Pasywne metody chłodzenia zapewniają komfortową temperaturę wewnątrz budynku bez użycia energochłonnych klimatyzatorów, wentylatorów czy pomp ciepła. Chłodzenie jest potrzebne latem, kiedy temperatura powietrza staje się nieprzyjemnie wysoka, ale także w chłodniejszych porach, ponieważ urządzenia elektroniczne i prosty ludzki metabolizm mogą sprawić, że budynek stanie się nieprzyjemnie gorący.

Ponieważ ludzie spędzają więcej czasu w domu niż kiedykolwiek wcześniej, potrzeba komfortu stała się niezbędna dla produktywności i relaksu.

Jeśli szukasz bardziej ekonomicznego i przyjaznego dla środowiska sposobu kontrolowania temperatury w domu, ten artykuł może być dokładnie tym, czego szukasz.

Czym jest chłodzenie pasywne dla Twojego domu?

Chłodzenie pasywne to starożytna zasada, która jest nadal stosowana w wielu gorących i wilgotnych klimatach. Na przykład Grecy z wyższych sfer budowali swoje domy z centralnym dziedzińcem, na którym często znajdował się zbiornik wodny. Pozwalało to bryzie nawiewać gorące powietrze do środka kompleksu, gdzie jego temperatura ulegała obniżeniu i rozproszeniu do pomieszczeń.

W starożytnych Indiach wiele budynków użyteczności publicznej miało elementy zwane Salsabil . Zasadniczo była to stroma, pionowa fontanna, która ochładzała teren poprzez parowanie wody.

Obecnie nie zawsze jest możliwe posiadanie ogromnego dziedzińca lub fontanny w centrum domu. Zamiast tego, dzięki nowym technologiom, istnieje wiele innych sposobów pasywnego chłodzenia domu.

Chłodzenie pasywne ma miejsce wtedy, gdy Twój dom może regulować temperaturę za pomocą różnych elementów architektonicznych i zasad. Budynek reguluje temperaturę bez Twojego udziału w tym procesie.

 

Chłodzenie pasywne: temperatury komfortu.

Liczba, o której musimy porozmawiać, to 23,5°C. To temperatura, którą większość z nas nazywa komfortową. Jeśli w pomieszczeniu jest chłodniej zakładamy sweter i włączamy ogrzewanie. Jeśli w pomieszczeniu jest cieplej, zdejmujemy sweter i otwieramy okno.

Trzeba przyznać, że niektóre osoby wolą temperatury o stopień lub dwa cieplejsze lub chłodniejsze niż te 23,5, a wszyscy wolelibyśmy, żeby było trochę chłodniej, jeśli robimy coś fizycznego. Nikogo, kto kiedykolwiek słyszał kłótnię biurową na temat klimatyzacji, nie zaskoczy fakt, że przeciętny mężczyzna woli nieco chłodniejsze 22°C niż przeciętna kobieta, która preferuje 25°C, ale wszyscy lubimy, gdy rtęć znajduje się mniej więcej w tej samej części termometru, a 23,5°C to liczba, z którą wszyscy możemy żyć.

Ponieważ Polska to kraj w północnej części kontynentu to temperatura powietrza przez większą część roku jest znacznie niższa od magicznych 23,5°C, dlatego projektujemy nasze budynki tak, aby zatrzymywały ciepło. Przepisy budowlane kładą duży nacisk na izolację termiczną, co obniża rachunki za ogrzewanie, aby zapewnić nam komfort w sezonie zimowym. Ma to sens przez dziewięć miesięcy w roku, ale przez pozostałe trzy ta izolacja zamieni ciepły zimowy dom w letni piec, chyba że istnieje jakiś sposób na ochłodzenie budynku.

Jeśli budynki, które powstają dzisiaj, mają przetrwać minimum 50 lat, a chcemy by funkcjonowały i ponad 100, będą musiały się dostosować do zmieniającego się klimatu. Chociaż istnieje zbyt wiele zmiennych, aby dokładnie przewidzieć, jak bardzo świat ogólnie się ociepli, jasne jest, że będziemy świadkami bardziej ekstremalnych wydarzeń, takich jak fala upałów w 2018 czy w obecnym 2023 roku . Zimy będą cieplejsze średnio o kilka stopni w nadchodzących dziesięcioleciach, ale słupek rtęci będzie podskakiwał powyżej i poniżej średniej tak samo jak dzisiaj. Nadal będzie wystarczająco dużo zimnych okresów, że w najbliższym czasie nie będziemy oszczędzać na izolacji, więc niskoenergetyczny budynek będzie potrzebował pasywnych systemów chłodzenia, aby zachować przyjemny chłód latem.

Utrzymywanie chłodu w sposób niskoenergetyczny.

Kiedy mówimy o schładzaniu budynków, zwykle myślimy o jednostkach klimatyzacyjnych, o których pisałem w poprzednim artykule „Klimatyzacja – wybór najlepszego klimatyzatora”. Klimatyzacja z pewnością może nas ochłodzić, ale jest tak energochłonna, że ​​Carbon Trust (firma globalna której celem jest przyspieszenie przejścia na bezemisyjną przyszłość, jest ona pionierem w dekarbonizacji życia) szacuje, że typowe biuro wydaje ponad 30% swojego rocznego budżetu na energię elektryczną na klimatyzację, mimo że jest włączona tylko przez mniejszą część roku. Jeśli zaczniemy instalować klimatyzację w domach, wiele osób będzie płakać nad rachunkami za prąd. Patrząc z szerszej perspektywy, zużycie tak dużej ilości energii elektrycznej będzie oznaczało spalanie większej ilości węgla podczas fal upałów spowodowanych zmianami klimatycznymi, co przypomina raczej otwarcie drzwi lodówki w celu schłodzenia pomieszczenia w skali globalnej.

Chłodzenie pasywne wykorzystuje samą fizykę energii cieplnej, aby zatrzymać ją na zewnątrz budynku. Niektóre techniki opierają się całkowicie na projekcie budynku, podczas gdy inne wymagają, aby ludzie w budynku coś zrobili lub zlecili to systemowi sterowania. Techniki pasywnego chłodzenia, które będą działać w danym budynku, będą zależeć od jego wielkości, orientacji i przeznaczenia.

Systemy te mogą być używane razem z klimatyzacją, skracając czas jej włączenia lub mogą całkowicie zastąpić klimatyzację. W obu przypadkach wiele pasywnych metod chłodzenia polega na kierowaniu strumienia powietrza przez budynek, co pozwala utrzymać jakość powietrza, a także chłodzić go, co w znacznym stopniu pokrywa się z wentylacją.

Jak działa chłodzenie pasywne?

Istnieje wiele różnych sposobów pasywnego chłodzenia domu. Od dostosowania istniejącej jednostki klimatyzacyjnej po dodanie elementów do domu.

Jeśli planujesz budowę nowego domu, musisz upewnić się, że jest on zgodny z zasadami pasywnego chłodzenia.

Chłodzenie pasywne ma dwie kluczowe zasady:

• Zmniejszenie przyrostu ciepła.
• Zwiększenie utraty ciepła.

Zmniejszenie przyrostu ciepła

Jak zatem ograniczyć zyski ciepła? Cóż, musisz umieścić pewne elementy, które pomogą kontrolować ilość ciepła wchodzącego do domu.

Takie elementy obejmują:

• Izolacja – pomaga zapobiegać przedostawaniu się ciepła do domu latem, jednocześnie zatrzymując ciepło, które już jest w środku.
• Urządzenia zacieniające – działają one poprzez ograniczenie przedostawania się bezpośredniego światła słonecznego do domu.
• Masa termiczna – obejmuje grubsze ściany wykonane z cegły lub betonu. Pochłaniają ciepło słoneczne w ciągu dnia i powoli uwalniają je w nocy.

Zwiększenie utraty ciepła

Zwiększona utrata ciepła jest w dużym stopniu zależna od wentylacji. Może to obejmować naturalną wentylację krzyżową lub pionową i/lub wentylację mechaniczną. Dodatkowo chłodzenie radiacyjne jest pomocne w klimatach z chłodniejszymi nocami.

Powłoka budynku, która obejmuje dach i ściany, emituje ciepło w nocne niebo, schładzając wnętrze domu.

Dlaczego pasywne chłodzenie jest ważne?

Według badań przeprowadzanych w różnych miejscach na świecie wynika, że możesz zużywać 50 – 55% energii w gospodarstwie domowym za pośrednictwem urządzeń klimatyzacyjnych i grzewczych. Ponadto Cool Sky Systems twierdzi, że energia elektryczna wytwarzana na całym świecie do zasilania tych systemów przyczynia się do 7% emisji gazów cieplarnianych.

Aby mieć pewność, że wszyscy zmierzamy w kierunku bardziej świadomego stylu życia, musimy przyjrzeć się bliżej konwencjonalnym domom. Powinniśmy przyjrzeć się, jak działają i jak możemy je dostosować, aby były bardziej zrównoważone.

Jednym z najbardziej naukowo udowodnionych sposobów osiągnięcia tego celu jest budowa lub adaptacja domu na dom pasywny . A jaka jest jedna z kluczowych zasad tej koncepcji? Zgadłeś – pasywne chłodzenie i wentylacja.

Mając to wszystko na uwadze, pasywne chłodzenie staje się ważną koncepcją projektową, aby zapewnić, że Twój dom reguluje komfortowe środowisko do życia, jednocześnie zmniejszając jego wpływ na środowisko i rachunki za energię elektryczną.

Poniżej znajduje się krótki przegląd różnych rodzajów pasywnego chłodzenia:

Rodzaje chłodzenia pasywnego.

Jednak nie wszystkie te metody są wykonalne i mają zastosowanie we wszystkich klimatach. W związku z tym wyróżniłem kilka metod, które można zastosować w większości budynków bez względu na klimat.

Są to:

• Zacienienie
• Wentylacja
• Izolacja
• Chłodzenie radiacyjne
• Masa termiczna

 

Zacienienie

Najprostszym sposobem na powstrzymanie nadmiernego nagrzewania się budynku jest przede wszystkim zapobieganie przedostawaniu się energii cieplnej do środka. Ponieważ energia cieplna pochodzi ze słońca, a Polska znajduje się na półkuli północnej, oznacza to zwrócenie szczególnej uwagi na okna wychodzące na południe.

Cieniowanie nie jest nowym pomysłem. Jeśli kiedykolwiek byłeś w śródziemnomorskich regionach Europy, takich jak Hiszpania, Grecja czy południowa Francja, prawdopodobnie zauważyłeś, że architekci od wieków projektują okna z zewnętrznymi okiennicami.

W Polsce mamy zwykle zasłony w oknach, które mogą chronić nas przed blaskiem słońca, ale nie robią wiele, aby powstrzymać nagrzewanie się powietrza wewnątrz pomieszczeń. Gdy energia cieplna przedostanie się przez okno, utkniemy z nią, dopóki nie będziemy mogli jej się pozbyć.

Tradycyjnym sposobem utrzymywania światła słonecznego z dala od budynku jest sadzenie drzew lub krzewów między oknem a miejscem, w którym słońce będzie najmocniej świecić. Gatunki liściaste zrzucają liście jesienią, przepuszczając zimowe światło słoneczne, kiedy potrzebujemy jego pomocy w ogrzaniu budynku, ale odrastają liście latem, aby zapewnić naturalną osłonę, kiedy jej potrzebujemy.

Drzewa i krzewy są bardzo dobre dla okien na parterze, które mają ogród od południa, ale na wszystkie inne musimy szukać innych rozwiązań projektowych. Inną sztuczką, którą możemy pożyczyć od śródziemnomorskich architektów z przeszłości, jest brise-soleil (w tłumaczeniu: łapacz światła), to innowacyjny i niezwykle estetyczny system energooszczędnych osłon, które osłaniają okna przed wysokim letnim słońcem, jednocześnie pozwalając zimowemu słońcu, które jest niżej na niebie, świecić przez okna do wnętrza pomieszczeń. Najprostszym brise-soleil jest roleta wystająca z okna po stronie zewnętrznej lub projekt budynku, w którym szklane okna są cofnięte od krawędzi budynku. Bardziej złożone brise-soleils przybierają formę kraty za oknem, podczas gdy niektóre duże budynki idą jeszcze dalej z kratą zautomatyzowanych żaluzji sterowanych w celu zmiany ilości światła słonecznego padającego na budynek.

Innym rozwiązaniem dla budynków o niskim zużyciu energii jest automatyczna żaluzja, najlepiej pomiędzy oknem z podwójnymi szybami na zewnątrz i drugą szybą od wewnątrz. Taki system utrzymuje żaluzję w czystości i chroni ją, jednocześnie umożliwiając łatwiejszy dostęp w celu konserwacji. Podwójne szyby zapewniają izolację w zimie, a żaluzja zapewnia cień w lecie. Silnik można włączyć do systemu sterowania budynkiem, dzięki czemu nie trzeba nawet pamiętać o jego samodzielnym opuszczaniu.

Wentylacja poprzeczna

Gdy tylko temperatura wewnątrz budynku wzrośnie powyżej temperatury na zewnątrz, warto otworzyć okna po obu stronach budynku, aby chłodny wiaterek wypchnął gorące powietrze. To rzadki dzień w Polsce, kiedy w ogóle nie ma bryzy, ale istnieją sposoby, aby jak najlepiej wykorzystać tę bryzę.

Te same drzewa i krzewy, które zacieniają dom, mogą pomóc w wentylacji poprzecznej inaczej krzyżowej, jeśli zostaną posadzone we właściwych miejscach. Rozsądne zagospodarowanie terenu może skierować dominujący letni wiatr w kierunku okien.

Pomocny może być również wybór typu okna. Okna skrzynkowe , które odchylają się na zewnątrz od ramy, mogą przekierować bryzę, która wieje obok budynku, aby wiać bezpośrednio do budynku, wypychając gorące powietrze z budynku jeszcze szybciej.

W przypadkach, gdy wiatr jest niewielki lub nie ma go wcale, można zastosować wentylację mechaniczną, taką jak rekuperacja.

Inteligentny system sterowania budynkiem i systemem domowej wentylacji mechanicznej możemy w pełni wykorzystać w celu schładzania budynku. System poprzez posiadane czujniki temperatury może otwierać okna, aby przewietrzyć budynek, gdy tylko zmierzy temperaturę wewnętrzną jako nieprzyjemnie ciepłą i wyższą niż temperatura zewnętrzna lub uruchomić wentylację mechaniczną gdzie poprzez wbudowany w rekuperatorze by-pass realizować intensywny nawiew chłodnego powietrza bezpośrednio z zewnątrz. Oznacza to koniec z powrotem z pracy do domu, który przypomina piec, ponieważ gromadzi energię cieplną przez cały dzień.

Sterowanie budynkiem jest szczególnie przydatne do koordynowania wentylacji krzyżowej i wentylacji mechanicznej. Osoby mieszkające w domu i przebywające w danym momencie po jednej stronie budynku mogą mieć dostęp tylko do okien po jednej stronie i raczej nie będą biegać tam i z powrotem, aby skoordynować wentylację krzyżową z osobą znajdującą się po drugiej stronie. Kontrola budynku i system sterowania może to zrobić za nas.

Masa termiczna i przestrzeń dachu

Zacienienie może powstrzymać nagrzewanie się budynku, a wentylacja mechaniczna czy krzyżowa może pozbyć się energii cieplnej z wnętrza budynku, ale żadne z nich nie może obniżyć temperatury wewnątrz budynku poniżej temperatury powietrza zewnętrznego. Podczas fali upałów temperatura zewnętrzna prawdopodobnie przekroczy magiczną wartość 23,5°C przez kilka godzin. Może nie być możliwe zatrzymanie całej tej energii cieplnej poza budynkiem, ale materiał budowlany o dużej masie termicznej może ją wchłonąć i utrzymać z dala od powietrza, w którym żyjemy. Grube ceglane ściany kościoła skutecznie zapewniają miły chłód wewnątrz.

Zasada wykorzystania masy termicznej budynku była rozumiana na długo przed tym, zanim projektanci mieli równania do przewidywania, jak to będzie działać. Dlatego różne formy materiałów budowlanych jak cegła suszona na słońcu lub cegła mułowa pojawiają się w projektach budowlanych w tropikach. Od meczetów błotnych w Timbuktu po tysiącletnie domy Pueblo na północnoamerykańskich pustyniach, budynki wystawione na palące słońce zostały zaprojektowane tak, aby absorbować to ciepło w ścianach, aby utrzymać komfortową temperaturę powietrza wewnątrz.

Współcześni projektanci wykorzystują materiały takie jak cegła i beton, które mają podobnie wysoką masę termiczną i pochłaniają letnie upały w taki sam sposób, jak budynki zaprojektowane przez tych dawno niewidzianych architektów z Pueblo.

Projektowanie budynku z przestrzenią między stropem a szczytem dachu to kolejna technika utrzymywania energii cieplnej poza przestrzenią mieszkalną. Ponieważ letnie słońce jest wysoko na niebie, większość jego ciepła przechodzi przez dach, aby ogrzać powietrze w najwyższym punkcie budynku. Ponieważ ciepłe powietrze unosi się, to ciepłe powietrze pozostanie tam na górze. Jeśli najwyższym punktem budynku jest pusta przestrzeń lub poddasze, które służy tylko do przechowywania, najgorętsze powietrze można odciągnąć od ludzi, którzy będą się w nim pocić.

Kiedy noc przynosi chłodniejsze powietrze, energia cieplna pochłonięta przez materiał budowlany jest do niej uwalniana. Temperatura wewnętrzna pozostaje przyjemnie chłodna w ciągu dnia, ponieważ energia cieplna jest pochłaniana przez ścianę, ale nie spada gwałtownie wraz z temperaturą zewnętrzną w nocy, ponieważ część tej energii cieplnej jest uwalniana wewnątrz budynku.

Wentylacja stosu

Wszyscy uczyliśmy się w szkole podstawowej, że gorące powietrze unosi się do góry, chociaż nasi nauczyciele rzadko wspominają, jak wpływa to na projektowanie budynków. Zawsze, gdy temperatura wewnętrzna jest wyższa niż na zewnątrz, chłodniejsze powietrze napływające do budynku osiada niżej, podczas gdy cieplejsze powietrze unosi się nad nim. Dlatego wentylacja kominowa jest czasami nazywana wentylacją sterowaną wyporem . Gdy ciepłe powietrze unosi się w górę, w końcu znajdzie drogę na zewnątrz dachu (otwarte okno dachowe), więc wszystko, co możemy zrobić, aby wygładzić jego drogę, pomoże schłodzić budynek.

W większości domów głównym zastosowaniem wentylacji kominowej jest nocne spłukiwanie lub nocne chłodzenie , w którym energia cieplna zgromadzona w ciągu dnia jest uwalniana do chłodniejszego powietrza w nocy. Spłukiwanie nocne jest niezbędne do maksymalnego wykorzystania budynku o dużej masie termicznej, ponieważ materiał z którego jest zbudowany musi pozbyć się energii zmagazynowanej w ciągu dnia. Uwalnianie energii cieplnej w nocy uwalnia zdolność do pochłaniania ciepła, które spadnie wraz z następnym dniem.

Istnieją różne sposoby, dzięki którym nowoczesny projekt budowlany może przyspieszyć ten proces. Otwarcie okien na parterze może pomóc, wpuszczając chłodne nocne powietrze i kierując ciepłe powietrze we właściwym kierunku. Centralna klatka schodowa może pełnić rolę komina, dając ciepłemu powietrzu czystą drogę w górę i na zewnątrz.

Sterowanie budynkiem może otwierać okna na niższych piętrach, gdy powietrze na zewnątrz jest wystarczająco chłodne, aby rozpocząć nocne spłukiwanie i zamykać je, gdy materiał (ściana) zrzuci całą swoją energię cieplną. Jest to konieczne, ponieważ dopóki ściana czy strop oddaje energię cieplną, ogrzewa powietrze wewnątrz budynku w taki sam sposób, jak grzejnik. Gdy cała energia cieplna zostanie rozproszona, temperatura powietrza wewnątrz budynku zacznie spadać w kierunku temperatury powietrza na zewnątrz, która prawdopodobnie będzie niższa niż komfortowa. Posiadanie systemu sterowania, który zamyka okno, gdy tylko temperatura zacznie spadać, może uratować przed przebudzeniem w chłodnej sypialni.

Im większy budynek, tym więcej energii cieplnej zgromadzi. Dzieje się tak częściowo dlatego, że ma więcej powierzchni pochłaniających ciepło słoneczne, ale także dlatego, że prawdopodobnie będzie w nim więcej ludzi wykonujących czynności, które ludzie robią w celu generowania ciepła: gotują, obsługują urządzenia elektroniczne, przechowują żywność w zamrażarkach lub po prostu żyją. Na szczęście im wyższy budynek, tym większe możliwości wentylacji kominowej. Ta centralna klatka schodowa może prowadzić do otworu wentylacyjnego w suficie, co nie tylko ułatwia ucieczkę gorącego powietrza, ale może nawet pozwolić wiatrowi wiejącemu na górę, aby je wyciągnąć, ponieważ ciśnienie powietrza jest niższe na wolnym powietrzu niż w zamkniętym odpowietrzniku; zjawisko znane jako efekt Venturiego.

Niektóre wielopiętrowe budynki posuwają się dalej dzięki kominowi słonecznemu , który zasysa ciepłe powietrze z całego budynku i wysyła je w górę i na zewnątrz do atmosfery. Ponieważ wieża wypycha unoszące się na powierzchni ciepłe powietrze w węższą przestrzeń niż klatka schodowa, efekt Venturiego wiatru wiejącego w poprzek szczytu jest wzmocniony, więc ciepłe powietrze jest wyrzucane z pewną prędkością.

Zasugerowano, że energia cieplna wydobywająca się z komina może być wykorzystana do napędzania turbiny i zasilania niektórych urządzeń domowych jak ekrany czy smartfony. Niestety, technologia służąca do tego jest daleka od dojrzałości, ale kilka lat temu grupa naukowców z USA, Singapuru i Dubaju zebrała się, aby pokazać, jak można to zrobić. Ich pomysły na miasto zasilane ciepłem, które generuje, pozostają wizją przyszłości – na razie.

Czy dom z pasywnym chłodzeniem jest drogi?

Biorąc pod uwagę fakt, że chłodzenie pasywne nie zależy od konwencjonalnych urządzeń klimatyzacyjnych i grzewczych, chłodzenie pasywne staje się jednym z najtańszych sposobów chłodzenia domu.

Nie tylko oszczędza energię elektryczną, zmniejszając rachunki za prąd o połowę, ale istnieje również wiele sposobów osiągnięcia pasywnego chłodzenia, w tym metody wymienione powyżej, z których możesz skorzystać już teraz!

Wszystkie typy izolacji mają odpowiednie wartości R (opór cieplny). Oznacza to, że nie potrzebujesz specjalnej izolacji. Architekt lub budowniczy określi, ile izolacji potrzebujesz, w zależności od klimatu lub regionalnych przepisów budowlanych.

Projekt pasywny staje się kosztowny dopiero wtedy, gdy zaczniesz korzystać z zaawansowanych technologicznie rozwiązań w celu zwiększenia wydajności pasywnego systemu chłodzenia. Wspomniane powyżej okna i drzwi o wyższych parametrach izolacyjnych kosztują 10 – 15% więcej niż standardowe okno. Budowa komina słonecznego to dodatkowy koszt dla twojego domu, ale może być postrzegana jako cecha estetyczna.

Podsumowując, chociaż zbudowanie domu działającego wyłącznie na zasadach pasywnego chłodzenia może być droższe, na dłuższą metę pozwoli to zaoszczędzić pieniądze dzięki niższym rachunkom za energię elektryczną.

Końcowe przemyślenia.

Chłodzenie pasywne to interesująca koncepcja, która obraca się wokół takich tematów, jak wymiana ciepła i opóźnienie termiczne. Ponieważ ludzkość dąży do bardziej zrównoważonej przyszłości i ciągle odkrywane są nowe zielone technologie, ekscytujące jest obserwowanie, co przyniesie przyszłość.

Zasada ta może być stosowana na wielu różnych poziomach. Możesz po prostu otworzyć niektóre okna lub zmodernizować istniejący system chłodzenia za pomocą paneli radiacyjnych. Możesz nawet zbudować swój dom z grubymi murami z ziemi lub wokół centralnego dziedzińca.

Niezależnie od stosowanej metody, włączenie pasywnego chłodzenia do codziennych nawyków przynosi korzyści nie tylko Twojemu portfelowi, ale także środowisku.

 

Opracował Antoni