Passives Solar-Bausystem

Passives solares Bausystem wird zunehmend zu einem eigenständigen Architekturstil, der formal in der Tradition der klassischen Moderne und ihrer Strömungen und Empfänge, in der Unterordnung des Entwurfs unter die Angemessenheit (form follows function, die Skulptur bleibt im Hintergrund) zu stehen kommt Funktionalismus zugewiesen werden. 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.

Wichtige passive Solargebäudekonfigurationen
Es gibt drei primäre passive Solarenergiekonfigurationen:

direktes Sonnensystem
indirektes Sonnensystem
isoliertes Sonnensystem

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.

Direkte Sonnensystem
In einer passiven passiven Solaranlage fungiert der Innenraum als Solarkollektor, Wärmeabsorber und Verteilersystem. Nach Süden gerichtetes Glas in der nördlichen Hemisphäre (nach Norden in der südlichen Hemisphäre) gibt Sonnenenergie in das Gebäudeinnere, wo es direkt erhitzt (Strahlungsenergieabsorption) oder indirekt (durch Konvektion) thermische Masse im Gebäude wie Beton oder Mauerwerk erwärmt Böden und Wände. Die als thermische Masse wirkenden Böden und Wände werden als funktionale Gebäudeteile eingebaut und mildern die Intensität der Erwärmung während des Tages. In der Nacht strahlt die erwärmte thermische Masse Wärme in den Innenraum.

In kalten Klimazonen ist ein sonnengehärtetes Gebäude die grundlegendste Art der direkten passiven passiven Sonnenkonfiguration, die einfach dazu führt, die (nach Süden gerichtete) Verglasungsfläche zu vergrößern, ohne zusätzliche thermische Masse hinzuzufügen. Es ist eine Art Direktgewinnsystem, bei dem die Gebäudehülle gut isoliert ist, in Ost-West-Richtung verlängert ist und einen großen Anteil (~ 80% oder mehr) der Fenster auf der Südseite hat. Es hat wenig zusätzliche thermische Masse über das hinaus, was bereits in dem Gebäude ist (dh gerade Rahmen, Wandbrett und so weiter). In einem sonneneingeschränkten Gebäude sollte der nach Süden ausgerichtete Fensterbereich auf etwa 5 bis 7% der gesamten Bodenfläche begrenzt sein, weniger in einem sonnigen Klima, um eine Überhitzung zu verhindern. Zusätzliche nach Süden gerichtete Verglasung kann nur einbezogen werden, wenn mehr thermische Masse hinzugefügt wird. Die Energieeinsparungen sind bei diesem System bescheiden, und das Sonnenhärten ist sehr kostengünstig.

In echten direkten passiven passiven Solarsystemen ist eine ausreichende thermische Masse erforderlich, um große Temperaturschwankungen in der Innenluft zu verhindern; Es wird mehr thermische Masse benötigt als in einem sonnengeheizten Gebäude. Eine Überhitzung des Gebäudeinneren kann zu unzureichender oder schlecht ausgelegter thermischer Masse führen. Etwa die Hälfte bis zwei Drittel der Innenfläche der Böden, Wände und Decken müssen aus Wärmespeichermaterialien bestehen. Thermische Speichermaterialien können Beton, Lehm, Ziegelstein und Wasser sein. Thermische Masse in Böden und Wänden sollte so blank wie möglich und funktionell und ästhetisch möglich sein; Thermische Masse muss direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein. Teppichboden, große Teppiche, große Möbel und große Wandbehänge sollten vermieden werden.

In der Regel werden für etwa 1 ft2 nach Süden gerichtetes Glas etwa 5 bis 10 ft3 thermische Masse für die thermische Masse benötigt (1 m3 pro 5 bis 10 m2). Bezieht man minimale bis durchschnittliche Wand- und Bodenbeläge und Möbel mit ein, so entspricht dies in der Regel etwa 5 bis 10 m2 pro m2 Südglas, je nachdem, ob das Sonnenlicht direkt auf die Oberfläche trifft. Die einfachste Faustregel ist, dass der Bereich der thermischen Masse eine Fläche von 5 bis 10 mal der Fläche des Kollektorbereichs mit direkter Verstärkung (Glas) haben sollte.

Feste thermische Masse (z. B. Beton, Mauerwerk, Stein usw.) sollte relativ dünn sein und nicht mehr als etwa 4 in (100 mm) dick sein. Thermische Massen mit großen exponierten Flächen und solchen, die mindestens für einen Teil des Tages (mindestens 2 Stunden) in direkter Sonneneinstrahlung stehen, schneiden am besten ab. Mittlere bis dunkle Farben mit hohem Absorptionsvermögen sollten auf Oberflächen von thermischen Massenelementen verwendet werden, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Thermische Masse, die nicht mit Sonnenlicht in Berührung kommt, kann jede Farbe haben. Leichtbauelemente (z. B. Trockenbauwände und -decken) können jede Farbe haben. Die Abdeckung der Verglasung mit eng anliegenden, beweglichen Isolierplatten während dunkler, bewölkter Perioden und nächtlicher Stunden wird die Leistung eines Systems mit direkter Verstärkung stark verbessern. Wasser, das in einem Kunststoff- oder Metallbehälter enthalten ist und in direktem Sonnenlicht liegt, erwärmt sich aufgrund der natürlichen Konvektionswärmeübertragung schneller und gleichmäßiger als feste Masse. Der Konvektionsprozess verhindert außerdem, dass die Oberflächentemperaturen zu extrem werden, wie es manchmal der Fall ist, wenn dunkelfarbige Festkörperoberflächen direktes Sonnenlicht erhalten.

In Abhängigkeit vom Klima und mit ausreichender thermischer Masse sollte der nach Süden ausgerichtete Glasbereich in einem direkten Verstärkungssystem auf etwa 10 bis 20% der Bodenfläche begrenzt sein (z. B. 10 bis 20 Quadratfuß Glas für eine Grundfläche von 100 Quadratfuß). Dies sollte auf dem Glas- oder Verglasungsbereich basieren. Beachten Sie, dass die meisten Fenster eine Glas- / Verglasungsfläche haben, die 75 bis 85% der Gesamtfläche der Fenstereinheit ausmacht. Über diesem Niveau sind Probleme mit Überhitzung, Blendung und Verblassen von Textilien wahrscheinlich.

Indirektes Sonnensystem
In einer indirekten passiven passiven Solaranlage befindet sich die thermische Masse (Beton, Mauerwerk oder Wasser) direkt hinter dem nach Süden ausgerichteten Glas und vor dem beheizten Innenraum und so gibt es keine direkte Erwärmung. Die Position der Masse verhindert Sonnenlicht dringt in den Innenraum ein und kann auch den Blick durch das Glas versperren. Es gibt zwei Arten von indirekten Gewinnungssystemen: Wärmespeicherwandsysteme und Dachwassersysteme.

Thermische Speicher (Trombe) Wände

In einem thermischen Speicherwandsystem, oft Trombe-Wand genannt, befindet sich direkt hinter dem nach Süden gerichteten Glas eine massive Wand, die die Sonnenenergie absorbiert und bei Nacht selektiv in das Gebäudeinnere ableitet. Die Wand kann aus Ortbeton-, Ziegel-, Adobe-, Stein- oder massiven (oder gefüllten) Betonsteinmauerwerkeinheiten bestehen. Sonnenlicht tritt durch das Glas ein und wird sofort an der Oberfläche der Massenwand absorbiert und entweder gespeichert oder durch die Materialmasse in den Innenraum geleitet. Die thermische Masse kann Sonnenenergie nicht so schnell absorbieren, wie sie in den Raum zwischen der Masse und dem Fensterbereich eintritt. Die Temperaturen der Luft in diesem Raum können leicht 120 ° F (49 ° C) überschreiten. Diese heiße Luft kann in Innenräume hinter der Wand eingeführt werden, indem Wärme verteilende Öffnungen an der Oberseite der Wand eingebaut werden. Dieses Wandsystem wurde erstmals 1881 von seinem Erfinder Edward Morse entworfen und patentiert. Felix Trombe, für den dieses System manchmal genannt wird, war ein französischer Ingenieur, der in den 1960er Jahren in den französischen Pyrenäen mehrere Häuser mit diesem Entwurf baute.

Eine Wärmespeicherwand besteht typischerweise aus einer 4 bis 16 Zoll (100 bis 400 mm) dicken Mauerwerkwand, die mit einer dunklen, wärmeabsorbierenden Oberfläche (oder einer selektiven Oberfläche) beschichtet und mit einer einzelnen oder doppelten Schicht aus Glas mit hoher Durchlässigkeit bedeckt ist. Das Glas wird normalerweise von ¾ Zoll bis 2 Zoll von der Wand platziert, um einen kleinen Luftraum zu schaffen. In einigen Designs liegt die Masse 1 bis 2 Fuß (0,6 m) vom Glas entfernt, aber der Raum ist immer noch nicht nutzbar. Die Oberfläche der thermischen Masse absorbiert die auftreffende Sonnenstrahlung und speichert sie für den nächtlichen Gebrauch. Im Gegensatz zu einem direkten Gain-System bietet das thermische Speicherwandsystem passive Solarheizung ohne übermäßige Fensterfläche und Blendung in Innenräumen. Die Möglichkeit, Ansichten und Tageslicht zu nutzen, wird jedoch eliminiert. Die Leistung von Trombe-Wänden wird verringert, wenn das Wandinnere nicht zu den Innenräumen hin offen ist. Möbel, Bücherregale und Wandschränke, die auf der Innenseite der Wand installiert sind, verringern die Leistung.

Eine klassische Trombe-Wand, die auch allgemein als belüftete Wärmespeicherwand bezeichnet wird, hat in der Nähe der Decken- und Bodenebenen der Massenwand funktionsfähige Lüftungsöffnungen, durch die die Raumluft durch natürliche Konvektion hindurchströmen kann. Da die Sonnenstrahlung die zwischen Glas und Wand eingeschlossene Luft erwärmt, beginnt sie zu steigen. Die Luft wird in die untere Lüftung und dann in den Raum zwischen Glas und Wand gezogen, um sich durch Sonneneinstrahlung zu erwärmen, ihre Temperatur zu erhöhen und zu erhöhen und dann durch die obere (Decken-) Lüftungsöffnung zurück in den Innenraum zu gelangen. Dies ermöglicht es der Wand, erwärmte Luft direkt in den Raum einzuführen; normalerweise bei einer Temperatur von ungefähr 90ºF (32ºC).

Wenn die Lüftungsöffnungen nachts (oder an bewölkten Tagen) offen gelassen werden, wird eine Umkehrung der konvektiven Luftströmung auftreten, die Wärme verschwendet, indem sie sie im Freien ableitet. Die Lüftungsöffnungen müssen nachts geschlossen sein, so dass die Strahlungswärme von der Innenfläche der Lagerwand den Innenraum erwärmt. Im Allgemeinen sind die Lüftungsöffnungen auch während der Sommermonate geschlossen, wenn keine Wärmegewinnung erforderlich ist. Während des Sommers kann eine außen an der Wand angebrachte Abluftöffnung geöffnet werden, um nach draußen zu entlüften. Eine solche Entlüftung bewirkt, dass das System als ein Sonnenkamin wirkt, der während des Tages Luft durch das Gebäude treibt.

Belüftete Wärmespeicherwände, die ins Innere entlüftet werden, haben sich als wenig effektiv erwiesen, hauptsächlich weil sie tagsüber bei mildem Wetter und in den Sommermonaten zu viel Wärme liefern; Sie überhitzen einfach und schaffen Komfortprobleme. Die meisten Solarexperten empfahlen, dass Wärmespeicherwände nicht ins Innere entlüftet werden sollten.

Es gibt viele Variationen des Trombe-Wandsystems. Eine unbelüftete Wärmespeicherwand (technisch keine Trombe-Wand) fängt Solarenergie auf der Außenfläche ein, erwärmt sich und leitet Wärme an die Innenfläche, wo sie später am Tag von der Innenwandfläche in den Innenraum abstrahlt. Eine Wasserwand verwendet eine Art von thermischer Masse, die aus Tanks oder Wasserröhren besteht, die als thermische Masse verwendet werden.

Eine typische unbelüftete Wärmespeicherwand besteht aus einer nach Süden gerichteten Mauer- oder Betonmauer mit einem dunklen, wärmeabsorbierenden Material auf der Außenfläche und ist mit einer einzelnen oder doppelten Glasschicht versehen. Hochtransmissionsglas maximiert die solaren Gewinne zur Massenwand. Das Glas wird 20 bis 150 mm von der Wand entfernt platziert, um einen kleinen Luftraum zu schaffen. Glasrahmen ist typischerweise Metall (z. B. Aluminium), weil Vinyl weich wird und Holz bei 180 ° F (82 ° C) Temperatur, die hinter dem Glas in der Wand existieren kann, supergetrocknet wird. Wärme von Sonnenlicht, das durch das Glas strömt, wird von der dunklen Oberfläche absorbiert, in der Wand gespeichert und langsam durch das Mauerwerk nach innen geleitet. Als architektonisches Detail kann strukturiertes Glas die Außensichtbarkeit der Wand begrenzen, ohne die Durchlässigkeit der Sonne zu beeinträchtigen.

Eine Wasserwand verwendet Behälter mit Wasser für thermische Masse anstelle einer festen Massewand. Wasserwände sind typischerweise etwas effizienter als feste Wände, da sie Wärme aufgrund der Entwicklung von Konvektionsströmen in dem flüssigen Wasser, wenn es erwärmt wird, effizienter absorbieren. Diese Ströme verursachen eine schnelle Vermischung und eine schnellere Wärmeübertragung in das Gebäude, als dies durch die Wände der festen Masse möglich ist.

Temperaturschwankungen zwischen den äußeren und inneren Wandflächen treiben Wärme durch die Massewand. Im Inneren des Gebäudes ist der Anstieg der Tageshitze jedoch verzögert und wird erst am Abend verfügbar, wenn er benötigt wird, weil die Sonne untergegangen ist. Die Zeitverzögerung ist der Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt, wenn das Sonnenlicht zuerst auf die Wand trifft und wenn die Wärme in das Gebäudeinnere eintritt. Die Zeitverzögerung ist abhängig von der Art des Materials, das in der Wand verwendet wird, und der Wandstärke; eine größere Dicke ergibt eine größere Zeitverzögerung. Die Zeitverzögerungscharakteristik der thermischen Masse, kombiniert mit der Dämpfung von Temperaturschwankungen, ermöglicht die Verwendung von variierender Tages-Solarenergie als eine gleichmäßigere Nachtwärmequelle. Fenster können aus natürlichen oder ästhetischen Gründen in die Wand gestellt werden, was jedoch die Effizienz etwas verringert.

Die Dicke einer Wärmespeicherwand sollte etwa 10 bis 14 Zoll (250 bis 350 mm) für Ziegelstein, 12 bis 18 Zoll (300 bis 450 mm) für Beton und 8 bis 12 Zoll (200 bis 300 mm) für Erde / Lehm betragen und mindestens 6 in (150 mm) für Wasser. Diese Dicken verzögern die Bewegung der Wärme, so dass die Oberflächentemperaturen der Innenräume während der späten Abendstunden ihren Höhepunkt erreichen. Die Wärme wird etwa 8 bis 10 Stunden benötigen, um das Innere des Gebäudes zu erreichen (Wärme wandert durch eine Betonwand mit einer Rate von etwa einem Zoll pro Stunde). Eine gute thermische Verbindung zwischen den Innenwandabschlüssen (z. B. Trockenbauwänden) und der Wand mit thermischer Masse ist notwendig, um die Wärmeübertragung auf den Innenraum zu maximieren.

Obwohl die Position einer Wärmespeicherwand die tagsüber auftretende Überhitzung des Innenraums minimiert, sollte ein gut gedämmtes Gebäude auf etwa 0,2 bis 0,3 Fuß2 der Wandfläche der thermisch wirksamen Masse pro ft² der zu beheizenden Bodenfläche (0,2 bis 0,3 m² pro m²) beschränkt werden Bodenfläche), abhängig vom Klima. Eine Wasserwand sollte ca. 0,15 bis 0,2 ft2 Wasserwandfläche pro ft2 (0,15 bis 0,2 m2 pro m2) Bodenfläche haben.

Thermische Massivwände eignen sich am besten für sonnige Wintergebiete mit hohen Tages- und Nachttemperaturschwankungen (zB Südwest, Berg-West). Sie funktionieren nicht so gut in trüben oder extrem kalten Klimazonen oder in Klimazonen, in denen es keine große Tagesschwankung gibt. Die nächtlichen thermischen Verluste durch die thermische Masse der Wand können in trüben und kalten Klimazonen immer noch signifikant sein; Die Wand verliert gespeicherte Wärme in weniger als einem Tag und gibt dann Wärme ab, was den Heizbedarf für die Heizung dramatisch erhöht. Die Abdeckung der Verglasung mit eng anliegenden, beweglichen Isolierplatten während längerer Bewölkungsperioden und Nachtstunden verbessert die Leistung eines Wärmespeichersystems.

Der Hauptnachteil von Wärmespeicherwänden ist ihr Wärmeverlust nach außen. Doppeltes Glas (Glas oder irgendeines der Kunststoffe) ist notwendig, um den Wärmeverlust in den meisten Klimazonen zu reduzieren. In milden Klimazonen ist ein einzelnes Glas akzeptabel. Eine selektive Oberfläche (hochabsorbierende / niedrig emittierende Oberfläche), die auf die äußere Oberfläche der Wärmespeicherwand aufgebracht wird, verbessert die Leistung durch Reduzieren der Menge an Infrarotenergie, die durch das Glas zurückgestrahlt wird; In der Regel wird eine ähnliche Leistungsverbesserung erzielt, ohne dass die Dämmplatten täglich installiert und entfernt werden müssen. Eine selektive Oberfläche besteht aus einer Metallfolie, die an die Außenfläche der Wand geklebt ist. Es absorbiert fast die gesamte Strahlung im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums und emittiert sehr wenig im Infrarotbereich. Durch die hohe Saugfähigkeit wird das Licht an der Wandoberfläche in Wärme umgewandelt, und eine geringe Emittanz verhindert, dass Wärme in das Glas zurückstrahlt.

Dach-Teich-System

Ein passives Solar-Dachsystem, manchmal auch als Solardach bezeichnet, verwendet auf dem Dach gelagertes Wasser, um heiße und kalte Innentemperaturen zu mildern, üblicherweise in Wüstenumgebungen. Es besteht typischerweise aus Behältern mit einem Wasserinhalt von 150 bis 300 mm auf einem Flachdach. Wasser wird in großen Plastiktüten oder Glasfaserbehältern gelagert, um die Strahlungsemissionen zu maximieren und die Verdunstung zu minimieren. Es kann unglasiert bleiben oder durch Verglasungen abgedeckt werden. Sonnenstrahlung erwärmt das Wasser, das als thermisches Speichermedium fungiert. In der Nacht oder bei Bewölkung können die Container mit Dämmplatten abgedeckt werden. Der Innenraum unterhalb des Dachwasserteichs wird durch Wärmeenergie aus dem darüber liegenden Dachwasserspeicher beheizt. Diese Systeme erfordern gute Entwässerungssysteme, eine bewegliche Isolierung und ein verbessertes Struktursystem, um eine Eigenlast von 1,7 bis 3,3 kN / m² (35 bis 70 lb / ft²) zu tragen.

Mit den Einfallswinkeln des Sonnenlichts während des Tages, sind Dach-Teiche nur für das Heizen in den unteren und mittleren Breiten, in den heißen zu temperierten Klimas effektiv. Roof-Teich-Systeme funktionieren besser für die Kühlung in heißen, feuchten Klimazonen. Es sind nicht viele Solardächer gebaut worden, und es gibt nur wenige Informationen über Design, Kosten, Leistung und Konstruktionsdetails von Wärmespeicherdächern.

Isoliertes Sonnensystem
Bei einer isolierten passiven passiven Solaranlage sind die Komponenten (z. B. Kollektor und Wärmespeicher) vom Innenbereich des Gebäudes isoliert.

Ein angebrachter Sonnenraum, der manchmal auch als Solarraum oder Solarium bezeichnet wird, ist eine Art von isoliertem Gewinnsystem mit einem verglasten Innenraum oder Raum, der Teil eines Gebäudes ist oder an einem Gebäude befestigt ist, aber vollständig von den Hauptarbeitsbereichen abgeschlossen werden kann. Es funktioniert wie ein angehängtes Gewächshaus, das eine Kombination von Systemeigenschaften mit direkter Verstärkung und indirekter Verstärkung verwendet. Ein Sonnenraum kann wie ein Gewächshaus genannt werden und erscheinen, aber ein Gewächshaus ist entworfen, um Pflanzen anzubauen, während ein Sonnenraum entworfen ist, um Wärme und Ästhetik einem Gebäude zur Verfügung zu stellen. Sunspaces sind sehr beliebte passive Designelemente, da sie die Wohnbereiche eines Gebäudes erweitern und einen Raum für Pflanzen und andere Vegetation bieten. In gemäßigten und kalten Klimazonen ist jedoch eine zusätzliche Raumheizung erforderlich, um die Pflanzen bei extrem kaltem Wetter am Einfrieren zu hindern.

Das nach Süden ausgerichtete Glas eines befestigten Sonnenraums sammelt Sonnenenergie wie in einem direkten Gain-System. Die einfachste Lösung für den Sonnenschutz ist die Installation von vertikalen Fenstern ohne Überkopfverglasung. Sonnenräume können durch ihre Fülle von Verglasungen eine hohe Wärmezunahme und einen hohen Wärmeverlust erfahren. Obwohl horizontale und schräge Verglasungen im Winter mehr Wärme aufnehmen, wird dies minimiert, um eine Überhitzung während der Sommermonate zu vermeiden. Obwohl Überkopfverglasungen ästhetisch ansprechend sein können, bietet ein isoliertes Dach eine bessere thermische Leistung. Oberlichter können verwendet werden, um ein gewisses Tageslichtpotenzial zu bieten. Vertikale Verglasungen können den Gewinn im Winter maximieren, wenn der Sonnenstand niedrig ist, und im Sommer weniger Wärme gewinnen. Vertikales Glas ist weniger teuer, einfacher zu installieren und zu isolieren und nicht so anfällig für Undichtigkeit, Beschlagen, Brechen und andere Glasausfälle. Eine Kombination von Vertikalverglasung und einigen Schrägverglasungen ist akzeptabel, wenn Sommerschattierungen vorgesehen sind. Ein gut ausgelegter Überhang kann ausreichen, um die Verglasung im Sommer zu beschatten.

Die Temperaturschwankungen, die durch die Wärmeverluste und -gewinne verursacht werden, können durch Fenster mit thermischer Masse und niedrigem Emissionsvermögen gemildert werden. Die thermische Masse kann einen gemauerten Boden, eine an das Haus angrenzende Mauer oder Wasserbehälter umfassen. Die Wärmeverteilung an das Gebäude kann durch Decken- und Bodenbelüftungen, Fenster, Türen oder Ventilatoren erfolgen. Bei einer üblichen Konstruktion wird die thermische Massenwand, die auf der Rückseite des Sonnenraums angrenzend an den Wohnraum angeordnet ist, wie eine Wand mit indirekter thermischer Masse funktionieren. Sonnenenergie, die in den Sonnenraum eintritt, bleibt in der thermischen Masse erhalten. Solare Wärme wird in das Gebäude durch Leitung durch die gemeinsame Massewand im hinteren Teil des Sonnenraums und durch Lüftungsöffnungen (wie eine unbelüftete Wärmespeicherwand) oder durch Öffnungen in der Wand, die durch Konvektion einen Luftstrom vom Sonnenraum in den Innenraum ermöglichen, geleitet. wie eine belüftete Wärmespeicherwand).

In kalten Klimazonen sollte eine Doppelverglasung verwendet werden, um die Leitungsverluste durch das Glas nach außen zu reduzieren. Der nächtliche Wärmeverlust, obwohl er während der Wintermonate signifikant ist, ist im Sonnenraum nicht so wesentlich wie bei direkten Gewinnsystemen, da der Sonnenraum vom Rest des Gebäudes abgeschlossen werden kann. In gemäßigten und kalten Klimazonen ist die thermische Isolierung des Sonnenraums vom Gebäude in der Nacht wichtig. Große Glaspaneele, Fenstertüren oder Glasschiebetüren zwischen dem Gebäude und dem angeschlossenen Sonnenraum erhalten ein offenes Gefühl ohne den Wärmeverlust, der mit einem offenen Raum verbunden ist.

Ein Sonnenraum mit einer gemauerten Thermowand benötigt etwa 0,3 ft2 thermische Wandfläche pro ft2 der zu beheizenden Bodenfläche (0,3 m2 pro m2 Bodenfläche), abhängig vom Klima. Die Wandstärken sollten einer Wärmespeicherwand ähnlich sein. Wenn eine Wasserwand zwischen dem Sonnenraum und dem Wohnraum verwendet wird, ist eine thermische Wandfläche von etwa 0,22 m 2 pro ft 2 der zu beheizenden Bodenfläche (0,2 m2 pro m 2 der Bodenfläche) angemessen. In den meisten Klimazonen ist in den Sommermonaten ein Lüftungssystem erforderlich, um Überhitzung zu vermeiden. Im Allgemeinen sollten große Dachflächen (horizontal) und nach Osten und Westen ausgerichtete Glasflächen in einem Sonnenbereich nicht ohne besondere Vorkehrungen für sommerliche Überhitzung verwendet werden, wie zum Beispiel die Verwendung von hitzereflektierendem Glas und die Bereitstellung von Sonnenschutzanlagen.

Die inneren Oberflächen der thermischen Masse sollten eine dunkle Farbe haben. Bewegliche Isolierung (z. B. Fensterabdeckungen, Jalousien, Rollläden) kann verwendet werden, um die warme Luft im Sonnenbereich sowohl nach Sonnenuntergang als auch bei bewölktem Wetter einzufangen. Wenn sie an extrem heißen Tagen geschlossen sind, können Fensterverkleidungen dazu beitragen, den Sonnenraum vor Überhitzung zu schützen.

Um den Komfort und die Effizienz zu maximieren, sollten die nicht aus Glas bestehenden Sonnenschutzwände, die Decke und das Fundament gut isoliert sein. Der Umfang der Fundamentwand oder -platte sollte bis zur Frostlinie oder um den Plattenrand herum isoliert sein. In einem gemäßigten oder kalten Klima sollten die Ost- und Westwände des Sonnenraums isoliert sein (kein Glas).

Zusätzliche Maßnahmen
Es sollten Maßnahmen getroffen werden, um den Wärmeverlust in der Nacht zu reduzieren, z. B. Fensterabdeckungen oder bewegliche Fensterisolierungen.

Wärmespeicherung
Die Sonne scheint nicht die ganze Zeit. Wärmespeicher oder thermische Masse halten das Gebäude warm, wenn die Sonne es nicht erhitzen kann.

In tagaktiven Solarhäusern ist der Speicher für ein oder wenige Tage ausgelegt. Die übliche Methode ist eine individuell konstruierte thermische Masse. Dazu gehören eine Trombe-Wand, ein belüfteter Betonboden, eine Zisterne, eine Wasserwand oder ein Dachteich. Es ist auch möglich, die thermische Masse der Erde selbst zu verwenden, entweder als solche oder durch Einbau in die Struktur durch Bankieren oder Verwenden von Stampferde als strukturelles Medium.

In subarktischen Gebieten oder Gebieten mit langen Laufzeiten ohne solaren Gewinn (z. B. Wochen mit gefrierendem Nebel) ist eine speziell angefertigte thermische Masse sehr teuer. Don Stephens hat eine experimentelle Technik entwickelt, um den Boden als thermische Masse zu nutzen, die groß genug ist, um den Wärmespeicher auf Jahresbasis zu speichern. Seine Entwürfe führen einen isolierten Thermosiphon 3 m unter einem Haus und isolieren den Boden mit einem 6 m wasserdichten Rock.

Isolierung
Wärmedämmung oder Superisolation (Art, Platzierung und Menge) reduziert unerwünschte Wärmeverluste. Einige passive Gebäude sind tatsächlich aus Dämmung gebaut.

Spezielle Verglasungssysteme und Fensterverkleidungen
Die Wirksamkeit direkter Solargewinnsysteme wird durch isolierende (z. B. Doppelverglasung), spektral selektive Verglasung (low-e) oder bewegliche Fensterisolierung (Fenstersteppdecken, zweischalige Innendämmverschlüsse, Jalousien etc.) deutlich erhöht.

Im Allgemeinen sollten Fenster mit Äquatorfenstern keine Glasurbeschichtungen verwenden, die den solaren Gewinn behindern.

Die Verwendung von hochgedämmten Fenstern im deutschen Passivhaus-Standard ist weit verbreitet. Die Auswahl einer unterschiedlichen spektralselektiven Fensterbeschichtung hängt von dem Verhältnis der Erwärmungs- zu den Abkühlgradtagen für den Designort ab.

Verglasungsauswahl

Äquator zugewandtes Glas
Die Anforderung für vertikal äquatorgeordnetes Glas unterscheidet sich von den anderen drei Seiten eines Gebäudes. Reflektierende Fensterbeschichtungen und mehrere Glasscheiben können den nutzbaren Solargewinn reduzieren. Direct-Gain-Systeme sind jedoch mehr auf Doppel- oder Dreifachverglasung angewiesen, um den Wärmeverlust zu reduzieren. Indirekte Gain- und Isolated-Gain-Konfigurationen können unter Umständen nur mit Einscheibenverglasungen effektiv funktionieren. Dennoch ist die optimale kostengünstige Lösung sowohl standort- als auch systemabhängig.

Dach-Winkel-Glas und Oberlichter
Oberlichter lassen raues, direktes Überkopf-Sonnenlicht zu und blenden entweder horizontal (Flachdach) oder im gleichen Winkel wie die Dachschräge. In einigen Fällen werden horizontale Oberlichter mit Reflektoren verwendet, um die Intensität der Sonnenstrahlung (und starke Blendung) in Abhängigkeit vom Dacheinfallswinkel zu erhöhen. Wenn die Wintersonne tief am Horizont steht, wird die meiste Sonnenstrahlung vom Dach abgewinkelt (der Einfallswinkel ist fast parallel zum Dachwinkel, morgens und nachmittags). Wenn die Sommersonne hoch ist, ist sie fast senkrecht zu Dachneigungsglas, was den Solargewinn zur falschen Jahreszeit maximiert und wie ein Sonnenofen wirkt. Oberlichter sollten überdacht und gut isoliert sein, um die natürliche Konvektion (warme Luft steigt auf), den Wärmeverlust in kalten Winternächten und den starken Anstieg der solaren Wärme während heißer Frühlings- / Sommer- / Herbsttage zu reduzieren.

Die dem Äquator zugewandte Seite eines Gebäudes befindet sich südlich der nördlichen Hemisphäre und nördlich der südlichen Hemisphäre. Oberlichter auf Dächern, die vom Äquator abgewandt sind, sorgen für eine weitgehend indirekte Beleuchtung, mit Ausnahme von Sommertagen, wenn die Sonne auf der nicht-äquatorialen Seite des Gebäudes (in einigen Breitengraden) aufgehen kann. Oberlichter auf Ostdächern sorgen im Sommermorgen für maximales direktes Licht und solare Wärmegewinnung. Nach Westen gerichtete Oberlichter bieten Nachmittagssonnenlicht und Wärmegewinn während des heißesten Teils des Tages.

Einige Oberlichter haben teure Verglasungen, die den solaren Wärmegewinn im Sommer teilweise reduzieren und dennoch eine gewisse Durchlässigkeit für sichtbares Licht ermöglichen. Wenn jedoch sichtbares Licht durch sie hindurchtreten kann, kann dies auch zu einer gewissen Strahlungswärmeverstärkung führen (beide sind elektromagnetische Strahlungswellen).

Sie können einen Teil der unerwünschten Sonneneinstrahlung durch Sonneneinstrahlung reduzieren, indem Sie ein Dachfenster im Schatten von laubabwerfenden Bäumen installieren, oder indem Sie eine bewegliche, isolierte undurchsichtige Fensterabdeckung an der Innenseite oder Außenseite des Dachfensters anbringen . Dies würde den Tageslichtnutzen im Sommer eliminieren. Wenn Äste über einem Dach hängen, erhöhen sie die Probleme mit Laub in Regenrinnen, verursachen möglicherweise dachschädigende Eisdämme, verkürzen die Lebensdauer des Daches und bieten Schädlingen einen leichteren Zugang zu Ihrem Dachboden. Blätter und Zweige an Oberlichtern sind unansehnlich, schwer zu reinigen und können das Glasbruchrisiko bei Stürmen erhöhen.

“Sägezahn-Dachverglasungen” mit nur vertikalen Glasscheiben können einen Teil der Vorteile der passiven solaren Gebäudeplanung in den Kern eines Gewerbe- oder Industriegebäudes bringen, ohne dass dachwinkelige Glas- oder Oberlichter erforderlich sind.

Oberlichter sorgen für Tageslicht. Die einzige Ansicht, die sie bieten, ist in den meisten Anwendungen im Wesentlichen gerade. Gut isolierte Lichtröhren können Tageslicht in nördliche Räume bringen, ohne ein Oberlicht zu verwenden. Ein Passiv-Solar-Gewächshaus versorgt die Äquatorseite des Gebäudes mit reichlich Tageslicht.

Infrarot-Thermografie-Farb-Wärmebildkameras (die in formellen Energie-Audits verwendet werden) können die negativen thermischen Auswirkungen von Dachneigungs-Glas oder einem Oberlicht in einer kalten Winternacht oder einem heißen Sommertag schnell dokumentieren.

Das US-Energieministerium sagt: “Vertikale Verglasung ist die beste Option für Sonnenplätze.” Dachgekipptes Glas und Seitenwandglas sind nicht für passive Solar-Sonnenräume zu empfehlen.

Das US-DOE erläutert Nachteile von Dachneigungsverglasungen: Glas und Kunststoff haben geringe strukturelle Festigkeit. Bei senkrechtem Einbau trägt Glas (oder Kunststoff) sein Eigengewicht, da nur ein kleiner Bereich (die Oberkante der Verglasung) der Schwerkraft unterliegt. Wenn das Glas jedoch von der vertikalen Achse abfällt, muss eine vergrößerte Fläche (jetzt der geneigte Querschnitt) der Verglasung die Schwerkraft tragen. Glas ist auch spröde; Es biegt sich nicht viel vor dem Bruch. Um dem entgegenzuwirken, müssen Sie in der Regel die Dicke der Verglasung erhöhen oder die Anzahl der tragenden Stützen für die Verglasung erhöhen. Beides erhöht die Gesamtkosten, und letzteres wird die Menge an Solargewinn in den Sonnenraum reduzieren.

Ein weiteres häufiges Problem bei Schrägverglasungen ist die erhöhte Witterungseinwirkung. Es ist schwierig, eine gute Abdichtung auf dachwinkeligem Glas bei intensiver Sonneneinstrahlung aufrechtzuerhalten. Hagel, Schneeregen, Schnee und Wind können Materialversagen verursachen. Für die Sicherheit von Insassen verlangen Aufsichtsbehörden üblicherweise, dass schräges Glas aus Sicherheitsglas, laminiert oder einer Kombination daraus hergestellt wird, wodurch das Solarverstärkungspotenzial verringert wird. Das Dachgewölbe des Crowne Plaza Hotel Orlando Airport wurde größtenteils durch einen einzigen Sturm zerstört. Dachwinkelglas erhöht die Baukosten und kann die Versicherungsprämien erhöhen. Vertikales Glas ist weniger anfällig für Wetterschäden als Dachglas.

Es ist schwierig, im Sommer und sogar während eines milden und sonnigen Wintertages den solaren Wärmegewinn in einem Sonnenbereich mit geneigter Verglasung zu kontrollieren. Skylights sind die Antithese des Passivhaus-Passiv-Solarkühlens in Klimazonen mit einer Klimatisierungsanforderung.

Winkel der einfallenden Strahlung
Die Höhe der solaren Verstärkung, die durch Glas übertragen wird, wird auch durch den Winkel der einfallenden Sonnenstrahlung beeinflusst. Sonnenlicht, das auf eine einzelne Glasscheibe innerhalb von 45 Grad senkrecht trifft, wird größtenteils übertragen (weniger als 10% wird reflektiert), wohingegen für Sonnenlicht, das bei 70 Grad von senkrecht fällt, über 20% Licht reflektiert wird, und über 70 Grad steigt dieser Prozentsatz stark an .

All diese Faktoren können mit einem fotografischen Belichtungsmesser und einem Heliodon oder einer optischen Bank genauer modelliert werden, die das Verhältnis von Reflektivität zu Transmission basierend auf dem Einfallswinkel quantifizieren können.

Alternativ kann eine passive Solar-Computer-Software die Auswirkung von Sonnenkursen und Kühl- und Heizgrad-Tagen auf die Energieleistung bestimmen.

Bedienbare Beschattungs- und Isoliervorrichtungen
Ein Design mit zu viel äquatorseitigem Glas kann zu übermäßiger Winter-, Frühlings- oder Herbsttagheizung, unangenehm hellen Wohnräumen zu bestimmten Zeiten des Jahres und übermäßiger Wärmeübertragung an Winternächten und Sommertagen führen.

Obwohl sich die Sonne 6 Wochen vor und nach der Sonnenwende in der gleichen Höhe befindet, sind die Anforderungen an Heizung und Kühlung vor und nach der Sonnenwende deutlich unterschiedlich. Wärmespeicherung auf der Erdoberfläche verursacht “thermische Verzögerung”. Variable Wolkenbedeckung beeinflusst das solare Gewinnpotenzial. Dies bedeutet, dass Breitengrad-fixierte Fensterüberhänge, obwohl sie wichtig sind, keine vollständige saisonale Solarverstärkungssteuerungslösung sind.

Steuerungsmechanismen (wie manuell oder motorisch betriebene isolierte Innenabdeckungen, Rollläden, außen herunterrollende Rollos oder versenkbare Markisen) können die durch thermische Verzögerung oder Wolkendecke verursachten Unterschiede ausgleichen und dabei helfen, die täglichen / stündlichen Schwankungen der Solarverstärkungsanforderung zu steuern.

Hausautomationssysteme, die Temperatur, Sonnenlicht, Tageszeit und Raumbelegung überwachen, können motorisierte Fensterbeschattungs- und -isolierungsgeräte präzise steuern.

Außenfarben reflektieren – absorbieren
Materialien und Farben können gewählt werden, um Solarthermie zu reflektieren oder zu absorbieren. Die Verwendung von Informationen über eine Farbe für elektromagnetische Strahlung zur Bestimmung ihrer Wärmestrahlungseigenschaften der Reflexion oder Absorption kann die Auswahl unterstützen.