گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

برای گرمایش خورشیدی پسیو دو اقدام اولیه باید صورت گیرد:

        استفاده از شیشه در وجه جنوبی

        استفاده ازجرم حرارتی جهت جذب کردن، ذخیره سازی و انتشار گرما

در اینجا 3 رهیافت برای سیستم های پسیو وجود دارد: کسب مستقیم – کسب غیر مستقیم – ایزوله کردن

هدف همه سیستم های گرمایش خورشیدی ذخیره سازی گرما توسط مصالح ساختمانی و رها سازی آن در زمانهایی است که تابش خورشید وجود ندارد. هنگامیکه مصالح ساختمانی گرما را برای استفاده های بعدی ذخیره می نمایند گرمایش خورشیدی فضای مطلوبی را برای داخل خانه مهیا می نماید.

گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

برای گرمایش خورشیدی پسیو دو اقدام اولیه باید صورت گیرد:

        استفاده از شیشه در وجه جنوبی

        استفاده ازجرم حرارتی جهت جذب کردن، ذخیره سازی و انتشار گرما

در اینجا 3 رهیافت برای سیستم های پسیو وجود دارد: کسب مستقیم – کسب غیر مستقیم – ایزوله کردن

هدف همه سیستم های گرمایش خورشیدی ذخیره سازی گرما توسط مصالح ساختمانی و رها سازی آن در زمانهایی است که تابش خورشید وجود ندارد. هنگامیکه مصالح ساختمانی گرما را برای استفاده های بعدی ذخیره می نمایند گرمایش خورشیدی فضای مطلوبی را برای داخل خانه مهیا می نماید.

1) کسب مستقیم :

معمولترین سیستم خورشیدی پسیو، کسب مستقیم نامیده می‎شود. کسب مستقیم مربوط به نور خورشید است که از پنجره ها وارد ساختمان می‎شود و فضای داخلی منزل را گرم می‎کند. طی ساعات افتابی این گرما در جرمهای حرارتی سقفها یا دیوارهای داخلی با جنس آب، سنگ، بتون آجر ذخیره می‎شود. گرمای ذخیره شده در جرم حرارتی در طی ساعاتی که آفتاب غروب کرده است به درون منزل منتقل می‎شود. طراحییک سیستم کسب مستقیم عبارت است از محاسبه سطح پنجره و میزان جرم حرارتی مورد نیاز جهت گرم کردن فضای منزل بطور کلی مساحت شیشه درکسب مستقیم باید حداقل 7 صدم مساحت سقف خانه باشد و از 12 درصد ان تجاوز نکند. در کسب مستقیم شیشه های دوجداره نیز توصیه می‎شوند.

در این سیستم فضای منزل ، یک کلکتور خورشیدی، جاذب گرما و سیستم توزیع می باشد. شیشه ضلع جنوبی انرژی خورشیدی را به داخل خانه جائیکه جرم حرارتی مانند دیوارها و کف بطور مستقیم و غیر مستقیم تحت تابش این نور قرار می گیرند هدایت می کند. سیستم کسب مستقیم 75-40 درصد از انرژی خورشیدی برخورد کرده به پنجره را مصرف می کند. شکل 1

در سیستم کسب مستقیم دیوارها و کفها به عنوان جرم حرارتی بخشهای عملیاتی خانه هستند. همچنین می توان با استفاده از مخازن آب ،گرما ر ذخیره کرد اگرچه استفاده از مجموعه مخازن آب در نقشه ساختمان دشوار می باشد .

جرم حرارتی در اثر جذب گرما در طی روز گرم می شود و در شب گرما را به فضای منزل هدایت می کند اکثر سیستمهای خورشیدی پسیو با عطف به جرم حرارتی یا موادی با ظرفیت جذب و ذخیره گرمای بالا (آجر،بتون،موزائیک،آب) کار می‎کنند. جرم حرارتی را می‎توان در نقشه ساختمان، در قسمتهای سقف، دیوارهای داخلی، شومینه یا بالکنها بکار برد. این سطوح نیاز به تابش مستقیم خورشید ندارند اما باید رنگ آنها تیره باشد. میزان ذخیره سازی حرارت مواد مختلف وابسته به هدایت حرارتی، گرمای ویژه و چگالی آنها می‎باشد. اغلب با افزایش چگالی، رسانایی گرما نیز افزایش می‎یابد. نکات مهمی که در مورد سقف باید به آنها توجه کرد، عبارتند از:

نوع رنگ، رنگ. بتن، آجر، کاشیهای شیشه ای و سرامیک تیره همچنین دیوارهای داخلی و شومینه جهت ذخیره سازی گرما به جرم بیشتری نیاز دارند. از نقطه نظر انرژی بکار بردن چندین جرم حرارتی در منزل دشوار خواهد بود ولی جرم حرارتی که جهت ذخیره سازی حرارت بکار می‏رود زیاد گران نیست.

قوانین کلی سیستم کسب مستقیم:

1-    تحلیل یک ذخیره ساز گرمای خورشیدی که برای رسانش گرما به منزل استفاده می شود.

2-    ضخامت مصالح جرم حرارتی از 15.24 سانتی مترتجاوز نکند.

3-    کفهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند نباید توسط فرشهای سرتاسری کاملاً پوشیده شده و تا حد ممکن کاملاً بدون کف پوش باشند.

4-    استفاده از رنگ تیره برای کفها ، استفاده از رنگ روشن برای دیوارهای کم جرم و هر رنگ دلخواه برای دیوارهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند .

5-    برای هر0.09 مترمربع شیشه جنوبی ، 67.9 کیلوگرم مصالح ساختمانی یا 15.12 لیتر آب به عنوان جرم حرارتی استفاده می شوند.

6-     حفره های بلوکهای بتنی که بعنوان ذخیره ساز حرارتی استفاده می شوند با بتون پر شوند.

7-    استفاده از جرم حرارتی با ضخامت کم درفضای مسکونی با صرفه تر از جرم کلفترسطوح متمرکز کننده می باشد .

8-     

9-    مساحت سطوح جرمی بی حفاظ در معرض تابش باید 9 برابر مساحت شیشه ها باشد.

10-   دمای خورشیدی بدون استفاده از جرم حرارتی در کسب مستقیم استفاده می شود.

گرمایش خورشیدی پایه ترین تکنیک خورشیدی پسیو است که شامل افزایش تعداد پنجره‎ها در وجه جنوبی و جنس پنجره ها به عنوان جرم حرارتی که اغلب در منازل رعایت می‎شود می باشد. در خانه خورشیدی حدود 25% پنجره‎ها روبه جنوب بوده و 3% آن در سقف خانه ها قراردارد. صرفه جویی انرژی در این روش کم بوده اما هزینه پایینی در بردارد.

2)کسب غیر مستقیم :

در یک سیستم کسب غیر مستقیم، جرم حرارتی بین فضای منزل و خورشید قرار گرفته پرتو خورشیدی که به آن می رسد را جذب می کند و از طریق رسانش به فضای منزل منتقل می کند. سیستم کسب غیر مستقیم 45-30 درصد از انرژی خورشیدی که به شیشه بعنوان جرم حرارتی می رسد مصرف می نماید.

انواع سیستمهای کسب غیر مستقیم عبارتند از:

1- سیستم دیوار انباشتگر حرارت (دیوارهای ترومب)

2-    سیستم حوضچه ای

3-    دیوار آبی

1)دیوار ترومب

در این سیستم، جرم حرارتی تقریباً پشت شیشه ضلع جنوبی قرار داده می شود. شکل 2

دریچه هایی در بالا و پایین دیوار ترومب وجود دارند که به گرما اجازه جریان یافتن از این دیوار و شیشه به داخل منزل را می دهند. شبها وقتیکه دریچه ها بسته شوند تابش حرارت از دیوار، فضای منزل را گرم می نماید. این دیوار تکنیکی برای گرفتن گرمای خورشید بوده و توسط مهندس فرانسوی فلیکس ترومب ساخته شد. قسمتی از دیوار جنوبی که از مواد جرم حرارتی مثل بتن ساخته شده‏اند را با شیشه‎ای که در فاصله 0.05 متراز سطح واقع شده است می‎پوشانند. نور خورشید وارد شده و گرما توسط شیشه محبوس می‎شود و به دیوار در جذب آن کمک می‎کند. سپس گرما به داخل خانه در ساعات شبانه و غروب تابیده می‎شود. دیوارهای ترومب نیازی به تهویه ندارند زیرا هدف گردش هوای گرم بوده و گرفتن گرما از طریق تابش از دیوار می‎باشد.

دیوار ذخیره ساز حرارت باید جامد باشد و هیچ دریچه یا منفد بازی به بیرون یا فضای منزل نداشته باشد. در تابستان دیوار ترومب بازده بهتری نسبت به روش کسب مستقیم دارد. دیوارهای ترومب با پنجره‎های روش کسب مستقیم در همان دیوار ترکیب می‎شوند. شیشه‎های دو جداره نیز برای ذخیره حرارت توصیه می‎شوند بین شیشه و جرم حرارتی 7.62-2.54 سانتی متر فاصله باید باشد.

 2)سیستم های حوضچه ایی :

در بام های مسطح 0.3-0.15 متر آب ذخیره می شود. این سیستم بهترین سیستم سرمایشی برای مناطق با رطوبت کم می باشد، ولی برای مناطق مرطوب آب باید در مخازن فایبرگلاس یا پلاستیکی بزرگ قرار گیرد که توسط شیشه پوشیده شده و فضای زیر آن توسط تابش گرم می شود.

3) دیوار آبی:

 آب در مخازن صلبی نگهداری می‎شود. ظرفیت ذخیره گرمای آب دو برابر بیشتر از جرم حرارتی می‎باشد. بنابراین به نسبت حجم کمتر از جرم حرارتی نیاز می‎باشد. حداقل 13.23 لیترآب به ازای هر فوت مربع شیشه در مخزن ریخته می‎شود. حتی یک لوله داغ داخل دیوار یا یک استخر نیز بعنوان جرم ذخیره ساز حرارت استفاده می‎شود.

قوانین کلی سیستم کسب غیر مستقیم برای دیوارهای ترومب:

1- دیوار جرمی رو به خورشید بوده و تیره رنگ باشد .

2- حداقل فاصله 0.1 متر بین دیوار جرم حرارتی و شیشه وجود داشته باشد.

3- دریچه هایی که در دیوار جرم حرارتی استفاده می شوند، باید هنگام شب بسته باشند .

1-    اگر عایق متحرک شبانه در سیستم دیوار حرارتی استفاده شود، مساحت دیوار جرم حرارتی حدود 15% کاهش می یابد .

2-    اگر جنس دیوار حرارتی آجری باشد ضخامت تقریبی ان 0.35-0.25 متر برای بتن0.45-0.3 متر برای خشت خام وسایر مصالح 0.3-0.2 متر و برای آب حداقل 0.15 مترباید باشد

3)ایزوله کردن خانه :

یک سیستم ایزوله مجموعه بخشهایی جدای از قسمت اصلی خانه دارد، مثل یک اتاق خورشیدی و یک مدار منتقل کننده حرارت از کلکتور به سیستم انباشتگر خانه و از نقاط تمایز این سیستم با سایر سیستم ها عایق نمودن منزل مسکونی می باشد. 

سیستم ایزوله 30-15 درصد از نور خورشید که به شیشه جهت گرمایش فضای منزل می رسد را استفاده می کندو همچنین انرژی خورشیدی را در اتاقهای خورشیدی حفظ می نماید.

ظاهراً اتاقهای خورشیدی یا گلخانه های خورشیدی ترکیبی از سیستم های کسب مستقیم و غیر مستقیم می باشند. نور خورشیدی ورودی به اتاق خورشیدی در جرم حرارتی ذخیره می شود . نور خورشید توسط رسانش از دیوار جرمی مشترک بین منزل و گلخانه به داخل منزل منتقل می شود.

 انواع روشهای سرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان

تکنیهای سرمایش طبیعی باعث می شوند بدون استفاده از هر گونه انرژی در تابستان، خانه خنک بماند. سایه از جمله موارد کاربردی و مهم در خانه های خورشیدی پسیو می باشد زیرا همین ساختار در زمستان نور خورشید را جمع آوری می کند. جرم حرارتی و مصالح ساختمانی به همان خوبی که در گرمایش کاربرد دارند در سرمایش نیز مؤثرند. در زمستان گرما را ذخیره می کنند و در تابستان جهت خنک سازی منزل استفاده می شوند همچنین بکار بردن پنجره هایی که در تابستان با ایجاد سایه گرمای کمتری به خانه منتقل می کنند.

1) پنجره های مناسب جهت تهویه:

یک استراتژی اولیه برای سرمایش ساختمانها بدون بکار بردن قطعات مکانیکی در آب و هوای گرم بکار بردن تهویه طبیعی می باشد نسیمهای رایج تابستانی با شیشه های بزرگ دیوار جنوبی که برای گرمایش پسیو بکار می روند هماهنگی دارد و به پیرو استراتژی های زیر امکان استفاده از تهویه و دریچه خورشیدی را بطور مؤثری کارا می سازند.

 وضعیت پنجره هاباید به گونه ای باشد که بهترین جریان هوا بوجود آمده وپنجره های با حفاظ (سایبان دار) بطور کامل باز شود. این پنجره بهترین محافظ در برابر باران بوده و بهتر از پنجره های دو لنگه (لولایی) عمل می کنند.اگر اتاقی فقط در یک وجه پنجره دارد می توان بجای یک پنجره از دو پنجره پهن استفاده نمود.

2)کنسول بام:

کنسولهای ثابت نه گران هستند و نه نیازی به اپریشن دارند. فقط در طراحی آنها باید دقت کرد بگونه ای که در تابستان برای خارج کردن گرما و در زمستان برای حفظ گرما در داخل منزل عمل کنند ترکیب هوشیارانه ایی از کنسولهای با اندازه مشخص در پنجره های جنوبی و سایه آن روی سایر پنجره ها راه حل مؤثری می باشد. در سانتافی یک کنسول ایده آل برای پنجره با بلندی 1.2 متر، 45.72 سانتی مترمی باشد البته اگر بالای کنسول33 سانتی متر بیشتر از بالای پنجره باشد.

3) سایه بان:

وسایل ایجاد کننده سایه قبل از اینکه نور خورشید به ساختمان برسد آنها را متوقف می کنند این وسایل عبارتند از سایبان، صفحات خورشیدی، پرده های غلطان، دیافراگم مخصوص پشت پنجره و بادگیر عمودی.

این وسایل قابل کنترل بوده و توسط صاحب خانه بر حسب نیاز تنظیم می شوند استفاده از پرده در منزل کم هزینه و مفید می باشد راه دیگر ایجاد سایه استفاده از یک ایوان یا دالان در قسمتهای شرقی یا غربی ساختمان می باشد.

4) دیوارهای مؤثر بر هوا :

دیوارهای بالدار در معرض جریان باد قرار دارند و سرعت باد طبیعی را طی اختلاف فشار بوجود آمده توسط این دیوارها زیاد می کند.

5)دودکش حرارتی :

دودکش حرارتی جهت خروج جریانات بخار و هوا از ساختمان بکار می رود. با قرار دادن یک دریچه خروجی در نواحی گرم و داغ، هوا جهت تهویه ساختمان به درون آن کشیده می شود.

اتاقهای آفتابی به این دلیل طراحی می شوند که گرمای طاقت فرسای که در طی تابستان در اتاقهای جنوبی پدید می آید را توسط دریچه های بالایی تهویه کنند. دریچه های پایین تر منزل با پنجره های سمت شمالی باز میشوند و هوا درون فضای منزل از دریچه‎های بالایی اتاق آفتابی خارج می شود.

دیوار جرمی برای استفاده غیر مستقیم ساخته

می شود. دوکشهای حرارتی بصورت

بخش باریکی ساخته می شوند مطابق (مثل یک دودکش) و یک جاذب فلزی شکلی که قابلیت گرم شدن دارد در کنار دودکش پشت صفحه شیشه‎ایی قرار می گیرد طوریکه به دمای بالایی رسیده و توسط یک عایق از خانه جدا می شود دودکش به بالای پشت بام محدود می شود و یک توربین چرخان در بالای دودکش قرار گرفته که مخالف جهت باد باز شده و به هوای داغ اجازه خروج می دهد بدون اینکه برای داخل شدن باد به دودکش مانعی باشد دودکش حرارتی در خانه‎های با دهلیز و راه پله های باز استفاده می شود.