمكن للتسلل الجوي غير المتحكم فيه من سوء الأحوال الجوية / مقاومة الطقس / مساكة الجرعات أن يسهم بما يصل إلى 40٪ من فقد الحرارة خلال فصل الشتاء ؛ ومع ذلك ، يمكن أن يعزز وضع الستاندبوت القابل للتشغيل أو الفتحات من الحمل الحراري ، والتهوية الشاملة ، والتبريد في الصيف عندما يكون الهواء الخارجي من درجة حرارة مريحة ورطوبة نسبية. قد تكون أنظمة التهوية المأمونة لاسترداد الطاقة مفيدة في إزالة الرطوبة غير المرغوبة والغبار وحبوب اللقاح والكائنات الدقيقة في هواء التهوية غير المفلتر.

الحمل الحراري الطبيعي الذي يسبب ارتفاع الهواء الدافئ والهواء البارد يمكن أن يؤدي إلى تراكم غير منتظم للحرارة. قد يتسبب هذا في تغيرات غير مريحة في درجة الحرارة في المساحة العلوية والسفلية المكيفة ، ويكون بمثابة طريقة للتنفيس بالهواء الساخن ، أو يتم تصميمه كحلقة تدفق الهواء الطبيعي للحمل الحراري السلبي وتوزيع درجات الحرارة. يمكن تسهيل التبريد الطبيعي للإنسان عن طريق العرق والتبخر من خلال حركة الهواء بالحمل الطبيعي أو القسري بواسطة المراوح ، ولكن مراوح السقف يمكن أن تزعج طبقات الهواء العازلة الطبقية في أعلى الغرفة ، وتسريع نقل الحرارة من علية ساخنة ، أو من خلال النوافذ القريبة . بالإضافة إلى ذلك ، تمنع الرطوبة النسبية العالية التبريد التبخيري من قبل البشر.

نقل الحرارة الإشعاعي
المصدر الرئيسي لنقل الحرارة هو الطاقة المشعة ، والمصدر الرئيسي هو الشمس. يحدث الإشعاع الشمسي في الغالب من خلال السقف والنوافذ (ولكن أيضًا من خلال الجدران). ينتقل الإشعاع الحراري من سطح أكثر دفئًا إلى سطح أكثر برودة. السقوف تتلقى غالبية الإشعاع الشمسي تسليمها إلى منزل. يمكن للسقف البارد أو السقف الأخضر بالإضافة إلى حاجز مشع أن يساعد على منع العلية من أن تصبح أكثر حرارة من درجة حرارة الهواء الطلق في الصيف الذروة (انظر البياضة والامتصاص والانبعاثية والانعكاسية).

ويندوز هي موقع جاهز ويمكن التنبؤ به للإشعاع الحراري. يمكن للطاقة من الإشعاع الانتقال إلى نافذة في النهار ، وخارج النافذة نفسها في الليل. يستخدم الإشعاع الفوتونات لنقل الموجات الكهرومغناطيسية من خلال فراغ ، أو وسط شفاف. يمكن أن يكون كسب الحرارة الشمسية كبيرا حتى في الأيام الباردة. يمكن تقليل كسب الطاقة الشمسية من خلال النوافذ بواسطة الزجاج العازل والتظليل والتوجيه. يصعب عزل النوافذ بشكل خاص مقارنة بالسقف والجدران. كما يؤدي نقل الحرارة المؤتلف عبر أغطية النوافذ وحولها إلى تدهور خصائص العزل. عند تظليل النوافذ ، يكون التظليل الخارجي أكثر فعالية في تقليل الكسب الحراري من تغطية النوافذ الداخلية.

يمكن للشمس الغربية والشرقية أن توفر الدفء والإضاءة ، ولكنها معرضة لارتفاع درجة الحرارة في الصيف إن لم تكن مظللة. وعلى النقيض من ذلك ، تعترف الشمس المنخفضة في منتصف النهار بسهولة بالضوء والدفء خلال فصل الشتاء ، ولكن يمكن تظليلها بسهولة باستخدام أطوال متدرجة مناسبة أو فتحات بزاوية خلال الصيف وأوراق تحمل أشجار الظل الصيفية التي تسلط أوراقها في الخريف. ترتبط كمية الحرارة المشعة المتلقاة بموقع خط العرض والارتفاع والغطاء السحابي وزاوية الحدوث الموسمية / بالساعة (انظر مسار الشمس وقانون لامبرت لجيب التمام).

مبدأ آخر للتصميم السلبي للطاقة الشمسية هو أنه يمكن تخزين الطاقة الحرارية في مواد بناء معينة وإطلاقها مرة أخرى عندما يخفف كسب الحرارة من أجل تثبيت التغيرات اليومية في درجة الحرارة (النهار / الليل). التفاعل المعقد لمبادئ الديناميكا الحرارية يمكن أن يكون منافسًا للمصممين لأول مرة. يمكن لنمذجة الكمبيوتر الدقيقة أن تساعد في تجنب تجارب البناء المكلفة.

اعتبارات محددة للموقع أثناء التصميم
خط العرض ، ومسار الشمس ، والتشمس (أشعة الشمس)
التغيرات الموسمية في كسب الطاقة الشمسية مثل أيام درجات التبريد أو التدفئة ، التشمس الشمسي ، الرطوبة
اختلافات نهارية في درجة الحرارة
تفاصيل المناخ الجزئي المتعلقة بالنسائم والرطوبة والنباتات وكفاف الأرض
العوائق / الإفراط في التظليل – إلى كسب الطاقة الشمسية أو الرياح المتقاطعة المحلية

عناصر التصميم للمباني السكنية في المناخ المعتدل
وضع أنواع الغرف والأبواب والجدران الداخلية والمعدات في المنزل.
توجيه المبنى لمواجهة خط الاستواء (أو بضع درجات إلى الشرق لالتقاط شمس الصباح)
توسيع بُعد المبنى على طول المحور الشرقي / الغربي
تحجيم النوافذ المناسبة لمواجهة شمس الظهيرة في الشتاء ، وتكون مظللة في الصيف.
التقليل من النوافذ على الجوانب الأخرى ، وخاصة النوافذ الغربية
تركيب مساحات السقف ذات الأحجام الصحيحة أو ذات الأحجام المحددة ، أو عناصر التظليل (الشجيرات ، الأشجار ، التريليس ، الأسوار ، المصاريع ، إلخ)
استخدام كمية ونوع العزل المناسب بما في ذلك الحواجز المشعة والعزل بالجملة لتقليل الكسب أو الخسارة الموسمية للحرارة الموسمية
استخدام الكتلة الحرارية لتخزين الطاقة الشمسية الزائدة خلال يوم الشتاء (والتي يتم إعادة إشعاعها خلال الليل)

وينبغي أن تستند الكمية الدقيقة للزجاج والكتلة الحرارية المواجهة للاستواء إلى دراسة متأنية لخط الطول والعرض والظروف المناخية ومتطلبات يوم درجة التدفئة / التبريد.

العوامل التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور الأداء الحراري:

الانحراف عن الاتجاه المثالي ونسبة الارتفاع إلى الشمال / الجنوب / الشرق / الغرب
منطقة الزجاج الزائد (“التزجيج الزائد”) مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة (يؤدي أيضًا إلى وهج وتلاشي المفروشات الناعمة) وفقدان الحرارة عند انخفاض درجات حرارة الهواء المحيط
لا يمكن التحكم في تركيب الزجاج حيث يمكن الحصول على الكسب الشمسي أثناء النهار والخسائر الحرارية أثناء الليل بسهولة
الخسائر الحرارية من خلال التزجيج غير المعزول أو غير المحمي
عدم وجود تظليل مناسب خلال الفترات الموسمية للكسب الشمسي العالي (خاصة على الجدار الغربي)
تطبيق غير صحيح للكتلة الحرارية لتعديل التغيرات اليومية في درجة الحرارة
سلالم مفتوحة تؤدي إلى توزيع غير متكافئ للهواء الدافئ بين الطوابق العلوية والسفلية مع ارتفاع الهواء الدافئ
ارتفاع مساحة سطح المبنى إلى الحجم – عدد كبير جدًا من الزوايا
عدم كفاية الجو مما يؤدي إلى ارتفاع تسلل الهواء
عدم وجود حواجز مشعة أو غير مثبتة بشكل صحيح خلال الموسم الحار. (انظر أيضا السقف البارد والسقف الأخضر)
مواد العزل غير المتطابقة مع النمط الرئيسي لنقل الحرارة (على سبيل المثال نقل الحرارة غير المرغوب فيها / الموصلية / الإشعاعية غير المرغوب فيها)

الكفاءة والاقتصاد من التسخين الشمسي السلبي
من الناحية الفنية ، PSH عالية الكفاءة. يمكن أن تستخدم أنظمة الكسب المباشر (أي تحويلها إلى “مفيدة” الحرارة) 65-70٪ من طاقة الإشعاع الشمسي التي تضرب الفتحة أو المجمع.

الكسر الشمسي السلبي (PSF) هو النسبة المئوية للحمل الحراري المطلوب الذي تقابله PSH وبالتالي يمثل انخفاضًا محتملاً في تكاليف التدفئة. أبلغت RETScreen International عن PSF من 20-50 ٪. في مجال الاستدامة ، يعتبر الحفاظ على الطاقة حتى من 15٪ أمرًا هامًا.

Related Post

وتفيد مصادر أخرى بأن PSFs التالية:

5-25 ٪ لأنظمة متواضعة
40 ٪ لأنظمة “محسنة للغاية”
ما يصل إلى 75٪ لأنظمة “شديدة جدًا”
في المناخات المواتية مثل جنوب غرب الولايات المتحدة ، يمكن للأنظمة المثلى أن تتجاوز 75٪ PSF.

المناظر الطبيعية والحدائق
تتضمن مواد تنسيق الحدائق الموفرة للطاقة من أجل خيارات الطاقة الشمسية السلبية الحميدة مواد بناء hardscape ومصانع “softscape”. استخدام مبادئ تصميم المناظر الطبيعية لاختيار الأشجار ، والتحوطات ، وميزات التعريشة العريشة مع الكروم ؛ كل ذلك يمكن استخدامه لخلق تظليل صيفي. بالنسبة للكسب الشمسي في فصل الشتاء ، من المستحسن استخدام النباتات النفضية التي تترك أوراقها في الخريف تعطي فوائد شمسية سلبية على مدار السنة. يمكن أن تكون الشجيرات والأشجار دائمة الخضرة غير النفضية عبارة عن مصدات الرياح ، على ارتفاعات متفاوتة والمسافات ، لتوفير الحماية والمأوى من رياح الرياح في فصل الشتاء. إن استخدام Xeriscaping مع الأنواع المحلية “ذات الحجم المناسب” والنباتات تتحمل الجفاف ، والري بالتنقيط ، والتغطية ، وممارسات البستنة العضوية تقلل أو تلغي الحاجة إلى الري المكثف بالطاقة والمياه ومعدات الحدائق التي تعمل بالغاز ، وتقلل من نفايات مدافن النفايات اثار. يمكن لإضاءة المناظر الطبيعية التي تعمل بالطاقة الشمسية ومضخات النافورات ، وأحواض السباحة المغطاة والمغاطس مع سخانات المياه بالطاقة الشمسية أن تقلل من تأثير هذه المرافق.

البستنة المستدامة
المناظر الطبيعية المستدامة
عمارة المناظر الطبيعية المستدامة

مبادئ الطاقة الشمسية السلبية الأخرى

الإضاءة الشمسية السلبية
تعمل تقنيات الإضاءة الشمسية السلبية على تعزيز الاستفادة من الإضاءة الطبيعية للأماكن الداخلية ، وبالتالي تقليل الاعتماد على أنظمة الإضاءة الاصطناعية.

ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تصميم البناء بعناية ، والتوجيه ، ووضع أقسام النافذة لجمع الضوء. تتضمن الحلول الإبداعية الأخرى استخدام الأسطح العاكسة لإدخال ضوء النهار في داخل المبنى. يجب أن تكون أجزاء النافذة بالحجم المناسب ، ولتجنب الإفراط في الإضاءة يمكن أن تحميها سليل برايس ، المظلات ، الأشجار الموضعية جيداً ، الطلاء الزجاجي ، وغيرها من الأجهزة المنفعلة والنشطة.

وهناك قضية رئيسية أخرى للعديد من أنظمة النوافذ وهي أنها يمكن أن تكون مواقع ضعيفة محتملة من الكسب الحراري المفرط أو فقدان الحرارة. على الرغم من أن النوافذ العالقة المثبتة بشكلٍ كهربي والنوافذ التقليدية يمكن أن تُدخل ضوء النهار في أقسام ذات توجه سيئ في مبنى ، فقد يكون من الصعب التحكم في نقل الحرارة غير المرغوب فيه. وبالتالي ، فإن الطاقة التي يتم توفيرها عن طريق الحد من الإضاءة الاصطناعية غالباً ما يتم تعويضها عن طريق الطاقة المطلوبة لتشغيل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) للحفاظ على الراحة الحرارية.

يمكن استخدام طرق متنوعة لمعالجة ذلك بما في ذلك ، على سبيل المثال لا الحصر ، أغطية النوافذ ، والزجاج المعزول ، والمواد الجديدة مثل عازل الهواء شبه الشفاف ، والألياف الضوئية المدمجة في الجدران أو السقف ، أو الإضاءة الشمسية المختلطة في مختبر أوك ريدج الوطني.

تعكس العناصر الملتقطة ، من جامعات الإضاءة النشطة والسلبية ، مثل الأرفف الفاتحة ، والجدران ذات الألوان الفاتحة وألوان الأرضيات ، وأقسام الجدران المعكوسة ، والجدران الداخلية ذات الألواح الزجاجية العلوية ، والأبواب الزجاجية الواضحة أو الشفافة والأبواب الزجاجية المنزلقة ، الضوء الملتف والمنعكس بشكل سلبي مزيد من الداخل. يمكن أن يكون الضوء من النوافذ المنفعلة أو المناور وأنابيب الضوء الشمسي أو من مصادر ضوء النهار النشطة. في العمارة اليابانية التقليدية ، تعتبر أبواب Sh slji الألواح المنزلقة ، مع الشاشات الواقية الشفافة ، سابقة أصلية. كان الطراز المعماري العصري والعمارة الحديثة في منتصف القرن مبدعين سابقين لهذا الاختراق السلبي والتفكير في التطبيقات الصناعية والتجارية والسكنية.

التسخين السلبي للمياه الشمسية
هناك العديد من الطرق لاستخدام الطاقة الحرارية الشمسية لتسخين المياه للاستخدام المنزلي. وتختلف تكنولوجيات الطاقة الشمسية الشمسية النشطة والناجعة المختلفة عن آثار تحليل منافع التكلفة الاقتصادية المختلفة الخاصة بالموقع.

تسخين الماء الساخن الشمسي الأساسي لا ينطوي على مضخات أو أي شيء كهربائي. إنها ذات تكلفة فعالة للغاية في المناخات التي لا تحتوي على ظروف مناخية شديدة التجمد أو شديدة الغيوم. قد تكون تقنيات تسخين المياه بالطاقة الشمسية النشطة الأخرى ، أكثر ملاءمة لبعض المواقع.

من الممكن الحصول على مياه ساخنة تعمل بالطاقة الشمسية وتكون قادرة أيضًا على أن تكون “خارج الشبكة” وأن تكون مستدامة. يتم ذلك عن طريق استخدام الخلايا الضوئية التي تستخدم الطاقة من الشمس لتشغيل المضخات.

المناخ والراحة
تم تشييد كل مبنى من أجل توفير المأوى وحمايتنا من البيئة الخارجية لخلق مناخ داخلي. عندما تعيق ظروف الخارج راحة الفضاء الداخلي ، يتم استخدام أنظمة التدفئة أو التبريد.

من بين أكثر التدابير فعالية هو توفير الطاقة من خلال استخدام العزل الحراري. لكن الحفاظ على الطاقة يعني عزلنا عن الخارج ، فالتصميم السلبي يسعى إلى فتح المبنى إلى الخارج بطريقة يمكن من خلالها تحقيق التكييف الطبيعي.

وبالتالي ، فإن المناخ الذي يقع فيه المبنى يحدده درجة الحرارة ومستويات الرطوبة وسرعة واتجاه الرياح وأشعة الشمس في الموقع. ثم يمكن أن الظروف المناخية تشكل عيب أو ميزة لكفاءة الطاقة الكافية للمنزل. ثم يتم تطبيق مفاهيم بسيطة للحياة اليومية ، مثل:

إذا كان الجو باردا جدا بحيث لا يشعر بالراحة ، فإننا نلف أنفسنا = العزل الحراري
إذا كان يومًا عاصفًا ونحن باردًا ، فإننا نبحث عن شيء ما لحمايتنا والعودة إلى الراحة = حماية الرياح
إذا كان الجو حارًا جدًا ونحن في الشمس ، فإننا نبحث عن الظل = الحماية الشمسية
إذا كان الجو حارًا ، حتى في الظل ، فإننا نبحث عن النسيم ليبردنا = تهوية
إذا كان الجو حارًا وجافًا جدًا ، ابحث عن بعض الظل والبارد البارد = الكتلة الحرارية

بيت الجبل
بالنسبة لمنزل جبلي يقع في مكان حيث يكون الطقس شديد البرودة وهناك الكثير من الرياح ، نريد أن يكون الموقع على منحدر مشمس محمي من الرياح ، ودمج العزل الحراري إلى الأسقف والجدران والنوافذ. تحديد النوافذ نحو شمس منتصف النهار بشكل مفضل ؛ بناء بطريقة بحيث يكون هناك أقل قدر من الشقوق حيث يخترق الهواء البارد الحرارة داخلها.

بيت الصحراء
يجب حماية المنزل في الصحراء من الإشعاع الشمسي. من ناحية أخرى ، بما أن درجة الحرارة بين الليل والنهار عالية ، بسبب عدم وجود الرطوبة في الهواء ، فمن المستحسن استخدام الكتلة الحرارية عن طريق بناء جدران سميكة مع المواد المحلية. من الضروري الاستفادة من انخفاض درجة حرارة الليل لتبريد كتلة المبنى من خلال فتحات ذات موقع استراتيجي تسمح بالتهوية.

إن أساس أي تصميم واع بيئيًا يُقصد به أن يكون فعّالًا هو استجابة كافية لإزعاج ومناخ مناخ المكان. إذا لم يؤخذ ذلك في الحسبان ، فسوف يتعين علينا أن نذهب إلى الأنظمة الميكانيكية للتكييف الحراري ، مع استهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناتجة.

مقارنة مع معيار Passive House في أوروبا
هناك زخم متزايد في أوروبا للنهج الذي تبناه معهد Passive House (Passivhaus in German) في ألمانيا. بدلا من الاعتماد فقط على تقنيات التصميم الشمسي السلبي التقليدي ، يسعى هذا النهج إلى الاستفادة من جميع مصادر الحرارة السلبية ، ويقلل من استخدام الطاقة ، ويؤكد الحاجة إلى مستويات عالية من العزل معززة عن طريق الاهتمام الدقيق بالتفاصيل من أجل معالجة الجسور الحرارية و تسلل الهواء البارد. تشتمل معظم المباني المبنية على معيار Passive House أيضًا على وحدة تهوية لاسترداد الحرارة نشطة مع أو بدون مكون تسخين مدمج صغير (عادةً 1 كيلو وات).

تم تطوير تصميم الطاقة لمباني Passive House باستخدام أداة النمذجة المستندة إلى جدول البيانات والتي تسمى حزمة تخطيط البيت السلبي (PHPP) والتي يتم تحديثها بشكل دوري. الإصدار الحالي هو PHPP2007 ، حيث 2007 هي سنة الإصدار. قد يتم اعتماد المبنى على أنه “منزل سلبي” عندما يمكن أن يثبت أنه يستوفي معايير معينة ، وأهمها أن يكون طلب الحرارة السنوي المحدد للمنزل لا يتجاوز 15kWh / m2a.

الأنظمة الشمسية السلبية
يتم استخدام الأنظمة الشمسية السلبية بشكل أساسي لالتقاط وتخزين الحرارة من الطاقة الشمسية. يطلق عليها سلبي لأن الأجهزة الكهروميكانيكية الأخرى لا تستخدم لإعادة تدوير الحرارة. يحدث هذا بسبب المبادئ الفيزيائية الأساسية مثل التوصيل والإشعاع والحمل الحراري.

الكسب المباشر: هو أبسط نظام وينطوي على الاستحواذ على طاقة الشمس بواسطة الأسطح المزججة ، والتي تكون بحجم كل اتجاه واعتمادًا على الحاجات الحرارية للمبنى أو المباني المراد تسخينها.

جدار تراكم غير مهوى: يعرف أيضا باسم جدار ترومبي ، وهو عبارة عن جدار مبني بالحجر والطوب والخرسانة أو حتى الماء ، مطلية باللون الأسود أو داكن اللون للغاية من الخارج. لتحسين الالتقاط ، يتم استخدام خاصية الزجاج ، والتي هي لتوليد تأثير الاحتباس الحراري ، والتي من خلالها يدخل الضوء المرئي وعندما يتم لمس الجدار ، فإنه يسخن ، التي تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء ، والتي لا يمكن اختراق الزجاج. لهذا السبب ترتفع درجة حرارة السطح المظلم وغرفة الهواء بين الجدار والزجاج.

جدار تراكم التهوية: مماثل للتراكم السابق ولكن يتضمن فتحات في الجزء العلوي والسفلي لتسهيل التبادل الحراري بين الجدار والجو عن طريق الحمل.

بيت زجاجي ملحق: في هذه الحالة ، يشتمل الجدار عند الظهيرة على منطقة مزججة ، يمكن أن تكون صالحة للسكن ، مما يحسن التقاط الحرارة خلال النهار ، مما يقلل من خسائر الحرارة إلى الخارج.

سقف تراكم الحرارة: في بعض خطوط العرض ، من الممكن استخدام سطح السقف لالتقاط وتراكم طاقة الشمس. تُعرف أيضًا باسم البرك الشمسية ، وهي تتطلب أجهزة متنقلة معقدة لمنع الحرارة من الهروب في الليل.

جمع الطاقة الشمسية وتراكم الحرارة: إنه نظام أكثر تعقيدًا ويسمح بدمج المكسب المباشر بواسطة النوافذ مع مجمعات الطاقة الشمسية للهواء أو الماء الساخن لتجميعها تحت الأرض. ثم ، وبطريقة مماثلة لجدار تراكم التهوية ، يتم جلب الحرارة إلى البيئة الداخلية. يسمح البعد الصحيح بتراكم الحرارة لأكثر من سبعة أيام.

في جميع الحالات تقريباً ، يمكن استخدامه كنظم تبريد سلبي عن طريق عكس المعنى التشغيلي.

أدوات التصميم
تقليديا استُخدمت مادة الهليودون لمحاكاة ارتفاع وسماسة الشمس الساطعة في مبنى نموذجي في أي وقت من أي يوم من أيام السنة. في الأزمنة الحديثة ، يمكن لبرامج الكمبيوتر أن تصمم هذه الظاهرة وتدمج البيانات المناخية المحلية (بما في ذلك تأثيرات الموقع مثل الحجب والعيوب المادية) للتنبؤ بالكسب الشمسي المحتمل لتصميم مبنى معين على مدار السنة. يمكن لتطبيقات الهواتف الذكية القائمة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الآن القيام بذلك بشكل غير باهظ على جهاز محمول باليد. توفر أدوات التصميم هذه لمصمم الطاقة الشمسية السلبي القدرة على تقييم الظروف المحلية ، وتصميم العناصر والتوجيه قبل البناء. يتطلب تحسين أداء الطاقة عادةً عملية تصميم وتقييم تكراري – تحسين. لا يوجد شيء مثل تصميم المبنى الشمسي السلبي الشامل “مقاس واحد يناسب الجميع” والذي يعمل بشكل جيد في جميع المواقع.

مستويات التطبيق
يمكن للكثير من بيوت الضواحي المنفصلة تحقيق تخفيضات في تكاليف التدفئة دون تغييرات واضحة على مظهرها ، أو راحة أو قابليتها للاستخدام. ويتم ذلك باستخدام تحديد موقع جيد وتحديد موقع النافذة ، وكميات صغيرة من الكتلة الحرارية ، مع عزل جيد ولكن تقليدي ، وتبديد الطقس ، ومصدر حرارة تكميلي عرضي ، مثل رادياتير مركزي متصل بسخان مياه (شمسي). قد تسقط أشعة الشمس على حائط أثناء النهار ورفع درجة حرارة كتلتها الحرارية. سيشع هذا الحرارة في المبنى في المساء. يمكن استخدام التظليل الخارجي أو حاجز إشعاعي زائد الفجوة الهوائية لتقليل الكسب الشمسي الصيفي غير المرغوب فيه.

امتداد لنهج “الطاقة الشمسية السلبية” لالتقاط الطاقة الشمسية الموسمية وتخزين الحرارة والتبريد. وتحاول هذه التصاميم التقاط الحرارة الشمسية في فصل الشتاء ، ونقلها إلى مخزن حراري موسمي لاستخدامه بعد أشهر خلال موسم البرد (“الطاقة الشمسية السلبية السنوية”). يتم تحقيق زيادة في التخزين من خلال استخدام كميات كبيرة من اقتران الكتلة الحرارية أو الأرض. تشير التقارير القصصية إلى أنها يمكن أن تكون فعالة ولكن لم يتم إجراء أي دراسة رسمية لإثبات تفوقها. النهج أيضا يمكن أن تتحرك التبريد في الموسم الحار. أمثلة:

التخزين الحراري السنوي السلبي (PAHS) – بواسطة John Hait
التدفئة الأرضية الحرارية الأرضية (AGS) – بواسطة دون ستيفن

اختبأ سقف
لن يكون للمنزل “السلبي البحت” الذي يسخن بالطاقة الشمسية وحدة فرن ميكانيكي ، ويعتمد بدلاً من ذلك على الطاقة التي يتم التقاطها من أشعة الشمس ، ويتم تكميلها فقط بواسطة الطاقة الحرارية “العرضية” التي تعطى بها الأضواء وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الأخرى الخاصة بالمهام (مثل تلك الطبخ ، والترفيه ، وما إلى ذلك) ، الاستحمام ، الناس والحيوانات الأليفة. ويرتبط استخدام تيارات الهواء الحراري الطبيعي (بدلاً من الأجهزة الميكانيكية مثل المراوح) لتدوير الهواء ، على الرغم من عدم التصميم الشمسي تمامًا. يستخدم تصميم المبنى الشمسي السلبي أحيانًا ضوابط كهربائية وميكانيكية محدودة لتشغيل المخمدات ، أو الستائر العازلة ، أو المظلات ، أو المظلات ، أو العواكس. تقوم بعض الأنظمة بإدخال مراوح صغيرة أو مداخن تعمل بالطاقة الشمسية لتحسين تدفق الهواء الحامل. هناك طريقة معقولة لتحليل هذه الأنظمة عن طريق قياس معامل أدائها. يمكن لمضخة الحرارة أن تستخدم 1 J لكل 4 J التي يسلمها COP 4. إن النظام الذي يستخدم مروحة 30 W فقط لتوزيع 10 كيلووات من الحرارة الشمسية بشكل متساوٍ عبر منزل بأكمله سيكون له COP 300.

غالبًا ما يكون تصميم المبنى الشمسي السلبي عنصراً أساسياً لبناء طاقة منخفض الفعالية من حيث التكلفة. على الرغم من أن ZEB يستخدم العديد من مفاهيم تصميم المبنى الشمسي السلبي ، فإن ZEB لا يكون عادة سلبيًا تمامًا ، حيث تمتلك أنظمة توليد طاقة ميكانيكية متجددة نشطة مثل: توربينات الرياح ، والخلايا الكهروضوئية ، والطاقة المائية الصغيرة ، والطاقة الحرارية الأرضية ، ومصادر الطاقة البديلة الأخرى الناشئة.

تصميم الطاقة الشمسية السلبية على ناطحات السحاب
كان هناك اهتمام حديث في الاستفادة من كميات كبيرة من المساحة السطحية على ناطحات السحاب لتحسين كفاءتها الإجمالية في مجال الطاقة. ونظرًا لأن ناطحات السحاب أصبحت في كل مكان متزايدة الوجود في البيئات الحضرية ، ومع ذلك تتطلب كميات كبيرة من الطاقة لتشغيلها ، فهناك إمكانية لكميات كبيرة من توفير الطاقة باستخدام تقنيات التصميم الشمسي السلبي. وقد خلصت إحدى الدراسات التي قامت بتحليل برج 22 بيشوبسجيت المقترح في لندن إلى أنه يمكن نظريًا تحقيق انخفاض في الطلب على الطاقة بنسبة 35٪ من خلال مكاسب الطاقة الشمسية غير المباشرة ، وذلك عن طريق تدوير المبنى لتحقيق أقصى درجة للتهوية والتغلغل في ضوء النهار واستخدام مادة أرضية ذات كتلة حرارية عالية لتقليل التذبذب في درجة الحرارة داخل المبنى ، واستخدام زجاج نوافذ ذو زجاج مزدوج أو ثلاثي الصفائح المزججة لتحقيق كسب مباشر للطاقة الشمسية. تتضمن تقنيات الكسب الشمسي غير المباشر تسخين تدفق حرارة الجدار باختلاف سماكة الجدار (من 20 إلى 30 سم) ، باستخدام زجاج النوافذ في الفضاء الخارجي لمنع فقدان الحرارة ، وتخصيص 15-20٪ من المساحة الأرضية للتخزين الحراري ، وتنفيذ ترومبي جدار لامتصاص الحرارة دخول الفضاء.تُستخدم الأتربة لعرقلة ضوء الشمس المباشر في الصيف ، والوحدة في فصل الصيف.

حَنَفُ القُرْحَةِ الْعَظْمِيّ [طبية] مثل هذه الواجهة الخضراء ، أو أوعية الهواء التي يمكن استخدامها لتكييف الهواء.

في المناخات الأكثر اعتدالا ، يمكن أن تصل إلى الحائط ، والتظليل الشمسي ، واستعادة السقوط وفورات كبيرة في الطاقة ، في نطاق 30 ٪ إلى 60 ٪.

Share