Пасивен слънчев дизайн

Концепцията за пасивен слънчев дизайн се отнася до използването на слънчевата енергия за отопление, охлаждане, вентилация или осветление на обитаваната жилищна среда. Този подход при архитектурните и конструктивни решения предполага, сградата или елемент от нея да се „възползват” и да „използват” слънчевата радиация като я трансформира в полезна енергия за обитаваната среда и се основава на естествените енергийни характеристики на използваните материали и въздуха, възможността им да акумулират, пренасят и предават енергия. Силата на пасивните слънчеви системи се състои в техният прост дизайн, наличието на малко подвижни части и механични системи и изискване за минимална поддръжка.

Концепцията за пасивно използване на слънчевата енергия се прилага в цял свят и е доказано, че значително допринася за намаляване на енергийните нужди,съответно намалява разходите за енергия при поддържане на комфорт в обитаваната среда. Пасивният слънчев дизайн е основен елемент в моделите на сгради с близко да нулевото енергийно потребление и/или пасивните сгради. Нормално, поради характери и природата на източника, значително по-добре са анализирани и описани процесите свързани с пасивното усвояване на слънчева енергия за отопление, какъвто ще е и акцента на настоящата статия.
Използването на слънчева енергия за задоволяване на ежедневните нужди на хората – топлина и светлина, не е нова концепция и датира от древността, когато без знанията, инструментите и математическите модели на съвременния свят, са създавани конструкции, които да позволяват усвояването и трансформирането слънчевата енергия в полезна за хората топлина или светлина.

Концепцията за пасивно усвояване на слънчевата енергия се прилага от хиляди години, по необходимост преди появата на „модерните” методи за отопление. Тя е станала традиционна част от архитектурата на много народи. Съществуват редица доказателства, че елементи от пасивния дизайн като ориентация, топлинна маса и естествена вентилация са взимани предвид при изграждането на жилищни сгради. Напълно развитата слънчева архитектура и методите за градоустройствено планиране са заимствани от древните гърци и Китай, за да достигнат до днешното ниво на развитие. Древни примери за използване на слънчевата енергия съществуват и в Америка, които заради каменната си структура все още съществуват.

Пасивно усвояване на слънчевата енергия представлява директно и индиректно използване на слънчевата енергия в застроена среда. Пасивното усвояване на слънчевата енергия е свързано с архитектурни, конструктивни и интериорни решения в сградите.
По общата си характеристики и приложимост в застроена среда, пасивните слънчеви системи могат да осигурят естествено осветление, отопление и „охлаждане“ на сгради. Същественото при тях е, че те извършват тази дейност тези действия без използване на допълнителни механически устройства за пренасяне и разпределение на енергията. Работата им се основава на естествени топло и масообменни процеси за движение и разпределение на топлинната енергия и светлината. Ролята на абсорбиращи и акумулиращи елементи при пасивните системи играят конструктивните елементи на сградите. Поради тази причина тези системи са известни още като елементи на слънчевата архитектура.

Директни пасивни слънчеви системи

Директните пасивни слънчеви системи използват прякото попадналата слънчевата радиация в обитаемото пространство през прозрачните елементи на сградата. От особено значение в тези случаи е правилното проектиране на ограждащите елементи на климатизираното пространство, така че да се осигури достатъчно топлоакумулираща маса за съхраняване на постъпващата слънчева енергия.

Независимост от множеството възможности, които дава пасивното усвояване на слънчева енергия за задоволяване на енергийните нужди на обитаваната среда, все пак основен акцент се поставя върху пасивното отопление на сградите.
Технически, пасивните слънчеви системи (ПСС) са високо ефективни. Директните могат да утилизират (преобразуват в „полезна” топлина) 65-70% от слънчевата енергия попаднала върху активната повърхност. Това от своя страна може да задоволи необходимостта от енергия за отопление, като ефективността им се изразява в процент или дял на покриване на необходимия топлинен товар от ПСС. Процентът варира, като е 5 -20% за обикновени системи, 40% за оптимизирани системи и до 75% за много „интензивни” или комплекси системи.

В зависимост от географското разположение, особеностите на климата и други предпоставки, добре проектираната пасивна слънчев система може да намали необходимата енергия за отопление с 40%, а от там и разходите за енергия.
Директните пасивни слънчеви системи за отопление използват прозрачните и полупрозрачни за слънчевата радиация ограждащи елементи на сградите (прозорци, витрини и други) за пропускане на слънчева енергия в отопляемото пространство. Енергията се абсорбира от повърхнините на огражденията и предметите вътре в сградата и се акумулира от масивните елементи в помещенията. Тези елементи са топлинно изолирани от околната среда, за да съхранят енергията при минимални топлинни загуби и да я отдадат по-късно към отопляемото пространство.

Водени от посочения по-горе принцип, лесно можем да определим основните компонентни, които характеризират една пасивна слънчева система за отопление, що се отнася до сградата.

• Слънчевата радиация се улавя чрез коректно ориентираните прозрачни и полупрозрачни сградни елементи. Ориентацията на прозорците, засенчването им, изборът на профил на дограмата и вида на остъкляването са от съществено значение за ефективността на тези системи.
• Уловената топлина се абсорбира и съхранява от материалите с висока топлоакумулационна способност, най-често плътните строителни елементи /стени, подове и тавани/. Същата се реализира в обитаваното пространство вечер или когато съществуват условия за покриване на топлинните загуби.
• Акумулираната топлина се разпространява в помещенията, чрез добре организирана естествена вентилация, конвекция и/или радиационен топлообмен. Вътрешното разпределение на сградата следва да осигурява, най-често използваните помещения да имат най-доброто “поставяне” спрямо зимното слънце. Загубите на топлина, съответно на акумулирана слънчева енергия се оптимизират чрез избора на подходящо остъкляване, добре топлоизолирани стени, подове, тавани и други конструктивни елементи.
• Топлоакумулиращата маса/ обем следва да е правилно разположена според активните прозрачни и полупрозрачни сградни елементи.

Проектирането на ефективна, директна слънчева система за отопление изисква добра подготовка на ниво концепция, като освен изискванията към архитектурата и конструкцията на сградата, трябва да се съобразят и фактори като планиране на терена, разположение, наклони, преобладаващ вятър, вид и разположение на растителност и други обекти в близост, които биха повлияли – сгради или релеф, климатични характеристики, модели на движение на хора и превозни средства и други. Разбира се, всичките тези елементи следва да бъдат анализирани в контекста на това, какво и кога искаме да постигнем, какви са целите на нашата пасивна слънчева система за отопление. Включително и приемливото ниво на компромиси в зависимост от функционалността, използваемостта и вида на сградата, която се планира. Тоест, прилагането на концепцията за пасивно използване на слънцето не трябва да е самоцелен акт. За да бъде разбрана тази постановка може да се разгледат два модела на сгради – жилищна сграда и училище. В сградата на училището е съществено да се осигури максимален по време и правилен достъп на естествена дневна светлина. От друга страна, предвид режима на използване, може да се допусне, че „времето” (възникване на условия и период на топлоотдаване от акумулиращите елементи), в което обитателите на сградата ще се възползват от акумулираната слънчева енергия ще е по-малко. Тогава въпросът е, рентабилно ли и е прилагането на такава система в тази сграда и какъв компромис с осветеността трябва да се направи? При жилищната сграда, тези въпроси не стоят на дневен ред, тъй като през деня, когато системата ще акумулира енергия, най- често няма обитатели в помещенията, а необходимостта от енергия за отопление възниква вечер.

Основни елементи на директните пасивни слънчеви системи и ключовите им показатели

За работни компонентни на пасивните слънчеви системи за отопление могат да се считат прозрачните и топлоакумулиращите (в практиката се използва и понятието термоакумулиращ) сградни елементи.
Ролята на сградната обвивка на всяка конкретна сграда зависи и от нейното функционално предназначение, приетите решения за отопление, вентилация, охлаждане и осветление, анализът на ползите или преобладаващите нужди.
За да достигнем до правилното решение, ще трябва да си отговорим на въпроси като: Сградата бързо или бавно трябва да реагира?; Сградната обвивка ще се използва ли за акумулиране на енергия?; Коя е основната цел – да се използва дневна светлина, да се увеличат топлопритоците или намалят загубите?; Има ли специфични проблеми с терена, експлоатацията и ориентацията?…
Отношението на изложените на слънчева радиация прозрачни елементи и топлоакумулиращите повърхности и обеми е критична за ефективността на тези системи и варира според проектирането и условията на местния климат.
Прекалено голяма акумулираща маса, за достъпната слънчева енергия, създава условия за повишени загуби (загубите на акумулирана енергия, особено предвид инертността на процесите) и топлинните нужди на сградата. Неефективната топлоакумулараща маса води до прегряване през деня и бързи топлинни загуби през нощта. Размерите характеризиращи топлоакумулиращата маса следва да са пропорционална на дневни те колебания в температурата. Съответно, високи колебания на дневната температура изискват по-голяма маса, при по-ниските се изисква по- малка акумулираща маса.

Топлоакумулиращите елементи, при пасивните слънчеви системи, трябва да могат, както да абсорбират и съхраняват енергията, така и относително стабилно и бързо да я отдадат, при настъпване на необходимите условия.

Повърхността на прозрачните елементи усвояващи слънчевата енергия варират от 12% при умерените климати до 25% в райони със студен климат от застроената площ на сградата. Минималната площ на южно ориентираните прозорци не трябва да е по-малка от 5%, като най-често тя е около 12%.

При проектиране на тези елементи и тяхната геометрия се изисква комплексен подход. В помощ на проектантите са разработени програмни продукти, които правят тези симулации.

В зависимост от климатичните и други условия, при идейно проектиране могат да бъдат прилагани следните постановки:

• Акумулиращите площи следва да са около 6 пъти повече от площта на предвидените прозрачни елементи усвояващи слънчевата енергия или обратното, в зависимост кой параметър ни е определящ при проектирането.
• На 1 m2 прозрачен елемент с южна ориентация трябва да се предвиди около 4,8 кг акумулираща маса.
• Характеристиките на топлоакумулиращата маса зависи от особеностите на климатичната зона, температурните амплитуди, слънцегреенето и други.
• Структурата на използваните елементи за топлоакумулиращата маса не трябва да е с въздушни кухини. Ако се използват подобен тип тухли е препоръчително същите да бъдат запълнени с бетон.
• Площта на топлоакумулиращия под, която трябва да се предвиди, трябва да е около 1,5 пъти площта на южно ориентираните прозрачни елементи.
• Подовите площи не трябва да се покриват с килим и трябва, когато са предвидени като топлоакумулиращи, да са в средно тъмни цветове, конструктивно правилно решени и с покритие с необходимата якост и топлопроводимост.
• Стените трябва да са в натурални, светли цветове.
• Ефективното позициониране на топлоакумулиращата маса е по възможност – директно огрята от слънцето.
• За повишаване усвоената слънчевата радиация, не само директно попадналата върху елементите на сградата, но и разсеяната, е подходящо да се предвидят мерки за осигуряван на максимално рефлектиране от околната среда.
• Разбира се, желанието за максимално използване потенциала на слънчева енергия за екологично и ефективно отопление на застроената среда, трябва да бъде коригирано и с опасността от прегряване, съответно необходимостта от засенчване през летните сезони.
• И други..