No projeto de construção solar passiva, janelas, paredes e pisos são feitos para coletar, armazenar, refletir e distribuir energia solar na forma de calor no inverno e rejeitar o calor solar no verão. Isso é chamado de design solar passivo porque, ao contrário dos sistemas de aquecimento solar ativo, não envolve o uso de dispositivos mecânicos e elétricos.

A chave para projetar um edifício solar passivo é aproveitar melhor o clima local, realizando uma análise precisa do local. Os elementos a serem considerados incluem colocação e tamanho da janela e tipo de vidro, isolamento térmico, massa térmica e sombreamento. As técnicas de design solar passivo podem ser aplicadas com mais facilidade a novos edifícios, mas os edifícios existentes podem ser adaptados ou “readaptados”.

Ganho de energia passiva
As tecnologias solares permitem o uso da luz solar sem sistemas mecânicos ativos (em contraste com a energia solar ativa). Tais tecnologias convertem a luz solar em calor utilizável (em água, ar e massa térmica), causam movimento de ar para ventilação, ou uso futuro, com pouco uso de outras fontes de energia. Um exemplo comum é um solário no lado do equador de um edifício. O resfriamento passivo é o uso dos mesmos princípios de design para reduzir os requisitos de resfriamento no verão.

Alguns sistemas passivos usam uma pequena quantidade de energia convencional para controlar amortecedores, persianas, isolamento noturno e outros dispositivos que melhoram a coleta, o armazenamento e o uso da energia solar e reduzem a transferência de calor indesejável.

As tecnologias solares passivas incluem ganho solar direto e indireto para aquecimento de ambientes, sistemas de aquecimento solar de água baseados em termossifão, uso de massa térmica e materiais de mudança de fase para reduzir a temperatura do ar interno, fogões solares, a chaminé solar para melhorar a ventilação natural e abrigo terra.

Mais amplamente, as tecnologias solares passivas incluem o forno solar, mas isso normalmente requer alguma energia externa para alinhar seus espelhos concentradores ou receptores, e historicamente não provou ser prático ou rentável para uso generalizado. As necessidades energéticas de “baixo grau”, como o aquecimento do espaço e da água, provaram ao longo do tempo serem melhores aplicações para o uso passivo de energia solar.

Como uma ciência
A base científica para o projeto de construção solar passiva foi desenvolvida a partir de uma combinação de climatologia, termodinâmica (particularmente transferência de calor: condução (calor), convecção e radiação eletromagnética), mecânica de fluidos / convecção natural (movimento passivo de ar e água sem o uso de eletricidade, ventiladores ou bombas), e conforto térmico humano baseado no índice de calor, psicrometria e controle de entalpia para edifícios a serem habitados por seres humanos ou animais, solários, solários e estufas para criação de plantas.

Atenção específica é dividida em: o local, localização e orientação solar do edifício, caminho solar local, o nível de insolação predominante (latitude / sol / nuvens / precipitação), design e qualidade de construção / materiais, localização / tamanho / tipo de janelas e paredes, e incorporação de massa térmica armazenadora de energia solar com capacidade térmica.

Embora essas considerações possam ser direcionadas a qualquer edifício, a obtenção de uma solução otimizada de custo / desempenho ideal requer cuidadosa e holística engenharia de integração de sistemas desses princípios científicos. Refinamentos modernos por meio de modelagem computacional (como o abrangente software de simulação de energia de edifícios Energy Plus do Departamento de Energia dos Estados Unidos) e a aplicação de décadas de lições aprendidas (desde a crise energética dos anos 70) podem alcançar economias significativas de energia e redução de danos ambientais sacrificando funcionalidade ou estética. Na verdade, as características do design solar passivo, como uma estufa / marquise / solário, podem melhorar muito a habitabilidade, a luz do dia, as vistas e o valor de uma casa, a um baixo custo por unidade de espaço.

Muito se aprendeu sobre o projeto de construção solar passiva desde a crise energética dos anos 70. Muitos experimentos de construção dispendiosos, não-científicos e baseados na intuição, tentaram e falharam em alcançar energia zero – a eliminação total de contas de energia de aquecimento e resfriamento.

A construção de edifícios solares passivos pode não ser difícil ou cara (usando materiais e tecnologia disponíveis no mercado), mas o projeto científico de construção solar passiva é um esforço de engenharia não trivial que requer estudo significativo das lições aprendidas anteriormente contra-intuitivas, e tempo para entrar, avaliar e refinar de forma iterativa a entrada e a saída da simulação.

Uma das mais úteis ferramentas de avaliação pós-construção tem sido o uso da termografia usando câmeras digitais de imagem térmica para uma auditoria de energia científica quantitativa formal. A geração de imagens térmicas pode ser usada para documentar áreas com baixo desempenho térmico, como o impacto térmico negativo de vidro em ângulo de telhado ou uma clarabóia em uma noite fria de inverno ou em um dia quente de verão.

As lições científicas aprendidas nas últimas três décadas foram capturadas em sofisticados sistemas abrangentes de software de simulação de energia em edifícios (como o US DOE Energy Plus).

Projeto de construção solar passivo científico com otimização de produto de custo-benefício quantitativo não é fácil para um iniciante. O nível de complexidade resultou em uma arquitetura ruim em andamento e muitos experimentos de construção não-científicos baseados na intuição que desapontam seus projetistas e desperdiçam uma parte significativa de seu orçamento de construção em idéias inadequadas.

A motivação econômica para o design e a engenharia científica é significativa. Se tivesse sido aplicado de forma abrangente à construção de novos edifícios a partir de 1980 (com base nas lições aprendidas na década de 1970), os Estados Unidos poderiam economizar mais de US $ 250.000.000 por ano em energia cara e poluição relacionada hoje.

Desde 1979, o Passive Solar Building Design tem sido um elemento crítico para a obtenção de energia zero por experiências de instituições educacionais e governos em todo o mundo, incluindo o Departamento de Energia dos EUA e os cientistas de pesquisa de energia que eles apoiaram por décadas. A prova de conceito rentável foi estabelecida décadas atrás, mas a assimilação cultural em arquitetura, negócios de construção e tomada de decisões do proprietário do edifício tem sido muito lenta e difícil de mudar.

Os novos termos “Ciência Arquitetural” e “Tecnologia Arquitetural” estão sendo adicionados a algumas escolas de Arquitetura, com um objetivo futuro de ensinar os princípios científicos e de engenharia energética acima.

O caminho solar em design passivo
A capacidade de atingir esses objetivos simultaneamente depende fundamentalmente das variações sazonais no caminho do sol ao longo do dia.

Isso ocorre como resultado da inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à sua órbita. O caminho do sol é único para qualquer latitude.

No hemisfério norte, as latitudes não tropicais estão a mais de 23,5 graus do equador:

O sol alcançará seu ponto mais alto em direção ao sul (na direção do equador)
À medida que o solstício de inverno se aproxima, o ângulo em que o sol nasce e se põe progressivamente se move em direção ao sul e as horas do dia se tornarão mais curtas
O oposto é notado no verão, onde o sol se elevará e se estenderá em direção ao Norte e as horas de luz do dia aumentarão
O inverso é observado no hemisfério sul, mas o sol nasce para o leste e se põe em direção ao oeste, independentemente de qual hemisfério você esteja.

Nas regiões equatoriais a menos de 23,5 graus, a posição do sol no meio-dia solar irá oscilar de norte a sul e vice-versa durante o ano.

Em regiões próximas a 23,5 graus do polo norte ou sul, durante o verão o sol traçará um círculo completo no céu sem se fixar enquanto ele nunca aparecerá acima do horizonte seis meses depois, durante o auge do inverno.

A diferença de 47 graus na altitude do sol no meio-dia solar entre o inverno e o verão forma a base do design solar passivo. Essas informações são combinadas com os requisitos de aquecimento e resfriamento de dados climáticos locais (graus-dia) para determinar em que época do ano o ganho solar será benéfico para o conforto térmico e quando deve ser bloqueado com sombreamento. Através da colocação estratégica de itens como dispositivos de envidraçamento e sombreamento, a porcentagem de ganho solar que entra em um prédio pode ser controlada durante todo o ano.

Um problema de projeto de caminho solar solar passivo é que, embora o sol esteja na mesma posição relativa seis semanas antes e seis semanas depois, o solstício, devido a “atraso térmico” da massa térmica da Terra, a temperatura e os requisitos de ganho solar são bastante diferentes antes e depois do solstício de verão ou de inverno. Persianas móveis, persianas, telas de sombreamento ou colchas de janela podem acomodar os requisitos de ganho e isolamento solar do dia-a-dia e hora-hora.

O arranjo cuidadoso das salas completa o design solar passivo. Uma recomendação comum para residências residenciais é colocar áreas de estar voltadas para o meio-dia solar e dormitórios do lado oposto. Um heliodon é um dispositivo de luz móvel tradicional usado por arquitetos e designers para ajudar a modelar os efeitos do caminho do sol. Nos tempos modernos, a computação gráfica 3D pode simular visualmente esses dados e calcular previsões de desempenho.

Princípios passivos de transferência de calor solar
O conforto térmico pessoal é uma função dos fatores pessoais de saúde (médicos, psicológicos, sociológicos e situacionais), temperatura do ar ambiente, temperatura radiante média, movimento do ar (resfriado pelo vento, turbulência) e umidade relativa (afetando o resfriamento evaporativo humano). A transferência de calor em edifícios ocorre através de convecção, condução e radiação térmica através do telhado, paredes, chão e janelas.

Transferência de calor por convecção
A transferência de calor por convecção pode ser benéfica ou prejudicial. A infiltração descontrolada de ar devido à intempérie / intempérie / impermeabilização pode contribuir com até 40% de perda de calor durante o inverno; no entanto, a colocação estratégica de janelas ou aberturas operacionais pode melhorar a convecção, a ventilação cruzada e o resfriamento do verão quando o ar externo estiver em uma temperatura e umidade relativa confortáveis. Os sistemas de ventilação de recuperação de energia filtrada podem ser úteis para eliminar umidade, poeira, pólen e microrganismos indesejáveis ​​no ar de ventilação não filtrado.

A convecção natural que causa o aumento do ar quente e a diminuição do ar mais frio pode resultar em uma estratificação irregular do calor. Isso pode causar variações desconfortáveis ​​de temperatura no espaço condicionado superior e inferior, servir como um método de ventilação de ar quente ou ser projetado como um loop de fluxo de ar de convecção natural para distribuição de calor solar passiva e equalização de temperatura. O resfriamento humano natural pela transpiração e evaporação pode ser facilitado através de movimentos aéreos convectivos naturais ou forçados, mas ventiladores de teto podem perturbar as camadas de ar isolantes estratificadas no topo de uma sala e acelerar a transferência de calor de um sótão quente ou através de janelas próximas. . Além disso, a alta umidade relativa inibe o resfriamento evaporativo por seres humanos.

Transferência de calor por radiação
A principal fonte de transferência de calor é a energia radiante, e a fonte primária é o sol. A radiação solar ocorre predominantemente através do telhado e janelas (mas também através de paredes). A radiação térmica se move de uma superfície mais quente para uma mais fria. Os telhados recebem a maior parte da radiação solar fornecida a uma casa. Um teto frio, ou telhado verde, além de uma barreira radiante, pode ajudar a evitar que o seu sótão fique mais quente do que a temperatura máxima do ar externo no verão (ver albedo, absortividade, emissividade e refletividade).

As janelas são um local pronto e previsível para a radiação térmica. A energia da radiação pode se mover para uma janela durante o dia e sair da mesma janela à noite. Radiação usa fótons para transmitir ondas eletromagnéticas através de um vácuo ou meio translúcido. O ganho de calor solar pode ser significativo mesmo em dias claros frios. O ganho de calor solar através das janelas pode ser reduzido pelo envidraçamento, sombreamento e orientação isolados. As janelas são particularmente difíceis de isolar em comparação com o telhado e as paredes. Transferência de calor por convecção através e em torno de coberturas de janelas também degradam suas propriedades de isolamento. Quando as janelas de sombreamento, o sombreamento externo é mais eficaz na redução do ganho de calor do que as coberturas internas das janelas.

Sol ocidental e oriental podem fornecer calor e iluminação, mas são vulneráveis ​​ao superaquecimento no verão, se não sombreadas. Em contraste, o sol do meio-dia admite luz e calor durante o inverno, mas pode ser facilmente sombreado com saliências de comprimento apropriado ou lâminas inclinadas durante o verão e folhas com árvores de sombra de verão que perdem suas folhas no outono. A quantidade de calor irradiado recebida está relacionada à latitude de localização, altitude, cobertura de nuvens e ângulo de incidência sazonal / horário (ver o caminho do Sol e a lei cosseno de Lambert).

Outro princípio de projeto solar passivo é que a energia térmica pode ser armazenada em certos materiais de construção e liberada novamente quando o ganho de calor diminui para estabilizar as variações de temperatura diurna (dia / noite). A interação complexa dos princípios termodinâmicos pode ser contra-intuitiva para projetistas iniciantes. A modelagem precisa de computadores pode ajudar a evitar experimentos de construção caros.

Considerações específicas do site durante o design
Latitude, caminho do sol e insolação (sol)
Variações sazonais no ganho solar, por exemplo graus de resfriamento ou aquecimento, insolação solar, umidade
Variações diurnas na temperatura
Detalhes de micro-clima relacionados a brisas, umidade, vegetação e contorno da terra
Obstruções / sobre-sombreamento – para ganho solar ou ventos cruzados locais

Elementos de design para edifícios residenciais em climas temperados
Colocação de tipos de quartos, portas e paredes internas e equipamentos na casa.
Orientando o edifício para enfrentar o equador (ou alguns graus para o leste para capturar o sol da manhã)
Estendendo a dimensão do edifício ao longo do eixo leste / oeste
Janelas de dimensionamento adequado para enfrentar o sol do meio-dia no inverno e ser sombreadas no verão.
Minimizando janelas em outros lados, especialmente janelas ocidentais
Montagem de telhados específicos do tamanho da latitude, corretamente dimensionados, ou elementos sombreados (arbustos, árvores, treliças, cercas, persianas, etc.)
Usando a quantidade e o tipo apropriados de isolamento, incluindo barreiras radiantes e isolamento a granel, para minimizar o ganho ou perda de calor excessivo sazonal
Usando massa térmica para armazenar excesso de energia solar durante o dia de inverno (que é re-irradiado durante a noite)

A quantidade precisa de vidro e massa térmica do equador deve ser baseada na consideração cuidadosa da latitude, altitude, condições climáticas e requisitos do dia de aquecimento / resfriamento.

Fatores que podem degradar o desempenho térmico:

Desvio da orientação ideal e relação de aspecto norte / sul / leste / oeste
Superfície de vidro excessiva (“super-envidraçada”) resultando em superaquecimento (resultando também em reflexos e desbotamento do material macio) e perda de calor quando a temperatura do ar ambiente cai
Instalação de vidros onde o ganho solar durante o dia e as perdas térmicas durante a noite não podem ser facilmente controlados, por exemplo, vidros virados a oeste, em ângulo, clarabóias
Perdas térmicas através de vidros não isolados ou desprotegidos
Falta de sombreamento adequado durante períodos sazonais de alto ganho solar (especialmente na parede oeste)
Aplicação incorreta de massa térmica para modular variações diárias de temperatura
Escadas abertas que levam a uma distribuição desigual de ar quente entre os andares superior e inferior, à medida que o ar quente sobe
Superfície de construção elevada ao volume – Demasiados cantos
Climatização inadequada levando a alta infiltração de ar
Falta de, ou instalado incorretamente, barreiras radiantes durante a estação quente. (Veja também telhado fresco e telhado verde)
Materiais de isolamento que não correspondem ao modo principal de transferência de calor (por exemplo, transferência de calor convectiva / condutiva / radiante indesejável)

Eficiência e economia do aquecimento solar passivo
Tecnicamente, o PSH é altamente eficiente. Os sistemas de ganho direto podem utilizar (ou seja, converter em calor “útil”) 65 a 70% da energia da radiação solar que atinge a abertura ou o coletor.

A fração solar passiva (PSF) é a porcentagem da carga de calor necessária atendida pelo PSH e, portanto, representa uma redução potencial nos custos de aquecimento. A RETScreen International relatou um PSF de 20 a 50%. Dentro do campo da sustentabilidade, a conservação de energia da ordem de 15% é considerada substancial.

Outras fontes relatam os seguintes PSFs:

5 a 25% para sistemas modestos
40% para sistemas “altamente otimizados”
Até 75% para sistemas “muito intensos”
Em climas favoráveis, como o sudoeste dos Estados Unidos, sistemas altamente otimizados podem exceder 75% de PSF.

Paisagismo e jardins
Materiais de paisagismo eficientes em termos energéticos para escolhas solares passivas cuidadosas incluem material de construção em hardscape e plantas “softscape”. O uso de princípios de design de paisagem para seleção de árvores, sebes e características de treliça-pérgola com videiras; tudo pode ser usado para criar sombreamento de verão. Para o ganho solar no inverno, é desejável usar plantas decíduas que deixam cair suas folhas no outono dá benefícios solares passiva durante todo o ano. Arbustos e árvores perenes, não-decíduas, podem ser quebra-ventos, em alturas e distâncias variáveis, para criar proteção e abrigo contra a sensação térmica do inverno. Xeriscaping com espécies de plantas nativas e tolerantes à seca ‘adequadas ao tamanho maduro’, irrigação por gotejamento, cobertura morta e práticas de jardinagem orgânica reduzem ou eliminam a necessidade de irrigação intensiva de energia e água, equipamentos de jardinagem movidos a gás e reduzem o desperdício de aterros pegada. A iluminação da paisagem alimentada por energia solar e as bombas de fonte, as piscinas cobertas e as piscinas de imersão com aquecedores solares de água podem reduzir o impacto de tais comodidades.

Jardinagem sustentável
Paisagismo sustentável
Arquitetura paisagista sustentável

Outros princípios solares passivos

Iluminação solar passiva
As técnicas de iluminação solar passiva aumentam a vantagem da iluminação natural dos interiores e reduzem a dependência de sistemas de iluminação artificial.

Isto pode ser conseguido através de um cuidadoso projeto de construção, orientação e colocação de seções de janelas para coletar luz. Outras soluções criativas envolvem o uso de superfícies refletoras para admitir a luz do dia no interior de um edifício. As seções da janela devem ter o tamanho adequado e, para evitar a sobre-iluminação, ela pode ser protegida com um Brise soleil, toldos, árvores bem posicionadas, revestimentos de vidro e outros dispositivos passivos e ativos.

Outra questão importante para muitos sistemas de janelas é que eles podem ser locais potencialmente vulneráveis ​​de ganho térmico excessivo ou perda de calor. Embora a janela de alta qualidade e as clarabóias tradicionais possam introduzir a luz do dia em seções mal orientadas de um edifício, a transferência de calor indesejada pode ser difícil de controlar. Assim, a energia que é economizada pela redução da iluminação artificial é muitas vezes compensada pela energia necessária para operar sistemas HVAC para manter o conforto térmico.

Podem ser utilizados vários métodos para resolver este problema, incluindo, mas não limitados a coberturas de janelas, vidros isolados e materiais novos tais como isolamento semi- transparente de aerogel, fibra óptica embutida em paredes ou telhado, ou iluminação solar híbrida no Oak Ridge National Laboratory.

Elementos refletores, de coletores ativos e passivos de iluminação natural, como prateleiras de luz, cores mais claras nas paredes e pisos, seções de parede espelhadas, paredes internas com painéis superiores de vidro e portas articuladas transparentes ou translúcidas e portas deslizantes de vidro refletem passivamente mais para dentro. A luz pode ser de janelas passivas ou clarabóias e tubos de luz solar ou de fontes ativas de iluminação natural. Na arquitetura tradicional japonesa, as portas de correr deslizantes Shōji, com telas Washi translúcidas, são um precedente original. O estilo internacional, a arquitetura moderna modernista e do meio do século foram os primeiros inovadores dessa penetração e reflexão passiva em aplicações industriais, comerciais e residenciais.

Aquecimento de água solar passivo
Há muitas maneiras de usar a energia solar térmica para aquecer a água para uso doméstico. Diferentes tecnologias de água quente solar ativa e passiva têm diferentes implicações de análise de custo-benefício econômico específicas da localização.

O aquecimento solar passivo fundamental da água quente não envolve bombas nem nada elétrico. É muito rentável em climas que não têm condições meteorológicas muito baixas ou muito nublado. Outras tecnologias de aquecimento solar de água, etc., podem ser mais apropriadas para alguns locais.

É possível ter água quente solar ativa que também seja capaz de ser “desligada” e qualificada como sustentável. Isso é feito pelo uso de uma célula fotovoltaica que usa energia do sol para alimentar as bombas.

Clima e conforto
Todo edifício é construído para nos proteger e proteger do ambiente externo, criando um clima interior. Quando as condições do exterior impedem o conforto do espaço interior, são utilizados sistemas de aquecimento ou refrigeração.

Entre as medidas mais eficazes está a economia de energia através do uso de isolamento térmico. Mas conservar energia significa isolar-nos de fora, o design passivo procura abrir o edifício para o exterior de tal forma que o condicionamento natural possa ser alcançado.

Assim, o clima em que o edifício será localizado é definido pela temperatura, pelos níveis de umidade, pela velocidade e direção dos ventos e pela luz solar do local. Então as condições climáticas podem constituir uma desvantagem ou uma vantagem para uma eficiência energética adequada da casa. Conceitos simples da vida cotidiana são então aplicados, como:

Se estiver frio demais para se sentir confortável, então nos envolvemos = isolamento térmico
se é um dia ventoso e estamos com frio procuramos algum objeto para nos proteger e voltar ao conforto = proteção contra o vento
se estiver muito quente e estivermos no sol, procuramos a sombra = proteção solar
se está quente, mesmo à sombra, procuramos a brisa para nos refrescar = ventilação
se estiver quente e o ar estiver muito seco, procure alguma sombra e porão frio = massa térmica

Casa de montanha
Para uma casa de montanha localizada em um lugar onde é muito frio e há muito vento, queremos que o local seja em uma encosta ensolarada protegida do vento, incorporar isolamento térmico a tetos, paredes e janelas; localize as janelas para o sol do meio-dia, de preferência; Construa de tal forma que haja a menor quantidade de fendas onde o ar frio penetra e dissipa o calor interno.

Casa do deserto
Uma casa no deserto deve ser protegida da irradiação solar. Por outro lado, como a variação de temperatura entre o dia e a noite é alta, devido à falta de umidade no ar, é aconselhável fazer uso da massa térmica construindo paredes grossas com materiais locais. É necessário aproveitar a baixa temperatura noturna para resfriar a massa do prédio através de aberturas estrategicamente localizadas que permitem a ventilação.

A base de qualquer projeto ambientalmente consciente que se pretenda eficaz é uma resposta adequada às inconveniências e vantagens do clima do lugar. Se isso não for levado em conta, teremos que ir para sistemas mecânicos de condicionamento térmico, com o consumo de energia e as emissões de gases de efeito estufa resultantes.

Comparação com o padrão Passive House na Europa
Há um momento crescente na Europa para a abordagem adotada pelo Instituto Passivehaus (Passivhaus em alemão) na Alemanha. Em vez de depender exclusivamente de técnicas tradicionais de projeto solar passivo, essa abordagem busca utilizar todas as fontes passivas de calor, minimiza o uso de energia e enfatiza a necessidade de altos níveis de isolamento reforçados pela atenção meticulosa aos detalhes para abordar as pontes térmicas e infiltração de ar frio. A maioria dos edifícios construídos para o padrão Passive House também incorpora uma unidade de ventilação ativa de recuperação de calor com ou sem um pequeno componente de aquecimento incorporado (tipicamente 1 kW).

O projeto de energia dos edifícios Passive House é desenvolvido usando uma ferramenta de modelagem baseada em planilha chamada de Pacote de Planejamento Passivo Doméstico (PHPP), que é atualizada periodicamente. A versão atual é PHPP2007, onde 2007 é o ano de emissão. Um edifício pode ser certificado como uma “Casa Passiva” quando se pode demonstrar que cumpre certos critérios, sendo o mais importante que a demanda anual de calor específico para a casa não exceda 15 kWh / m2a.

Sistemas solares passivos
Os sistemas solares passivos são usados ​​principalmente para capturar e armazenar o calor da energia solar. Eles são chamados de passivos, pois outros dispositivos eletromecânicos não são usados ​​para recircular o calor. Isso acontece por causa de princípios físicos básicos, como condução, radiação e convecção de calor.

Ganho direto: é o sistema mais simples e envolve a captura da energia do sol por superfícies envidraçadas, dimensionadas para cada orientação e dependendo das necessidades térmicas do edifício ou das instalações a serem aquecidas.

Parede de acumulação não ventilada: também conhecida como parede trombe, que é uma parede construída com pedra, tijolos, concreto ou mesmo água, pintada de cor preta ou muito escura por fora. Para melhorar a captura, utiliza-se uma propriedade do vidro, que é gerar um efeito estufa, através do qual a luz visível entra e quando a parede é tocada, aquece-a, emitindo radiação infravermelha, que não consegue penetrar no vidro. Por esta razão, a temperatura da superfície escura e da câmara de ar entre a parede e o vidro aumenta.

Parede ventilada de acumulação: semelhante à anterior mas que incorpora orifícios na parte superior e inferior para facilitar a troca de calor entre a parede e a atmosfera mediante convecção.

Estufa anexa: neste caso, a parede ao meio-dia incorpora uma área envidraçada, que pode ser habitável, melhorando a captação de calor durante o dia, reduzindo as perdas de calor para o exterior.

Telhado de acumulação de calor: em certas latitudes é possível usar a superfície do telhado para capturar e acumular a energia do sol. Também conhecidas como lagoas solares, elas exigem dispositivos móveis complexos para evitar que o calor escape durante a noite.

Coleta solar e acúmulo de calor: é um sistema mais complexo e permite combinar o ganho direto por janelas com coletores solares de ar ou água quente para acumulá-lo sob o piso. Então, de maneira semelhante à parede do acumulador ventilado, o calor é trazido para o ambiente interno. Adequadamente dimensionado permite acumular calor por mais de sete dias.

Em quase todos os casos, pode ser usado como sistema de refrigeração passivo, invertendo o sentido operacional.

Ferramentas de design
Tradicionalmente, um heliodon era usado para simular a altitude e o azimute do sol que brilhava em um edifício modelo a qualquer hora de qualquer dia do ano. Nos tempos modernos, os programas de computador podem modelar esse fenômeno e integrar dados climáticos locais (incluindo impactos no local, como obscurecimento e obstruções físicas) para prever o potencial de ganho solar para um projeto de construção particular ao longo de um ano. Aplicativos para smartphone baseados em GPS podem agora fazer isso de forma barata em um dispositivo portátil. Essas ferramentas de projeto fornecem ao projetista solar passivo a capacidade de avaliar as condições locais, elementos de design e orientação antes da construção. A otimização do desempenho de energia normalmente requer um processo de design e avaliação de refinamento iterativo. Não existe um design de edifício solar passivo universal de “tamanho único” que funcione bem em todos os locais.

Níveis de aplicação
Muitas casas suburbanas destacadas podem obter reduções nas despesas de aquecimento sem mudanças óbvias em sua aparência, conforto ou usabilidade. Isso é feito usando boa localização e posicionamento da janela, pequenas quantidades de massa térmica, com isolamento bom, mas convencional, intempéries e uma fonte de calor suplementar ocasional, como um radiador central conectado a um aquecedor de água (solar). Os raios solares podem cair em uma parede durante o dia e elevar a temperatura de sua massa térmica. Isso irradia calor para o prédio à noite. O sombreamento externo, ou uma barreira radiante mais o intervalo de ar, pode ser usado para reduzir o ganho solar indesejável no verão.

Uma extensão da abordagem “solar passiva” para captura solar sazonal e armazenamento de calor e resfriamento. Esses projetos tentam capturar o calor solar da estação quente e transportá-lo para um armazenamento térmico sazonal para uso meses depois durante a estação fria (“solar passivo anualizado”). O armazenamento aumentado é obtido empregando-se grandes quantidades de massa térmica ou acoplamento terra. Relatos informais sugerem que podem ser eficazes, mas nenhum estudo formal foi realizado para demonstrar sua superioridade. A abordagem também pode mover o resfriamento para a estação quente. Exemplos:

Armazenamento passivo de calor anual (PAHS) – por John Hait
Aquecimento solar geotérmico anualizado (AGS) – por Don Stephen

Telhado aterrado
Uma casa de aquecimento solar “puramente passiva” não teria unidade de forno mecânico, contando apenas com energia captada da luz do sol, suplementada apenas por energia térmica “incidental” emitida por lâmpadas, computadores e outros aparelhos específicos para tarefas (tais como cozinhar, entretenimento, etc.), tomar banho, pessoas e animais de estimação. O uso de correntes de ar de convecção natural (em vez de dispositivos mecânicos, como ventiladores) para circulação de ar está relacionado, embora não seja estritamente design solar. O projeto de construção solar passiva, às vezes, usa controles elétricos e mecânicos limitados para operar amortecedores, persianas isolantes, persianas ou toldos. Alguns sistemas utilizam pequenos ventiladores ou chaminés com aquecimento solar para melhorar o fluxo de ar convectivo. Uma maneira razoável de analisar esses sistemas é medindo seu coeficiente de desempenho. Uma bomba de calor pode usar 1 J para cada 4 J que oferece, dando um COP de 4. Um sistema que usa apenas uma ventoinha de 30 W para distribuir mais uniformemente 10 kW de calor solar através de uma casa inteira teria um COP de 300.

O projeto de construção solar passiva é muitas vezes um elemento fundamental de uma construção de energia zero com boa relação custo-benefício. Embora um ZEB use múltiplos conceitos passivos de projeto de construção solar, um ZEB geralmente não é puramente passivo, tendo sistemas ativos de geração de energia renovável mecânica, tais como: turbina eólica, fotovoltaica, micro hidrelétrica, geotérmica e outras fontes de energia alternativas emergentes.

Projeto solar passivo em arranha-céus
Tem havido interesse recente na utilização de grandes quantidades de área de superfície em arranha-céus para melhorar sua eficiência energética global. Como os arranha-céus são cada vez mais onipresentes em ambientes urbanos, ainda que exijam grandes quantidades de energia para operar, há potencial para grandes economias de energia empregando técnicas de projeto solar passivas. Um estudo, que analisou a proposta torre 22 de Bishopsgate em Londres, descobriu que uma redução de 35% na demanda de energia pode, teoricamente, ser obtida através de ganhos solares indiretos, girando o prédio para obter ótima ventilação e penetração diurna, uso de material de revestimento de alta massa térmica para diminuir a flutuação de temperatura no interior do edifício e usar vidros duplos ou triplos de baixa emissividade para ganho solar directo. As técnicas indiretas de ganho solar incluíram moderar o fluxo de calor nas paredes por variações da espessura da parede (de 20 a 30 cm), usando vidros no espaço externo para evitar a perda de calor, dedicando de 15 a 20% da área útil para armazenamento térmico e implementando um Trombe. parede para absorver o calor que entra no espaço.As saliências são usadas para bloquear a luz direta do sol no verão, e permitir que no inverno, e as persianas refletoras de calor sejam inseridas entre a parede térmica e o vidro para limitar o acúmulo de calor nos meses de verão.

Outro estudo analisou a fachada de pele verde dupla (DGSF) na parte externa de prédios altos em Hong Kong. Tal fachada verde, ou vegetação cobrindo as paredes externas, pode combater o uso de ar condicionado – 80%, como descoberto pelos pesquisadores.

Em climas mais temperados, estratégias como o envidraçamento, ajuste da relação entre janela e parede, sombreamento do sol e estratégias de telhado podem oferecer consideráveis ​​economias de energia, na faixa de 30% a 60%.