Користење на сончевата енергија за греење

Главни ефекти од пасивното користење на сончевата енергија во зградите се намалени потреби од топлинска енергија и намалени потреби од вештачко електрично осветлување. Ова се постигнува со лоцирање на зградата на поволна јужна ориентација, преку транспарентните површини (прозорци, балконски врати, лантерни, натсветла, атриуми), соодветни конструктивни елементи во зградата, употреба на транспарентни топлинско-изолациски материјали, материјали со висока моќност на акумулација на топлина итн.

Слика 1а: Ориентација исток-запад

Имено, за „главната“ страна на објектот треба да е резервирана јужната ориентација (180°), со максимални отстапувања на аголот од ± 30°. Прозорците дизајнирани за селективно пропуштање на сончевото зрачење (зима/лето), со јужна ориентација, треба да се со големи површини, за разлика од оние со југоисточна до северозападна ориентација, кои треба да ги задоволат само барањата за дневна светлина. Треба да се исклучат засенчувањата од кое било потекло во зимскиот период (вегетација, други објекти, балкони, стреи). Со ваква ориентација се обезбедуваат предуслови за оптимално пасивно (и активно) користење на сончевата енергија.

Слика 1б: Ориентација север-југ

Не треба да се заборави дека ваквото интензивно “отворање“ на зградата кон југ има и друга страна на “медалот“, потреба за заштита од летното несакано прегрејување на внатрешноста, кое се постигнува со архитектонски мерки (балкони, стреи, натстрешници, ролетни или капаци на застаклените елементи итн.).

Според проф. Норберт Лехнер (Norbert Lechner), зграда со правоаголна основа, поставена со подолгата страна во правец запад – исток, т.е. подолгата страна ориентирана кон југ, за резултат има околу 50% намалена потрошувачка на енергија за греење, ладење и осветление, во споредба со иста таква зграда, но со ориентација на подолгата страна кон оската север – југ (Слика 1а и 1б).

Интензитетот на сончевото зрачење надвор од Земјината атмосфера значително варира од сезона до сезона. Но, ефектот од сончевото зрачење врз површината на Земјата, значи и врз зградите, е комплексен, бидејќи интензитетот е многу променлив во зависност од географската ширина, годишната сезона, времето од денот, климата, околината, ориентацијата на зградата како и својствата за трансмисија и апсорпција на озрачените површини на градежните конструкции.

При проектирање на згради треба да се има на ум дека сончевото зрачење претставува “подарена“ енергија“ за греење на внатрешната средина, во периодот од грејната сезона. Но, оваа “подарена“ топлинска енергија не е посакувана вон грејната сезона, особено не во лето, кога “топлинските добивки” од сонцето се интензивни и треба да се амортизираат со уреди за ладење, кои од своја страна бараат дополнителна потрошувачка на енергија. Овој баланс помеѓу посакуваното и непосакуваното од сонцето претставува основна стратегија во процесот на проектирање на одржливи нискоенергетски згради. Балансот најлесно се постигнува со блокирање на сончевите зраци со мерки за засенчување во текот на летото, пред зраците да дојдат до зградата. Заштита на застаклените отвори на зградата е прв и основен елемент во дизајнот на системите за засенчување. Кога тие се добро дизајнирани, истовремено претставуваат и заштита на нетранспарентните површини, вклучувајќи ги ѕидовите и покривите.

Слика2: “Плодови“ – потребни за проектирање на нискоенергетски и пасивни згради

Веќе цитираниот проф. Норберт Лехнер (Norbert Lechner) од САД има интересен графички приказ за пристап и редослед според кој треба да се применуваат некои елементи при проектирањето на енергетски ефикасни згради (Слика 2). Имено, плодовите од дрвото фигуративно ги претставуваат елементите битни за енергетската ефикасност, но не сите плодови се подеднакво лесни за берба. Најдостапни се веќе паднатите на земја (ориентација на зградата), па  потоа плодовите на дофат со рака (големина и ориентација на прозорците, колоритот на зградата, засенчување и дневна светлина). За рачно недостапните повисоки плодови потребни се скали, па дури тогаш е можно и тие да бидат собрани (пасивна и активна соларна енергија и најпосле фотоволтаици за производство на електрична енергија).

Проектирање на пасивни згради

Секој проект на пасивна зграда има елементи кои се карактеристични и задолжителни за ваков тип на згради:

–  базиран е врз онова на анализа на климата на локацијата;

–  настојува да го контролира комфорот (греење и ладење) без употреба на гориво;

–  користи правилна ориентација на зградата заради контрола на топлинските загуби и добивки;

–  користи геометриска форма на зградата (во основа и во пресек, т.н. фактор на форма на зградата) за контрола на протокот на воздух;

–  употребува ефикасни изолациски материјали заради намалување и контрола на топлински протоци;

–  максимизира употреба на бесплатна сончева енергија за греење и вентилација;

–  максимизира употреба на природна вентилација за ладење;

–  користи елементи за засенчување (природни или архитектонски) за контрола на топлинските добивки.

Пасивното греење и ладење помагаат за реализирање на одржливоста на зградите, намалувајќи ја зависноста од фосилните горива за греење и ладење на зградите, како и намалувајќи ги потребите од електрична енергија за осветлување со помош на користење на природни практики за осветлување во зградите со природна светлина.

Пасивно користење на сончевата енергија за греење

Сончевите зраци паѓаат врз непроѕирни површини на зградите, како што се покриви и ѕидови, но и врз транспарентни површини, како што се прозорците.

Кога површините на конструкциите што примаат зрачење се непроѕирни, дел од зрачењето се рефлектира, а остатокот се апсорбира, предизвикувајќи покачување на температурата во самата конструкција. Со оглед на тоа што сончевото зрачење не е константа, температурата и топлинскиот проток варираат во зависност од температурната разлика помеѓу внатрешниот и надворешниот воздух. На пример, кога сончевото зрачење паѓа врз површини со темна боја, материјалот брзо ја апсорбира топлината. Оваа топлина исто така брзо се губи кога сонцето ќе исчезне, но само ако ако материјалот има мал топлински капацитет. Кога сончевото зрачење паѓа врз бетон, процесот на апсорпција е бавен, но, поради високиот топлински капацитет на бетонот за акумулирање топлина, таа останува во материјалот, кој долго по исчезнување на соларниот извор ја зрачи топлината кон околината. Во случај на транспарентните површини (прозорците) пренесеното зрачење е обично големо, а апсорбираната топлина во стаклото мала, речиси нула.

За северната хемисфера, максимална добивка на сончева топлина во зима се постигнува со јужна ориентација. Северната ориентација во зима обично резултира со директни загуби на топлина, бидејќи топлинските добивки се минимални. Важно е да се предвиди застаклување со ниски вредности U_w на прозорците, низ кои топлинските загуби ги надминуваат топлинските добивки.

Во текот на летото максимални топлински добивки се кај источна и западна ориентација, бидејќи аголот на сонцето е најмал наутро и попладне, што овозможува продор на сонцето во зградата. Истовремено, овие ориентации се најтешки за контрола на зрачењето по пат на засенчување.

Бидејќи сончевите добивка се различни на сите фасади на една зграда, што треба да влијае на дизајнот на прозорците, важен е избор на прозорците и елементите на засенчување според аглите на сонцето и поставеноста на зградата.

Генерално, постојат три методи за пасивно користење на сончевата енергија за греење:

–  директни сончеви добивки;

–  Тромбеови ѕидови, и

–  застаклени простори (зимски градини, солариуми)

Слика 3: Сонцето зрачи врз под со топлинска инерција а подот ја враќа топлината во просторот

Директни сончеви добивки

Од горенаведените методи најчест е системот за директни добивки, којшто најдобро се прилагодува на повеќето архитектонски стандарди и помалку бара невообичаени технологии.

Една од можностите за директни пасивни сончеви добивки се системи за греење со прозорци ориентирани кон југ, кои овозможуваат продор на зимското сонце директно во внатрешноста на зградата, каде што зрачењето се апсорбира од материјали со висока топлинска инерција (Слика 3). Од летното сонце стаклото обично се заштитува со натстрешници. Во зима, особено во најстудените климатски региони, се препорачува на некој начин да се намалат топлинските загуби низ прозорците во текот на ноќта (ноќна изолација или стакла со ниска емисија).

Слика 4: Топлинска инерција

Акумулирање на топлина во материјали со висока топлинска инерција е најдобро решение за чување на бесплатната сончева енергија. Сончевото зрачење навлезено внатре во зградата може да се акумулира во материјалите во сотав на обвивката на зградата. За тоа да биде ефикасно, најдобро е зградата да биде изолирана од надворешна страна, за да се забави топлинскиот проток кон надвор (Слика 4).

Инаку, според дефиниција, топлинска инерција е способност на некој материјал да акумулира топлина. Топлинската инерција е производ од дебелина, маса и специфична топлина на материјалот.

Во згради со директни топлински добивки, но без капацитет за топлинска инерција на градежните конструкции (ѕидовите покривите) како што се, на пример, конвенционалните дрвени конструкции, бондруг системи итн.), застаклувањето на југ треба да изнесува помалку од 7% од површината на подот, за да се спречи прегревање на внатрешноста.

Дизајнот на системите за директни сончеви добивки базира на соларна геометрија, за да се осигура дека сонцето во текот на зимата допира до материјали со топлинска инерција, и дека елементите за засенчување го попречуваат пристапот на сонцето во текот на месеците кога преовладува ладењето. Тоа е метод кој најчесто се употребува за да се искористат предностите на бесплатната топлина од сонцето, метод кој се користи во речиси сите згради, освен во оние случаи каде сончевото зрачење не допира.

За да се обезбеди оптимално користење на пасивната сончева енергија, главно треба да се познаваат и да бидат исполнети следните услови:

1. Топлинска инерција: рамномерна распределба на материјали.
2. Дебелина на материјал со топлинска инерција: подобро е помала дебелина и поголема површина, отколку поголема дебелина. За тула или бетон дебелината не треба да е поголема од 10 cm.
3. Боја: темни подови апсорбираат повеќе топлина, додека ѕидови и плафони со светли тонови добро ја рефлектираат светлината.
4. Површински облоги: прекривки како, на пример теписи поставени врз подови со висока топлинска инерција, во голема мера го намалуваат ефектот на топлинската инерција.
5. Бетонски блокови: многу се поволни за топлинска инерција.
6. Материјали за подови: најдобар е бетон, ако под него има топлинска изолација од минимум 10 cm.
7. Ограничувања во зоната на директни сончеви добивки кај застаклувањата: да се намалат површините на прозорците со јужна ориентација (заради избегнување на големи температурни промени) на 7% од подната површина кај подови со мала топлинска инерција и 13% кај зградите со висока топлинска инерција.
8. Ориентација на прозорци: најдобра е јужната, со максимално отстапување од 15°.
9. Изолација за ноќ: навистина е корисна, но може да биде многу скапа.
10. Топлинска изолација: исклучиво од надворешна страна на материјал со топлинска инерција.

Мерки на претпазливост: Пасивното соларно греење не треба да се меша со потребите од природна светлина. И двете ја користат сончевата светлина, но во случај на системите за пасивно греење, директното зрачење е од суштинска важност.

Директната сончева светлина може да предизвика заслепување при одредена намена на просторот.

Природното осветлување делува најдобро како индиректна или дифузна светлина, бидејќи ваков тип на светлина помалку го нарушува видот или го одвлекува вниманието. Затоа, кога се планираат простори за употреба на компјутери или слична опрема, мора да се води грижа за да се избегнат проблемите со оштетување на видот, причинети од системите за директни сончеви добивки. Во вакви објекти Тромбеовите ѕидови нудат подобра алтернатива.

Во чекорите за приод кон пасивното греење приоритет се дава на концептот за намалување на влијанието на необновливите извори на енергија во барањата за пасивно греење, кои не можат да се обезбедат од обновливи енергетски извори.

Слика 5: Чекори во процесот на проектирање пасивно греење

Значи, “првата линија на одбраната“ мора да биде задржување на топлината (Слика 5). Ова се постигнува делумно со проект за ефикасна обвивка на зградата, на начин да се обезбеди материјал со соодветна термичка инерција од внатрешна страна на изолацијата, т.е. материјал којшто ќе ја акумулира бесплатната сончева енергија.

Првата линија на одбраната за максимално задржување на топлината ја има следната стратегија:

1. Облагање на обвивката на зградата со т.н. “суперизолација“, односно употреба на високовредни изолациски материјали со зголемени дебелини.
2. Многу добро затнување (херметизирање) на обвивката за намалување инфилтрација на воздух однадвор.
3. Обезбедување материјал со висока топлинска инерција од внатрешна страна на топлинската изолација, за да се овозможи акумулирање на топлината.
4. Висок квалитет на прозорци со висок топлински отпор (R), односно трослојно застаклување со исполна со гас аргон и нискоемисивни премази на стаклата.

Премиса:  „Она што не се губи, не мора да се надоместува“.

Пасивното користење на сончевата енергија за греење се базира на градежни компоненти и системи погодни за оваа намена: транспарентна надворешна топлинска изолација, “Тромбеови ѕидови”, водени ѕидови и др. Но, најголемите потенцијали во пасивното користење на сончевата енергија лежат во застаклените елементи на зградите: прозорците и балконските врати, натсветлата, куполите, интегрираните застаклени градини и др.

Претходно изнесеното се однесува на добивање топлинска енергија потребна во зимскиот период. Но што станува со несаканите топлински добивки низ истите застаклени елементи во лето, што за последица има дополнителни енергетски загуби при ладење на амбиентот наменет за престој?

Со современи технолошки решенија во дизајнирањето на стаклото како компонента во застаклените елементи, се решава проблемот: сончевите зраци селективно се пропуштаат, се акумулираат во стаклото или се рефлектираат, во зависност од тоа дали сончевата енергија во конкретниот случај и конкретниот период е пожелна или не. Со еден збор кажано, тоа е интелигентно користење на сончевата енергија.

Пишува: д-р Петар Николовски, дипл.инж.арх.