بکارگیری سیستم خورشیدی غیرفعال در پروژه‌های معماری
با وجود آن که خورشید حدود 150 میلیون کیلومتر از ما دورتر است، بیشتری نتاثیر را بر روی سیاره ما داشته‌است. با این حال، زمانی که بسیاری مشغول آفتاب گرفتن هستند، معماران به دنبال راهی برای استفاده از این منبع انرژی در فضاهای معماری اند.در تعریف، انرژی خورشیدی غیرفعال عبارت است از «جمع‌آوری و توزیع انرژی جذب شده از خورشید توسط راه‌های طبیعی». این مفهوم ساده و فرآیند ساده اجرای سیستم خورشیدی غیرفعال انرژی گرما، نور، نیروی مکانیکی و برق ساختمان‌ها را در طبیعت‌دوستانه‌ترین راه‌های ممکن فراهم کرده‌است.
در این مطلب راهنمای کاملی برای اجرای سیستم‌های غیرفعال خورشیدی در طرح‌های معماری را برای شما فراهم آورده‌ایم.
خورشید
انرژی خورشیدی غیرفعال بر اساس یک عنصر بنا شده‌است: خورشید. هنگامی که اشعه خورشید به سطح زمین می‌رسد، ممکن است جذب گردد، بازتاب شود و یا منتقل گردد. مصالح شفاف نور خورشید را به بیشترین میزان انتقال می‌دهند؛ با این حال، مصالح نیمه‌شفاف گرچه همان میزان نور خورشید را عبور می‌دهند اما آن را هنگام عبور پراکنده می‌کنند.
تمام مصالح نور خورشید را به یک شکل جذب نمی‌کنند. بعنوان مثال، یک سطح صیقلی در مقایسه با یک سطح مات نور را به میزان بیشتری بازتاب می‌دهد. همینطور سطوح تیره در مقایسه با سطوح روشن نور بیشتری را جذب می‌کنند. برخی سطوح بطور همزمان مقداری نور را جذب و مقداری را بازتاب می‌کنند –پدیده‌ای که به اثر گلخانه‌ای معروف است. این سیستم نور خورشید جذب شده از خورشید را ذخیره می‌کند و آن را برای طول مدت زیادی حفظ می‌کند، و در نقطه مقابل آن یک سیستم «سرمایش غیرفعال» قرار دارد، که نور خورشید را دیرتر جذب می‌کند.
سیستم غیرفعال چیست؟
سیستم‌های غیرفعال «انرژی را با روش‌های طبیعی و غیرمکانیکی جذب و منتقل می‌کنند». مصالح بنایی (بتن، آجر، سنگ) و آب (دیوار آبی، استخرهای روی بام) دو دسته از مصالح متداول برای ذخیره اشعه خورشید هستند. ترکیب‌بندی سیستم‌های غیرفعال سه نوع است: جذب مستقیم، جذب غیرمستقیم و جذب ایزوله. جذب مستقیم زمانی صورت می‌گیرد که با رسیدن نور خورشید به سطوح ساختمان، توسط آنها جذب گردد (بعنوان مثال، به کمک نمای شیشه‌ای رو به جنوب).
جذب غیرمستقیم به زمانی گفته می‌شود که نور خورشید به یک سطح جایگزین رسیده، جذب می‌شود، تبدیل به انرژی گرمایی شده و سپس به فضای مورد نظر انتقال می‌یابد (بعنوان مثال، یک دیوار بنایی نور خورشید را جذب کرده و گرمای جذب شده را به فضای داخلی ساختمان انتقال می‌دهد.) «گلخانه‌های مجاور یک ساختمان» ترکیبی از هردو سیستم جذب مستقیم و غیرمستقیم هستند، زیرا نور خورشید توسط سازه آنها مستقیما جذب می‌شود، و بخشی از انرژی جذب شده توسط آنها به صورت گرما اجبارا به ساختمان مجاور آنها انتقال می‌یابد.
چذب ایزوله یک «حلقه بسته طبیعی جمع‌آورنده» است که مشتمل بر استفاده از مصالح جایگزین برای جذب انرژی است. این مصالح شامل یک مخزن ذخیره انرژی، یک صفحه فلزی جمع‌آورنده، آب، هوا و مخزن جنبشی است. هنگامی که آب ذخیره شده در این سیستم توسط نور خورشید گرم می‌شود، بالا می‌آید و به مخزن ذخیره می‌رسد، یک جریان طبیعی در آن اتفاق افتاده‌است.
طراحی سیستم غیرفعال انرژی خورشید
(استراتژی‌های طراحی در ادامه این مطلب با فرض حضور در نیم‌کره شمالی کره زمین مطرح شده‌اند)
1-موقعیت با توجه به خورشید: میزان بهینه جذب نور خورشید برای استفاده از انرژی خورشیدی اهمیت دارد، و به این دلیل است که پروژه‌ها بایستی به گونه‌ای ساخته شوند که هم در طول تابستان و هم در طول زمستان بیشترین بهره را از نور خورشید ببرند.
2-طراحی سازه: شکل کلی و جهتگیری یک ساختمان می‌تواند تعیین‌کننده آن باشد که نور خورشید تا چه حد وارد آن فضا می‌شود. ساختمان‌هایی که در راستای شرقی-غربی کشیدگی دارند، در فصل زمستان در جبهه حنوبی میزان بیشتری از نور خورشید را جذب می‌کنند.
3-توجه به جبهه شمالی: از آنجا که نور خورشید مستقیما به جبهه شمالی ساختمان نمی‌تابد، معماران می‌توانند ارتفاع آن را کاهش دهند تا سطح دیوارهای شمالی کاهش یابد. همچنین، رنگ‌آمیزی دیوارهای جانبی با رنگ روشن کمک می‌کند که نور وارده از جبهه جنوبی، به سمت دیوار شمالی بازتاب گردد.
4-توزیع اتاق‌های داخلی: قرار دادن اتاق‌های پرکاربرد در بخش‌های جنوب شرقی، جنوب و جنوب غربی ساختمان متضمن بیشترین میزان روشنایی و جذب گرما در این اتاق‌ها است. در عوض فضاهایی را که نیاز کمتری به گرما و جذب نور در آنها احساس می‌شود –همچون راهروها و فضای سرویس‌ها- می‌توان در جبهه شمالی ساختمان قرار داد.
5-محل قرارگیری پنجره: قراردادن پنجره‌های بزرگ در جبهه جنوبی ساختمان باعث ورود حداکثری نور خورشید به فضاهای داخلی می‌شود. به همین نسبت بهتر است پنجره‌های نمای شمالی کوچکتر باشند زیرا کمترین انرژی گرمایی را جذب می‌کنند.
6-ورودی حفاظت شده: برای آن که در زمستان از ورود هوای سرد به داخل خانه در زمان‌هایی که درب ورودی باز می‌شود جلوگیری گردد، درب ورودی ساختمان را در برابر جریان باد نسازید و یا یک جداره محافظ در جلوی ورودی قرار دهید.
7-انتخاب مصالح: اگر هر کدام از مصالح در محل مناسبی بکار روند انرژی بیشتری جذب می‌شود. به این منظور نگاهی به جدول پایین بیندازید تا درصد جذب انرژی مصالح گوناگون را مقایسه نمایید.
8-انتخاب سیستم: هر پروژه دارای مقتضیات خاص طراحی است و به همین دلیل است که پروژه‌های مختلف سیستم‌های متفاوتی نیاز دارند. در شرایطی برخی سیستم‌های غیر فعال انرژی نامناسب اند، همچون بکارگیری نماهای بزرگ شیشه‌ای در پروژه‌ای که با ساختمان‌های بلندتر احاطه شده‌است. در چنین پروژه‌ای بهترین راه حل بکارگیری سیستم‌های نصب‌شونده روی بام است.
9-نماهای شیشه‌ای/ پنجره‌های خورشیدی: نماهای شیشه‌ای و پنجره‌های بزرگ رو به جنوب بیشترین میزان تابش خورشید را جذب و وارد فضا می‌کنند. «توصیه: در اقلیم‌های سرد، به ازای هر فوت مربع (0.09 متر مربع) از زیربنا، بین 0,19 الی 0,38 فوت مربع نمای شیشه‌ای رو به جنوب در پروژه مهیا نمایید. در اقلیم‌های معتدل، برای این میزان از زیربنا بین 0,11 الی 0,25 فوت مربع نمای شیشه‌ای رو به جنوب تعبیه نمایید.»
نماهای شیشه‌ای/ پنجره‌های خورشیدی
10-پنجره‌های سقفی: زمان‌هایی وجود دارد که انتخاب نمای شیشه‌ای برای یک ساختمان امکان‌پذیر نیست. در این مواقع اجرای پنجره‌های سقفی و پنجره‌های در ارتفاع بالا برای هدایت نور خورشید به داخل فضا راهکار مناسبی می‌باشد.
11-انباشت گرمایی مصالح بنایی: توصیه می‌شود که دیوارها حداقل با ضخامت 10 سانتی‌متر ساخته‌شوند تا از تغییرات دمایی فضای داخلی جلوگیری شود. یک فضای داخلی با رنگ‌های روشن، کف تیره در کنار سطوح پنجره به انتشار نور در فضای داخلی کمک می‌کند.
12-دیوارهای آبی داخلی: هنگام استفاده از یک دیوار آبی در فضای داخلی یک ساختمان، اطمینان حاصل کنید که دیوار آبی در ساعت اوج تابش خورشید (11 صبح تا 3 بعد از ظهر) در معرض تابش آن قرار داشته‌باشد. برای این دیوار یک رنگ تیره انتخاب نمایید تا جذب انرژی آن به حداکثر برسد.
13-دیوار گرمایی/ دیوار ترومب: همچون اصول گلخانه، دیوارهای ترومب یک لایه خارجی هستند که در جوار جبهه رو به خورشید یک ساختمان ساخته می‌شوند و به حفظ گرمای جذب شده در طول روز و آزاد شدن آهسته آن در طول شب کمک می‌کنند. این دیوارها که اغلب از مصالح بنایی و شیشه ساخته می‌شوند از طریق لایه شیشه‌ای ساختمان و بازشوهای آن برای ساختمان گرما تامین می‌کنند.
14-ابعاد دیوارها: انتخاب ابعاد مناسب برای هرنوع دیوار گرمایی، تا حد امکان به نگهداری گرما در طول زمستان کمک می‌کند. «توصیه: در اقلیم‌های سرد به ازای هر فوت مربع زیربنا (معادل 0,09 متر مربع) از دیوار گرمایی با شیشه دوجداره به مساحت بین 0,43 الی یک فوت مربع (معادل 0.31 الی 0.85 فوت مربع دیوار آبی) در نمای جنوبی استفاده نمایید. در اقلیم‌های معتدل این مساحت به ترتیب به بین 0,22 الی 0.60 فوت مربع ( 0.16 الی 0,43 فوت مربع برای دیوار آبی) می‌رسد.»
جزئیات: ضخامت دیوارها، ماده و رنگ/ نازک‌کاری دیوارها تعیین‌کننده میزان تاثیرگذاری یک دیوار گرمایی است. برای بیشترین بهره‌برداری از این دیوار ترومب از رنگی تیره در وجه رو به خورشید استفاده نمایید، برای افزایش بازدهی آن به وجوه بالا و پایین آن دریچه اضافه نمایید و بر روی این دریچه‌ها صفحاتی لولادار نصب نمایید تا از جریان هوای معکوس جلوگیری شود.
15-گلخانه پیوسته: استفاده پربازده از ایده گلخانه مجاور می‌تواند کمی پیچیده باشد زیرا انرژِی هنگام انتقال از گلخانه از طریق سازه مقداری اتلاف دارد؛ بنابراین، ابعاد گلخانه بایستی دقیق محاسبه شود. «توصیه: در اقلیم‌های سرد به ازای هر فوت مربع (0.09 متر مربع) زیربنا از 0,65 الی 1,5 فوت مربع شیشه دوجداره استفاده نمایید. در اقلیم‌های معتدل، از 0,33 تا 0,9 فوت مربع شیشه دوجداره در ازای مساحت مذکور استفاده نمایید.»
16-گلخانه مستقل: از آنجا که گلخانه اساسا وابسته به شیشه (یا سایر مصالح شفاف) است، نور خورشید به تمام نقاط فضای آن وارد می‌شود؛ با این حال، قسمت شمالی گلخانه کمتر از سایر بخش‌ها نور دریافت می‌کند. برای افزایش دریافت نور جنوب بهتر است کشیدگی گلخانه در راستای محور شرقی-غربی باشد و وجه شمالی با رنگ روشن رنگ‌آمیزی شود تا نور خورشید را به بخش‌های شمالی بازتاب کند.
جزییات: برای جلوگیری از نوسانات دمایی در گلخانه، دیوار آّبی در فضای داخلی اجرا نمایید و از سیستم مخزن سنگی و یا مصالح بنایی بهره ببرید.
17-مخزن آبی روی بام: مساحت مخزن آبی بستگی به این دارد که آیا قرار است برای سیستم‌های گرمایشی استفاده شود یا سرمایشی، از چه مصالحی تشکیل شده‌است و چه نوعی از عایقکاری در آن بکار گرفته شده‌است. در جدول پایین سهم مخازن مختلف بسته به ویژگی‌های آنها مقایسه شده‌است.
جزئیات: از آنجا که مخازن آّبی بام بستگی به سازه ساختمان و بام دارند بایستی در جزئیات آنها دقت بیشتری به عمل آورد. بام بایستی با فلز یا بتن ضدآب محافظت شود و برای جذب هرچه بیشتر گرما تا حد امکان در معرض آفتاب باشد. عمق مخزن آب می‌تواند بین 6 الی 12 اینچ (15 الی 30 سانتی متر) باشد و بدنه آن از مصالح تیره‌رنگ و دارای عایق رطوبتی باشد و درپوش آن شفاف باشد تا در مواقعی که نور خورشید مستقیم نیست نیز نور خورشید به آب مخزن برسد.
با توجه به این که در این مخازن صفحات عایق ضدرطوبتی وجود دارد، بهتر است تا حد امکان این صفحات بزرگ بوده و دارای سطوح صیقلی باشند تا از نشت آب بیشتر جلوگیری شود و بازدهی سیستم بالاتر رود.
18-عایقکاری متحرک: شیشه و سایر مصالح شفاف بیشترین میزان نور خورشید را به فضای داخلی راه می‌دهند؛ با این حال برخی از اشعه‌های جذب شده توسط همین مصالح شفاف در طول شب از دست می‌روند. پوشاندن سطوح شیشه‌ای با سیستم‌های عایقکاری متحرک میزان حرارت هدررفته در طول شب را کاهش می‌دهد.
19-بازتاب‌دهنده‌ها: گاهی اوقات، داشتن سطوح بزرگ شیشه‌ای در نما جزئی از برنامه طراحی نیست، به همین دلیل اضافه‌کردن سطوح بازتاب‌دهنده میزان نور خورشید واردشده به فضای داخلی را افزایش می‌دهد. «توصیه: برای پنجره‌های عمودی، بازتاب‌دهنده‌های با عرض حدودا برابر با عرض پنجره و با طول یک الی یک و نیم برابر ارتفاع پنجره بکار ببرید. برای پنجره‌های شیبدار رو به جنوب، بازتاب‌دهنده را در بالای پنجره و با زاویه تقریبا 100 درجه قرار دهید.»
20-سایبان: کنترل میزان و مسیر نور خورشید در فضای داخلی بسیار پربازده است و مانع ورود نور خورشید به اتاق‌هایی می‌شود که نیازی به جذب آن ندارند. «توصیه: سایبان پنجره‌های رو به جنوب را در بالای آن نصب نمایید. در عرض‌های جغرافیایی جنوبی عرض سایبان بایستی حدودا برابر با یک چهارم ارتفا پنجره و در عرض‌های جغرافیایی شمالی برابر با نصف ارتفاع پنجره باشد.»
21-عایقکاری خارجی: اگر دیوارهای خارجی بعنوان دیوار گرمایی بکار می‌روند، صفحات عایق را در وجه خارجی این دیوارها قرار دهید تا از خارج شدن گرمای ذخیره شده در آنها جلوگیری شود.
نکات بیشتر
ذخیره روزهای ابری: مناطق ابری نیاز به یک تقویت در سیستم‌های غیرفعال خورشیدی دارند. افزایش سطوح شیشه‌ای در نمای جنوبی، بکارگیری دیوار آبی بزرگتر (و اگر ممکن بود تعداد بیشتر)، در کنار افزایش ضخامت دیوارهای گرمایی (منطبق بر توصیه‌های استانداردی که پیش از این شد) به جذب بیشتر نور و گرمای خورشید به داخل خانه کمک می‌کند.
سرمایش تابستانی: در سیستم غیرفعال انرژی خورشیدی بیشترین تاکید غالبا بر اهمیت ورود نور و گرما به فضای داخلی در طول زمستان است و اهمیت سرمایش در طول تابستان نادیده گرفته می‌شود. استفاده از یک بام روشن، تهویه خانه در طول شب، و بستن بازشوهای خانه در طول روز از اقدامات ساده‌ای هستند که می‌توانند به تامین سرمایش در طول تابستان کمک کنند.
ابزارها: ابزارها و اپلیکیشین‌های صنعتی متعددی وجود دارند که به کمک آنها می‌توانید میزان نور ورودی به فضا داخلی را اندازه‌گیری نمایید. نمودار استوانه‌ای خورشید عرض جغرافیایی، آزیموت، گنبد آسمان، موقعیت خورشید، مسیر خورشید، مسیرهای ماهانه آن و تغییرات مغناطیسی را مطالعه می‌کند. ابزارهای دیگر همچون محاسبه‌گر تابش خورشید و ماسک‌های سایه می‌توانند به انجام تمام تخمین‌های لازم پیش از ساخت پروژه کمک کنند.
بکارگیری سیستم خورشیدی غیرفعال در پروژه‌های معماری
گردآوری و ترجمه تحریریه پویانو/فاطمه زنگی