به کارگیری طراحی انرژی خورشیدی منفعل در معماری

با وجود فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید از زمین این ستاره بیشترین تأثیر را بر سیاره ما دارد. اگر چه برای کمتر آسیب دیدن از اشعه این ستاره همگان به دنبال راه فراری از در معرض قرار گرفتن مستقیم با آن هستند معماران به دنبال استفاده بهینه از تابش مستقیم این ستاره به دنبال راه کار می گردندواین مهم مانع از به کار گیری انرژی خورشیدی در معماری سبز و پایدار نشده است.

در تعریف، “انرژی خورشیدی منفعل “جمع آوری و توزیع انرژی حاصل از خورشید با استفاده از وسایل طبیعی است”.

مفهوم ساده یعنی به ساختمان ها به صورت آگاهانه تری با استفاده ازسیستم های انرژی خورشیدی منفعل، گرما، روشنایی، نیروی مکانیکی ببخشیم.

حقیقت این است که استفاده از انرژی بی پایان این ستاره که در معماری سبز به آن توجه ویژه می شود راه کاری مناسب و برای عدم استفاده از سوخت های فسیلی و فناپذیر و پرهزینه است.

هنگامی که پرتوهای خورشید به سطح زمین می رسند یا جذب یا منعکس و یا انتقال می یابند. مواد آینه ای تابش خورشید را منتقل می کنند ومواد شفاف باعث عبور آن از خود و پراکندگی آن می شوند، سطوح تیره بیشتر گرما را جذب می کند نه نور را.

همه مواد به یک روش انرژی خورشید را جذب نمی کنند. به عنوان مثال، یک سطح صیقلی و براق تابش اشعه را در مقادیر بیشتر از سطح مات منعکس می کند یا سطوح تیره گرما را در مقادیر بیشتری از سطوح روشن جذب می کنند.

بعضی از سطوح تابش را منتقل می کنند و در همان زمان آن را ذخیره می کنند و آنچه را که ما به عنوان “اثر گلخانه” می شناسیم ایجاد می کنند، این سیستم گرمای به دست آمده از خورشید را ذخیره می کند و آن را برای مدت طولانی حفظ می کند، بر خلاف منفعل بودن “سیستم خنک کننده” که گرما را در مرحله بعدی جذب می کند.

سیستم های منفعل چیست؟

سیستم های غیرفعال “انرژی را با وسایل غیر مکانیکی و طبیعی جمع آوری و انتقال می دهند”.

مصالح ساختمانی بتونی، آجر، سنگ و آب دو ماده متداول برای ذخیره سازی اشعه هستند.

پیکربندی سیستمهای منفعل شامل سه نوع است:

• افزایش مستقیم
• سود غیرمستقیم
• منزوی جدا شده

 افزایش مستقیم هنگامی حاصل می شود که پروژه با رسیدن مستقیم نور خورشید به سطح آن گرم شود و انرژی بخورد (به عنوان مثال از طریق یک نمای شیشه ای جنوبی).

افزایش غیرمستقیم هنگامی است که نور خورشید به یک سطح متناوب برخورد می کند، جذب می شود، به انرژی حرارتی تبدیل می شود و سپس به فضا منتقل می شود (به عنوان مثال یک دیوار سنگ تراشی نور خورشید را جذب می کند و گرمای جذب شده را به فضای داخلی منتقل می کند).

“گلخانه های پیوست شده” ترکیبی از سیستم های مستقیم و غیرمستقیم است، زیرا آنها مستقیماً نور خورشید را به درون ساختار خود می گیرند، اما همچنین می توانند این انرژی را به ساختمان مجاور تبدیل کنند و مجبور به بدست آوردن سود غیرمستقیم شوند.

سود منزوی یک حلقه جمعی طبیعی است که شامل استفاده از مواد جایگزین برای جذب انرژی است. این مواد شامل مخزن ذخیره سازی گرما، یک جمع کننده صفحات فلزی، آب، هوا و انبار سنگ می باشد. جریان طبیعی هنگامی اتفاق می افتد که آب جمع شده توسط ظرف در اثر تابش نور خورشید گرم شود، زیرا بالا می رود و وارد قسمت بالای مخزن ذخیره می شود.

طراحی انرژی خورشیدی منفعل:

(استراتژی های طراحی زیر مربوط به نیمکره شمالی است)

1- موقعیت مکانی با توجه به خورشید: جذب بهینه خورشید برای انرژی خورشیدی بسیار مهم است، به همین دلیل این پروژه باید به گونه ای ساخته شود که در تابستان و زمستان از خورشید استفاده کامل کند.

2- طراحی ساختار: شکل کلی و جهت گیری یک پروژه می تواند تعیین کند که چه مقدار خورشید در فضا منتقل می شود. مشاهده می شود یک ساختمان که در امتداد محور شرقی – غربی کشیده شده است، در فصل زمستان منجر به جذب اضافی نور خورشید در ضلع جنوبی می شود.

3- توجه به ضلع شمالی: از آنجایی که خورشید مستقیماً از ضلع شمالی تابش اشعه نمی کند، معماران می توانند ارتفاع آن را کوتاه کنند و میزان قرار گرفتن در معرض دیوارهای شمالی را به حداقل برسانند. علاوه بر این، نقاشی دیوار مجاور با رنگهای روشن می تواند به بازتاب نور خورشید بر روی دیوار شمالی کمک کند.

4-اختصاص اتاق های داخلی: قرار دادن اتاق های بسیار پر کاربرد در کنار جبهه های جنوب شرقی، جنوبی یا جنوب غربی تضمین کننده حداکثر گرمایش و جذب نور است. اتاقهایی که حداقل نیاز به گرمایش و نورپردازی مانند راهروها یا اتاق های کمکی دارند به جای آن می توانند مکانهایی در کنار ضلع شمالی باشند.

5-قرار گرفتن در پنجره: قرار دادن پنجره های بزرگ در ضلع های جنوبی ساختمان حداکثر انتشار آفتاب را به فضای داخلی تضمین می کند. نمای شمالی باید دارای پنجره های نسبتاً کمتری باشد زیرا کمترین انرژی حرارتی را جذب می کنند.

6-ورودی پناهگاه: برای جلوگیری از ورود هوای سرد هر وقت درب در زمستان باز شود، درب ورودی را از جهت باد دور کنید و یا یک شیشه جلوی ورودی اضافه کنید.

7-انتخاب مواد: در صورت استفاده از هر ماده در جای مناسب، انرژی بیشتری مصرف می شود. برای مقایسه میزان جذب انرژی هر ماده به جدول زیر نگاهی بیندازید.

8- انتخاب سیستم: هر پروژه دارای الزامات طراحی خاص است، به همین دلیل پروژه های مختلف به سیستم های مختلفی نیاز دارند. اغلب اوقات مواقعی وجود دارد که بعضی از سیستم های انرژی منفعل نامناسب هستند، مانند داشتن نمای شیشه ای بزرگ در پروژه ای که توسط ساختمان های بالاتر احاطه شده باشد که در این حالت بهترین راه حل اجرای سیستم روی سقف است.

9-نمای شیشه ای- پنجره خورشیدی: نمای شیشه ای جنوبی و پنجره های بزرگ بیشترین میزان تشعشعات خورشیدی را به فضا جذب می کند.

10- چراغهای سبک: غالباً مواقعی وجود دارد که داشتن نمای شیشه ای امکان پذیر نیست به همین دلیل ایجاد یک چراغ قوه یا شکاف، امکان توزیع مستقیم نور خورشید را در فضا می دهد.

11- ذخیره سازی گرمای سنگ تراشی: برای جلوگیری از نوسانات دمای محیط داخلی، دیوارها با حداقل ضخامت 4 اینچی توصیه می شوند. یک فضای داخلی با رنگ ملایم، کفپوش تیره و همچنین تکه های کوچک پنجره روی دیوار امکان انتشار بیشتر نور خورشید در فضا را فراهم می کند.

12- دیواره داخلی آب: در هنگام استفاده از دیوار داخلی آب در ساختمان، حتماً دیوار در مکانی واقع شده است که در زمان اوج خود(11 صبح – 3 بعدازظهر) با نور خورشید روبرو باشد. برای بهینه سازی جذب خورشید، یک دیوار رنگ تیره را انتخاب کنید.

13-دیواره حرارتی / ترامپ: مانند دیوار گلخانه، دیوارهای ترامپ یک لایه بیرونی است که در مجاورت “سمت آفتابی” یک ساختمان ساخته شده است که به حفظ گرما در طول روز و انتشار آن به آرامی در طول شب کمک می کند. این دیوارها که غالباً از سنگ تراشی و شیشه ساخته شده اند، از طریق لایه شیشه ای و دهانه های موجود در دیوار، گرمای ساختمان را ایجاد می کنند.

14- ابعاد دیواره: اندازه مناسب هر نوع دیوار حرارتی تا حد ممکن گرما را در طول زمستان حفظ می کند. “توصیه: در آب و هوای سرد از 0.43 تا 1 فوت مربع از جبهه جنوبی، از دیوار ذخیره سازی حرارتی دو جداره برای هر یک متر مربع از سطح کف استفاده کنید (0.31 تا 0.85 فوت مربع از ابعاد دیواره آب). در آب و هوای معتدل از 0.22 تا 0.6 متر مربع استفاده کنید. دیوار حرارتی (0.16 – 0.43 فوت مربع برای ابعاد دیواره آب) برای هر فوت مربع مساحت کف. “

جزئیات: ضخامت دیواره، مواد و رنگ تعیین می کند که دیوار حرارتی چقدر موثر است. برای بهترین استفاده از این دیوار ترومپ، یک رنگ تیره در طرف رو به آفتاب را انتخاب کنید، برای افزایش کارایی آن دریچه هایی را در قسمت های بالایی و پایین دیوار اضافه کنید و برای جلوگیری از جریان هوای معکوس، پانل های آویز را روی این دریچه ها قرار دهید.

15- گلخانه مجاور: استفاده كامل از مفهوم “گلخانه مجاور” می تواند كاملاً پیچیده باشد زیرا انرژی منتقل شده به ساختمان قبل از طریق یك سازه منتقل می شود. بنابراین، ابعاد گلخانه باید به درستی محاسبه شود. “توصیه: در آب و هوای سرد برای هر یک متر مربع از ساختمان بین 0.65 تا 1.5 فوت مربع شیشه دو طرفه جنوبی استفاده کنید. در آب و هوای معتدل برای هر یک متر مربع از ساختمان از 0.33 تا 0.9 متر مربع از ایوان استفاده کنید. “

16- گلخانه آزاد: از آنجا که گلخانه ها به شدت به شیشه (یا سایر مواد شفاف) وابسته هستند، خورشید در کل فضا تابش می کند. با این حال ضلع شمالی گلخانه نسبت به بقیه طرفها کمتر خورشید می گیرد. ترجیح داده می شود که محور شرقی – غربی را دراز بکشید و ضلع شمالی را با رنگهای روشن رنگ کنید تا نور خورشید را در این منطقه منعکس کند.

جزئیات: برای جلوگیری از نوسان دمای داخلی گلخانه ها، اجرای دیوار داخلی آب، استفاده از سیستم ذخیره سازی سنگ و یا استفاده از بنای سنگ تراشی جامد.

17- حوضچه سقف: منطقه حوضچه سقفی بستگی به این دارد که آیا از آن برای سیستم های گرمایشی یا سرمایش، مواد مورد نظر از آن و نوع عایق مورد استفاده می شود. در اینجا یک جدول برای مقایسه نرخ استخرهای سقفی بسته به ویژگی های هر حوضچه ارائه شده است.

جزئیات: حوضچه های سقفی از آنجا که به ساختار و سقف ساختمان بستگی دارند باید به جزئیات توجه بیشتری کنند. سقف باید توسط فلز ضد آب یا عرشه بتونی پشتیبانی شود و در معرض هوا قرار بگیرد تا آنجا که ممکن است گرما جذب کند. این حوضچه می تواند 6-12 اینچ عمق داشته باشد و از ظروف رنگی تیره ضد آب ساخته شده است که دارای درب های شفاف است تا اجازه دهد اشعه خورشید هنگام پنهان شدن به آب برخورد کند. در مورد تابلوهای عایق، اگر پانل ها تا حد ممکن با مواد بازتابنده ساخته شوند، ترجیح می دهند خطر نشت آب را کاهش داده و راندمان سیستم را افزایش دهند.

18- عایق متحرک: شیشه و یا مواد شفاف بیشترین میزان خورشید را به فضا می پذیرند. با این وجود برخی از این تشعشعات در شب به دلیل همان منبع که به آنها اجازه داده می شود از بین می روند. با پوشاندن پانل های شیشه ای با سیستم عایق متحرک میزان گرما در شب آزاد می شود.

19- بازتاب دهنده ها: گاهی اوقات، داشتن نمای شیشه ای بزرگ جزئی از طرح پیشنهادی نیست، به همین دلیل اضافه کردن بازتابنده باعث افزایش میزان خورشید می شود که وارد فضا می شود. ”توصیه: برای لعاب عمودی از بازتابنده افقی تقریباً برابر با عرض و یک تا دو برابر ارتفاع دهانه لعاب در طول استفاده کنید. برای چراغهای شیب دار جنوبی بازتاب دهنده های بالای چراغ را در زاویه شیب تقریبا 100 درجه قرار دهید و ابعاد بازتابنده را با ابعاد نورگیر مساوی کنید. “

20- سایه زنی: کنترل میزان و مسیر نور خورشید که وارد فضا می شود بسیار کارآمد است و از ورود آن به اتاق هایی که افزایش خورشید لازم نیست جلوگیری می کند. ”توصیه: لعاب جنوبی را با استفاده از یک افقی که در بالای لعاب قرار دارد سایه بان کنید. طول سایه ها باید به طول تقریباً یک چهارم از عرض باز در عرض های جنوبی و نیمی از ارتفاع در عرض های شمالی “باشد.

21- عایق خارجی: اگر از دیوارهای خارجی به عنوان دیواره های حرارتی استفاده می شود، پانل های عایق را در قسمت بیرونی قرار دهید تا از انتشار هرگونه گرمای ذخیره شده جلوگیری شود.