سامانه های غیرفعال خورشیدی (تأمین نیازهای گرمایشی و سرمایشی به‌صورت طبیعی و همساز با اقلیم)
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 واداشته‌است که از منابع تجدیدپذیر مانند سامانه های خورشیدی به‌جای منابع‌فسیلی استفاده‌کنند. 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 کاهش‌داد.
در سامانه های غیرفعال خورشیدی، ساختمان‌ها به گونه ای طراحی‌می‌شوند که نیازهای سرمایش و نوررسانی در آنها به صورت طبیعی و همساز با اقلیم تأمین گردد و به این دلیل سامانه غیر فعال نامیده‌می‌شوند 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 دریافته‌است 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 فصول‌داشته‌باشد.”
یک خانه طراحی شده با گرمایش طبیعی خورشیدی، صورت‌حساب مصرف انرژی را می‌تواند تا ۷۵% کاهش‌دهد. در صورتی که میزان هزینه ساخت را تنها ۱۰% تا ۵% افزایش‌خواهدداد.
انواع سامانه های خورشیدی گرمایش طبیعی
جذب مستقیم با پنجره‌های خورشیدی
بناهایی با جذب مستقیم، به پنجره‌های رو به جنوب که به نام پنجره‌های خورشیدی نامیده‌می‌شوند وابسته‌اند. نور خورشید با امواج با طول موج کوتاه از شیشه عبورکرده و به فضای موردنظر واردمی‌شود. این امواج پس از تابیده‌شدن بر روی سطوح داخلی، آنها را گرم‌کرده 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 افزایش‌می‌دهند.
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 وجودنداشته‌باشد.
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 جمع‌آوری‌شده، دمای جسم واسط را افزایش‌می‌دهد، بنابراین انرژی گرمایی در آن ذخیره‌شده 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 فازدهنده استفاده‌نمود. 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 ذخیره‌شده را آزاد می‌کنند.
جرم حرارتی (مؤثر در ذخیره کردن حرارت و برودت مورد نیاز)
جرم حرارتی در ساختمان نقش به‌سزایی در ذخیره‌کردن حرارت و برودت مورد نیاز در طول شبانه روز را دارا است. در اقلیم‌های گرم، تهویه شبانه موجب ذخیره برودت در مصالح ساختمانی‌می‌شود. 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 استفاده‌کرد 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 ذخیره‌گردد.
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 ساخته‌شده 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 صورت‌پذیرد.
در صورت استفاده از شیشه‌های یک یا دو جداره، شب‌ها حتماََ باید روی پنجره‌ها را با عایق حرارتی پوشاند تا حرارت ذخیره‌شده در دیوار ترومب به راحتی به خارج منتقل نشود. در غیر این صورت می‌بایست از شیشه‌های سه جداره به این منظور استفاده‌کرد. گرمای ذخیره‌شده در طول روز به تدریج به داخل بنا منتقل می‌شود. دیوار ترومب به گرمای خورشید به طور کارآمد اجازۀ استفاده‌می‌دهد وکارآیی آن به جنس، ضخامت و رنگ سطح‌دیوار بستگی‌دارد.
حوضچه‌های سقفی یکی از رایج‌ترین سامانه های خورشیدی
استفاده از حوضچه‌ها با استخرهای سقفی یکی از رایج‌ترین انواع سامانه های خورشیدی‌است 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 جذب‌کرده 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 پوشانده‌می‌شود. درحالی‌که در روزهای تابستانی بالعکس، در طول روز حوضچه با عایق پوشانده‌شده و شب‌ها به منظور خنک‌شدن آب حوضچه، عایق حرارتی کنار زده‌می‌شود.
گلخانه (سامانه جذب مجزا)
گلخانه با سامانه جذب مجزا کار می‌کند و به آن فضای خورشیدی نیز گفته‌می‌شود. از این جهت جذب مجزا نامیده‌می‌شود که عمل جذب حرارت و ذخیره انرژی هر دو در یک فضای جداگانه ای مانند گلخانه صورت می‌پذیرد.
سامانه های خورشیدی 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 نامیده‌می‌شود. 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 قراردارد ذخیره گردد.
بناهای محصور در خاک (مناسب اقلیم گرم و خشک)
در این روش بخشی از ساختمان یا تمام آن توسط خاک پوشیده‌می‌شود تا تبادل حرارتی میان ساختمان و هوای خارج به حداقل برسد. از این روش برای خنک‌کردن ساختمان نیز استفاده‌می‌گردد. 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 ۲/۵cm چوب. تقریبا ۳m خاک مورد نیاز خواهد بود تا مقاومتی به اندازۀ یک دیوارعایق معمولی ایجادکرد.
بنابراین مزیت‌استفاده 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 خواهدبود و در نتیجه شرایط جوی تأثیر زیادی در نوسانات دمای داخلی این گونه بناها نخواهد‌گذاشت.
زمین گرمایی (سامانه انتقال انرژی گرمایی زمین)
ماگمایی که به سمت سطح زمین در حال صعود است، مواد داخل زمین را به سطح‌می‌آورد. حرارت حاصل از سردشدن ماگما، آب‌های سطحی زیرزمین را گرم‌کرده و به صورت آب فشان و چشمه‌های آب گرم تظاهرمی‌کند.
با نصب لوله‌های تبادل انرژی درون پی شمع های ساختمان، سامانه‌ای ایجاد‌می‌شود که به عنوان وسیله انتقال انرژی گرمایی زمین عمل‌می‌کند. به این ترتیب، لوله‌های ذکرشده مانند منبع گرما برای پمپ‌های گرمایی‌بوده 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 عایق‌شده باشند و سرعت نشت هوا در آنها کاهش‌یابد 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 ذخیره‌شود و مورد استفاده‌قرارگیرد.
به طور کلی برای عایق‌های حرارتی عملکردهای زیر را می‌توان در نظر گرفت:
- کمک به ذخیره انرژی
- کنترل انتقال گرما
- کنترل درجه حرارت
- پیشگیری از یخ‌زدگی
- حفاظت در برابر سوختگی
- کنترل آتش
برای طراحی داخلی، طراحی نقشه و طراحی نما ساختمان می توانید سفارش خود را به صورت آنلاین در سایت ما ثبت کنید!!
