Chłodzenie pasywne
Chłodzenie pasywne to podejście do projektowania budynków, które koncentruje się na kontroli zysków ciepła i rozpraszaniu ciepła w budynku w celu poprawy komfortu cieplnego w pomieszczeniach przy niskim lub zerowym zużyciu energii. Podejście to działa albo poprzez zapobieganie przedostawaniu się ciepła do wnętrza (zapobieganie zyskom cieplnym), albo poprzez usuwanie ciepła z budynku (naturalne chłodzenie).
Chłodzenie naturalne wykorzystuje energię na miejscu, dostępną ze środowiska naturalnego, w połączeniu z projektem architektonicznym elementów budynku (np. przegród zewnętrznych ), zamiast systemów mechanicznych do rozpraszania ciepła. Dlatego naturalne chłodzenie zależy nie tylko od projektu architektonicznego budynku, ale także od tego, w jaki sposób zasoby naturalne miejsca są wykorzystywane jako pochłaniacze ciepła (tj. wszystko, co pochłania lub rozprasza ciepło). Przykładami radiatorów na miejscu są górne warstwy atmosfery (nocne niebo), powietrze zewnętrzne (wiatr) i ziemia/gleba.
Chłodzenie pasywne jest ważnym narzędziem projektowania budynków pod kątem adaptacji do zmian klimatycznych – zmniejsza zależność od energochłonnej klimatyzacji w ocieplających się środowiskach.
Przegląd
Chłodzenie pasywne obejmuje wszystkie naturalne procesy i techniki rozpraszania i modulacji ciepła bez użycia energii. Niektórzy autorzy uważają, że drobne i proste systemy mechaniczne (np. pompy i ekonomizery) mogą być zintegrowane z pasywnymi technikami chłodzenia, o ile są one wykorzystywane do zwiększenia efektywności procesu naturalnego chłodzenia. Takie zastosowania są również nazywane „hybrydowymi systemami chłodzenia”. Techniki pasywnego chłodzenia można podzielić na dwie główne kategorie:
- Techniki prewencyjne mające na celu zapewnienie ochrony i/lub zapobieganie zewnętrznym i wewnętrznym zyskom ciepła.
- Techniki modulacji i rozpraszania ciepła , które pozwalają budynkowi magazynować i rozpraszać zyski ciepła poprzez przenoszenie ciepła z radiatorów do klimatu. Ta technika może być wynikiem masy termicznej lub naturalnego chłodzenia.
Techniki zapobiegawcze
Ochrona przed zyskami ciepła lub zapobieganie im obejmuje wszystkie techniki projektowe, które minimalizują wpływ zysków ciepła słonecznego przez przegrody zewnętrzne budynku oraz wewnętrznych zysków ciepła generowanych wewnątrz budynku w wyniku użytkowania i wyposażenia. Obejmuje następujące techniki projektowania:
- Mikroklimat i projekt miejsca — biorąc pod uwagę lokalny klimat i kontekst miejsca, można wybrać konkretne strategie chłodzenia, które są najbardziej odpowiednie do zapobiegania przegrzaniu przez powłokę budynku. Mikroklimat może odgrywać ogromną rolę w określaniu najkorzystniejszej lokalizacji budynku, analizując łączną dostępność słońca i wiatru. Wykres bioklimatyczny, diagram słoneczny i róża wiatrów są odpowiednimi narzędziami analitycznymi w stosowaniu tej techniki.
- Kontrola nasłonecznienia - Odpowiednio zaprojektowany system zacieniający może skutecznie przyczynić się do zminimalizowania zysków ciepła słonecznego . Zacienienie zarówno przezroczystych, jak i nieprzezroczystych powierzchni przegród zewnętrznych budynku zminimalizuje ilość promieniowania słonecznego , które powoduje przegrzewanie się zarówno przestrzeni wewnętrznych, jak i konstrukcji budynku. Dzięki zacienieniu konstrukcji budynku, zyski ciepła wychwycone przez okna i przegrody zostaną zmniejszone.
- Forma i układ budynku — Orientacja budynku i zoptymalizowany rozkład przestrzeni wewnętrznych mogą zapobiec przegrzaniu. Pomieszczenia można podzielić na strefy w budynkach, aby odrzucić źródła wewnętrznych zysków ciepła i/lub przydzielić zyski ciepła tam, gdzie mogą być przydatne, biorąc pod uwagę różne rodzaje działalności budynku. Na przykład utworzenie płaskiego, poziomego planu zwiększy skuteczność wentylacji krzyżowej w całym planie. Umiejscowienie stref w pionie może wykorzystać stratyfikację temperatury. Zazwyczaj strefy zabudowy na wyższych poziomach są cieplejsze niż strefy dolne ze względu na rozwarstwienie. Pionowy podział na strefy przestrzeni i działań wykorzystuje tę stratyfikację temperaturową, aby dostosować strefy do zastosowań zgodnie z ich wymaganiami dotyczącymi temperatury. Współczynnik kształtu (tj. stosunek objętości do powierzchni) również odgrywa ważną rolę w profilu energetycznym i termicznym budynku. Stosunek ten można wykorzystać do kształtowania formy budynku do specyficznego lokalnego klimatu. Na przykład bardziej zwarte formy mają tendencję do zatrzymywania większej ilości ciepła niż formy mniej zwarte, ponieważ stosunek obciążeń wewnętrznych do powierzchni obudowy jest znaczny.
- Izolacja termiczna - Izolacja w obudowie budynku zmniejszy ilość ciepła przenoszonego przez promieniowanie przez elewacje. Zasada ta dotyczy zarówno powierzchni nieprzezroczystych (ściany i dach), jak i przezroczystych (okna) przegród. Ponieważ dachy mogą w większym stopniu przyczyniać się do wewnętrznego obciążenia cieplnego, zwłaszcza w lżejszych konstrukcjach (np. budynki i warsztaty z dachem wykonanym z konstrukcji metalowych), zastosowanie izolacji termicznej może skutecznie zmniejszyć przenikanie ciepła z dachu.
- Wzorce zachowań i użytkowania — Niektóre zasady zarządzania budynkiem, takie jak ograniczenie liczby osób w danym obszarze budynku, mogą również skutecznie przyczynić się do minimalizacji zysków ciepła wewnątrz budynku. Użytkownicy budynków mogą również przyczynić się do zapobiegania przegrzaniu w pomieszczeniach poprzez: wyłączanie oświetlenia i wyposażenia niezamieszkanych przestrzeni, w razie potrzeby zacienianie w celu zmniejszenia zysków ciepła słonecznego przez okna lub ubieranie się jaśniej, aby lepiej dostosować się do środowiska wewnętrznego poprzez zwiększenie komfortu cieplnego tolerancja.
- Wewnętrzna kontrola wzmocnienia — bardziej energooszczędne oświetlenie i sprzęt elektroniczny mają tendencję do uwalniania mniejszej ilości energii, przyczyniając się w ten sposób do mniejszych wewnętrznych obciążeń cieplnych w przestrzeni.
Techniki modulacji i rozpraszania ciepła
Techniki modulacji i rozpraszania ciepła opierają się na naturalnych radiatorach do przechowywania i usuwania wewnętrznych zysków ciepła. Przykładami naturalnych pochłaniaczy są nocne niebo, ziemia i masa budowlana. Dlatego techniki pasywnego chłodzenia, które wykorzystują radiatory, mogą albo modulować przyrost ciepła za pomocą masy termicznej , albo rozpraszać ciepło za pomocą naturalnych strategii chłodzenia.
- Masa termiczna - Modulację zysku ciepła w przestrzeni wewnętrznej można osiągnąć poprzez odpowiednie wykorzystanie masy termicznej budynku jako radiatora. Masa termiczna będzie absorbować i magazynować ciepło w ciągu dnia i zwracać je do pomieszczenia w późniejszym czasie. Masę termiczną można połączyć ze strategią naturalnego chłodzenia wentylacji nocnej, jeśli zmagazynowane ciepło, które będzie dostarczane do pomieszczenia w godzinach wieczornych/nocnych, nie jest pożądane.
- Chłodzenie naturalne — Chłodzenie naturalne odnosi się do wykorzystania wentylacji lub naturalnych radiatorów do odprowadzania ciepła z pomieszczeń. Naturalne chłodzenie można podzielić na pięć różnych kategorii: wentylacja, spłukiwanie nocne, chłodzenie radiacyjne , chłodzenie wyparne i sprzężenie z ziemią .
Wentylacja
Wentylacja jako naturalna strategia chłodzenia wykorzystuje fizyczne właściwości powietrza do odprowadzania ciepła lub zapewniania chłodzenia mieszkańcom. W wybranych przypadkach wentylację można wykorzystać do schłodzenia konstrukcji budynku, która później może pełnić rolę radiatora.
- Wentylacja krzyżowa - Strategia wentylacji krzyżowej polega na przepływie wiatru przez budynek w celu schłodzenia mieszkańców. Wentylacja krzyżowa wymaga otworów po dwóch stronach przestrzeni, zwanych wlotem i wylotem. Rozmiar i rozmieszczenie wlotów i wylotów wentylacyjnych określi kierunek i prędkość wentylacji krzyżowej w budynku. Ogólnie rzecz biorąc, należy zapewnić taką samą (lub większą) powierzchnię otworów wylotowych, aby zapewnić odpowiednią wentylację poprzeczną.
- Wentylacja kominowa — Wentylacja krzyżowa to skuteczna strategia chłodzenia, jednak wiatr jest zawodnym zasobem. Wentylacja kominowa to alternatywna strategia projektowa, która opiera się na wyporności ciepłego powietrza, które wznosi się i wychodzi przez otwory znajdujące się na wysokości sufitu. Chłodniejsze powietrze zewnętrzne zastępuje unoszące się ciepłe powietrze przez starannie zaprojektowane wloty umieszczone blisko podłogi.
Te dwie strategie są częścią strategii chłodzenia wentylacyjnego .
Specyficznym zastosowaniem naturalnej wentylacji jest nocne spłukiwanie.
Nocne zaczerwienienie
Nocne spłukiwanie (znane również jako wentylacja nocna, nocne chłodzenie, nocne oczyszczanie lub nocne chłodzenie konwekcyjne) to pasywna lub półpasywna strategia chłodzenia, która wymaga zwiększonego ruchu powietrza w nocy w celu schłodzenia elementów konstrukcyjnych budynku. Można dokonać rozróżnienia między swobodnym chłodzeniem w celu schłodzenia wody a spłukiwaniem nocnym w celu schłodzenia masy termicznej budynku . Aby wykonać spłukiwanie nocne, zwykle zamyka się przegrodę budynku w ciągu dnia. Masa termiczna konstrukcji budynku działa jak pochłaniacz w ciągu dnia i pochłania zyski ciepła od mieszkańców, sprzętu, promieniowania słonecznego i przewodnictwa przez ściany, dachy i sufity. W nocy, gdy powietrze na zewnątrz jest chłodniejsze, osłona jest otwierana, umożliwiając przepływ chłodniejszego powietrza przez budynek, dzięki czemu zmagazynowane ciepło może zostać rozproszone przez konwekcję. Proces ten obniża temperaturę powietrza w pomieszczeniu i masy termicznej budynku, umożliwiając chłodzenie konwekcyjne, przewodzące i promieniujące odbywać się w ciągu dnia, w którym budynek jest zamieszkany. Spłukiwanie nocne jest najskuteczniejsze w klimatach o dużych wahaniach dobowych, tj. dużej różnicy między dzienną maksymalną i minimalną temperaturą zewnętrzną. Aby zapewnić optymalną wydajność, temperatura powietrza na zewnątrz w nocy powinna spaść znacznie poniżej dziennej granicy strefy komfortu wynoszącej 22°C (72°F) i nie powinna charakteryzować się niską wilgotnością bezwzględną ani właściwą . W gorącym, wilgotnym klimacie wahania temperatury w ciągu dnia są zwykle niewielkie, a wilgotność w nocy pozostaje wysoka. Spłukiwanie nocne ma ograniczoną skuteczność i może wprowadzić wysoką wilgotność, która powoduje problemy i może prowadzić do wysokich kosztów energii, jeśli jest usuwana przez aktywne systemy w ciągu dnia. Tak więc skuteczność spłukiwania nocnego jest ograniczona do wystarczająco suchego klimatu. Aby strategia spłukiwania nocnego była skuteczna w obniżaniu temperatury w pomieszczeniu i zużyciu energii, masa termiczna musi być odpowiednio zwymiarowana i rozłożona na wystarczająco dużej powierzchni, aby wchłonąć dzienne zyski ciepła z pomieszczenia. Ponadto całkowita szybkość wymiany powietrza musi być wystarczająco wysoka, aby usunąć wewnętrzne zyski ciepła z pomieszczenia w nocy. Spłukiwanie nocne w budynku można osiągnąć na trzy sposoby:
- Naturalne spłukiwanie w nocy poprzez otwieranie okien w nocy, chłodzenie przestrzeni przez przepływ powietrza napędzany wiatrem lub siłą wyporu, a następnie zamykanie okien w ciągu dnia.
- Mechaniczne przepłukiwanie nocne poprzez mechaniczne przetłaczanie powietrza kanałami wentylacyjnymi w nocy z dużym natężeniem przepływu powietrza i dostarczanie powietrza do pomieszczenia w ciągu dnia z wymaganym przepisami minimalnym natężeniem przepływu powietrza.
- Spłukiwanie nocne w trybie mieszanym dzięki połączeniu wentylacji naturalnej i wentylacji mechanicznej , znanej również jako wentylacja w trybie mieszanym , przy użyciu wentylatorów wspomagających naturalny nocny przepływ powietrza.
Te trzy strategie są częścią strategii chłodzenia wentylacyjnego .
Stosowanie nocnego spłukiwania jako strategii chłodzenia budynków ma wiele zalet, w tym poprawę komfortu i zmianę szczytowego obciążenia energetycznego. Energia jest najdroższa w ciągu dnia. Wdrożenie spłukiwania nocnego ogranicza użycie wentylacji mechanicznej w ciągu dnia, co prowadzi do oszczędności energii i pieniędzy.
Istnieje również szereg ograniczeń stosowania spłukiwania nocnego, takich jak użyteczność, bezpieczeństwo, obniżona jakość powietrza w pomieszczeniach, wilgotność i zła akustyka pomieszczenia. W przypadku naturalnego nocnego spłukiwania proces ręcznego otwierania i zamykania okien każdego dnia może być męczący, zwłaszcza w obecności moskitier. Ten problem można złagodzić za pomocą zautomatyzowanych okien lub żaluzji wentylacyjnych, takich jak Manitoba Hydro Place . Naturalne nocne spłukiwanie wymaga również otwierania okien w nocy, kiedy budynek najprawdopodobniej jest pusty, co może powodować problemy z bezpieczeństwem. Jeśli powietrze na zewnątrz jest zanieczyszczone, nocne spłukiwanie może narazić mieszkańców na szkodliwe warunki wewnątrz budynku. W głośnych lokalizacjach miejskich otwieranie okien może powodować złe warunki akustyczne wewnątrz budynku. W wilgotnym klimacie nocne spłukiwanie może wprowadzić wilgotne powietrze, zazwyczaj powyżej 90% wilgotności względnej podczas najchłodniejszej części nocy. Wilgoć ta może gromadzić się w budynku przez noc, prowadząc do wzrostu wilgotności w ciągu dnia, co prowadzi do problemów z komfortem, a nawet do rozwoju pleśni.
Chłodzenie radiacyjne
Wszystkie obiekty nieustannie emitują i pochłaniają energię promieniowania . Obiekt ochłodzi się przez promieniowanie, jeśli przepływ netto jest skierowany na zewnątrz, co ma miejsce w nocy. W nocy promieniowanie długofalowe z bezchmurnego nieba jest mniejsze niż długofalowe promieniowanie podczerwone emitowane z budynku, stąd przepływ netto do nieba. Ponieważ dach zapewnia największą powierzchnię widoczną na nocnym niebie, zaprojektowanie dachu tak, aby działał jak grzejnik, jest skuteczną strategią. Rodzaje chłodzenia radiacyjnego , które wykorzystują powierzchnię dachu, obejmują bezpośrednie i pośrednie oraz fluorescencyjne.
- Bezpośrednie chłodzenie przez promieniowanie - w budynku zaprojektowanym w celu optymalizacji bezpośredniego chłodzenia przez promieniowanie, dach budynku działa jak radiator pochłaniający dzienne obciążenia wewnętrzne. Dach działa jak najlepszy radiator, ponieważ jest to największa powierzchnia wystawiona na działanie nocnego nieba. Promieniowy transfer ciepła z nocnym niebem usunie ciepło z dachu budynku, ochładzając w ten sposób konstrukcję budynku. Przykładem takiej strategii są stawy dachowe. Projekt stawu dachowego stał się popularny wraz z rozwojem systemu termicznego Sky, zaprojektowanego przez Harolda Haya w 1977 r. Istnieją różne projekty i konfiguracje systemu stawu dachowego, ale koncepcja jest taka sama dla wszystkich projektów. Dach wykorzystuje wodę, albo plastikowe torby wypełnione wodą, albo otwarty staw, jako radiator, podczas gdy system ruchomych paneli izolacyjnych reguluje tryb ogrzewania lub chłodzenia. W ciągu dnia latem woda na dachu jest chroniona przed promieniowaniem słonecznym i temperaturą otoczenia za pomocą ruchomej izolacji, dzięki czemu może pełnić rolę radiatora i pochłaniać ciepło wytwarzane wewnątrz przez strop. W nocy panele są chowane, aby umożliwić nocne promieniowanie między stawem dachowym a nocnym niebem, usuwając w ten sposób zmagazynowane ciepło. Zimą proces jest odwracany, aby staw na dachu mógł absorbować promieniowanie słoneczne w ciągu dnia i uwalniać je w nocy do przestrzeni poniżej.
- Pośrednie chłodzenie przez promieniowanie — płyn przenoszący ciepło usuwa ciepło z konstrukcji budynku poprzez wymianę ciepła przez promieniowanie z nocnym niebem. Typowy projekt tej strategii obejmuje komorę między dachem budynku a powierzchnią grzejnika. Powietrze jest zasysane do budynku przez komorę, schładzane z grzejnika i schładza masę konstrukcji budynku. W ciągu dnia bryła budynku działa jak radiator.
- Chłodzenie promieniowaniem fluorescencyjnym - obiekt może stać się fluorescencyjny : wtedy będzie absorbował światło o niektórych długościach fal, ale ponownie wypromieniowuje energię na innych, wybranych długościach fal. Dzięki selektywnemu promieniowaniu ciepła w podczerwonym oknie atmosferycznym , czyli zakresie częstotliwości, w których atmosfera jest niezwykle przezroczysta, obiekt może skutecznie wykorzystywać przestrzeń kosmiczną jako radiator i ochładzać się znacznie poniżej temperatury otoczenia.
Chłodzenie wyparne
_123.jpg)
Ta konstrukcja opiera się na procesie odparowywania wody w celu schłodzenia napływającego powietrza przy jednoczesnym zwiększeniu wilgotności względnej. Na wlocie nawiewu umieszczony jest filtr nasycony, dzięki czemu naturalny proces parowania może schłodzić powietrze nawiewane. Poza energią napędzającą wentylatory, woda jest jedynym zasobem niezbędnym do zapewnienia klimatyzacji w pomieszczeniach. Skuteczność chłodzenia wyparnego w dużej mierze zależy od wilgotności powietrza zewnętrznego; osuszane powietrze powoduje większe chłodzenie. Badanie wyników wydajności w terenie w Kuwejcie wykazało, że zapotrzebowanie na moc klimatyzatora wyparnego jest o około 75% mniejsze niż zapotrzebowanie na moc konwencjonalnego klimatyzatora kompaktowego. Jeśli chodzi o komfort wnętrza, badanie wykazało, że chłodzenie wyparne obniżyło temperaturę powietrza wewnątrz o 9,6°C w porównaniu z temperaturą na zewnątrz. Innowacyjny system pasywny wykorzystuje parującą wodę do chłodzenia dachu, dzięki czemu większa część ciepła słonecznego nie przedostaje się do środka.
Starożytny Egipt stosował chłodzenie wyparne; na przykład trzciny wisiały w oknach i były zwilżane cieknącą wodą.
Parowanie z gleby i transpiracja z roślin również zapewniają chłodzenie; woda uwolniona z rośliny odparowuje. Ogrody i rośliny doniczkowe służą do napędzania chłodzenia, jak w hortus domus , tsubo - niwa machiya i tak dalej.
Sprzężenie uziemienia
Sprzężenie uziemienia wykorzystuje umiarkowaną i stałą temperaturę gruntu do działania jako radiator chłodzący budynek poprzez przewodzenie . Ta pasywna strategia chłodzenia jest najskuteczniejsza, gdy temperatura na ziemi jest niższa niż temperatura otaczającego powietrza, na przykład w gorącym klimacie.
- Bezpośrednie sprzężenie lub ochrona przed ziemią występuje, gdy budynek wykorzystuje ziemię jako bufor dla ścian. Ziemia działa jak radiator i może skutecznie łagodzić ekstremalne temperatury. Osłona ziemna poprawia wydajność przegród budowlanych poprzez zmniejszenie strat ciepła, a także zmniejsza zyski ciepła poprzez ograniczenie infiltracji.
- Sprzężenie pośrednie oznacza, że budynek jest połączony z ziemią za pomocą przewodów uziemiających. Kanał uziemiający to zakopana rura, która służy jako droga dla powietrza nawiewanego przed wejściem do budynku. Powietrze nawiewane jest chłodzone przez przewodzenie ciepła między rurami a otaczającą glebą. Dlatego kanały uziemiające nie będą dobrze działać jako źródło chłodzenia, chyba że temperatura gruntu jest niższa niż pożądana temperatura powietrza w pomieszczeniu. Kanały uziemiające zwykle wymagają długich rur, aby schłodzić powietrze nawiewane do odpowiedniej temperatury przed wejściem do budynku. Do zasysania powietrza z przewodu uziemiającego do budynku wymagany jest wentylator. Niektóre z czynników wpływających na wydajność kanału uziemiającego to: długość kanału, liczba zagięć, grubość ścianki kanału, głębokość kanału, średnica kanału i prędkość powietrza.
W konwencjonalnych budynkach
Istnieją „inteligentne powłoki dachowe” i „inteligentne okna” do chłodzenia, które przełącza się na ogrzewanie w niskich temperaturach. Najbielsza formuła farby może odbijać do 98,1% światła słonecznego.