Projeto de construção solar passiva

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No projeto de construção solar passiva , janelas, paredes e pisos são feitos para coletar, armazenar, refletir e distribuir energia solar , na forma de calor no inverno e rejeitar o calor solar no verão. Isso é chamado de projeto solar passivo porque, ao contrário dos sistemas de aquecimento solar ativo , não envolve o uso de dispositivos mecânicos e elétricos. [1]

A chave para projetar um edifício solar passivo é aproveitar melhor o clima local realizando uma análise precisa do local . Os elementos a serem considerados incluem colocação e tamanho da janela, tipo de vidro , isolamento térmico , massa térmica e sombreamento. [2] As técnicas de projeto solar passivo podem ser aplicadas mais facilmente a novos edifícios, mas os edifícios existentes podem ser adaptados ou "retrofitados".

Ganho de energia passiva [ editar ]

Elementos de design solar passivo, mostrados em uma aplicação de ganho direto

As tecnologias solares passivas usam a luz solar sem sistemas mecânicos ativos (em contraste com a solar ativa , que usa coletores térmicos ). Tais tecnologias convertem a luz solar em calor utilizável (em água, ar e massa térmica), causam movimento de ar para ventilação ou uso futuro, com pouco uso de outras fontes de energia. Um exemplo comum é um solário no lado do equador de um edifício. O resfriamento passivo é o uso de princípios de design semelhantes para reduzir os requisitos de resfriamento no verão.

Alguns sistemas passivos usam uma pequena quantidade de energia convencional para controlar amortecedores, persianas, isolamento noturno e outros dispositivos que melhoram a coleta, armazenamento e uso de energia solar e reduzem a transferência de calor indesejável .

As tecnologias solares passivas incluem ganho solar direto e indireto para aquecimento de ambientes, sistemas de aquecimento solar de água baseados no termossifão , uso de massa térmica e materiais de mudança de fase para diminuir as oscilações de temperatura do ar interno, fogões solares , chaminé solar para melhorar a ventilação natural e abrigo da terra .

Mais amplamente, as tecnologias solares incluem o forno solar , mas isso normalmente requer alguma energia externa para alinhar seus espelhos ou receptores de concentração e, historicamente, não provou ser prático ou econômico para uso generalizado. Necessidades de energia de 'baixo grau', como aquecimento de espaço e água, provaram ao longo do tempo serem melhores aplicações para uso passivo de energia solar.

Como ciência [ editar ]

A base científica para o projeto de edifícios solares passivos foi desenvolvida a partir de uma combinação de climatologia , termodinâmica (particularmente transferência de calor : condução (calor) , convecção e radiação eletromagnética ), mecânica dos fluidos / convecção natural (movimento passivo de ar e água sem o uso de de eletricidade, ventiladores ou bombas), e conforto térmico humano com base no índice de calor , psicrometria e controle de entalpia para edifícios a serem habitados por humanos ou animais, marquises, solários e estufas para o cultivo de plantas.

A atenção específica é dividida em: o local, localização e orientação solar do edifício, caminho solar local , o nível de insolação predominante ( latitude /sol/nuvens/ precipitação ), design e qualidade de construção/materiais, colocação/tamanho/tipo de janelas e paredes, e incorporação de massa térmica armazenadora de energia solar com capacidade calorífica .

Embora essas considerações possam ser direcionadas para qualquer edifício, alcançar uma solução ideal de custo/desempenho otimizado requer uma engenharia de integração de sistemas cuidadosa e holística desses princípios científicos. Refinamentos modernos por meio de modelagem computacional (como o abrangente software de simulação de energia de edifícios do Departamento de Energia dos EUA "Energy Plus" [3] ) e a aplicação de décadas de lições aprendidas (desde a crise energética dos anos 1970) podem alcançar economias significativas de energia e redução de impactos ambientais. danos, sem sacrificar a funcionalidade ou a estética. [4] De fato, recursos de design solar passivo, como uma estufa/marquise/solário, podem melhorar muito a habitabilidade, a luz do dia, as vistas e o valor de uma casa, a um baixo custo por unidade de espaço.

Muito se aprendeu sobre o projeto de construção solar passiva desde a crise de energia da década de 1970. Muitas experiências de construção caras e não científicas, baseadas na intuição, tentaram e falharam em atingir zero de energia – a eliminação total das contas de energia de aquecimento e resfriamento.

A construção de edifícios solares passivos pode não ser difícil ou cara (usando materiais e tecnologia existentes prontos para uso), mas o projeto científico de edifícios solares passivos é um esforço de engenharia não trivial que requer um estudo significativo de lições contra-intuitivas anteriores aprendidas e tempo para inserir, avaliar e refinar iterativamente a entrada e a saída da simulação .

Uma das ferramentas de avaliação pós-construção mais úteis tem sido o uso de termografia usando câmeras termográficas digitais para uma auditoria energética científica quantitativa formal . A imagem térmica pode ser usada para documentar áreas de baixo desempenho térmico, como o impacto térmico negativo do vidro inclinado do telhado ou uma clarabóia em uma noite fria de inverno ou em um dia quente de verão.

As lições científicas aprendidas nas últimas três décadas foram capturadas em sofisticados sistemas de software de simulação de energia de edifícios abrangentes (como US DOE Energy Plus).

O projeto científico de construção solar passiva com otimização quantitativa de custo-benefício do produto não é fácil para um iniciante. O nível de complexidade resultou em arquitetura ruim em andamento e em muitos experimentos de construção não científicos baseados em intuição que decepcionam seus projetistas e desperdiçam uma parte significativa de seu orçamento de construção em ideias inadequadas. [5]

A motivação econômica para o design científico e a engenharia é significativa. Se tivesse sido aplicado de forma abrangente à construção de novos edifícios a partir de 1980 (com base nas lições aprendidas da década de 1970), os Estados Unidos poderiam economizar mais de US$ 250.000.000 por ano em energia cara e poluição relacionada hoje. [5]

Desde 1979, o Passive Solar Building Design tem sido um elemento crítico para alcançar energia zero por experimentos de instituições educacionais e governos em todo o mundo, incluindo o Departamento de Energia dos EUA e os cientistas de pesquisa de energia que eles apoiam há décadas. A prova de conceito econômica foi estabelecida décadas atrás, mas a mudança cultural na arquitetura, nos ofícios de construção e na tomada de decisões do proprietário do edifício tem sido muito lenta e difícil. [5]

As novas disciplinas como ciência arquitetônica e tecnologia arquitetônica estão sendo adicionadas a algumas escolas de arquitetura, com o objetivo futuro de ensinar os princípios científicos e de engenharia de energia acima. [ citação necessária ]

O caminho solar no design passivo [ editar ]

Altitude solar ao longo de um ano; latitude com base em Nova York , Nova York

A capacidade de atingir esses objetivos simultaneamente depende fundamentalmente das variações sazonais no caminho do sol ao longo do dia.

Isso ocorre como resultado da inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à sua órbita . O caminho do sol é único para qualquer latitude.

Nas latitudes não tropicais do Hemisfério Norte a mais de 23,5 graus do equador:

  • O sol atingirá seu ponto mais alto em direção ao sul (na direção do equador)
  • À medida que o solstício de inverno se aproxima, o ângulo em que o sol nasce e se põe move-se progressivamente mais para o sul e as horas de luz do dia se tornam mais curtas.
  • O oposto é observado no verão, onde o sol nasce e se põe mais ao norte e as horas de luz do dia aumentam [6]

O inverso é observado no Hemisfério Sul, mas o sol nasce no leste e se põe no oeste, independentemente do hemisfério em que você esteja.

Nas regiões equatoriais a menos de 23,5 graus, a posição do sol ao meio- dia solar oscilará de norte a sul e vice-versa durante o ano. [7]

Em regiões a menos de 23,5 graus do pólo norte ou sul, durante o verão, o sol traçará um círculo completo no céu sem se pôr, enquanto nunca aparecerá acima do horizonte seis meses depois, durante o auge do inverno. [8]

A diferença de 47 graus na altitude do sol ao meio- dia solar entre o inverno e o verão forma a base do projeto solar passivo. Essas informações são combinadas com os dados climáticos locais ( graus-dia ) requisitos de aquecimento e resfriamento para determinar em que época do ano o ganho solar será benéfico para o conforto térmico e quando deve ser bloqueado com sombreamento. Com a colocação estratégica de itens como vidros e dispositivos de sombreamento, o percentual de ganho solar que entra em um edifício pode ser controlado ao longo do ano.

Um problema de projeto do caminho solar passivo é que, embora o sol esteja na mesma posição relativa seis semanas antes e seis semanas depois do solstício, devido ao "atraso térmico" da massa térmica da Terra, a temperatura e os requisitos de ganho solar são bastante diferentes antes e depois do solstício de verão ou inverno. Persianas móveis, persianas, telas de persianas ou colchas de janela podem acomodar os requisitos de isolamento e ganho solar diários e de hora em hora.

O arranjo cuidadoso dos quartos completa o design solar passivo. Uma recomendação comum para residências é colocar áreas de estar voltadas para o meio-dia solar e dormitórios no lado oposto. [9] Um heliodon é um dispositivo de luz móvel tradicional usado por arquitetos e designers para ajudar a modelar os efeitos do caminho do sol. Nos tempos modernos, a computação gráfica 3D pode simular visualmente esses dados e calcular previsões de desempenho. [4]

Princípios passivos de transferência de calor solar [ editar ]

O conforto térmico pessoal é uma função de fatores de saúde pessoal (médicos, psicológicos, sociológicos e situacionais), temperatura do ar ambiente, temperatura média radiante , movimento do ar ( vento frio , turbulência ) e umidade relativa (que afeta o resfriamento evaporativo humano). A transferência de calor em edifícios ocorre por convecção , condução e radiação térmica através do telhado, paredes, piso e janelas. [10]

Transferência de calor por convecção [ editar ]

A transferência de calor por convecção pode ser benéfica ou prejudicial. A infiltração de ar descontrolada devido à má intempérie / calafetagem / à prova de correntes de ar pode contribuir com até 40% da perda de calor durante o inverno; [11] no entanto, a colocação estratégica de janelas ou aberturas operáveis ​​pode melhorar a convecção, a ventilação cruzada e o resfriamento no verão quando o ar externo tem temperatura e umidade relativa confortáveis . [12] Os sistemas de ventilação com recuperação de energia filtrada podem ser úteis para eliminar umidade, poeira, pólen e microorganismos indesejáveis ​​no ar de ventilação não filtrado.

A convecção natural causando ar quente ascendente e ar frio descendente pode resultar em uma estratificação desigual do calor. Isso pode causar variações desconfortáveis ​​de temperatura no espaço condicionado superior e inferior, servir como um método de ventilação de ar quente ou ser projetado como um circuito de fluxo de ar de convecção natural para distribuição passiva de calor solar e equalização de temperatura. O resfriamento humano natural por transpiração e evaporação pode ser facilitado pelo movimento de ar convectivo natural ou forçado por ventiladores, mas os ventiladores de teto podem perturbar as camadas de ar isolante estratificado no topo de uma sala e acelerar a transferência de calor de um sótão quente ou através de janelas próximas . Além disso, a alta umidade relativainibe o resfriamento evaporativo por humanos.

Transferência de calor radiativa [ editar ]

A principal fonte de transferência de calor é a energia radiante , e a fonte primária é o sol. A radiação solar ocorre predominantemente através do telhado e das janelas (mas também através das paredes). A radiação térmica se move de uma superfície mais quente para uma mais fria. Os telhados recebem a maior parte da radiação solar entregue a uma casa. Um telhado frio , ou telhado verde , além de uma barreira radiante, pode ajudar a evitar que seu sótão fique mais quente do que a temperatura máxima do ar externo no verão [13] (consulte albedo , absortividade , emissividade e refletividade ).

As janelas são um local pronto e previsível para a radiação térmica . [14] A energia da radiação pode entrar em uma janela durante o dia e sair pela mesma janela à noite. A radiação usa fótons para transmitir ondas eletromagnéticas através de um vácuo ou meio translúcido. O ganho de calor solar pode ser significativo mesmo em dias frios e claros. O ganho de calor solar através das janelas pode ser reduzido por vidros isolados , sombreamento e orientação. As janelas são particularmente difíceis de isolar em comparação com o telhado e as paredes. A transferência de calor por convecção através e ao redor das coberturas das janelas também degrada suas propriedades de isolamento. [14] Ao sombrear as janelas, o sombreamento externo é mais eficaz na redução do ganho de calor do que as coberturas internas das janelas . [14]

O sol ocidental e oriental pode fornecer calor e iluminação, mas são vulneráveis ​​ao superaquecimento no verão se não estiverem sombreados. Em contraste, o sol baixo do meio-dia prontamente admite luz e calor durante o inverno, mas pode ser facilmente sombreado com saliências de comprimento apropriado ou persianas angulares durante o verão e árvores de sombra de verão com folhas que perdem suas folhas no outono. A quantidade de calor radiante recebida está relacionada com a latitude do local , altitude , cobertura de nuvens e ângulo de incidência sazonal/horário (consulte o caminho do Sol e a lei do cosseno de Lambert ).

Outro princípio de projeto solar passivo é que a energia térmica pode ser armazenada em certos materiais de construção e liberada novamente quando o ganho de calor diminui para estabilizar as variações de temperatura diurnas (dia/noite). A interação complexa de princípios termodinâmicos pode ser contra- intuitiva para designers iniciantes. A modelagem computacional precisa pode ajudar a evitar experimentos de construção dispendiosos.

Considerações específicas do site durante o projeto [ editar ]

Elementos de design para edifícios residenciais em climas temperados [ editar ]

  • Colocação de tipos de cômodos, portas e paredes internas e equipamentos na casa.
  • Orientar o edifício para o equador (ou alguns graus a leste para capturar o sol da manhã) [9]
  • Estendendo a dimensão do edifício ao longo do eixo leste-oeste
  • Janelas com tamanho adequado para enfrentar o sol do meio-dia no inverno e sombreadas no verão.
  • Minimizando janelas em outros lados, especialmente janelas ocidentais [14]
  • Erguer saliências de telhado específicas de latitude e dimensionadas corretamente, [15] ou elementos de sombreamento (arbustos, árvores, treliças, cercas, persianas, etc.) [16]
  • Usando a quantidade e o tipo apropriados de isolamento , incluindo barreiras radiantes e isolamento a granel para minimizar o ganho ou perda de calor excessivo sazonal
  • Usando massa térmica para armazenar o excesso de energia solar durante o dia de inverno (que é então re-irradiada durante a noite) [17]

A quantidade exata de vidro e massa térmica voltada para o equador deve ser baseada em uma consideração cuidadosa da latitude, altitude, condições climáticas e requisitos de graus-dia de aquecimento/resfriamento .

Fatores que podem degradar o desempenho térmico:

  • Desvio da orientação ideal e proporção norte-sul/leste/oeste
  • Área de vidro excessiva ("sobre-vidro") resultando em superaquecimento (também resultando em brilho e desbotamento de móveis macios) e perda de calor quando a temperatura do ar ambiente cai
  • Instalação de vidros onde o ganho solar durante o dia e as perdas térmicas durante a noite não podem ser controlados facilmente, por exemplo, vidros inclinados, clarabóias, virados para o oeste [18]
  • Perdas térmicas por vidros não isolados ou desprotegidos
  • Falta de sombreamento adequado durante períodos sazonais de alto ganho solar (especialmente na parede oeste)
  • Aplicação incorreta de massa térmica para modular as variações diárias de temperatura
  • Escadas abertas levando a uma distribuição desigual do ar quente entre os andares superior e inferior à medida que o ar quente sobe
  • Alta área de superfície do edifício para volume – Muitos cantos
  • Intemperização inadequada levando a alta infiltração de ar
  • Falta ou instalação incorreta de barreiras radiantes durante a estação quente. (Veja também telhado fresco e telhado verde )
  • Materiais de isolamento que não correspondem ao modo principal de transferência de calor (por exemplo, transferência de calor convectiva/condutiva/radiante indesejável )

Eficiência e economia do aquecimento solar passivo [ editar ]

Tecnicamente, o PSH é altamente eficiente. Os sistemas de ganho direto podem utilizar (ou seja, converter em calor "útil") 65-70% da energia da radiação solar que atinge a abertura ou coletor.

A fração solar passiva (PSF) é a porcentagem da carga de calor necessária atendida pelo PSH e, portanto, representa uma redução potencial nos custos de aquecimento. RETScreen International relatou um PSF de 20-50%. No campo da sustentabilidade , a conservação de energia mesmo da ordem de 15% é considerada substancial.

Outras fontes relatam os seguintes PSFs:

  • 5–25% para sistemas modestos
  • 40% para sistemas "altamente otimizados"
  • Até 75% para sistemas "muito intensos"

Em climas favoráveis ​​como o sudoeste dos Estados Unidos, sistemas altamente otimizados podem exceder 75% de PSF. [19]

Para obter mais informações, consulte Calor do ar solar

Principais configurações de construção solar passiva [ editar ]

Existem três configurações distintas de energia solar passiva [20] , e pelo menos um híbrido notável dessas configurações básicas:

  • sistemas solares diretos
  • sistemas solares indiretos
  • sistemas solares híbridos diretos/indiretos
  • sistemas solares isolados

Sistema solar direto [ editar ]

Em um sistema solar passivo de ganho direto , o espaço interno atua como um coletor solar, absorvedor de calor e sistema de distribuição. O vidro voltado para o sul no hemisfério norte (voltado para o norte no hemisfério sul) admite energia solar no interior do edifício onde aquece diretamente (absorção de energia radiante) ou aquece indiretamente (através de convecção) massa térmica no edifício, como concreto ou alvenaria pisos e paredes. Os pisos e paredes que atuam como massa térmica são incorporados como partes funcionais do edifício e temperam a intensidade do aquecimento durante o dia. À noite, a massa térmica aquecida irradia calor para o espaço interno. [20]

Em climas frios, um edifício temperado pelo solé o tipo mais básico de configuração solar passiva de ganho direto que envolve simplesmente aumentar (ligeiramente) a área envidraçada virada a sul, sem adicionar massa térmica adicional. É um tipo de sistema de ganho direto em que a envolvente do edifício é bem isolada, é alongada na direção leste-oeste e possui uma grande fração (~80% ou mais) das janelas no lado sul. Tem pouca massa térmica adicionada além do que já está no edifício (ou seja, apenas moldura, placa de parede e assim por diante). Em um edifício temperado pelo sol, a área da janela voltada para o sul deve ser limitada a cerca de 5 a 7% da área total do piso, menos em um clima ensolarado, para evitar superaquecimento. Vidros adicionais voltados para o sul podem ser incluídos apenas se for adicionada mais massa térmica. As economias de energia são modestas com este sistema, e a têmpera solar tem um custo muito baixo. [20]

Em sistemas solares passivos de ganho direto genuíno , é necessária massa térmica suficiente para evitar grandes flutuações de temperatura no ar interno; é necessária mais massa térmica do que em um edifício temperado ao sol. O superaquecimento do interior do edifício pode resultar em massa térmica insuficiente ou mal projetada. Cerca de metade a dois terços da superfície interna dos pisos, paredes e tetos devem ser construídos com materiais de armazenamento térmico. Os materiais de armazenamento térmico podem ser concreto, adobe, tijolo e água. A massa térmica em pisos e paredes deve ser mantida tão nua quanto funcional e esteticamente possível; massa térmica precisa ser exposta à luz solar direta. Tapetes de parede a parede, tapetes grandes, móveis expansivos e grandes tapeçarias devem ser evitados.

Normalmente, para cada 1 pé 2 de vidro voltado para o sul, cerca de 5 a 10 pés 3 de massa térmica são necessários para a massa térmica (1 m 3 por 5 a 10 m 2 ). Ao contabilizar revestimentos e móveis de parede e piso de mínimo a médio, isso normalmente equivale a cerca de 5 a 10 pés 2 por pé 2 (5 a 10 m 2 por m 2 ) de vidro voltado para o sul, dependendo se a luz do sol atinge diretamente a superfície. A regra mais simples é que a área da massa térmica deve ter uma área de 5 a 10 vezes a área da superfície da área do coletor de ganho direto (vidro). [20]

A massa térmica sólida (por exemplo, concreto, alvenaria, pedra, etc.) deve ser relativamente fina, não mais do que cerca de 100 mm (4 pol.) de espessura. As massas térmicas com grandes áreas expostas e aquelas sob luz solar direta por pelo menos parte do dia (mínimo de 2 horas) apresentam melhor desempenho. Cores médias a escuras, com alta absortividade, devem ser usadas em superfícies de elementos de massa térmica que estarão sob luz solar direta. A massa térmica que não está em contato com a luz solar pode ser de qualquer cor. Elementos leves (por exemplo, paredes e tetos de drywall) podem ser de qualquer cor. Cobrir a vidraça com painéis de isolamento móveis e apertados durante períodos escuros, nublados e horas noturnas melhorará muito o desempenho de um sistema de ganho direto. A água contida dentro da contenção de plástico ou metal e colocada sob luz solar direta aquece mais rapidamente e mais uniformemente do que a massa sólida devido à transferência de calor por convecção natural. O processo de convecção também evita que as temperaturas da superfície se tornem muito extremas, como às vezes acontece quando superfícies de massa sólida de cor escura recebem luz solar direta.

Dependendo do clima e com massa térmica adequada, a área de vidro voltada para o sul em um sistema de ganho direto deve ser limitada a cerca de 10 a 20% da área do piso (por exemplo, 10 a 20 pés 2 de vidro para uma área de piso de 100 pés 2 ) . Isso deve ser baseado no vidro líquido ou na área envidraçada. Observe que a maioria das janelas tem uma área líquida de vidro/vidro que é de 75 a 85% da área total da unidade da janela. Acima deste nível, são prováveis ​​problemas com superaquecimento, brilho e desbotamento dos tecidos. [20]

Sistema solar indireto [ editar ]

Em um sistema solar passivo de ganho indireto , a massa térmica ( concreto , alvenaria ou água) está localizada diretamente atrás do vidro virado a sul e na frente do espaço interno aquecido e, portanto, não há aquecimento direto. a luz do sol entre no espaço interno e também pode obstruir a visão através do vidro. Existem dois tipos de sistemas de ganho indireto: sistemas de paredes de armazenamento térmico e sistemas de lagos de telhado. [20]

Paredes de Armazenamento Térmico (Trombe) [ editar ]

Em um sistema de parede de armazenamento térmico , muitas vezes chamado de parede Trombe, uma parede maciça está localizada diretamente atrás do vidro voltado para o sul, que absorve a energia solar e a libera seletivamente para o interior do edifício à noite. A parede pode ser construída de concreto moldado no local, tijolo, adobe, pedra ou unidades de alvenaria de concreto sólido (ou preenchido). A luz solar entra através do vidro e é imediatamente absorvida na superfície da parede da massa e armazenada ou conduzida através da massa de material para o espaço interno. A massa térmica não pode absorver a energia solar tão rápido quanto ela entra no espaço entre a massa e a área da janela. As temperaturas do ar neste espaço podem facilmente exceder 120 °F (49 °C). Este ar quente pode ser introduzido nos espaços interiores atrás da parede, incorporando aberturas de distribuição de calor na parte superior da parede. Este sistema de parede foi concebido e patenteado pela primeira vez em 1881 pelo seu inventor, Edward Morse.

Uma parede de armazenamento térmico normalmente consiste em uma parede de alvenaria de 4 a 16 polegadas (100 a 400 mm) de espessura revestida com um acabamento escuro e absorvente de calor (ou uma superfície seletiva) e coberta com uma camada simples ou dupla de vidro de alta transmissividade. O vidro é normalmente colocado de ¾ a 2 polegadas da parede para criar um pequeno espaço aéreo. Em alguns projetos, a massa está localizada de 1 a 2 pés (0,6 m) de distância do vidro, mas o espaço ainda não é utilizável. A superfície da massa térmica absorve a radiação solar que a atinge e a armazena para uso noturno. Ao contrário de um sistema de ganho direto, o sistema de armazenamento térmico de parede fornece aquecimento solar passivo sem área de janela excessiva e brilho nos espaços internos. No entanto, a capacidade de aproveitar as vistas e a iluminação natural são eliminadas. O desempenho das paredes Trombe é diminuído se o interior da parede não estiver aberto aos espaços interiores. Móveis, estantes e armários de parede instalados na superfície interna da parede reduzirão seu desempenho.

Uma parede clássica de Trombe , também chamada genericamente de parede de armazenamento térmico ventilada , possui aberturas operáveis ​​próximas ao teto e ao nível do piso da parede de massa que permitem que o ar interno flua através delas por convecção natural. À medida que a radiação solar aquece o ar preso entre o vidro e a parede, ele começa a subir. O ar é puxado para a abertura inferior, depois para o espaço entre o vidro e a parede para ser aquecido pela radiação solar, aumentando sua temperatura e fazendo com que ela suba, e depois sai pela abertura superior (teto) de volta ao espaço interno. Isso permite que a parede introduza diretamente o ar aquecido no espaço; geralmente a uma temperatura de cerca de 90 °F (32 °C).

Se as aberturas forem deixadas abertas à noite (ou em dias nublados), ocorrerá uma reversão do fluxo de ar convectivo, desperdiçando calor ao dissipá-lo ao ar livre. As aberturas devem ser fechadas à noite para que o calor radiante da superfície interna da parede de armazenamento aqueça o espaço interno. Geralmente, as aberturas também são fechadas durante os meses de verão, quando o ganho de calor não é necessário. Durante o verão, um exaustor externo instalado na parte superior da parede pode ser aberto para exalar para o exterior. Essa ventilação faz com que o sistema atue como uma chaminé solar que conduz o ar pelo edifício durante o dia.

As paredes de armazenamento térmico ventiladas para o interior provaram ser pouco eficazes, principalmente porque fornecem muito calor durante o dia em clima ameno e durante os meses de verão; eles simplesmente superaquecem e criam problemas de conforto. A maioria dos especialistas em energia solar recomenda que as paredes de armazenamento térmico não sejam ventiladas para o interior.

Existem muitas variações do sistema de parede Trombe. Uma parede de armazenamento térmico não ventilada (tecnicamente não uma parede Trombe) captura a energia solar na superfície externa, aquece e conduz o calor para a superfície interna, onde irradia da superfície da parede interna para o espaço interno no final do dia. Uma parede de água usa um tipo de massa térmica que consiste em tanques ou tubos de água usados ​​como massa térmica.

Uma parede de armazenamento térmico não ventilada típica consiste em uma parede de alvenaria ou concreto voltada para o sul com um material escuro e absorvente de calor na superfície externa e revestida com uma camada única ou dupla de vidro. O vidro de alta transmissão maximiza os ganhos solares para a parede de massa. O vidro é colocado de ¾ a 6 pol. (20 a 150 mm) da parede para criar um pequeno espaço aéreo. A estrutura de vidro é tipicamente de metal (por exemplo, alumínio) porque o vinil amolecerá e a madeira ficará super seca à temperatura de 82 °C (180 °F) que pode existir atrás do vidro na parede. O calor da luz solar que passa pelo vidro é absorvido pela superfície escura, armazenado na parede e conduzido lentamente para dentro da alvenaria. Como detalhe arquitetônico, o vidro estampado pode limitar a visibilidade externa da parede sem sacrificar a transmissividade solar.

Uma parede de água usa recipientes de água para massa térmica em vez de uma parede de massa sólida. As paredes de água são tipicamente um pouco mais eficientes do que as paredes de massa sólida porque absorvem o calor de forma mais eficiente devido ao desenvolvimento de correntes convectivas na água líquida à medida que é aquecida. Essas correntes causam uma mistura rápida e uma transferência de calor mais rápida para o edifício do que pode ser fornecida pelas paredes de massa sólida.

As variações de temperatura entre as superfícies da parede externa e interna conduzem o calor através da parede de massa. No interior do edifício, no entanto, o ganho de calor diurno é retardado, ficando disponível apenas na superfície interior da massa térmica durante a noite, quando é necessário porque o sol se pôs. O intervalo de tempo é a diferença de tempo entre quando a luz do sol atinge a parede pela primeira vez e quando o calor entra no interior do edifício. O intervalo de tempo depende do tipo de material usado na parede e da espessura da parede; uma espessura maior produz um intervalo de tempo maior. A defasagem de tempo característica da massa térmica, combinada com o amortecimento das flutuações de temperatura, permite o uso de energia solar diurna variável como uma fonte de calor noturna mais uniforme. As janelas podem ser colocadas na parede por motivos de iluminação natural ou estética,

A espessura de uma parede de armazenamento térmico deve ser de aproximadamente 10 a 14 pol (250 a 350 mm) para tijolo, 12 a 18 pol (300 a 450 mm) para concreto, 8 a 12 pol (200 a 300 mm) para terra/adobe , e pelo menos 6 pol (150 mm) para água. Essas espessuras retardam o movimento do calor, de modo que as temperaturas da superfície interna atingem o pico durante as horas tardias da noite. O calor levará cerca de 8 a 10 horas para atingir o interior do edifício (o calor percorre uma parede de concreto a uma taxa de cerca de uma polegada por hora). Uma boa conexão térmica entre os acabamentos da parede interna (por exemplo, drywall) e a parede de massa térmica é necessária para maximizar a transferência de calor para o espaço interno.

Embora a posição de uma parede de armazenamento térmico minimize o superaquecimento diurno do espaço interno, um edifício bem isolado deve ser limitado a aproximadamente 0,2 a 0,3 pés 2 de superfície da parede de massa térmica por pé 2 de área do piso sendo aquecida (0,2 a 0,3 m 2 por m 2 de área útil), dependendo do clima. Uma parede de água deve ter cerca de 0,15 a 0,2 pés 2 de superfície de parede de água por pé 2 (0,15 a 0,2 m 2 por m 2 ) de área de piso.

Paredes de massa térmica são mais adequadas para climas ensolarados de inverno que têm altas variações de temperatura diurnas (dia-noite) (por exemplo, sudoeste, montanha-oeste). Eles não funcionam tão bem em climas nublados ou extremamente frios ou em climas onde não há uma grande variação de temperatura diurna. As perdas térmicas noturnas através da massa térmica da parede ainda podem ser significativas em climas nublados e frios; a parede perde calor armazenado em menos de um dia e, em seguida, vaza calor, o que aumenta drasticamente os requisitos de aquecimento de backup. Cobrir os vidros com painéis de isolamento móveis e apertados durante longos períodos nublados e horas noturnas melhorará o desempenho de um sistema de armazenamento térmico.

A principal desvantagem das paredes de armazenamento térmico é a perda de calor para o exterior. O vidro duplo (vidro ou qualquer um dos plásticos) é necessário para reduzir a perda de calor na maioria dos climas. Em climas amenos, o vidro único é aceitável. Uma superfície seletiva (superfície de alta absorção/baixa emissão) aplicada à superfície externa da parede de armazenamento térmico melhora o desempenho reduzindo a quantidade de energia infravermelha irradiada de volta através do vidro; normalmente, atinge uma melhoria semelhante no desempenho sem a necessidade de instalação e remoção diária de painéis isolantes. Uma superfície seletiva consiste em uma folha de metal colada na superfície externa da parede. Absorve quase toda a radiação na porção visível do espectro solar e emite muito pouco na faixa do infravermelho. A alta absorção transforma a luz em calor na superfície da parede,[20]

Sistema de Lagoa do Telhado [ editar ]

Um sistema solar passivo da lagoa do telhado , às vezes chamado de telhado solar, utiliza a água armazenada no telhado para temperar as temperaturas internas quentes e frias, geralmente em ambientes desérticos. Normalmente é construído de recipientes com 6 a 12 polegadas (150 a 300 mm) de água em um telhado plano. A água é armazenada em grandes sacos plásticos ou recipientes de fibra de vidro para maximizar as emissões radiantes e minimizar a evaporação. Pode ser deixado sem vitrificação ou pode ser coberto por vidros. A radiação solar aquece a água, que atua como meio de armazenamento térmico. À noite ou com tempo nublado, os contêineres podem ser cobertos com painéis isolantes. O espaço interno abaixo da lagoa do telhado é aquecido pela energia térmica emitida pelo armazenamento da lagoa do telhado acima. Esses sistemas exigem bons sistemas de drenagem, isolamento móvel e um sistema estrutural aprimorado para suportar um fluxo de 35 a 70 lb/ft 2 (1,7 a 3,3 kN/m 2) carga morta.

Com os ângulos de incidência da luz solar durante o dia, as lagoas de telhado só são eficazes para aquecimento em latitudes baixas e médias, em climas quentes a temperados. Os sistemas de lagos no telhado têm melhor desempenho para resfriamento em climas quentes e de baixa umidade. Não foram construídos muitos telhados solares e há informações limitadas sobre o projeto, custo, desempenho e detalhes de construção de telhados de armazenamento térmico. [20]

Sistema solar híbrido direto/indireto [ editar ]

Kachadorian demonstrou que as desvantagens das paredes de armazenamento térmico podem ser superadas orientando a parede Trombe horizontalmente em vez de verticalmente. [21] Se a massa de armazenamento térmico for construída como um piso de laje de concreto ventilado em vez de uma parede, ela não bloqueia a entrada da luz solar na casa (a desvantagem mais óbvia da parede Trombe), mas ainda pode ser exposta à luz solar direta através de dupla -janelas envidraçadas viradas para o equador, que podem ser isoladas por persianas térmicas ou persianas à noite. [22]O atraso problemático da parede Trombe na captação de calor diurno é eliminado, porque o calor não precisa ser conduzido através da parede para atingir o espaço de ar interior: parte dele reflete ou irradia imediatamente do piso. Desde que a laje tenha canais de ar como a parede de Trombe, que a atravessam no sentido norte-sul e são ventilados para o espaço de ar interior através do piso da laje de concreto apenas dentro das paredes norte e sul, ainda ocorre termossifão de ar vigoroso através da laje como na parede vertical de Trombe, distribuindo o calor retido por toda a casa (e resfriando a casa no verão pelo processo inverso).

A laje horizontal ventilada é menos dispendiosa de construir do que as paredes verticais Trombe, pois constitui a base da casa que é uma despesa necessária em qualquer edifício. As fundações de laje no nível são um componente de construção comum, bem compreendido e econômico (modificado apenas ligeiramente pela inclusão de uma camada de canais de ar de concreto-tijolo), em vez de uma construção exótica de parede Trombe. A única desvantagem restante para este tipo de arquitetura solar de massa térmica é a ausência de um porão, como em qualquer projeto de laje.

O design do piso Kachadoriano é um sistema solar passivo de ganho direto , mas sua massa térmica também atua como um elemento de aquecimento (ou resfriamento) indireto , cedendo seu calor à noite. É um sistema de energia híbrida de ciclo alternado, como um veículo elétrico híbrido .

Sistema solar isolado [ editar ]

Em um sistema solar passivo de ganho isolado , os componentes (por exemplo, coletor e armazenamento térmico) são isolados da área interna do edifício. [20]

Um espaço solar anexo , também às vezes chamado de sala solar ou solário, é um tipo de sistema solar de ganho isolado com um espaço interior ou sala envidraçada que faz parte ou está anexado a um edifício, mas que pode ser completamente isolado das principais áreas ocupadas. Funciona como uma estufa anexa que faz uso de uma combinação de características do sistema de ganho direto e indireto. Um espaço solar pode ser chamado e parecer uma estufa, mas uma estufa é projetada para cultivar plantas, enquanto um espaço solar é projetado para fornecer calor e estética a um edifício. Os espaços solares são elementos de design passivo muito populares porque expandem as áreas de estar de um edifício e oferecem um espaço para o cultivo de plantas e outras vegetações. Em climas moderados e frios, no entanto, o aquecimento suplementar do ambiente é necessário para evitar que as plantas congelem durante o clima extremamente frio.

O vidro virado para o sul de um espaço solar anexado coleta energia solar como em um sistema de ganho direto. O projeto de espaço solar mais simples é instalar janelas verticais sem vidros suspensos. Os espaços solares podem experimentar alto ganho de calor e alta perda de calor devido à abundância de vidros. Embora a vidraça horizontal e inclinada colete mais calor no inverno, ela é minimizada para evitar o superaquecimento durante os meses de verão. Embora a vidraça superior possa ser esteticamente agradável, um telhado isolado oferece melhor desempenho térmico. Clarabóias podem ser usadas para fornecer algum potencial de iluminação natural. O envidraçamento vertical pode maximizar o ganho no inverno, quando o ângulo do sol é baixo, e produzir menos ganho de calor durante o verão. O vidro vertical é mais barato, mais fácil de instalar e isolar e não é tão propenso a vazamentos, embaçamento, quebra e outras falhas de vidro. Uma combinação de vidros verticais e alguns vidros inclinados é aceitável se for fornecido sombreamento de verão. Uma saliência bem projetada pode ser tudo o que é necessário para sombrear a vidraça no verão.

As variações de temperatura causadas pelas perdas e ganhos de calor podem ser moderadas pela massa térmica e janelas de baixa emissividade. A massa térmica pode incluir um piso de alvenaria, uma parede de alvenaria ao redor da casa ou recipientes de água. A distribuição de calor para o edifício pode ser realizada através de aberturas no teto e no piso, janelas, portas ou ventiladores. Em um projeto comum, a parede de massa térmica situada na parte de trás do espaço solar adjacente ao espaço de vida funcionará como uma parede de massa térmica de ganho indireto. A energia solar que entra no espaço solar é retida na massa térmica.

Em climas frios, vidros duplos devem ser usados ​​para reduzir as perdas condutivas através do vidro para o exterior. A perda de calor noturna, embora significativa durante os meses de inverno, não é tão essencial no espaço solar como nos sistemas de ganho direto, pois o espaço solar pode ser fechado do resto do edifício. Em climas temperados e frios, isolar termicamente o espaço solar do edifício à noite é importante. Grandes painéis de vidro, portas francesas ou portas de vidro deslizantes entre o edifício e o espaço solar anexo manterão uma sensação de abertura sem a perda de calor associada a um espaço aberto.

Um espaço solar com uma parede térmica de alvenaria precisará de aproximadamente 0,3 ft 2 de superfície de parede de massa térmica por ft 2 de área de piso sendo aquecida (0,3 m 2 por m 2 de área de piso), dependendo do clima. A espessura da parede deve ser semelhante a uma parede de armazenamento térmico. Se uma parede de água for usada entre o espaço solar e a sala de estar, cerca de 0,20 ft 2 de massa térmica de superfície da parede por ft 2 de área do piso sendo aquecida (0,2 m 2 por m 2da área do piso) é apropriado. Na maioria dos climas, é necessário um sistema de ventilação nos meses de verão para evitar o superaquecimento. Geralmente, grandes áreas de vidro suspensas (horizontais) e voltadas para leste e oeste não devem ser usadas em um espaço solar sem precauções especiais para superaquecimento no verão, como usar vidro refletor de calor e fornecer áreas de sistemas de sombreamento de verão.

As superfícies internas da massa térmica devem ser de cor escura. Isolamento móvel (por exemplo, coberturas de janela, persianas, persianas) pode ser usado para ajudar a prender o ar quente no espaço solar, tanto após o pôr do sol quanto durante o tempo nublado. Quando fechadas durante dias extremamente quentes, as coberturas das janelas podem ajudar a evitar o superaquecimento do espaço solar.

Para maximizar o conforto e a eficiência, as paredes, o teto e a fundação do espaço solar sem vidro devem ser bem isolados. O perímetro da parede ou laje de fundação deve ser isolado à linha de geada ou ao redor do perímetro da laje. Em um clima temperado ou frio, as paredes leste e oeste do espaço solar devem ser isoladas (sem vidro).

Medidas adicionais [ editar ]

Devem ser tomadas medidas para reduzir a perda de calor durante a noite, por exemplo, coberturas de janelas ou isolamento de janelas móveis.

Armazenamento de calor [ editar ]

O sol não brilha o tempo todo. O armazenamento de calor, ou massa térmica , mantém o edifício aquecido quando o sol não pode aquecê-lo.

Em casas solares diurnas, o armazenamento é projetado para um ou alguns dias. O método usual é uma massa térmica construída sob medida. Isso inclui uma parede Trombe , um piso de concreto ventilado, [23] uma cisterna, parede de água ou lago no telhado. [24] Também é viável usar a massa térmica da própria terra, seja como está ou por incorporação na estrutura por declive ou usando taipa como meio estrutural. [25]

Em áreas subárticas, ou áreas que têm longos períodos sem ganho solar (por exemplo, semanas de neblina congelante), a massa térmica construída para esse fim é muito cara. Don Stephens foi pioneiro em uma técnica experimental para usar o solo como massa térmica grande o suficiente para armazenamento anual de calor. Seus projetos executam um termossifão isolado 3 m sob uma casa e isolam o solo com uma saia impermeável de 6 m. [26]

Isolamento [ editar ]

O isolamento térmico ou superisolamento (tipo, colocação e quantidade) reduz o vazamento indesejado de calor. [10] Alguns edifícios passivos são realmente construídos com isolamento .

Sistemas de vidros especiais e coberturas de janelas [ editar ]

A eficácia dos sistemas de ganho solar direto é significativamente aumentada pelo isolamento isolante (por exemplo , vidros duplos ), vidros espectralmente seletivos ( low-e ) ou isolamento de janela móvel (colchas de janela, persianas de isolamento interior bifold, persianas, etc.). [22]

Geralmente, as janelas voltadas para o Equador não devem empregar revestimentos envidraçados que inibam o ganho solar.

Há um uso extensivo de janelas super-isoladas no padrão da Casa Passiva Alemã . A seleção de diferentes revestimentos de janela espectralmente seletivos depende da proporção de graus-dia de aquecimento versus resfriamento para o local do projeto.

Seleção de vidros [ editar ]

Vidro voltado para o Equador [ editar ]

O requisito para o vidro vertical voltado para o equador é diferente dos outros três lados de um edifício. Revestimentos de janela refletivos e vários painéis de vidro podem reduzir o ganho solar útil. No entanto, os sistemas de ganho direto são mais dependentes de vidros duplos ou triplos ou mesmo vidros quádruplos em latitudes geográficas mais altas para reduzir a perda de calor. As configurações de ganho indireto e ganho isolado ainda podem funcionar de forma eficaz com apenas vidros de painel único. No entanto, a solução econômica ideal depende da localização e do sistema.

Vidros e clarabóias em ângulo de telhado [ editar ]

As claraboias admitem luz solar direta direta e ofuscamento [27] tanto horizontalmente (um telhado plano) quanto inclinados no mesmo ângulo que a inclinação do telhado. Em alguns casos, são utilizadas claraboias horizontais com refletores para aumentar a intensidade da radiação solar (e ofuscamento severo), dependendo do ângulo de incidência do telhado . Quando o sol de inverno está baixo no horizonte, a maior parte da radiação solar reflete no vidro inclinado do telhado (o ângulo de incidência é quase paralelo ao vidro inclinado do telhado de manhã e à tarde). Quando o sol de verão está alto, é quase perpendicular ao vidro inclinado do telhado, o que maximiza o ganho solar na época errada do ano e age como um forno solar. As clarabóias devem ser cobertas e bem isoladas para reduzir a convecção natural(ar quente subindo) perda de calor nas noites frias de inverno e intenso ganho de calor solar durante os dias quentes de primavera/verão/outono.

O lado de um edifício voltado para o equador fica ao sul no hemisfério norte e ao norte no hemisfério sul. Clarabóias em telhados que estão de frente para o equador fornecem principalmente iluminação indireta, exceto nos dias de verão, quando o sol pode nascer do lado não equatorial do edifício (em algumas latitudes ). Clarabóias em telhados voltados para o leste fornecem luz direta máxima e ganho de calor solar nas manhãs de verão. As claraboias voltadas para o oeste fornecem luz solar à tarde e ganho de calor durante a parte mais quente do dia.

Algumas clarabóias têm vidros caros que reduzem parcialmente o ganho de calor solar no verão, enquanto ainda permitem alguma transmissão de luz visível. No entanto, se a luz visível pode passar por ele, também pode algum ganho de calor radiante (ambos são ondas de radiação eletromagnética ).

Você pode reduzir parcialmente alguns dos ganhos indesejados de calor solar de verão com vidros inclinados para telhados instalando uma clarabóia à sombra de árvores de folha caduca (queda de folhas) ou adicionando uma cobertura de janela opaca isolada móvel na parte interna ou externa da clarabóia . Isso eliminaria o benefício da luz do dia no verão. Se os galhos das árvores ficarem pendurados no telhado, eles aumentarão os problemas com folhas nas calhas de chuva, possivelmente causarão barragens de gelo que danificam o telhado, encurtarão a vida útil do telhado e fornecerão um caminho mais fácil para as pragas entrarem no sótão. Folhas e galhos nas clarabóias são desagradáveis, difíceis de limpar e podem aumentar o risco de quebra do vidro em tempestades de vento.

"Vidros de telhado em dente de serra" com apenas vidro vertical podem trazer alguns dos benefícios do projeto de construção solar passiva para o núcleo de um edifício comercial ou industrial, sem a necessidade de vidros ou clarabóias em ângulo de telhado.

Clarabóias fornecem luz do dia. A única visão que eles fornecem é essencialmente direta na maioria dos aplicativos. Tubos de luz bem isolados podem trazer a luz do dia para as salas do norte, sem usar uma clarabóia. Uma estufa solar passiva fornece luz natural abundante para o lado do equador do edifício.

As câmeras termográficas coloridas de termografia infravermelha (usadas em auditorias de energia formais ) podem documentar rapidamente o impacto térmico negativo do vidro inclinado do telhado ou de uma clarabóia em uma noite fria de inverno ou em um dia quente de verão.

O Departamento de Energia dos EUA afirma: "o envidraçamento vertical é a melhor opção geral para espaços solares". [28] Vidro em ângulo de telhado e vidro de parede lateral não são recomendados para espaços solares passivos.

O DOE dos EUA explica as desvantagens do envidraçamento em ângulo de telhado: vidro e plástico têm pouca resistência estrutural. Quando instalado verticalmente, o vidro (ou plástico) suporta seu próprio peso porque apenas uma pequena área (a borda superior do vidro) está sujeita à gravidade. À medida que o vidro se inclina para fora do eixo vertical, no entanto, uma área aumentada (agora a seção transversal inclinada) do vidro tem que suportar a força da gravidade. O vidro também é quebradiço; não flexiona muito antes de quebrar. Para contrariar isso, você geralmente deve aumentar a espessura do vidro ou aumentar o número de suportes estruturais para segurar o vidro. Ambos aumentam o custo total e o último reduzirá a quantidade de ganho solar no espaço solar.

Outro problema comum com vidros inclinados é sua maior exposição ao clima. É difícil manter uma boa vedação no vidro inclinado do telhado sob luz solar intensa. Granizo, granizo, neve e vento podem causar falhas no material. Para a segurança dos ocupantes, as agências reguladoras geralmente exigem que os vidros inclinados sejam feitos de vidro de segurança, laminado ou uma combinação destes, o que reduz o potencial de ganho solar. A maior parte do vidro em ângulo do telhado do espaço solar do Crowne Plaza Hotel Orlando Airport foi destruído em uma única tempestade de vento. O vidro em ângulo de telhado aumenta o custo de construção e pode aumentar os prêmios de seguro. O vidro vertical é menos suscetível a danos climáticos do que o vidro em ângulo de telhado.

É difícil controlar o ganho de calor solar em um espaço solar com vidros inclinados durante o verão e mesmo durante um dia ameno e ensolarado de inverno. As clarabóias são a antítese da construção de energia zero Passive Solar Cooling em climas com necessidade de ar condicionado.

Ângulo de radiação incidente [ editar ]

A quantidade de ganho solar transmitido através do vidro também é afetada pelo ângulo da radiação solar incidente . A luz solar que atinge uma única folha de vidro dentro de 45 graus da perpendicular é principalmente transmitida (menos de 10% é refletida ), enquanto que para a luz solar que atinge a 70 graus da perpendicular, mais de 20% da luz é refletida e acima de 70 graus essa porcentagem refletida aumenta acentuadamente . [29]

Todos esses fatores podem ser modelados com mais precisão com um fotômetro fotográfico e um heliodon ou bancada ótica , que pode quantificar a razão entre refletividade e transmissividade , com base no ângulo de incidência .

Alternativamente, o software de computador solar passivo pode determinar o impacto do caminho do sol e dos graus-dia de resfriamento e aquecimento no desempenho energético .

Dispositivos de sombreamento e isolamento operáveis ​​[ editar ]

Um design com muito vidro voltado para o equador pode resultar em aquecimento excessivo no inverno, primavera ou outono, espaços desconfortavelmente iluminados em certas épocas do ano e transferência excessiva de calor nas noites de inverno e nos dias de verão.

Embora o sol esteja na mesma altitude 6 semanas antes e depois do solstício, os requisitos de aquecimento e resfriamento antes e depois do solstício são significativamente diferentes. O armazenamento de calor na superfície da Terra causa "atraso térmico". A cobertura de nuvens variável influencia o potencial de ganho solar. Isso significa que as saliências das janelas fixas específicas da latitude, embora importantes, não são uma solução completa de controle de ganho solar sazonal.

Mecanismos de controle (como cortinas com isolamento interno manual ou motorizado, persianas, cortinas externas retráteis ou toldos retráteis) podem compensar as diferenças causadas por atraso térmico ou cobertura de nuvens e ajudar a controlar as variações diárias / horárias dos requisitos de ganho solar.

Os sistemas de automação residencial que monitoram a temperatura, a luz solar, a hora do dia e a ocupação da sala podem controlar com precisão os dispositivos motorizados de proteção e isolamento de janelas.

Cores externas refletindo – absorvendo [ editar ]

Materiais e cores podem ser escolhidos para refletir ou absorver a energia solar térmica . O uso de informações sobre uma cor para radiação eletromagnética para determinar suas propriedades de reflexão ou absorção de radiação térmica pode ajudar nas escolhas.
Veja Lawrence Berkeley National Laboratory e Oak Ridge National Laboratory: "Cool Colors"

Em climas frios com dias de inverno curtos, os sistemas de ganho direto utilizando janelas voltadas para o equador podem realmente funcionar melhor quando a neve cobre o solo, uma vez que a luz solar refletida e direta entrará na casa e será capturada como calor. [30]

Paisagismo e jardins [ editar ]

Materiais de paisagismo energeticamente eficientes para escolhas solares passivas cuidadosas incluem material de construção hardscape e plantas “ softscape. O uso de princípios de projeto paisagístico para a seleção de árvores , sebes e treliças - pergoladas com videiras ; tudo pode ser usado para criar sombreamento de verão. Para o ganho solar de inverno, é desejável usar plantas decíduas que deixam cair suas folhas no outono, proporcionando benefícios solares passivos durante todo o ano. Arbustos e árvores perenes não decíduas podem ser quebra- ventos , em alturas e distâncias variáveis, para criar proteção e abrigo contra o vento frio do inverno . Xeriscaping com espécies nativas 'adequadas ao tamanho maduro' de plantas tolerantes à seca , irrigação por gotejamento , cobertura morta e práticas de jardinagem orgânica reduzem ou eliminam a necessidade de irrigação com uso intensivo de energia e água , equipamentos de jardim movidos a gás e reduz o desperdício de aterros sanitários pegada. A iluminação paisagística movida a energia solar e bombas de fonte e piscinas cobertas e piscinas de imersão com aquecedores solares de água podem reduzir o impacto de tais comodidades.

Outros princípios solares passivos [ editar ]

Iluminação solar passiva [ editar ]

As técnicas de iluminação solar passiva melhoram o aproveitamento da iluminação natural para interiores e, assim, reduzem a dependência de sistemas de iluminação artificial.

Isso pode ser alcançado por um projeto cuidadoso de construção, orientação e colocação de seções de janela para coletar luz. Outras soluções criativas envolvem o uso de superfícies refletoras para permitir a entrada da luz do dia no interior de um edifício. As seções das janelas devem ser de tamanho adequado, e para evitar o excesso de iluminação podem ser blindadas com um Brise soleil , toldos , árvores bem posicionadas, revestimentos de vidro e outros dispositivos passivos e ativos. [31]

Outra questão importante para muitos sistemas de janelas é que eles podem ser locais potencialmente vulneráveis ​​de ganho térmico excessivo ou perda de calor. Embora as janelas altas e clarabóias tradicionais possam introduzir a luz do dia em seções mal orientadas de um edifício, a transferência de calor indesejada pode ser difícil de controlar. [32] [33] Assim, a energia economizada pela redução da iluminação artificial é muitas vezes mais do que compensada pela energia necessária para operar os sistemas HVAC para manter o conforto térmico .

Vários métodos podem ser empregados para resolver isso, incluindo, entre outros , coberturas de janelas , vidros isolados e novos materiais, como isolamento semitransparente de aerogel , fibra óptica embutida em paredes ou telhados ou iluminação solar híbrida no Oak Ridge National Laboratory .

Elementos refletores, de coletores de luz natural ativos e passivos , como prateleiras de luz , paredes e pisos mais claros, seções de parede espelhadas , paredes internas com painéis de vidro superiores e portas articuladas de vidro transparente ou translúcido e portas de vidro deslizantes captam a luz e refletem passivamente isso mais para dentro. A luz pode ser proveniente de janelas passivas ou clarabóias e tubos de luz solar ou de fontes de iluminação natural ativas . Na arquitetura tradicional japonesa, as portas deslizantes Shōji , com telas Washi translúcidas , são um precedente original.O estilo internacional , a arquitetura modernista e moderna de meados do século foram os inovadores anteriores dessa penetração passiva e reflexão em aplicações industriais, comerciais e residenciais.

Aquecimento solar passivo de água [ editar ]

Existem muitas maneiras de usar a energia solar térmica para aquecer água para uso doméstico. Diferentes tecnologias de água quente solar ativas e passivas têm diferentes implicações de análise de custo-benefício de localização específica.

O aquecimento solar passivo fundamental de água quente não envolve bombas ou qualquer coisa elétrica. É muito rentável em climas que não têm longas condições meteorológicas sub-congelantes ou muito nubladas. [34] Outras tecnologias de aquecimento solar ativo de água, etc., podem ser mais apropriadas para alguns locais.

É possível ter água quente solar ativa que também é capaz de ser "fora da rede" e se qualifica como sustentável. Isso é feito pelo uso de uma célula fotovoltaica que usa a energia do sol para alimentar as bombas. [35]

Comparação com o padrão Passive House na Europa [ editar ]

Há um impulso crescente na Europa para a abordagem adotada pelo Instituto Passive House ( Passivhaus em alemão) na Alemanha. Em vez de depender apenas de técnicas tradicionais de projeto solar passivo, essa abordagem busca fazer uso de todas as fontes passivas de calor, minimiza o uso de energia e enfatiza a necessidade de altos níveis de isolamento reforçados por atenção meticulosa aos detalhes para abordar a ponte térmica e infiltração de ar frio. A maioria dos edifícios construídos de acordo com o padrão Passive House também incorpora uma unidade de ventilação com recuperação de calor ativa com ou sem um pequeno componente de aquecimento incorporado (normalmente 1 kW).

O projeto de energia dos edifícios Passive House é desenvolvido usando uma ferramenta de modelagem baseada em planilha chamada Passive House Planning Package (PHPP), que é atualizada periodicamente. A versão atual é PHPP 9.6 (2018). Um edifício pode ser certificado como "Casa Passiva" quando se demonstre que cumpre determinados critérios, sendo o mais importante que a necessidade anual de calor específico da habitação não ultrapasse os 15kWh/m 2 a.

Comparação com o edifício de aquecimento zero [ editar ]

Com os avanços em vidros de valor U ultra baixo, um edifício de aquecimento (quase) zero baseado em Casa Passiva é proposto para substituir os edifícios de energia quase zero na UE, aparentemente falidos. O edifício com aquecimento zero reduz o projeto solar passivo e torna o edifício mais aberto ao projeto arquitetônico convencional. A necessidade anual de calor específico para a casa com aquecimento zero não deve exceder 3 kWh/m 2 a. O edifício com aquecimento zero é mais simples de projetar e operar. Por exemplo: não há necessidade de proteção solar modulada em casas com aquecimento zero.

Ferramentas de design [ editar ]

Tradicionalmente, um heliodon era usado para simular a altitude e o azimute do sol brilhando em um edifício modelo a qualquer hora de qualquer dia do ano. [36] Nos tempos modernos, os programas de computador podem modelar esse fenômeno e integrar dados climáticos locais (incluindo impactos no local, como ofuscamento e obstruções físicas) para prever o potencial de ganho solar para um projeto de construção específico ao longo de um ano. Aplicativos de smartphone baseados em GPS agora podem fazer isso de forma barata em um dispositivo portátil. Essas ferramentas de projetofornecer ao projetista solar passivo a capacidade de avaliar as condições locais, elementos de projeto e orientação antes da construção. A otimização do desempenho energético normalmente requer um processo de projeto e avaliação de refinamento iterativo. Não existe um projeto de construção solar passiva universal de "tamanho único" que funcione bem em todos os locais.

Níveis de aplicação [ editar ]

Muitas casas suburbanas isoladas podem obter reduções nas despesas de aquecimento sem mudanças óbvias em sua aparência, conforto ou usabilidade. [37] Isso é feito usando boa localização e posicionamento das janelas, pequenas quantidades de massa térmica, com isolamento bom, mas convencional, intempéries e uma fonte de calor suplementar ocasional, como um radiador central conectado a um aquecedor de água (solar). Os raios solares podem cair em uma parede durante o dia e elevar a temperatura de sua massa térmica . Isto irá então irradiar calor para o edifício à noite. O sombreamento externo, ou uma barreira radiante mais espaço de ar, pode ser usado para reduzir o ganho solar indesejável no verão.

Uma extensão da abordagem "solar passiva" para captura solar sazonal e armazenamento de calor e resfriamento. Esses projetos tentam capturar o calor solar da estação quente e transmiti-lo a um armazenamento térmico sazonal para uso meses depois durante a estação fria ("solar passivo anualizado") . Relatos anedóticos sugerem que eles podem ser eficazes, mas nenhum estudo formal foi realizado para demonstrar sua superioridade. A abordagem também pode mover o resfriamento para a estação quente. Exemplos:

Uma casa com aquecimento solar "puramente passiva" não teria uma unidade de forno mecânico, contando com a energia captada da luz do sol, apenas complementada por energia térmica "incidental" emitida por luzes, computadores e outros aparelhos específicos para tarefas (como aqueles para cozinhar, entretenimento, etc.), tomar banho, pessoas e animais de estimação. O uso de correntes de ar de convecção natural (em vez de dispositivos mecânicos, como ventiladores) para circular o ar está relacionado, embora não seja estritamente solar. O projeto de construção solar passiva às vezes usa controles elétricos e mecânicos limitados para operar amortecedores, persianas isolantes, persianas, toldos ou refletores. Alguns sistemas contam com pequenos ventiladores ou chaminés com aquecimento solar para melhorar o fluxo de ar convectivo. Uma maneira razoável de analisar esses sistemas é medindo seu coeficiente de desempenho. Uma bomba de calor pode usar 1 J para cada 4 J que fornece, dando um COP de 4. Um sistema que usa apenas um ventilador de 30 W para distribuir mais uniformemente 10 kW de calor solar por uma casa inteira teria um COP de 300.

O projeto de construção solar passiva é muitas vezes um elemento fundamental de uma construção econômica de energia zero . [38] [39] Embora um ZEB use vários conceitos de projeto de construção solar passiva, um ZEB geralmente não é puramente passivo, tendo sistemas de geração de energia renovável mecânica ativa, como: turbina eólica , fotovoltaica , micro-hídrica , geotérmica e outras energias alternativas emergentes fontes. A energia solar passiva também é uma estratégia central de projeto de construção para sobrevivência passiva , juntamente com outras estratégias passivas. [40]

Projeto solar passivo em arranha-céus [ editar ]

Tem havido interesse recente na utilização de grandes quantidades de área de superfície em arranha-céus para melhorar sua eficiência energética geral. Como os arranha-céus são cada vez mais onipresentes em ambientes urbanos, mas exigem grandes quantidades de energia para operar, há potencial para grandes quantidades de economia de energia empregando técnicas de projeto solar passivo. Um estudo, [41] que analisou os 22 Bishopsgate propostostorre em Londres, descobriu que uma diminuição de energia de 35% na demanda pode teoricamente ser alcançada através de ganhos solares indiretos, girando o edifício para obter ventilação ideal e penetração de luz do dia, uso de material de piso de alta massa térmica para diminuir a flutuação de temperatura dentro do edifício e usando vidros duplos ou triplos de baixa emissividade para ganho solar direto. As técnicas de ganho solar indireto incluíram moderar o fluxo de calor da parede por variações de espessura da parede (de 20 a 30 cm), usar vidros de janela no espaço externo para evitar perda de calor, dedicar 15 a 20% da área do piso para armazenamento térmico e implementar um Trombe muropara absorver o calor que entra no espaço. Saliências são usadas para bloquear a luz solar direta no verão e permitir no inverno, e persianas refletoras de calor são inseridas entre a parede térmica e os vidros para limitar o acúmulo de calor nos meses de verão.

Outro estudo [42] analisou a fachada de pele dupla verde (DGSF) na parte externa de edifícios altos em Hong Kong. Tal fachada verde, ou vegetação cobrindo as paredes externas, pode combater bastante o uso de ar condicionado - até 80%, conforme descoberto pelos pesquisadores.

Em climas mais temperados, estratégias como envidraçamento, ajuste da relação janela-parede, proteção solar e estratégias de telhado podem oferecer economias de energia consideráveis, na faixa de 30% a 60%. [43]

Veja também [ editar ]

Referências [ editar ]

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Bibliografia [ editar ]

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