في تصميم المباني الشمسية السلبية passive solar building design، النوافذ، الجدران، والأرضيات تكون مضنوعة لتجمع، تخزن، وتوزع الطاقة الشمسية في صورة حرارة في الشتاء وتعكس حرارة الشمس في الصيف. يطلق على هذا التصميم الشمسي السلبي أوالتصميم المناخي، لأنه، على عكس أنظمة التسخين الشمسي النشطة، لا يدخل في استخدام الأجهزة الميكانيكية والكهربائية.

تصميم المبنى السلبي

في تصميم المبنى السلي للطاقة الشمسية، تصنع النوافذ والجدران، والأرضيات لجمع وتخزين وتوزيع الطاقة الشمسية في شكل حرارة في الشتاء ورفض حرارة الشمس في فصل الصيف. وهذا ما يسمى التصميم الشمسي السلبي أوالتصميم المناخي لأنه على عكس أنظمة التدفئة الشمسية الممكننة، لاتقوم على استخدام الأجهزة الميكانيكية والكهربائية. المفتاح لتصميم مبنى سلبي للطاقة الشمسية هوالاستفادة القصوى من المناخ المحلي. التي تهتم بعناصر تضم توضيع النوافذ ونوع الزجاج، والعزل الحراري، والكتلة الحرارية، والتظليل. ويمكن تطبيق تقنيات التصميم السلبي للطاقة الشمسية في معظم المباني الجديدة بكل بسهولة، ولكن يمكن تكييف المباني القائمة أو"تحديثها وتعديلها".

استغلال الطاقة الشمسية

تقوم تقنيات الطاقة الشمسية السلبية على استخدام أشعة الشمس من دون الأنظمة الميكانيكية.هذه التكنولوجيات تحول أشعة الشمس إلى حرارة قابلة للاستخدام (الماء والهواء والكتلة الحرارية)، وتتسبب حركة الهواء للتهوية، أواستخدامها في المستقبل، مع التقليل من استخدام مصادر الطاقة الأخرى. من الأمثلة الشائعة هي امتداد المبنى لقاء الجهه التي تكون أكثر تعرضا لأشعة الشمس. ومن الاستخدامات الأخرى التبريد السلبي وهواستخدام مبادئ التصميم نفسه للحد من متطلبات التبريد في الصيف. بعض أنظمة التصميم الشمسي السلبي تقوم على استخدام كمية صغيرة من الطاقة التقليدية للسيطرة على المثبِطات، والدرفات المتحركة، والعزل ليلا، وغيرها من الأجهزة التي تعززجمع الطاقة الشمسية، وتخزينها واستخدامها، والحد من انتنطق الحرارة غير مرغوب فيه. وتقنيات الطاقة الشمسية السلبية تضم الحصول على الطاقة الشمسية المباشرة وغير المباشرة لتدفئة المباني، أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه، واستخدام الكتلة الحرارية لإبطاء تقلبات درجة حرارة الهواء الداخلي والمواقد الشمسية والمدخنة الشمسية لتعزيز التهوية الطبيعية. وعلى نطاق واسع، تضم تكنولوجيات الطاقة الشمسية السلبية الفرن الشمسي، ولكن هذه عادة ما تتطلب بعض الطاقة الخارجية من أجل المواءمة بين المرايا على الهجريز أوالاستقبال، وتاريخيا لم تكن قد ثبت حتى تكون عملية أوفعالة من حيث التكلفة للاستخدامها على نطاق واسع. وقد أثبتت احتياجاتها من الطاقة.

الناحية الفهمية

الأساس الفهمي لتصميم المباني السلبي للطاقة الشمسية وضعت من مزيج من فهم المناخ، الديناميكا الحرارية (انتنطق الحرارة على وجه الخصوص: التوصيل (الحرارة)، الحمل الحراري، والإشعاع الكهرومغناطيسي)، وميكانيكا السوائل / الحمل الطبيعية (الحركة السلبية للهواء والماء من دون استخدام مراوح، والكهرباء أومضخات)، والراحة الحرارية للإنسان المبنية على أساس مؤشر الحرارة، والتحكم في المحتوى الحراري للمباني التي يسكنها البشر أوالحيوانات، والدفيئات الزراعية لتربية النباتات. وينقسم الاهتمام إلى: المسقط والمكان وتوجه المبنى للطاقة الشمسية، ومسارحركة الشمس، وعلى المستوى السائد للتشميس (خط العرض / الشمس / السحب / هطول الأمطار (الأرصاد الجوية))، والتصميم وجودة البناء / ومواد البناء والمسقط / الحجم / نوع النوافذ والجدران، وإدماج الطاقة الشمسية، تخزين الكتلة الحرارية مع القدرة الحرارية. بينما يمكن توجيه هذه الاعتبارات تجاه أي بناء، وتحقيق التكلفة الأمثل ولكن تطبيق هذه الحلول يحتاج حذرا كبيرا، والتكامل الكلي بين التطبيقات الهندسية والمبادئ الفهمية.بالإضافة إلى حتى التحسينات الحديثة من خلال التجسيم باستخدام الحاسوب، وتطبيق عقود من الدروس المستفادة والخبرة في هذا المجال (منذ أزمة الطاقة في السبعينات) من دون الحاجة إلى التضحية بالوظيفة الرئيسية للمبنى أوالقيم الجمالية. في الواقع، ان ميزات التصميم السلبي للطاقة الشمسية، مثل الاحتباس الحراري / التوجيه نحوأشعة الشمس يؤيد كثيرا من القيمة المعمارية للمبنى ويجعلها فراغات قابلة للعيش فيها، ودخول ضوء النهاراليها، والاطلالات المميزة، وقيمة المنزل، وبتكلفة منخفضة.

المسار الشمسي في التصميم السلبي

القدرة على تحقيق هذه الأهداف في وقت واحد يعتمد في الأساس على التغيرات الموسمية في مسار الشمس على مدار اليوم.

هذا يحدث نتيجة التناوب في ميل محور الأرض, في خطوط العرض الشمالية غير الاستوائية في نصف الكرة أبعد من 23.5 درجة عن خط الاستواء:

• الشمس تصل إلى أعلى نقطة لها نحوالجنوب (في اتجاه خط الاستواء)
• مع اقتراب الانقلاب الشتوي، الزاوية التي تشرق وتغرب منها الشمس تكون أقرب نحوالجنوب وساعات النهار يفترض أن تصبح أقصر
• ويلاحظ العكس في فصل الصيف حيث تشرق وتغيب الشمس من نقاط أقرب إلى الشمال، وساعات النهار يفترض أن تطول.

وقد لوحظ العكس في نصف الكرة الجنوبي، ولكن الشمس تشرق من الشرق وتغرب من الغرب بغض النظر عن أي نصف من الكرة الأرضية أنت فيه.

المبادئ الديناميكية الحرارية الشمسية السلبية

الراحة الحرارية الشخصية هي نتيجة عدة عوامل مرتبطة بالصحة الشخصية (الطبية والنفسية والاجتماعية والظرفية)،ودرجة حرارة الهواء المحيط، ومتوسط درجة الحرارة المشعة، وحركة الهواء (الرياح، اضطراب التيارات الهوائية) والرطوبة النسبية (التي تؤثر على الإنسان عن طريق التبريد بالتبخر).كما ان انتنطق الحرارة في المباني تحدث خلال الحمل الحراري، التوصيل، والإشعاع الحراري، من خلال سقف الطابق، والجدران والنوافذ.

نقل الحرارة بالحمل

النقل الحراري بالحمل يمكن حتىقد يكون مفيدا أوضارا. كما حتى التهوية الغير مباشرة تسهم في ضياع جزء من الطاقة المستهلكة في التدفئة أوالتبريد قد تصل إلى 40%في فصل الشتاء. ومع ذلك يمكن وضع استراتيجية معينة في وضع النوافذ التي يمكن التحكم بها مكانيكيا أوفتحات يمكن حتى تعززالنقل الحراري بالحمل، أوعبر تهوية، والتبريد في الصيف عندما تكون درجة الحرارة في الخارج مساوية لدرجة الحرارة ضمن النطاق المريح والرطوبة النسبية. واستخدام أنظمة التهوية والتي تسهم في الحفاظ على الطاقة قد تكون مفيدة للقضاء على الرطوبة غيرالمرغوب فيها، وغبار الطلع والكائنات الدقيقة في الهواء والتهوية غير المرشحة. يمكن حتى يسبب الحمل الحراري الطبيعي ازدياد الهواء الدافئ وانخفاض الهواء البارد في الجوتؤدي إلى التقسيم غير المتساوي للحرارة. هذا قد يسبب تغيرات غير مريحة في درجة الحرارة في الفضاءات المكيفة العلوية والسفلية، تكون بمثابة وسيلة للتخلص من الهواء الساخن، أوحتى تصمم وفق حلقة تدفق الهواء الطبيعي ضمن الفراغات المعمارية والتوزيع الحرارة الشمسية، وتحقيق تكافؤ في درجة الحرارة. ويمكن تيسيرطرق التبريد الطبيعية للإنسان بواسطة التعرق والتبخرعن طريق الحمل القسري بواسطة حركة الهواء باستعمال المراوح، ولكن مراوح السقف يمكن حتى تعكر صفوطبقات الهواء العازلة في الجزء العلوي من الغرفة، وتسريع نقل الحرارة بين طبقات الهواء، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للرطوبة النسبية العالية من حتى تمنع التبخرللتبريد من قبل البشر.

ناقل الحرارة التحميلي

ناقل الحرارة الإشعاعي

المصدر الرئيسي لنقل الحرارة هي النفل بالإشعاع، والمصدر الرئيسي لهذه الطاقة هي الشمس. الإشعاع الشمسي يحدث في الغالب من خلال السقف والنوافذ (ولكن أيضا من خلال الجدران). ويتم الإشعاع الحراري من الأسطح الدافئة إلى الأسطح الباردة. وغالبية الطاقة المكتسبة بالإشعاع تأتي من الأسقف. وذلك عن طريق استخدام الأسقف الخضراء بالإضافة إلى نوع خاص من العزل يمكن حتى تساعد في منع العلية الخاصة بك من حتى تصبح أكثر سخونة بسبب حرارة الهواء في الصيف (انظر البياض، الامتصاصية، الابتعاثية، وانعكاسية). النوافذ هي المصدر الأساسي لما يعهد بالطاقة المكتسبة عن طريق الإشعاع. الطاقة من الإشعاع يمكن حتى تنتقل إلى نافذة في النهار، والخروج من نفس النافذة في الليل. يستخدم أشعة الفوتونات لنقل الموجات الكهرومغناطيسية من خلال الفراغات، ويمكن للشمس اكسابنا الحرارة عن طريق الإشعاع حتى في الأيام الباردة. يمكن الحد من اكتساب الحرارة عن طريق الطاقة الشمسية من خلال النوافذ بواسطة الزجاج المعزول، والتظليل، وتوجيه المبنى. النوافذ هي أكثرصعوبة من ناحية العزل مقارنة مع السقف والجدران. ولذلك يمكن استعمال تظليل النوافذ أوالتظليل الخارجي وهوأكثر فعالية في الحد من اكتساب الحرارة. يمكن للشمس عندما تكون في جهة الغرب والشرق توفير الدفء والإضاءة، ولكنه يؤدي إلى اكساب المبنى حرارة اضافية في فصل الصيف إذا لم يعالج بالمظلات المناسبة ولكن أيضا باللقاء نحتاج ضوء النهار في الظهيرة في فصل الشتاء من أجل الدفء والضوء,ولكن يمكن مع استخدام المظلة المعلقة أواللوفر المناسبة خلال فصل الصيف تجنب الضوء المباشر لضوء الشمس, وترتبط كمية الحرارة الإشعاعية التي تصل إلى المسقط على خط العرض والارتفاع وعلى السحب في السماءوعلى الزاوية الموسمية التي تقيس زاوية ميل الشمس عن الأفق(مسار الشمس وقانون لامبرت). وهناك مبدأ تصميمي آخر يأخذ بعين الاعتبار عند التصميم وفق معطيات الطاقة الشمسية وهوكمية الطاقة الحرارية التي يمكن تخزينها في بعض مواد البناء والتي ترتبط باكتساب المبنى للحرارة وبالاستقرار الحراري للمبنى في أثناء التعاقب لليل والنهار، ومن خلال فهم مبادئ الديناميكية الحرارية دون اللجوء إلى حدس المصممين بل من خلال استخدام النمذجة الحاسوبية التي تجنبنا تجارب البناء النكلفة.

الإعتبارات الخاصة بالمسقط أتناء التصميم

• خط الطول والعرض الذي يوجد فيه المسقط، مسار حركة الشمس, ومقدار التشميس (ساعات شروق الشمس).
• التغيرات الموسمية المرتبطة بالطاقة الشمسية والتي تلعب دور رئيسي في مقدار الطاقة المكتسبة والتي تؤثر فيها درجات الحرارة اليومية والإشعاع الشمسي والرطوبة.
• التغيرات في درجة الحرارة في أثناء النهار.
• التفاصيل المناخية الدقيقة المرتبطة بالنسيم، والرطوبة، والغطاء النباتي، وطبوغرافية المسقط.
• العوائق المرتبطة بالمسقط والحرارة المكتسبة من الشمس وحركة الرياح.

عناصر التصميم للمباني السكنية وفق الظروف المناخية المحلية حسب:

• نوع الغرف والمعدات المستخدمة ونوع الجدران والأبواب الداخلية المستخدمة
• توجيه المبنى نحوخط الإستواء (أوبضع درجات نحوالشرق لإلتقاط شمس الصباح

توضيع المبنى على محور شرق –غرب. -

• تحجيم النوافذ بشكل كاف للقاءة الشمس في منتصف النهار في فصل الشتاء، وتكون مظللة في فصل الصيف.
• تقليل النوافذ في الجهات الأخرى وخاصة في الجهة الغربية.
• اختيار الحجم المناسب للنوافذ وفقا لمسقط المبنى بالنسبة لخط الطول والعرض وحسب عناصر التظليل سواء (المستعملة أوالموجودة أصلا كالشجيرات والأشجار، التعريشات، والأسوار، وما إلى ذلك).

استخدام العزل المناسب لتقليل الحرارة المكتسبة. -

• استخدام الكتلة الحرارية لتخزين الطاقة الشمسية الزائدة خلال النهار في فصل الشتاء وبعد ذلك يشعها في الليل.

العوامل التي يمكن حتى تؤدي إلى التدهورفي الأداء الحراري

• الانحراف عن التوجه المثالي شمال / جنوب / شرق / غرب نسبة الارتفاع.
• الإفراط في منطقة الزجاج ('الإفراط في التزجيج ") مما يؤدي إلى ازدياد درجة الحرارة (مما أدى أيضا إلى الوهج)، وفقدان الحرارة عند انخفاض درجة الهواء المحيط.
• هجريب الزجاج حيث لا يمكن الحصول على الطاقة الشمسية خلال النهار والخسائر الحرارية خلال الليل التي لا يمكن السيطرة عليها.

• عدم وجود تظليل كاف أثناء فترات معينة من السنة وهذا يؤدي إلى الحصول على الطاقة الشمسية عالية (وخاصة على الحائط الغربي).
• تطبيق الغير سليم من الكتلة الحرارية لتعديل تغيرات درجة الحرارة يوميا.
• آبار السلالم التي تؤدي إلى عدم المساواة في توزيع الهواء الدافئ بين الطوابق العليا والسفلى مع ازدياد الهواء الدافئ إلى الفراغات العليا.
• ارتفاع مساحة الأسطح الخارجية للمبنى مقارنة بحجم المبنى - زوايا كثيرة جدا.
• عدم كفاية العوازل المانعة لتسرب الهواء مما يؤدي إلى تسرب الهواء إلى الفراغات الداخلية.
• عدم وجود، أوالتثبيت الخاطئ للحواجزالمشعة خلال الموسم الحار.
• المواد العازلة التي لا تتناسب مع الوسيلة الرئيسية لنقل الحرارة (غير مرغوب فيه على سبيل المثال نقل الحرارة الحمل الحراري / موصل / مشع).

مفاهيم أساسية في تصميم المباني الشمسية السلبية

الأماكن المفتوحة والحدائق

مبادئ شمسية سلبية أخرى

مقارنة بمعايير المنزل السلبي في أوروپا

أدوات التصميم

مستويات التطبيق

انظر أيضاً

أنظمة تقييم الطاقة

• House Energy Rating (Aust.)
• Home energy rating (USA)
• EnerGuide (Canada)
• National Home Energy Rating (UK)

المصادر

وصلات خارجية

• www.solarbuildings.ca - Canadian Solar Buildings Research Network
• www.eere.energy.gov - US Department of Energy (DOE) Guidelines
• www.climatechange.gov.au - Australian Dept of Climate Change and Energy Efficiency
• www.ornl.gov - Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Building Technology
• www.FSEC.UCF.edu - Florida Solar Energy Center
• www.ZeroEnergyDesign.com - 28 Years of Passive Solar Building Design
• [1] - Prefabricated Passive Solar Home Kits
• Passive Solar Design Guidelines
• http://www.solaroof.org/wiki
• www.PassiveSolarEnergy.info - Passive Solar Energy Technology Overview
• www.yourhome.gov.au/technical/index.html - Your Home Technical Manual developed by the Commonwealth of Australia to provide information about how to design, build and live in environmentally sustainable homes.
• amergin.tippinst.ie/downloadsEnergyArchhtml.html- Energy in Architecture, The European Passive Solar Handbook, Goulding J.R, Owen Lewis J, Steemers Theo C, Sponsored by the European Commission, published by Batsford 1986, reprinted 1993