Podnebno občutljive zgradbe

Ovoj stavbe in pasivno oblikovanje za zmerno podnebje

Vsebuje tudi posebne informacije, kot o:

- Toplotna izolacija in R - vrednosti

- Toplotna prevodnost

- sevalni prenos

Usmerjenost
Da bi razumeli, zakaj bi morale biti hiše usmerjene v določeno smer, je pomembno razumeti sezonske in dnevne spremembe v pretoku energije

. Ko vidimo položaj Sonca, ki se spreminja na nebu, se seveda premika Zemlja, ne Sonce. Medtem ko bomo to prepoznali, bomo v tej informativni datoteki to priročno označili kot "gibanje" Sonca. Če ocenimo, kako se gibanje Sonca čez dan spreminja od sezone do sezone, lahko napovemo delovanje sončne opreme in zgradb. Vedeli bomo, kdaj jim sonce sije in za koliko časa.

Do sezonskih nihanj v času sončnega vzhoda in zahoda ter do višine Sonca prihaja zaradi nagiba Zemljine osi pod kotom glede na ravnino vrtenja okoli Sonca. Na sliki 1 vidimo, da se Zemljina os vrtenja nagiba (nagnjena na 23,5 stopinje) na svojo ravnino vrtenja okoli Sonca in stalno kaže v eno smer v vesolju.

Slika 1 - prikazuje Zemljo z njene strani, ko kroži po našem Soncu.

Os je nagnjena in kaže na Severno zvezdo, ne glede na to, kje je Zemlja v svoji orbiti. Zaradi tega se spremeni porazdelitev sončnih žarkov. Junija na poletni severni polobli sončni žarki in toplota segajo vse do severnega pola. Decembra se na severni polobli v zimskem času severni pol nagne stran od prihajajočega sonca.

Decembra ima južna polobla Zemlje krajše dni kot severna polobla Zemlje. Junija se zgodi obratno, dnevi pa so na južni polobli krajši. Zemljina os je septembra in marca še vedno nagnjena za 23,5 stopinje, zato imata tako severna kot južna polobla enako dolžino dneva. Sončni kot nad obzorjem se v določenem času dneva spreminja tudi skozi vse leto.

Sončev obrat ali solstícij je tisti trenutek v letu, ko je Sonce ob poldnevu navidezno najseverneje ali najjužneje na nebu, oziroma je najvišje ali najnižje nad nebesnim ekvatorjem. Poletni Sončev obrat je običajno od 21. do 23. junija. Takrat se začne poletje, dnevu pa rečemo kres.

 Karta sončnega kota
Sezonsko nihanje točke na obzorju, v kateri sonce vzhaja in zahaja, je na splošno manj razumljeno ali cenjeno. Iz karte sončnega kota (slika 2) lahko vidimo, da Sonce vzhaja le na vzhodu in zahaja na zahodu ob pomladanskem in jesenskem enakonočju. Od marca do septembra se bo dvignila in postavila proti severu vzhodno-zahodne črte, od septembra do marca pa se bo dvignila in postavila proti jugu vzhodno-zahodne črte.

Podrobnosti tega grafikona se razlikujejo glede na zemljepisno širino in za vsake 4 stopinje spremembe zemljepisne širine je treba imeti drugačen grafikon. Karta Sončnega kota je še posebej močan diagram, saj vsebuje večino informacij, potrebnih za orientacijo sončne opreme.

 

Če želite uporabiti karto Sončnega kota, preprosto stojte na točki, na katero nameravate postaviti sončno opremo, in vzemite nosilec predmetov, ki bi lahko na mestu postavili senco. Lego je mogoče natančno izmeriti s kompasom in teodolitom.

Uporaba sončnih kotov

Sončni koti se uporabljajo za določitev najboljše usmeritve hiš in drugih zgradb, tako da najbolje izkoristijo razpoložljivo sončno svetlobo ali sončni dostop. Kot je bilo že prikazano, Sonce v poletnih mesecih vzhaja prej kot v zimskih mesecih, njegov položaj glede na obzorje (nadmorska višina) pa se skozi leto spreminja. Na slikah 4 in 5 je prikazana pot gibanja Sonca glede na hišo sredi poletja in sredi zime.

Kot je razvidno na slikah 4 in 5, večina prenosa toplote poteka skozi streho, pa tudi proti zahodu in vzhodu obrnjene stene stavbe. Nasprotno pa so pozimi severno obrnjene stene izpostavljene največji sončni svetlobi. Učinkovite hiše uporabljajo zasnove z dobrim sončnim dostopom in urejanjem krajine, ki izkorišča sezonske spremembe v gibanju Sonca.

Čeprav so okna, obrnjena proti severu, idealna, bodo okna, ki so nižja od 20 stopinj vzhodno ali zahodno od severa, še vedno omogočala soncu vstop skozi njih pozimi, medtem ko izključujejo večino poletnega sonca, če so vaši nagibi dobro oblikovani, kot je prikazano na sliki 6. Okna, ki so obrnjena proti vzhodu ali zahodu, je v poletnih mesecih težje zasenčiti brez uporabe senčil ali krajine. Okna, obrnjena proti jugu, bodo pozimi izgubila toploto, pozimi popoldne in zgodaj zvečer pa se bodo v poletnih mesecih v relativno zmernih širinah ogrevala.

Za izračun idealnega previsa, ki je potreben za nadstreške, pomnožite razdaljo od nadstreška do podnožja okna za 0,4 in za senčenje od oktobra do februarja na 0,7 in za senčila od septembra do marca.

Ovojnica stavbe in pasivno oblikovanje

Ovoj stavbe je izraz, ki se uporablja za opis zunanjih in notranjih sten, strehe in stropa, oken, tal in splošne postavitve prostorov v domu. Ta ovojnica nadzoruje večino pridobljene toplote poleti in izgube toplote pozimi. Učinkoviti ovoji stavb pozimi zbirajo in shranjujejo toploto in svetlobo sonca, poleti pa sonce izključujejo in olajšajo prenos zraka. Učinkovito oblikovanje ovoja stavbe za podnebje   na južni polobli pomaga ustvariti prijetno bivalno okolje za človeško telo skozi vse leto.

Prihranek energije in stroškov

Tudi dobro izolirane hiše utrpijo do 60 % velike energetske izgube, ki nastanejo zaradi netesnosti v ovojnici stavbe. Skozi fuge in razpoke vdira v notranjost hladen zrak. Ta hladen zrak mora ogrevalni sistem ogreti. Dobro izveden zrakotesen nivo prihrani energijo in stroške. Poleg tega zrakotesno izdelana ovojnica stavbe ne ščiti samo pred mrazom, ampak zagotavlja poleti boljšo toplotno izolacijo tudi pred vročino.

Klimatsko smiselna zasnova izkorišča naravni tok energije v našem okolju za ogrevanje in hlajenje naših domov. To odpravlja potrebo po dragem aktivnem mehanskem ogrevanju in hlajenju. Solarno ogrevanje in hlajenje je zasnovano tako, da se poletno sonce ne pušča v notranjost in pozimi prepušča v notranjost vašega doma. To zahteva, da se sončna energija tekom dneva zbira, shranjuje, distribuira in nadzira. Slika 7 spodaj je ena takšnih energetsko učinkovitih hiš, zasnovana za temperaturno območje. Ta hiša je videti in stane enako kot običajne hiše, zato je udobneje živeti in jo je ceneje upravljati.

Nadzor pretoka energije v stavbah zahteva razumevanje tako imenovane "toplotne mase". Toplotna masa je izraz, ki opisuje trdne materiale, kot so opeka, beton, kamen in kateri koli drug zid, ki lahko zbira, vpija, shranjuje in oddaja toploto. Ta uravnava temperaturo v hiši, saj se dnevna toplota shrani v toplotno maso in se ponoči ponovno odda. Zato zmanjšanje ekstremnih toplotnih vrednosti v hišah poveča toplotno udobje in se izogne ​​potrebi po večjem mehanskem hlajenju in ogrevanju.

Potrebna količina toplotne mase je odvisna od podnebja, in izbira neprimerne zasnove toplotne mase bo povzročila neučinkovit ovoj stavbe. Pasivno zasnovani domovi so lahko videti kot kateri koli drugi domovi, vendar učinkovito uravnavajo naravne pretoke energije, da uravnavajo notranje okolje domov in ustvarjajo prijetno udobje v notranjosti, ki je cenejše za vodenje.

Pomembne so površine stekla, sten in strehe. Stopnja izolacije strehe in sten ter način uporabe sence poleti so pomembni za uspeh pasivnega sončnega doma. Znanost nam omogoča, da izračunamo učinek, tako da lahko odločitve temeljijo na resničnosti in ne na špekulacijah (glej sliko 8).

Pasivne sončne hiše morajo imeti uravnoteženo razdeljeno toploto. Pozimi je mogoče pridobiti manj toplote, kot je porabimo podnevi, in nasprotno, poleti izgubijo več toplote ponoči, kot je porabijo podnevi. Povečanje količine toplotne mase v hiši pomaga pri regulaciji notranjih temperatur, preprost način povečanja količine toplotne mase v hiši pa je uporaba betonskih plošč. Betonske plošče v tleh so zaželene v vseh, razen v tropskih podnebjih.

Razlog za to so nenehno visoke temperature tal v tropskih regijah. Izolacija pod tlemi ali izolacija robov plošče lahko v dragocenejših in hladnejših podnebjih omogoči ta dragocen prispevek k toplotni masi. Uporaba notranjih trdnih sten, ki so interaktivne in so z zemljo povezane z zemeljskimi žarki ali podzemnimi strukturami, lahko tudi povečajo učinek toplotne mase in omogočajo, da struktura sledi globokim temperaturam zemlje v regiji. To je zato, ker je v večini zmernih regij temperatura vsega leta od 18 do 20 stopinj.

Sončni dostop in ovojnica stavbe

Če želite kar najbolje izkoristiti svoj sončni dostop, naj bodo zabavni in bivalni prostori, ki jih uporabljate podnevi, na severni strani hiše, sobe, ki se redkeje uporabljajo, na primer kopalnice in spalnice, gledajo na jug. Ker je zelo malo stanovanjskih blokov v nekaterih okoljih usmerjenih po smeri kompasa, je na voljo več različnih postavitev načrta za različne usmeritve blokov (Slika 9). Za takšne hiše praviloma dosežemo optimalno energetsko učinkovitost, če so stene, ki so obrnjene proti severu in jugu, med 1,5 in 2-krat debelejših od vzhodnih in zahodno obzidanih zidov.

Vrste izolacijskih materialov

Izolacija je sestavljena iz materialov, ki zmanjšujejo pretok energije skozi površine stavb. Sem spadajo materiali za zmanjšanje prevodnosti in sevanja energije. Brez izolacije bi bil pretok energije v stavbah po navadi prevelik, da bi s pasivnimi sredstvi ohranjali udobne pogoje - torej brez uporabe mehanskih naprav za ogrevanje in hlajenje.

Toplotna odpornost (R) je merilo učinkovitosti izolacijskega materiala. Čim večja je "vrednost R" materiala, tem bolje. Slika 10 prikazuje vrednost R najpogostejših gradbenih materialov (vrednosti R se izmerijo v enotah SI (Standard International) kot Km² / W, (ali število vatov, ki se bodo izgubili na kvadratni meter pri dani temperaturi v Kelvinih) Za izračun skupnega prenosa energije se uporabi vzajemna toplotna upornost. To je "U-vrednost" ali toplotna prevodnost in se meri v W / Km². Manjša kot je vrednost U, večja je vrednost R. 

Debelina toplotne izolacije

Optimalna debelina izolacije bo odvisna od številnih dejavnikov. Težko je doseči udobne pogoje s pasivno zasnovo, če skupni pretok energije skozi stene ali strope za vsako daljše obdobje presega približno 5 W / m². To bi na primer veljalo, če je temperaturna razlika na izolirani površini 10 °C z manj kot R2 (U = 0,5) izolacije.

Slika 10 - Optimalna debelina izolacije je odvisna od temperaturnih razlik.  

Za 100 mm toplotne izolacije v razsutem stanju (R2) je primerno, če je temperaturna razlika približno 10 °C. Če je temperaturna razlika 20 °C (na primer na ne zasenčeni zahodni steni ali pod temno obarvano streho), je za sprejemljivo hitrost prenosa toplote potrebna dodatna toplotna izolacija.

Na sliki 10 je razvidno, da ima debelina toplotne izolacije večja od 100 mm s temperaturno razliko 10 °C, je pri tem malo koristi. Pri tej debelini se pretok energije zmanjša na približno 25 % pretoka neizolirane stene ali stropa. Trajne temperaturne razlike 20 °C ali več se po navadi pojavijo poleti na ne ventilirani, nizko kapnih strehah temne barve ali temno obarvanih na ne zatesnjeni zahodni steni.

Optimalna debelina izolacije bo odvisna tudi od stroškov energije, če se uporablja aktivno ogrevanje ali hlajenje (na primer električno, plinsko ali lesno ogrevanje pozimi in klimatska naprava poleti). Stroške dodatne debeline izolacije je treba nato uravnotežiti z znižanimi stroški ogrevanja ali hlajenja. Ponovno se korist od dodatne izolacije hitro zmanjša čez določeno točko.

Na primer, ogrevanje 150 m² neizolirane hiše iz dvojnih zidanih opek in ploščic bi stalo približno 12 €. Če ima ta hiša izolacijo R2 na stropu in stenah ter težke zavese, bi se stroški ogrevanja zmanjšali na približno 4 €. Z podvojitvijo celotne izolacije (če bi bilo to mogoče) bi se stroški zmanjšali na približno 2 €. Zato podvojitev stroškov izolacije le še nadaljnjih 17 % zmanjša stroške ogrevanja. Vendar obstajajo praktične omejitve glede debeline izolacije sten, izolacije oken in zmanjšanja hitrosti menjave zraka.

Vendar obstajajo praktične omejitve glede debeline izolacije sten, izolacije oken in zmanjšanja hitrosti

menjave zraka.

Iz slike 11 je razvidno, da se poleti in pozimi navedene različne U vrednosti za iste materiale. To je zato, ker je celotni prenos toplote odvisen od tega, ali energija teče v hišo ali iz nje. Poleti, ko je zunaj bolj vroče kot znotraj, bodo močno odsevne površine, kot so folija, aluminijasta barva in strešni materiali iz svetle barve, pomagale zmanjšati toplotne dobitke. Ker se topel zrak dviguje, bo pod stropom debelejši zračni film, s čimer se bodo povečale izolacijske vrednosti. Pozimi, ko je notranjost hiše toplejša, odsevne površine na strehi ali pod njo le malo preprečijo prenos energije skozi strop. Vsak topel zrak na stropu ne more uiti in ne bo zagotavljal enake debeline izolacijskega zračnega filma kot poleti.

Izbira masne izolacije

Izolacijske lastnosti različnih vlaknastih (razsutih) izolacijskih materialov so podobne. Vsi komercialno dostopni materiali imajo ustrezna vladna dovoljenja za zdravstvena vprašanja, vključno z vnetljivostjo. Ker imajo nekatere lokalne oblasti podzakonske akte, ki prepovedujejo uporabo nekaterih materialov v stenah, se pred namestitvijo izolacije sten posvetujte z lokalnim organom za načrtovanje. Razen teh določb morajo biti merili za izbiro praktičnosti, osebne želje in cena. Na primer, na splošno ni praktično vgrajevati izolacije za ohlapno polnjenje v poševne strope, saj se bo nagnila k dnu krivine, pri čemer ostanejo neizolirana območja. Nekaj ​​ohlapnega polnila je nezadovoljivo tudi pri stropih z odprtimi napušči, saj ga prepihi pogosto prepihajo. Nekateri imajo raje reciklirane ali naravne izdelke, kot so volnena vlakna, celulozna vlakna ali morska trava. Vendar pa ni bilo dokazano, da nevarnosti za zdravje niso povezane s palicami iz steklenih vlaken ali kamene volne. Izolacijska industrija je zelo konkurenčna, zato se lahko cene razlikujejo. Lastnik stanovanja mora natančno analizirati dejansko površino izolacije, ki jo je treba uporabiti, da se zagotovi primernost cen.

Toplotna prevodnost
Toplotna prevodnost se pojavi, ko hitreje vibrirajoče vroče molekule trčijo v hladnejše. Počasneje vibrirajoče molekule s tem prenašajo energijo iz vročih v hladne predele. V vseh primerih se toplotna prevodnost poveča neposredno z naraščajočo temperaturno razliko med vročo in hladno stranjo materiala. Toplotna prevodnost materiala je odvisna od njegove gostote, velikosti molekul v materialu, njegove električne prevodnosti in njegove debeline. Kovine so razmeroma dobri toplotni prevodniki.  Plini so slabi vodniki, med njimi sta zid, les, steklo, umetna masa in naravna vlakna.

V praksi je izolacijska sposobnost številnih gradbenih materialov predvsem posledica debeline mirujočega zraka, ki je v materialu ali okoli njega. Na primer, približno tri četrtine vrednosti R dvojne opečne stene je posledica zračnih filmov na površinah opeke. Pri enojnih steklenih oknih je ta številka približno za 90 % večja. Številne vrste (vlaknastih) izolacij imajo podobne vrednosti R za enako debelino, približno R2 za 100 mm izolacijskega materiala. To je predvsem posledica zraka, ki je slab prevodnik, ujet v žepih, ki obdajajo vlakna.

Sevalni prenos toplote
Zmanjševanja toplotne prevodnosti z izolacijo v razsutem stanju ne smemo zamenjevati z zmanjšanjem zaradi odboja sevanja od površin. Svetleče kovinske površine so na splošno dobri reflektorji vseh valovnih dolžin sevanja in vroče ne bodo sevale energije tako hitro kot večina nekovinskih površin. Kombinacija odboja toplote in nizkega ponovnega sevanja naredi odsevne folije učinkovite izolatorje, zlasti na mestih, kot so strehe, kjer prihaja do sončnega sevanja. Odsevna folija bo zmanjšala količino energije, ki jo prenaša sevanje. Vendar prevodni del prenosa toplote se ne bo zmanjšal, razen zračnih filmov, ki nastanejo na njegovih površinah.

Bele ali druge zelo svetle barve strehe so učinkovite pri odboju sončnega sevanja. Ne bodo pa zmanjšali ponovnega sevanja na enak način kot bleščeče kovinske površine. Prav tako ne bodo spremenili načina vodenja energije skozi to površino. Na primer, belo pobarvana pocinkana železna streha bo odsevala približno 90 % padajočega sončnega sevanja. To bo ohranilo zunanjo površino hladno in s tem zmanjšalo skupno energijo, ki se prenaša v stavbo. Vendar pa to ne bo spremenilo prevodnosti samega pocinkanega železa, ki bo pozimi še vedno hitro puščalo toploto.

I.K.