O sistema de construção solar passiva está se tornando cada vez mais um estilo independente de arquitetura, que é formalmente na tradição do modernismo clássico e suas correntes e recepções, na subordinação do design sob a adequação (a forma segue a função, a escultura permanece em segundo plano) ser atribuído ao funcionalismo. 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”.

Principais configurações de construção solar passiva
Existem três configurações primárias de energia solar passiva:

sistema solar direto
sistema solar indireto
sistema solar isolado

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.

Sistema solar direto
Em um sistema solar passivo de ganho direto, o espaço interno atua como um coletor solar, absorvedor de calor e sistema de distribuição. Vidro voltado para o sul no hemisfério norte (voltado para o norte no hemisfério sul) admite energia solar no interior do prédio, onde aquece diretamente (absorção de energia radiante) ou aquece indiretamente (por convecção) massa térmica no prédio, como concreto ou alvenaria pisos e paredes. Os pisos e paredes que atuam como massa térmica são incorporados como partes funcionais do edifício e temperam a intensidade do aquecimento durante o dia. À noite, a massa térmica aquecida irradia calor para o espaço interno.

Em climas frios, um edifício temperado ao sol é o tipo mais básico de configuração solar passiva de ganho direto que simplesmente envolve aumentar (ligeiramente) a área envidraçada voltada para o sul, sem adicionar massa térmica adicional. É um tipo de sistema de ganho direto no qual o envelope do edifício é bem isolado, é alongado na direção leste-oeste e tem uma grande fração (~ 80% ou mais) das janelas no lado sul. Ele tem pouca massa térmica além do que já está no prédio (ou seja, apenas enquadramento, quadro de parede e assim por diante). Em um edifício temperado pelo sol, a área da janela voltada para o sul deve ser limitada a cerca de 5 a 7% da área total do piso, menos em um clima ensolarado, para evitar o superaquecimento. Vidros adicionais voltados para o sul podem ser incluídos somente se mais massa térmica for adicionada. Economias de energia são modestas com este sistema, e a têmpera do sol tem um custo muito baixo.

Em sistemas solares passivos de ganho direto genuíno, uma massa térmica suficiente é necessária para evitar grandes flutuações de temperatura no ar interno; mais massa térmica é necessária do que em um prédio de sol temperado. O sobreaquecimento do interior do edifício pode resultar em massa térmica insuficiente ou mal projetada. Cerca de metade a dois terços da superfície interna dos pisos, paredes e tetos devem ser construídos com materiais de armazenamento térmico. Materiais de armazenamento térmico podem ser concreto, adobe, tijolo e água. A massa térmica nos pisos e paredes deve ser mantida tão nua quanto funcional e esteticamente possível; a massa térmica precisa ser exposta à luz direta do sol. Carpetes de parede a parede, grandes tapetes, móveis expansivos e grandes tapeçarias devem ser evitados.

Tipicamente, para cerca de 1 ft2 de vidro virado para o sul, é necessária uma massa térmica de cerca de 5 a 10 pés3 para a massa térmica (1 m3 por 5 a 10 m2). Quando se trata de revestimentos e mobília de parede e piso mínimos a médios, isso normalmente equivale a cerca de 5 a 10 pés2 por ft2 (5 a 10 m2 por m2) de vidro virado para o sul, dependendo de a luz solar atingir diretamente a superfície. A regra mais simples é que a área de massa térmica deve ter uma área de 5 a 10 vezes a área da superfície da área do coletor de ganho direto (vidro).

Massa térmica sólida (por exemplo, concreto, alvenaria, pedra, etc.) deve ser relativamente fina, com espessura não superior a 100 mm. Massas térmicas com grandes áreas expostas e aquelas sob luz solar direta durante pelo menos uma parte do dia (mínimo de 2 horas) têm melhor desempenho. Cores de médio a escuro, com alta absortividade, devem ser usadas em superfícies de elementos de massa térmica que estarão sob luz solar direta. A massa térmica que não está em contato com a luz solar pode ser de qualquer cor. Elementos leves (por exemplo, paredes e tetos de drywall) podem ter qualquer cor. Cobrir o vidro com painéis de isolamento móveis e apertados durante períodos escuros e nublados e horas noturnas aumentará muito o desempenho de um sistema de ganho direto. A água contida na contenção de plástico ou metal e colocada na luz solar direta aquece mais rapidamente e de forma mais uniforme do que a massa sólida devido à transferência natural de calor por convecção. O processo de convecção também evita que as temperaturas da superfície se tornem muito extremas, como às vezes acontece quando as superfícies de massa sólida de cor escura recebem luz solar direta.

Dependendo do clima e com massa térmica adequada, a área de vidro voltada para o sul em um sistema de ganho direto deve ser limitada a cerca de 10 a 20% da área do piso (por exemplo, 10 a 20 pés2 de vidro para uma área de 100 pés2). Isto deve basear-se no vidro líquido ou na área envidraçada. Note que a maioria das janelas tem uma área líquida de vidro / vidro que é de 75 a 85% da área total da unidade da janela. Acima deste nível, problemas com superaquecimento, brilho e desbotamento de tecidos são prováveis.

Sistema solar indireto
Em um sistema solar passivo de ganho indireto, a massa térmica (concreto, alvenaria ou água) está localizada diretamente atrás do vidro virado para o sul e em frente ao espaço interno aquecido e, portanto, não há aquecimento direto A posição da massa impede a luz solar entra no espaço interior e também pode obstruir a vista através do vidro. Existem dois tipos de sistemas de ganho indireto: sistemas de parede de armazenamento térmico e sistemas de lago de cobertura.

Paredes de Armazenamento Térmico (Trombe)

Em um sistema de parede de armazenamento térmico, muitas vezes chamado de parede Trombe, uma parede maciça está localizada diretamente atrás do vidro virado para o sul, que absorve a energia solar e a libera seletivamente em direção ao interior do edifício à noite. A parede pode ser construída de concreto armado, tijolo, adobe, pedra ou sólido (ou preenchido) unidades de alvenaria de concreto. A luz solar entra através do vidro e é imediatamente absorvida na superfície da parede de massa e armazenada ou conduzida através da massa do material para o espaço interior. A massa térmica não pode absorver energia solar tão rapidamente quanto entra no espaço entre a massa e a área da janela. As temperaturas do ar neste espaço podem facilmente exceder 120 ° F (49 ° C). Esse ar quente pode ser introduzido nos espaços internos atrás da parede, incorporando aberturas de distribuição de calor no topo da parede. Este sistema de parede foi imaginado e patenteado pela primeira vez em 1881 pelo seu inventor, Edward Morse. Felix Trombe, para quem este sistema é às vezes nomeado, foi um engenheiro francês que construiu várias casas usando este projeto nos Pireneus franceses na década de 1960.

Uma parede de armazenamento tmico consiste tipicamente numa parede de alvenaria de 4 a 16 in (100 a 400 mm) de espessura revestida com um acabamento escuro absorvente de calor (ou uma superfie selectiva) e coberta com uma camada simples ou dupla de vidro de elevada transmissividade. O vidro é tipicamente colocado de ¾ a 2 polegadas da parede para criar um pequeno espaço aéreo. Em alguns projetos, a massa está localizada a 0 a 2 pés (0,6 m) de distância do vidro, mas o espaço ainda não é utilizável. A superfície da massa térmica absorve a radiação solar que a atinge e a armazena para uso noturno. Ao contrário de um sistema de ganho direto, o sistema de parede de armazenamento térmico fornece aquecimento solar passivo sem área de janela excessiva e brilho nos espaços interiores. No entanto, a capacidade de aproveitar as visualizações e a iluminação natural é eliminada. O desempenho das paredes de Trombe é diminuído se o interior da parede não estiver aberto aos espaços interiores. Móveis, estantes de livros e armários de parede instalados na superfície interna da parede reduzirão seu desempenho.

Uma parede Trombe clássica, também genericamente chamada de parede de armazenamento térmico ventilada, tem aberturas operacionais próximas aos níveis de teto e piso da parede de massa que permitem que o ar interno flua através deles por convecção natural. Como a radiação solar aquece o ar preso entre o vidro e a parede e começa a subir. O ar é atraído para a abertura inferior, depois para o espaço entre o vidro e a parede para ser aquecido pela radiação solar, aumentando sua temperatura e fazendo com que ela suba e então saia pela parte superior (teto) para o espaço interno. Isso permite que a parede introduza diretamente ar aquecido no espaço; geralmente a uma temperatura de cerca de 90 ° F (32 ° C).

Se as aberturas forem deixadas abertas à noite (ou em dias nublados), ocorrerá uma reversão do fluxo de ar convectivo, desperdiçando calor dissipando-o ao ar livre. As aberturas devem ser fechadas durante a noite, então o calor radiante da superfície interna da parede de armazenamento aquece o espaço interno. Geralmente, as aberturas também são fechadas durante os meses de verão, quando o ganho de calor não é necessário. Durante o verão, uma abertura de exaustão externa instalada no topo da parede pode ser aberta para ventilar para o exterior. Tal ventilação faz com que o sistema atue como uma chaminé solar que direciona o ar através do edifício durante o dia.

As paredes ventiladas de armazenamento térmico, ventiladas para o interior, mostraram-se um pouco ineficazes, principalmente porque elas fornecem muito calor durante o dia em clima ameno e durante os meses de verão; eles simplesmente superaquecem e criam problemas de conforto. A maioria dos especialistas em energia solar recomenda que as paredes de armazenamento térmico não sejam ventiladas para o interior.

Existem muitas variações do sistema de parede Trombe. Uma parede de armazenamento térmico não ventilada (tecnicamente não uma parede Trombe) capta a energia solar na superfície exterior, aquece e conduz o calor para a superfície interior, onde irradia da superfície da parede interior para o espaço interior no final do dia. Uma parede de água utiliza um tipo de massa térmica que consiste em tanques ou tubos de água usados ​​como massa térmica.

Uma parede típica de armazenamento térmico não ventilada é constituída por uma parede de alvenaria ou de betão virada a sul com um material escuro de absorção de calor na superfície exterior e revestida com uma camada simples ou dupla de vidro. O vidro de alta transmissão maximiza os ganhos solares para a parede de massa. O vidro é colocado de ¾ a 6 pol. (20 a 150 mm) da parede para criar um pequeno espaço aéreo. O enquadramento de vidro é tipicamente de metal (por exemplo, alumínio) porque o vinil amolecerá e a madeira ficará super-seca na temperatura de 180 ° F (82 ° C) que pode existir atrás do vidro na parede. O calor da luz do sol passando através do vidro é absorvido pela superfície escura, armazenado na parede e conduzido lentamente para dentro através da alvenaria. Como detalhe arquitetônico, o vidro padronizado pode limitar a visibilidade externa da parede sem sacrificar a transmissividade solar.

Uma parede de água utiliza recipientes de água para massa térmica em vez de uma parede de massa sólida. As paredes de água são tipicamente ligeiramente mais eficientes do que as paredes de massa sólida, porque absorvem calor mais eficientemente devido ao desenvolvimento de correntes convectivas na água líquida à medida que é aquecida. Estas correntes provocam uma mistura rápida e uma transferência mais rápida de calor para o edifício do que as paredes sólidas sólidas.

As variações de temperatura entre as superfícies externas e internas da parede conduzem o calor através da parede de massa. No interior do edifício, no entanto, o ganho de calor diurno é atrasado, ficando disponível apenas na superfície interior da massa térmica durante a noite, quando é necessário, porque o sol se pôs. O intervalo de tempo é a diferença de tempo entre quando a luz solar atinge a parede e quando o calor entra no interior do edifício. O atraso de tempo depende do tipo de material usado na parede e da espessura da parede; uma espessura maior produz um atraso de tempo maior. O intervalo de tempo característico da massa térmica, combinado com o amortecimento das flutuações de temperatura, permite o uso de energia solar diurna variável como uma fonte de calor noturna mais uniforme. Janelas podem ser colocadas na parede para iluminação natural ou razões estéticas, mas isso tende a diminuir um pouco a eficiência.

A espessura de uma parede de armazenamento térmico deve ser de aproximadamente 10 a 14 pol (250 a 350 mm) para tijolos, 12 a 18 pol (300 a 450 mm) para concreto, 8 a 12 pol (200 a 300 mm) para terra / adobe e pelo menos 6 in (150 mm) para água. Estas espessuras atrasam o movimento do calor de tal forma que as temperaturas da superfície interior atingem o pico durante as horas tardias da noite. O calor levará cerca de 8 a 10 horas para chegar ao interior do edifício (o calor percorre uma parede de concreto a uma taxa de cerca de uma polegada por hora). Uma boa conexão térmica entre os acabamentos da parede interna (por exemplo, drywall) e a parede de massa térmica é necessária para maximizar a transferência de calor para o espaço interior.

Embora a posição de uma parede de armazenamento térmico minimize o superaquecimento diurno do espaço interno, um prédio bem isolado deve ser limitado a aproximadamente 0,2 a 0,3 pés2 de superfície de parede de massa térmica por ft2 de área aquecida (0,2 a 0,3 m2 por m2 de área útil), dependendo do clima. Uma parede de água deve ter cerca de 0,15 a 0,2 pé2 de superfície da parede de água por pé2 (0,15 a 0,2 m2 por m2) da área do piso.

As paredes de massa térmica são mais adequadas para os climas de inverno ensolarados que apresentam altas oscilações de temperatura diurnas (dia / noite) (por exemplo, sudoeste, oeste da montanha). Eles não funcionam tão bem em climas nublados ou extremamente frios ou em climas onde não há um grande balanço diurno da temperatura. Perdas térmicas noturnas através da massa térmica da parede ainda podem ser significativas em climas nublados e frios; a parede perde calor armazenado em menos de um dia e depois vaza calor, o que aumenta drasticamente os requisitos de aquecimento de reserva. Cobrir o vidro com painéis de isolamento móvel e apertados durante longos períodos nublados e horas noturnas aumentará o desempenho de um sistema de armazenamento térmico.

A principal desvantagem das paredes de armazenamento térmico é a perda de calor para o exterior. O vidro duplo (vidro ou qualquer um dos plásticos) é necessário para reduzir a perda de calor na maioria dos climas. Em climas amenos, o vidro único é aceitável. Uma superfície seletiva (superfície de alta absorvência / baixa emissão) aplicada à superfície externa da parede de armazenamento térmico melhora o desempenho reduzindo a quantidade de energia infravermelha irradiada através do vidro; tipicamente, alcança uma melhora semelhante no desempenho sem a necessidade de instalação e remoção diárias de painéis isolantes. Uma superfície seletiva consiste em uma folha de metal colada à superfície externa da parede. Absorve quase toda a radiação na porção visível do espectro solar e emite muito pouco na faixa do infravermelho. A alta absorção transforma a luz em calor na superfície da parede e a baixa emissão impede que o calor irradie de volta para o vidro.

Sistema da lagoa do telhado

Um sistema solar passivo da lagoa do telhado, às vezes chamado de telhado solar, usa água armazenada no telhado para temperar temperaturas internas quentes e frias, geralmente em ambientes desérticos. É tipicamente construído com recipientes de 6 a 12 pol. (150 a 300 mm) de água em um telhado plano. A água é armazenada em grandes sacos de plástico ou recipientes de fibra de vidro para maximizar as emissões radiantes e minimizar a evaporação. Pode ser deixado sem vidrado ou coberto por vidros. A radiação solar aquece a água, que age como um meio de armazenamento térmico. À noite ou durante o tempo nublado, os recipientes podem ser cobertos com painéis isolantes. O espaço interior abaixo da lagoa do telhado é aquecido pela energia térmica emitida pelo armazenamento da lagoa do telhado acima. Esses sistemas exigem bons sistemas de drenagem, isolamento móvel e um sistema estrutural aprimorado para suportar uma carga morta de 35 a 70 lb / pés2 (1,7 a 3,3 kN / m2).

Com os ângulos de incidência da luz solar durante o dia, as lagoas do telhado são eficazes apenas para aquecimento em latitudes mais baixas e médias, em climas quentes a temperados. Os sistemas de tanques de telhado têm melhor desempenho para resfriamento em climas quentes e com baixa umidade. Não foram construídos muitos telhados solares, e há informações limitadas sobre o design, custo, desempenho e detalhes de construção dos telhados de armazenamento térmico.

Sistema solar isolado
Em um sistema solar passivo de ganho isolado, os componentes (por exemplo, coletor e armazenamento térmico) são isolados da área interna do edifício.

Um espaço solar em anexo, às vezes chamado de solar room ou solarium, é um tipo de sistema solar com ganho isolado, com um espaço interno envidraçado ou sala que faz parte ou está ligada a um edifício mas que pode ser completamente fechada das principais áreas ocupadas. Funciona como uma estufa anexada que faz uso de uma combinação de características de ganho direto e de ganho indireto do sistema. Um espaço solar pode ser chamado e aparecer como uma estufa, mas uma estufa é projetada para cultivar plantas, enquanto um espaço solar é projetado para fornecer calor e estética a um edifício. Espaços solares são elementos de design passivos muito populares porque expandem as áreas de vida de um edifício e oferecem uma sala para o cultivo de plantas e outras plantas. Em climas moderados e frios, no entanto, o aquecimento suplementar é necessário para evitar o congelamento das plantas durante climas extremamente frios.

O vidro virado para o sul do satélite coleciona energia solar como em um sistema de ganho direto. O design mais simples do espaço é instalar janelas verticais sem vidros suspensos. As manchas solares podem apresentar alto ganho de calor e alta perda de calor por meio de sua abundância de vidros. Embora o envidraçamento horizontal e inclinado colete mais calor no inverno, ele é minimizado para evitar o superaquecimento durante os meses de verão. Embora o envidraçamento aéreo possa ser esteticamente agradável, um telhado isolado oferece melhor desempenho térmico. Clarabóias podem ser usadas para fornecer algum potencial de luz natural. O envidraçamento vertical pode maximizar o ganho no inverno, quando o ângulo do sol é baixo e produz menos ganho de calor durante o verão. O vidro vertical é menos dispendioso, mais fácil de instalar e isolar, e não tão propenso a vazamentos, embaçamento, quebra e outras falhas de vidro. Uma combinação de vidros verticais e alguns envidraçados inclinados é aceitável se forem fornecidos sombreados de verão. Uma saliência bem projetada pode ser suficiente para sombrear o vidro no verão.

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As variações de temperatura causadas pelas perdas e ganhos de calor podem ser moderadas pelas janelas de massa térmica e baixa emissividade. A massa térmica pode incluir um piso de alvenaria, uma parede de alvenaria que confina com a casa ou recipientes de água. Distribuição de calor para o edifício pode ser realizada através de aberturas de teto e piso, janelas, portas ou ventiladores. Em um projeto comum, a parede de massa térmica situada na parte de trás do espaço solar adjacente ao espaço vital funcionará como uma parede de massa térmica de ganho indireto. A energia solar que entra no espaço solar é retida na massa térmica. O calor solar é transportado para dentro do edifício por condução através da parede de massa compartilhada na parte traseira do espaço solar e por aberturas (como uma parede de armazenamento térmico não ventilada) ou através de aberturas na parede que permitem o fluxo de ar do espaço solar para o espaço interno por convecção ( como uma parede de armazenamento térmico ventilada).

Em climas frios, vidros duplos devem ser usados ​​para reduzir as perdas condutivas através do vidro para o exterior. A perda de calor durante a noite, embora significativa durante os meses de inverno, não é tão essencial no espaço solar como nos sistemas de ganho direto, uma vez que o espaço pode ser fechado do resto do edifício. Em climas temperados e frios, é importante isolar termicamente o espaço solar do prédio à noite. Grandes painéis de vidro, portas francesas ou portas de vidro deslizantes entre o prédio e o espaço solar fixo manterão uma sensação de abertura sem a perda de calor associada a um espaço aberto.

Um espaço solar com uma parede térmica de alvenaria precisará de aproximadamente 0,3 ft2 de superfície de parede de massa térmica por ft2 de área de piso sendo aquecida (0,3 m2 por m2 de área útil), dependendo do clima. As espessuras das paredes devem ser semelhantes a uma parede de armazenamento térmico. Se for utilizada uma parede de água entre o espaço solar e o espaço vital, cerca de 0,20 ft2 de superfície de parede de massa térmica por ft2 de área de piso sendo aquecida (0,2 m2 por m2 de área útil) é apropriado. Na maioria dos climas, é necessário um sistema de ventilação nos meses de verão para evitar o superaquecimento. Geralmente, não devem ser utilizadas vastas áreas de vidro no teto (horizontal) e leste ou oeste em um espaço solar sem precauções especiais para o superaquecimento do verão, como o uso de vidro que reflete o calor e o fornecimento de áreas de sistemas de sombreamento de verão.

As superfícies internas da massa térmica devem ser de cor escura. Isolamento móvel (por exemplo, coberturas de janelas, persianas, venezianas) pode ser usado para prender o ar quente no espaço solar, tanto após o sol se pôr quanto durante o tempo nublado. Quando fechado durante dias extremamente quentes, as coberturas das janelas podem ajudar a evitar o sobreaquecimento do espaço solar.

Para maximizar o conforto e a eficiência, as paredes, o teto e a fundação do sol não de vidro devem ser bem isolados. O perímetro da parede ou laje da fundação deve ser isolado à linha de congelamento ou ao redor do perímetro da laje. Em um clima temperado ou frio, as paredes leste e oeste do espaço solar devem ser isoladas (sem vidro).

Medidas adicionais
Devem ser tomadas medidas para reduzir a perda de calor durante a noite, por exemplo, coberturas de janelas ou isolamento de janelas móveis.

Armazenamento de calor
O sol não brilha o tempo todo. O armazenamento de calor, ou massa térmica, mantém o edifício aquecido quando o sol não consegue aquecê-lo.

Em casas solares diurnas, o armazenamento é projetado para um ou alguns dias. O método usual é uma massa térmica personalizada. Isso inclui uma parede Trombe, um piso de concreto ventilado, uma cisterna, parede de água ou lago de telhado. Também é possível usar a massa térmica da própria terra, seja como está ou por incorporação na estrutura, depositando ou usando terra batida como meio estrutural.

Em áreas subárticas, ou áreas que têm longos períodos sem ganho solar (por exemplo, semanas de neblina congelante), a massa térmica construída propositadamente é muito cara. Don Stephens foi pioneiro em uma técnica experimental para usar o solo como massa térmica grande o suficiente para armazenamento anualizado de calor. Seus projetos executam um thermosiphon isolado 3 m sob uma casa, e isolam a terra com uma saia impermeável de 6 m.

Isolamento
O isolamento térmico ou superinsulação (tipo, localização e quantidade) reduz o vazamento indesejado de calor. Alguns edifícios passivos são na verdade construídos de isolamento.

Sistemas especiais de envidraçamento e coberturas de janelas
A eficácia dos sistemas de ganho solar diretos é significativamente aumentada por isolamento (por exemplo, vidros duplos), vidros espectralmente seletivos (low-e) ou isolamento de janela móvel (colchas de janela, persianas interiores de isolamento bifold, persianas, etc.).

Geralmente, as janelas voltadas para o Equador não devem usar revestimentos de vidro que inibam o ganho solar.

Há um uso extensivo de janelas super isoladas no padrão German Passive House. A seleção de diferentes revestimentos de janela espectralmente seletivos depende da proporção de dias de aquecimento versus dias de resfriamento para o local do projeto.

Seleção de vidros

Vidro voltado para o equador
O requisito para o vidro vertical voltado para o equador é diferente dos outros três lados de um edifício. Revestimentos reflexivos de janelas e vários painéis de vidro podem reduzir o ganho solar útil. No entanto, sistemas de ganho direto são mais dependentes de vidros duplos ou triplos para reduzir a perda de calor. As configurações de ganho indireto e de ganho isolado ainda podem funcionar de maneira eficaz com apenas painéis transparentes de painel único. No entanto, a solução ótima e econômica é dependente da localização e do sistema.

Vidro de ângulo de telhado e clarabóias
As clarabóias admitem a luz do sol e a claridade direta do teto, seja na horizontal (teto plano) ou no mesmo ângulo da inclinação do telhado. Em alguns casos, clarabóias horizontais são usadas com refletores para aumentar a intensidade da radiação solar (e ofuscamento), dependendo do ângulo de incidência do teto. Quando o sol de inverno está baixo no horizonte, a maior parte da radiação solar se reflete no vidro angulado do teto (o ângulo de incidência é quase paralelo ao da manhã e da tarde em vidro com inclinação de um telhado). Quando o sol de verão é alto, é quase perpendicular ao vidro inclinado, que maximiza o ganho solar na época errada do ano e funciona como um forno solar. As claraboias devem ser cobertas e bem isoladas para reduzir a perda de calor por convecção natural (aumento de ar quente) nas noites frias de inverno e o intenso ganho de calor solar durante os dias de primavera / verão / outono.

O lado voltado para o equador de um edifício fica ao sul no hemisfério norte e ao norte no hemisfério sul. Clarabóias em telhados que ficam de frente para o equador fornecem principalmente iluminação indireta, exceto nos dias de verão, quando o sol pode subir no lado não-equador do edifício (em algumas latitudes). Clarabóias em telhados voltados para o leste proporcionam máxima luz direta e ganho de calor solar na manhã de verão. Clarabóias voltadas para o oeste fornecem luz solar da tarde e ganho de calor durante a parte mais quente do dia.

Algumas claraboias têm vidros caros que reduzem parcialmente o ganho de calor solar no verão, enquanto ainda permitem alguma transmissão de luz visível. No entanto, se a luz visível puder passar através dela, também pode haver algum ganho de calor radiante (ambas são ondas de radiação eletromagnética).

Você pode reduzir parcialmente parte do indesejado ganho de calor solar de verão com inclinação de teto instalando uma clarabóia à sombra de árvores decíduas (folha-queda), ou adicionando uma cobertura de janela opaca móvel no lado de dentro ou de fora da clarabóia . Isso eliminaria o benefício da luz do dia no verão. Se os galhos das árvores pairarem sobre um telhado, eles aumentarão os problemas com as folhas nas calhas de chuva, possivelmente causarão barragens de gelo prejudiciais ao telhado, encurtarão a vida útil do telhado e proporcionarão um caminho mais fácil para as pragas entrarem no seu sótão. As folhas e os galhos das clarabóias são pouco atraentes, difíceis de limpar e podem aumentar o risco de quebra de vidros em tempestades de vento.

O “envidraçamento de telhado em dente de serra” com vidro vertical pode trazer alguns benefícios passivos do projeto de construção solar para o núcleo de um edifício comercial ou industrial, sem a necessidade de qualquer vidro ou clarabóia em ângulo de inclinação.

Clarabóias fornecem luz do dia. A única visão que eles fornecem é essencialmente direta na maioria das aplicações. Tubos de luz bem isolados podem trazer a luz do dia para as salas do norte, sem usar uma clarabóia. Uma estufa solar-passiva fornece luz do dia abundante para o lado do equador do edifício.

Termografia infravermelha câmeras de imagens térmicas coloridas (usadas em auditorias formais de energia) podem documentar rapidamente 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.

O Departamento de Energia dos EUA afirma: “o envidraçamento vertical é a melhor opção global para as áreas de proteção solar”. O vidro em ângulo de telhado e o vidro da parede lateral não são recomendados para ambientes solares passivos.

O DOE dos EUA explica as desvantagens do vidro angular: o vidro e o plástico têm pouca resistência estrutural. Quando instalado verticalmente, o vidro (ou plástico) tem seu próprio peso, porque apenas uma pequena área (a borda superior do vidro) está sujeita à gravidade. À medida que o vidro se inclina para fora do eixo vertical, no entanto, uma área aumentada (agora a seção transversal inclinada) do vidro tem que suportar a força da gravidade. O vidro também é frágil; não flexiona muito antes de quebrar. Para neutralizar isso, você geralmente deve aumentar a espessura do vidro ou aumentar o número de suportes estruturais para segurar o vidro. Ambos aumentam o custo total e o segundo reduz a quantidade de ganho solar no espaço solar.

Outro problema comum com vidros inclinados é o aumento da exposição ao clima. É difícil manter uma boa vedação no vidro em ângulo de telhado em luz solar intensa. Granizo, granizo, neve e vento podem causar falhas no material. Para a segurança dos ocupantes, as agências reguladoras geralmente exigem que o vidro inclinado seja feito de vidro de segurança, laminado ou uma combinação dos mesmos, que reduz o potencial de ganho solar. A maior parte do vidro do teto do Crowne Plaza Hotel Orlando Airport foi destruída em uma única tempestade. O vidro angular aumenta o custo de construção e pode aumentar os prêmios de seguro. O vidro vertical é menos suscetível a danos causados ​​pelo clima do que o vidro em ângulo de inclinação.

É difícil controlar o ganho de calor solar em um espaço solar com vidros inclinados durante o verão e até mesmo durante o meio de um dia de inverno ameno e ensolarado. As clarabóias são a antítese da energia zero na construção de Resfriamento Solar Passivo em climas com requisitos de ar condicionado.

Ângulo de radiação incidente
A quantidade de ganho solar transmitida através do vidro também é afetada pelo ângulo da radiação solar incidente. A luz solar que atinge uma única folha de vidro dentro de 45 graus da perpendicular é principalmente transmitida (menos de 10% é refletida), enquanto que para a luz do sol bater a 70 graus da perpendicular acima de 20% da luz é refletida, e acima de 70 graus esta porcentagem refletida aumenta acentuadamente .

Todos esses fatores podem ser modelados de forma mais precisa com um fotômetro fotográfico e um banco heliodon ou óptico, que pode quantificar a razão entre refletividade e transmissividade, com base no ângulo de incidência.

Alternativamente, o software de computador solar passivo pode determinar o impacto do caminho do sol e graus de resfriamento e aquecimento no desempenho energético.

Dispositivos de sombreamento e isolamento operáveis
Um design com muito vidro voltado para o equador pode resultar em aquecimento excessivo no inverno, na primavera ou no outono, espaços de convivência desconfortavelmente iluminados em certas épocas do ano e transferência excessiva de calor nas noites de inverno e nos dias de verão.

Embora o sol esteja na mesma altitude 6 semanas antes e depois do solstício, os requisitos de aquecimento e resfriamento antes e depois do solstício são significativamente diferentes. O armazenamento de calor na superfície da Terra causa “atraso térmico”. A cobertura variável de nuvens influencia o potencial de ganho solar. Isso significa que as janelas fixas específicas da latitude, embora importantes, não são uma solução sazonal completa de controle de ganho solar.

Mecanismos de controle (como cortinas com isolamento interno manual ou motorizado, persianas, telas de sombra externas rolantes ou toldos retráteis) podem compensar as diferenças causadas pelo atraso térmico ou pela cobertura de nuvens e ajudam a controlar as variações dos requisitos de ganho solar diário / horário.

Os sistemas de automação residencial que monitoram a temperatura, a luz solar, a hora do dia e a ocupação do quarto podem controlar com precisão os dispositivos motorizados de sombreamento e isolamento das janelas.

Cores exteriores refletindo – absorvendo
Materiais e cores podem ser escolhidos para refletir ou absorver energia térmica solar. Usando informações sobre uma cor de radiação eletromagnética para determinar suas propriedades de radiação térmica de reflexão ou absorção pode ajudar as escolhas.

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