Pasywne metody pozyskiwania energii słonecznej

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku jest głównym celem stosowania systemów pasywnych. Przy zastosowaniu innowacyjnych rozwiązań materiałowych, konstrukcyjnych oraz instalacyjnych jest możliwe zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło a nawet osiągnięcie samowystarczalności energetycznej. Rozwiązania pasywne poprawiają nie tylko bilans cieplny budynków, wpływają również na ich wygląd, tworząc bardzo estetyczne i funkcjonalne rozwiązania. Pasywna energia słoneczna to termin odnoszący się do takiego wykorzystania promieniowania słonecznego, które nie wymaga żadnych działań ze strony użytkownika.

Systemy pasywne można podzielić na dwa podstawowe typy:

  • system zysków bezpośrednich
  • system zysków pośrednich

System zysków bezpośrednich.

System zysków bezpośrednich jest najprostszym pasywnym systemem grzewczym. Całkowicie przeszklona południowa ściana pomieszczenia umożliwia wnikanie promieniowania słonecznego do wnętrza, gdzie jest ono pochłaniane i magazynowane. Zmagazynowana energia jest częściowo przekazywana do powietrza wewnątrz budynku, co prowadzi do podnoszenia jego temperatury. Nieodłącznym elementem takiej instalacji jest okap. Jego zadaniem jest nie dopuszczenie do przegrzania się pomieszczeń w okresie letnim, a nie stanowiący przeszkody dla promieniowania słonecznego zimą .

Zasada działania systemu zysków bezpośrednich
Rys.1.1. Zasada działania systemu zysków bezpośrednich.

System zysków bezpośrednich wśród wszystkich systemów pasywnych ma największą sprawność chwilową. Wzrost temperatury pomieszczenia jest zgodny ze wzrostem promieniowania słonecznego. Wynikiem tego są bardzo duże wahania temperatury w ciągu dnia. Dzięki układom magazynującym o dużej pojemności i przewodności cieplnej jest możliwe zmniejszenie wahań temperatury. W systemach zysków bezpośrednich absorpcja promieniowania słonecznego zachodzi nie na powierzchni płaskiej skierowanej ku Słońcu, lecz we wnękach lub zagłębieniach budynku. Wynika to z dyfuzyjnego charakteru odbić promieniowania od ścian pomieszczenia. System zysków bezpośrednich jest na ogół uzupełnieniem słonecznych lub konwencjonalnych systemów grzewczych. System ten na szeroką skalę stosowany jest w produkcji rolnej. Szklarnia jest właśnie takim układem, gdzie elementem magazynującym energię jest podłoże gruntowe .

System zysków pośrednich.

Przypadkowe wahania temperatury w pomieszczeniu z systemem zysków bezpośrednich wpływają na dyskomfort cieplny człowieka. Sposobem zmniejszenia tych wahań z jednoczesną możliwością uzyskania przesunięcia okresu dostarczania energii do pomieszczenia na późniejsze godziny, jest odizolowanie od promieniowania słonecznego wnętrza budynku za pomocą układu magazynującego, w postaci grubej, masywnej ściany. Przejście regularnego zaburzenia temperatury przez taką ścianę związane jest z tłumieniem amplitudy zaburzenia i przesunięcia fazowego fali przenikającej na drugą stronę. Konstrukcja, która wykorzystuje ten efekt, charakteryzuje się istnieniem szczeliny wentylacyjnej między nasłonecznioną powierzchnią ściany a szybami osłaniającymi znana jest pod nazwą ściany Trombe’a .

Zasada działania systemu zysków pośrednich ze ścianą Trombe’a
Rys. 1.2. Zasada działania systemu zysków pośrednich ze ścianą Trombe’a.

W ścianie Trombe’a promieniowanie słoneczne przechodzi przez pokrycia szklane i jest absorbowane przez ciemną powierzchnię ściany akumulującej, powodując wzrost jej temperatury. Po otwarciu kanałów łączących ogrzewane pomieszczenie ze szczeliną między szybą a ścianą, może nastąpić przepływ powietrza przez szczelinę. Przepływ powietrza nastąpi gdy siła wyporu, która jest efektem rożnych gęstości powietrza w szczelinie i pomieszczeniu będzie dostatecznie duża, aby pokonać opory przepływu. Chłodne powietrze zasysane dolnym kanałem, powraca do pomieszczenia górnym po uprzednim ogrzaniu w szczelinie. W zależności od warunków klimatycznych grubość i pojemność cieplna przegrody dobierana jest indywidualnie.

Zakumulowana energia w ścianie jest przekazywana drogą przewodzenia w kierunku pomieszczenia z odpowiednim przesunięciem fazowym względem godzin operacji słonecznej. Natomiast poprzez zamykanie i otwieranie kanałów wentylacyjnych można regulować temperaturę pomieszczenia w godzinach dziennych. W ścianach Trombe’a często stosowane są zewnętrzne pokrywy izolacyjne. Ich zadaniem jest ochrona przegrody przed nadmiernymi stratami energii oraz zwiększenie zysków energii słonecznej. Dodatkową zaletą konstrukcji Trombe’a jest możliwość wykorzystania jej do celów klimatyzacyjnych w okresie letnim .

Kompromisem pomiędzy systemem zysków bezpośrednich i pośrednich jest system Balcomba. Jest to układ z całkowicie oszkloną weranda. Od strony południowej ogrzewane pomieszczenie ma masywną ścianę, której zadaniem jest magazynowanie energii, odizolowaną od otoczenia całkowicie oszkloną werandą.

Zasada działania systemu Balcomba
Rys. 1.3. Zasada działania systemu Balcomba.

Weranda ogrzewana jest w sposób bezpośredni i charakteryzuje się dużymi wahaniami temperatury. Natomiast przestrzeń mieszkalna pozyskuje energię słoneczną w sposób pośredni. Konstrukcja ta jest najchętniej stosowana w naszej strefie klimatycznej, może być wykorzystywana przy termomodernizacji budynków już istniejących, podnosząc ich walory użytkowe i estetyczne.

Systemy pasywne z magazynowaniem energii w ścianie akumulacyjnej charakteryzują się dużymi wahaniami temperatur. Dodatkowo ściana akumulacyjna powinna być wykonana z materiału charakteryzującą się dużą przewodnością cieplną. Powyższych wad pozbawiony jest system Barra-Constantini. W tych systemach transport energii od kolektora do wnętrza pomieszczeń odbywa się za pośrednictwem przepływającego powietrza. Elementy magazynujące energię umieszczone są wewnątrz budynku, głównie w stropie. Powoduje to zwiększenie efektywności magazynowania, ponieważ energia zmagazynowana może być oddana tylko do pomieszczeń ogrzewanych, nie ma możliwości przekazania jej do otoczenia. Zewnętrzna ściana budynku, będąca pod oszkleniem jest odizolowana od bezpośredniego promieniowania słonecznego. Dzięki temu wahanie temperatury jest mniejsze, jest to dodatkowa zaleta tego systemu.

Mgr inż. Śliwiński Tomasz

Literatura: