Przystosowanie budynku do wykorzystania energii promieniowania słonecznego

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do celów użytkowych w budownictwie spowodowało bardziej kompleksowe spojrzenie na budynek, kojarzące w sobie elementy energetyczne, ekologiczne, estetyczne i ekonomiczne. Szczególnie istotnymi elementami przy zastosowaniu niekonwencjonalnych rozwiązań związanych w sposób bezpośredni lub pośredni z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego należą:

 

 

 

• a) projekt architektoniczno - budowlany, w tym:
  • orientacja budynku
  • kształt budynku
  • „słoneczny” dach
  • oświetlenie światłem dziennym
  • rozplanowanie pomieszczeń mieszkalnych i użytkowych
  • zastosowane materiały
  • struktura, rodzaj i umiejscowienie następujących elementów budynku:
    • przegrody zewnętrzne
    • izolacja cieplna
    • okna
  • systemy pasywne, min. przestrzenie buforowe, stosowanie podwójnych fasad
• b) projekt instalacyjny, w tym zastosowanie innowacyjnych rozwiązań w zakresie:
  • systemu ogrzewania i wentylacji pomieszczeń, w tym:
    • systemu wstępnego podgrzewania powietrza wentylacyjnego,
    • systemu odzysku ciepła z układów wentylacyjnych,
    • system grzewczy (grzewczo/klimatyzacyjny) z pompą ciepła (pracującą w układzie rewersyjnym) z sezonowym magazynowaniem ciepła (i chłodu) w gruncie,
  • systemu c.w.u., w tym:
    • aktywny grzewczy system słoneczny,
• c) systemy z ogniwami fotowoltaicznymi.

Niektóre z wymienionych powyżej rozwiązań zostały opisane bardziej szczegółowo, pozostałe zostały opisane w innych rozdziałach.

Projekt architektoniczny i usytuowanie budynku
Koncepcja i zaprojektowanie nowoczesnego budynku, pod kątem maksymalnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego, coraz częściej identyfikowane są z tzw. architekturą słoneczną. Odpowiedni dobór materiałów budowlanych, kształtu i struktury oraz usytuowanie budynku, to nie tylko zadanie dla projektanta przy nowo powstającym obiekcie. W przypadku już istniejącego budynku trudno jest oczywiście zmieniać całkowicie jego kształt, zastosowane materiały i lokalizację. Jednakże w procesie termomodernizacji można wymienić okna, drzwi, elewację zewnętrzną, dobudować pewne pomieszczenia, zastosować dodatkowe izolacje i inne materiały budowlane, jak też zmienić kształt dachu.

Idea „otwarcia" budynku od strony południowej na oddziaływanie promieniowania słonecznego
Współczesny budynek powinien być od strony północnej „szczelnie” oddzielony od otoczenia, co oznacza stosowanie tzw. „super” izolacji. Jednocześnie powinien być w sposób naturalny jak najbardziej osłonięty od negatywnych oddziaływań pogodowych, co można osiągnąć przez jego „zaciszne” umiejscowienie i właściwy projekt zieleni. Natomiast od strony południowej powinien być „otwarty” na oddziaływanie promieniowania słonecznego, co prowadzi do stosowania większych przeszklonych powierzchni. Jest to tzw. zwrócenie budynku „twarzą do Słońca”. Zaleca się, aby fasada południowa była zdecydowanie największa, co oczywiście trudne jest do osiągnięcia w budynku o kształcie prostopadłościanu (ściana południowa będzie taka sama jak północna). Nie mniej jednak można dążyć chociażby do zbliżenia kształtu fasady południowej do spłaszczonego półkola.

„Otwarcie” od strony południowej powinno jednak zapewniać również możliwość odizolowania się od niekorzystnych wpływów środowiska w ekstremalnych warunkach pogodowych, aby nie dochodziło do zbyt dużych strat ciepła w okresie zimy i przegrzewania pomieszczeń od strony południowej w lecie. W architekturze wykorzystującej w sposób zaplanowany energię promieniowania słonecznego istotne jest odpowiednie rozmieszczenie okien. Prawidłowe rozplanowanie rozmieszczenia, dobranie odpowiedniego typu i wielkości okien jest bardzo istotne i może skutkować nawet 30% zmniejszeniem zapotrzebowania na energię do ogrzewania pomieszczeń.

Istotne jest również uzyskanie możliwie największych zysków cieplnych od promieniowania słonecznego w zimie i ograniczenie przegrzewania się pomieszczeń w lecie. Powszechnie wykorzystywanymi sposobami zapobieżenia przegrzewaniu się pomieszczeń w lecie jest stosowanie żaluzji, markiz lub lameli. Prostsze i bardziej tradycyjne wydaje się być stosowanie wysuniętych części połaci dachu w postaci różnych okapów. W zimie Słońce „porusza się nisko” nad horyzontem, natomiast w lecie znacznie wyżej. Wysunięcie części dachu w postaci okapu poza obrys ścian powoduje, że w okresie lata, zwłaszcza w czasie największego natężenia promieniowania słonecznego, jego dostęp do wnętrza domu jest ograniczony. Natomiast zimą wysunięty okap nie stanowi bariery dla promieni słonecznych.

Bardzo dobrym, naturalnym i przede wszystkim ekologicznym rozwiązaniem jest odpowiedni projekt zieleni przewidujący sadzenie od strony południowej drzew liściastych. Drzewa te dają zacienienie latem, natomiast zimą, gubiąc liście, nie ograniczają dostępu promieniowania słonecznego. Projekt zieleni jest również ważny od strony północnej. Powinno się tam sadzić drzewa iglaste dające zawsze (niezależnie od pory roku) osłonięcie od wiatru. Jak już wcześniej wspomniano, okna są również bardzo istotnym elementem projektu nowoczesnego budynku. Poza odpowiednim ich rozmieszczeniem należy również pamiętać o odpowiednim ich doborze. Powszechne stosowanie w tym przypadku bardzo energooszczędnych okien potrójnie szklonych nie zawsze jest uzasadnione. Potrójna szyba znacznie ogranicza przenikanie do pomieszczenia promieniowania słonecznego. Nie należy już również stosować okien z jedną szybą. Optymalnym rozwiązaniem wydaje się być zatem dobrej jakości okno podwójnie szklone z odpowiednio dobranymi powłokami emisyjnymi na taflach szklanych. Okna o zwiększonej izolacyjności cieplnej należy natomiast stosować bez ograniczeń od strony północnej. Należy również pamiętać o tym, że odpowiednie usytuowanie okien w budynku, to nie tylko zyski energii cieplnej, ale również odpowiednie wykorzystanie oświetlenia światłem dziennym, czyli zmniejszenie zapotrzebowania na stosowanie sztucznego oświetlenia.

W projekcie architektonicznym bardzo istotne jest odpowiednie zaprojektowanie dachu. Dobrze jest jeśli dach jest pochylony. Poza praktycznymi walorami eksploatacyjnymi i trwałością, pozwala także na instalowanie systemów słonecznych z kolektorami lub ogniwami fotowoltaicznymi. W lecie największe nasłonecznienie występuje dla powierzchni pochylonych pod niewielkim kątem do poziomu, co w budynku o płaskim dachu powoduje jego zbytnie przegrzewanie. W zimie największe nasłonecznienie występuje dla powierzchni pochylonych pod kątem odpowiadającym 60 o, co oznacza że przy spadzistym dachu można wykorzystywać bardziej efektywnie zyski z promieniowania słonecznego. Przykład instalacji kolektorowej zintegrowanej z połacią dachu widać na zdjęciu. W architekturze słonecznej zwraca się także uwagę na właściwe zlokalizowanie różnych pomieszczeń. Od strony południowej powinny znajdować się pokoje dzienne. Sypialnie w zależności od preferencji użytkowników i ich trybu życia mogą być umieszczone od strony wschodniej lub zachodniej. Od strony północnej (dobrze izolowanej, z ograniczoną liczbą oraz powierzchnią otworów okiennych) powinny znajdować się łazienki, pomieszczenia pomocnicze i zaplecze gospodarcze.

W architekturze słonecznej stosowanie rozwiązań umożliwiających wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do celów użytkowych prowadzi w efekcie do zastosowania systemów pasywnych (inaczej biernych), w których poszczególne elementy budynku zachowują się jak materiały przepuszczające promieniowanie, magazynujące energię lub jak izolacje.