سامانه های غیرفعال خورشیدی(تأمین نیازهای گرمایشی وسرمایشی بصورت طبیعی وهمساز بااقلیم)

آشنایی با سامانه های غیرفعال خورشیدی

استفاده از سامانه های خورشیدی امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به محدود بودن منابع فسیلی و آلودگی‌های ناشی از استفاده از این گونه منابع، جوامع اندیشمند را بدان واداشته است که از منابع تجدیدپذیر مانند سامانه های خورشیدی به‌جای منابع‌فسیلی استفاده کنند. امروزه بعضاََ به دلیل ضعف در طراحی، درصد قابل‌ملاحظه ای از انرژی‌های اولیه صرف گرم‌کردن، خنک‌نمودن و نور‌رسانی ساختمان‌ها می‌گردد. با اندکی توجه به اصول طراحی منطبق با اقلیم و به کارگیری انرژی‌های تجدید پذیر، می‌توان مصرف انرژی را در بناها تا حد قابل‌ملاحظه‌ای کاهش داد.

در سامانه‌ های غیر‌فعال خورشیدی، ساختمان‌ها به گونه ای طراحی می‌شوند که نیازهای سرمایش و نوررسانی در آن‌ها به صورت طبیعی و همساز با اقلیم تأمین گردد و به این دلیل سامانه غیر فعال نامیده می‌شوند که نیاز به فعالیت تجهیزات گرمایشی و سرمایشی به حداقل ممکن می‌رسد.

پیشینیان همچنین اطلاعات وسیعی از پتانسیل‌های معماری به دست آورده بودند که قادر به اصلاح گرمای تابشی و سایه ی خورشید شدند. درواقع، استفاده ازخورشید به‌عنوان یک منبع گرما چیز جدیدی نیست! در ۲۴۰۰ سال پیش،سقراط دریافته است که:

“امروزه در خانه‌های با جهت جنوبی، اشعه خورشید در زمستان‌ها به داخل ایوان نفوذ می‌کند، اما در تابستان، مسیر حرکت خورشید درست در سمت بالا و یا بالای پشت‌بام است، به طوری که سایه ایجاد می‌کند. بنابراین باید سمت جنوب را برای گرفتن آقتاب زمستان بزرگتر و کشیده‌تر و سمت شمال را برای دوری از بادهای زمستان کوتاه‌تر ساخت. دارنده چنین خانه‌ای می تواند فضای مناسبی در همه فصول داشته باشد.”

یک خانه طراحی شده با گرمایش طبیعی خورشیدی، صورت‌حساب مصرف انرژی را می‌تواند تا ۷۵% کاهش دهد. در صورتی که میزان هزینه ساخت را تنها ۱۰% تا ۵% افزایش خواهد داد.

انواع سامانه‌های گرمایش طبیعی

جذب مستقیم با پنجره‌های خورشیدی

بناهایی با جذب مستقیم، به پنجره‌های رو به جنوب که به نام پنجره‌های خورشیدی نامیده می‌شوند وابسته‌اند. نور خورشید با امواج با طول موج کوتاه از شیشه عبور کرده و به فضای موردنظر وارد می‌شود. این امواج پس از تابیده شدن بر روی سطوح داخلی، آنها را گرم کرده و موجب انتشار امواج با طول موج بلندتر می‌شوند. این امواج دیگر قادر به عبور از شیشه نبوده و در داخل فضا محبوس می‌شوند که این امر به پدیده گلخانه ای مشهور است.

به عبارت دیگر، گرفتن پرتوهای نور با طول موج کوتاه و ساطع کردن پرتوها با طول موج بلند را اثر گلخانه ای می‌گویند. زمانی که تابش خورشید از طریق سطوح نورگذر وارد فضا می‌شود، دیوارها، کف، سقف و وسایل اتاق، گرما را ذخیره می‌کنند. در این صورت مصالحی با ظرفیت گرمایی بالا (بتن، بلوک های بتنی، آجر و …) عملکرد سامانه جذب مستقیم را افزایش می‌دهند.

روش های ذخیره انرژی درجذب مستقیم

الف) نورگیرهای سقفی:

روشی مناسب برای مکان‌هایی است که دارای عمق زیاد بوده و نور خورشید از دیوارهای جنوبی به خوبی به تمامی فضا نمی‌رسد و یا این که به هر دلیل امکان نورگیری از طریق پنجره جنوبی وجود نداشته باشد.

به طور کلی روش‌های ذخیره انرژی سامانه های خورشیدی را می‌توان به دو گروه عمده تقسیم‌بندی کرد:

۱. ذخیره سازی آشکار گرما:

در سامانه‌های انرژی خورشیدی با دمای متوسط و کم، آب و سنگ بهترین و ارزان‌ترین واسطۀ ذخیره انرژی هستند. در این سامانه، انرژی‌گرمایی جمع‌آوری شده، دمای جسم واسط را افزایش می‌دهد، بنابراین انرژی گرمایی در آن ذخیره شده و در هنگام نیاز، برای استفاده بازیابی می‌شود.

۲. مواد تغییر فاز دهنده:

برای ذخیره گرما می‌توان به جای آب یا سنگ از مواد تغییر فاز دهنده استفاده نمود. با وجود این که مواد تغییر فاز معمولاََ گران‌تر از مواد عادی هستند ولی گرما را ۵ تا ۱۴ برابر بهتر از آب و سنگ در خود ذخیره می‌کنند. بدین ترتیب، وقتی فضای موجود محدود باشد، استفاده از این مواد بسیار مفید است.

مواد تغییر فاز دهنده عبارت‌اند از:

فسفات سدیم دود کاهیدرات
تیوسولفات سدیم پنتاهیدرات
پارافین
سولفات سدیم دکاهیدرات
کلرید کلسیم هگزاهیدرات
اسیدهای چرب

این مواد هنگامی‌که از فاز جامد به فاز مایع تبدیل می‌شوند گرما را جذب و ذخیره می‌کنند. سپس وقتی که به فاز جامد بر می‌گردند گرمای ذخیره شده را آزاد می‌کنند.

جرم حرارتی (مؤثر در ذخیره کردن حرارت و برودت مورد نیاز)

جرم حرارتی در ساختمان نقش به‌سزایی در ذخیره کردن حرارت و برودت مورد نیاز در طول شبانه روز را دارا است. در اقلیم‌های گرم، تهویه شبانه موجب ذخیره برودت در مصالح ساختمانی می‌شود. همواره باید به خاطر داشت که در هر دو اقلیم گرم و خشک و اقلیم سرد، می‌بایست از عایق حرارتی در جداره بیرونی پوسته ساختمان استفاده کرد تا حرارت در طول روز تابستانی به درون و در زمستان به بیرون نفوذ نکند.

در خصوص جرم‌های حرارتی در درون ساختمان نیز باید به موقعیت و جهت‌گیری آن‌ها توجه کرد. به منظور ذخیرۂ حرارت (در زمستان) بدیهی است که جرم‌های حرارتی واقع در ضلع شمالی ساختمان تأثیر چندانی در کاهش بار‌گرمایی نخواهند داشت (بار‌گرمایی یعنی میزان گرمای مورد نیاز جهت تامین آسایش و به همین صورت بار‌سرمایی یعنی میزان سرمای مورد نیاز جهت تأمین آسایش). در دفاتر اداری بزرگ فقط گرمای حاصله از روشنایی الکتریکی و تجهیزات موجود است که می‌تواند در این جداره‌ها ذخیره گردد.

جذب غیرمستقیم توسط دیوار ترومب و سقف آبی

درجذب غیر‌مستقیم، ذخیره کننده‌ها حایل بین نور خورشید و فضای داخلی هستند، و می‌توان آن‌ها را به دو دسته تقسیم کرد:

دیوار ترومب
سقف آبی

دیوار ترومب (استفاده‌ی کارآمد از انرژی سامانه های خورشیدی)

از آنجایی که اولین بار فلیکس ترومب در سال ۱۹۶۶ در فرانسه از این روش استفاده کرد، این دیوار به این اسم نامیده می‌شود. این دیوار که در فاصله کمی از شیشه قرار دارد، از موادی با چگالی بالا مانند خشت یا گالن‌های پر از آب ساخته شده و جداره خارجی آن‌ها رنگ آمیزی تیره‌ای دارند. فاصله‌ی بین شیشه و دیوار می‌بایست حداقل در حدود cm 8-10 باشد تا گردش هوا به‌راحتی صورت پذیرد.

در صورت استفاده از شیشه‌های یک یا دو جداره، شب‌ها حتماََ باید روی پنجره‌ها را با عایق حرارتی پوشاند تا حرارت ذخیره شده در دیوار ترومب به راحتی به خارج منتقل نشود. در غیر این صورت می‌بایست از شیشه‌های سه جداره به این منظور استفاده کرد. گرمای ذخیره شده در طول روز به تدریج به داخل بنا منتقل می‌شود. دیوار ترومب به گرمای خورشید به طور کارآمد اجازۀ استفاده می‌دهد وکارآیی آن به جنس، ضخامت و رنگ سطح‌دیوار بستگی دارد.

حوضچه‌های سقفی (یکی از رایج‌ترین سامانه‌های خورشیدی)

استفاده از حوضچه‌ها با استخرهای سقفی یکی از رایج‌ترین انواع سامانه های خورشیدی است که اولین بار در دهۀ ۱۹۳۰ میلادی به اجرا درآمد و نتایج موفقیت آمیزی را نیز به دنبال داشت. در این سامانه، حوضچه‌ی سقفی حرارت نور خورشید را طی روز زمستانی جذب کرده و در هنگام شب، برای حفظ گرمای حاصله سقف را با عایق حرارتی می‌پوشانند. به این ترتیب گرمای آب درون استخر به تدریج از طریق هدایت و تشعشع، هوای درون ساختمان را گرم نگه می‌دارد.

حداقل عمق آب حوضچه نباید کمتر از ۱۰cm باشد. نوع دیگر این سامانه توسط شیشه پوشانده می‌شود. درحالی‌که در روزهای تابستانی بالعکس، در طول روز حوضچه با عایق پوشانده شده و شب‌ها به منظور خنک شدن آب حوضچه، عایق حرارتی کنار زده می‌شود.

گلخانه (سامانه جذب مجزا)

گلخانه با سامانه جذب مجزا کار می‌کند و به آن فضای خورشیدی نیز گفته می‌شود. از این جهت جذب مجزا نامیده می‌شود که عمل جذب حرارت و ذخیره انرژی هر دو در یک فضای جداگانه ای مانند گلخانه صورت می‌پذیرد.

سامانه ترموسیفون (گردش حرارتی یک سیال در سیستم بسته)

گردش همرفتی یک سیال که در یک سیستم بسته اتفاق می‌افتد، جایی که سیال سرد به جای سیال گرم در همان سیستم جایگزین می‌گردد، ترموسیفون نامیده می‌شود. این سامانه در واقع یک چرخه جابه‌جایی طبیعی است. در این سامانه، مرحله‌ی جذب انرژی می‌تواند به صورت متصل به ساختمان و یا کاملاََ در محیطی جداگانه صورت بگیرد و حرارت جذب شده توسط کانال به فضای مورد نظر هدایت و در مکان مناسبی مانند دال بتنی یا انبارۀ سنگی که معمولاً بالاتر از سطح جذب‌کننده قرار دارد ذخیره گردد.

بناهای محصور در خاک (مناسب اقلیم گرم و خشک)

در این روش بخشی از ساختمان یا تمام آن توسط خاک پوشیده می‌شود تا تبادل حرارتی میان ساختمان و هوای خارج به حداقل برسد. از این روش برای خنک کردن ساختمان نیز استفاده می‌گردد. این سامانه بیشتر برای مناطقی مناسب است که دارای اقلیم گرم وخشک بوده و یا زمستان‌های بسیار سرد و تابستان‌های بسیار گرم دارند. مقاومت حرارتی ۳۰cm خاک مساوی است با مقاومت 2/5cm چوب. تقریبا ۳m خاک مورد نیاز خواهد بود تا مقاومتی به اندازۀ یک دیوارعایق معمولی ایجاد کرد.

بنابراین مزیت استفاده از این روش به دلیل بالا بودن مقاومت حرارتی (R) خاک نیست بلکه به دلیل بالا بودن زمان تاخیر انتقال حرارت آن (۶ ماه) در ضخامت‌های زیاد است. دمای خاک نزدیک سطح زمین بیشتر از دمای هوای خارج پیروی کرده و تقریباََ برابر میانگین دمای ماهیانۀ اقلیم مورد نظر است. در صورتی که در اعماق بیش از ۶m برابر با میانگین دمای سالیانه است. بنابراین دمای زمین گرم‌تر از دمای هوا در زمستان و خنک‌تر در تابستان خواهد بود و در نتیجه شرایط جوی تأثیر زیادی در نوسانات دمای داخلی این گونه بناها نخواهد گذاشت.

زمین گرمایی (سامانه انتقال انرژی گرمایی زمین)

ماگمایی که به سمت سطح زمین در حال صعود است، مواد داخل زمین را به سطح می‌آورد. حرارت حاصل از سرد شدن ماگما، آب‌های سطحی زیرزمین را گرم کرده و به صورت آب فشان و چشمه‌های آب گرم تظاهر می‌کند.

با نصب لوله‌های تبادل انرژی درون پی شمع های ساختمان، سامانه‌ای ایجاد می‌شود که به عنوان وسیله انتقال انرژی گرمایی زمین عمل می‌کند. به این ترتیب، لوله‌های ذکر شده مانند منبع گرما برای پمپ‌های گرمایی بوده و یا به عنوان بخشی از سامانه ذخیره ساز انرژی کاربرد دارد.

ملاحظات مهم در طراحی خورشیدی (سامانه های خورشیدی)

اصول حفظ گرما در داخل ساختمان
اصول فراهم کردن امکان نفوذ اشعۀ خورشید به داخل بنا
محافظت بنا از بادهای سرد زمستانی
شکل ساختمان

عایق‌های حرارتی (جلوگیری از هدر رفتن انرژی)

خانه‌های خورشیدی باید به خوبی عایق شده باشند و سرعت نشت هوا در آنها کاهش یابد تا گرمای خورشید را در خود نگه دارند. بنابراین با انجام عایق کاری خوب، مقدار قابل ملاحظه ای از انرژی که امروزه به هدر می‌رود می‌تواند ذخیره شود و مورد استفاده قرار گیرد.

به طور کلی برای عایق‌های حرارتی عملکردهای زیر را می‌توان در نظر گرفت: