A napenergia hasznosítása az építészetben
A hasznosítás lehetőségei
A fosszilis energiaforrások már nem fognak hosszan rendelkezésünkre állni, a föld energiakészlete véges.
Országunk fekvése miatt a jelentős mennyiségű napenergia nyáron áll rendelkezésre, pedig télen lenne rá szükségünk, hiszen a napenergiát a fűtés kiegészítésére fordíthatnánk. Van azonban olyan szoláris rendszer, mely az átmeneti időszakban teljes mértékben ki váltja a fosszilis energiaforrást, melegvíz előállítása pedig minden évszakban lehetséges.
A szolári rendszereknek fajtától, márkától függetlenűl mindig három tényezőt kell teljesíteniük:
- A napsugárzás energiájának begyűjtése.
- Ezen energia lehető legnagyobb részét tárolnia kell.
- Majd, az energia leadása.
A passzív energia hasznosító
Ha ezeket a fent felsorolt feladatokat az épület egyes eleme látja el, akkor ez a rendszer lehet direkt, illetve indirekt passzív szerkezet.
Ha a direkt megoldásról beszélünk, akkor minden feladatot a szerkezeti elemek látnak el. A sugárzást az üvegezésen keresztül a belső felület nyeli el, a határolószerkezetek azt eltárolják, majd ha szükséges leadják azt. Azt, hogy ezzel mennyi energiát állaíthatunk elő. Függ a tájolástól, a szerkezet méretétől és hatásfokától.
Ha indirekt passzív megoldásról beszélünk, akkor, amíg a leadás a helyiségen belül történik, addig az elnyelés a helyiségen kívül, míg a tárolás egy köztes helyen valósúl meg.
Ennek következő megoldásai lehetnek:
- Levegőhordozóval működő passzív rendszer.
- Energiagyűjtő falazat.
- Napterek, üvegházak.
Az aktív energiahasznosító rendszer
Ezesetben napkollektorok, illetve fotovoltaikus rendszerek gyűjtik a napenergiát. Ezek a szerkezetek az épületre vannak szerelve.
A napkollektorok egy megfelelően kialakított felületen nyelik el, majd a folyadéknak adják át.
A fotovoltaikus rendszerek elektromos energiává alakítják a nap energiáját. Ez a rendszer olyan cellákkal rendelkezik, melyek a nap energa hatására közvetlenül elektromosságot állítanak elő.
A napterek
Egy teret akkor nevezhetünk naptérnek, ha az alábbi tényezők fenntállnak:
- Az épület legalább egy fűtött helyiséggel érintkezik.
- Nincs mesterséges fűtés.
- Van transzparens külső határolás.
- Az épületből megközelíthető.
Ezeket a feltételeket a legkülönbfélébb módon is teljesíthetjük. Naptérnek számít többek között az is, ha három transzparens falból, és tetőből álló üvegházat a homlokzathoz kapcsolunk. Lehet egy, az épületben integrált tér, vagy egy üveggel fedett udvar is.
A naptérben lejátszódó folyamatok
A naptér gyakorlatilag egy fűtetlen terület a ház és a külső épület között, ha a napsugárzást, és egyéb hatást nem vesszük számításba, akkor is pufferhatás keletkezik. A naptérben kialakuló hőmérséklet a külső és a ház hőmérséklete közé fog esni. Amennyiben a ház és a naptér határolófelületének hőátadási tényezőinek szorzata megyegyezik a naptér és a külső tér szorzatával, akkor a naptér hőmérséklete a ház és a külső tér hőmérsékletének átlagát adja. Ha a határolások hőátadási tényezői, és felületeinek szorazati eltérnek, akkor a naptér hőmérséklete ahhoz az értékhez fog tendálni, amely irányban a szorzat nagyobb.
Minden esetben igaz, hogy a ház naptérrel határos felületén csökken a hőveszteség.
A naptér transzparens határolásán átjutó sugárzás egy része az üvegen keresztül a házba jut, hatását ott fejti ki, viszont ennek identitása még annál is kisebb, mintha az üvegezett szerkezetek a szabadba néznének, ugyanis a naptér üvegezése a környezetből érkező napsugárzás 20%-át elnyeli, visszaveri . Másik része pedig a naptér padlójára és a ház, illetve a naptér közötti tömörfalazatra irányul, melynek jelentős része elnyelődik, azaz a padlózat és a falazat felmelegszik, ezek a hőátadás révén a naptér levegőjét is felmelegítik. Ez jó irányban befolyásolja a pufferhatást, az is előfordulhat, hogy a naptér hőmérséklete nagyobb lesz, mint a házé, így nyereségáram jön létre, amely esetén ha összenyitjük a házat és a napteret, mintegy fűtéskiegészítést kapunk.
Az így felmelegedett padló felső felületéről vezetékes hőáram indul meg a mélyebb rétegek irányába, majd, éjszaka a lehűlő padlózat ezt a hőenergiát kisugározza. Ez a nagy hőtárolóképesség lehetővé teszi az időben állandó hőmérséklet létrehozását.
A ház és a naptér közötti szilárdfalazat hasonlóan működik mint a padlózat, a napközben elnyelt hőt átadja a háznak. A naptérben lévő bútorok is hasonlóképpen hatnak, ám kis tömegük miatt hőtárolási képességük nem olyan jelentős.
Noha a naptér hőmérséklete nem mindig nagyobb, mint a házé, a külső hőmérséklettől mindenképpen nagyobb. A szellőztetéshez szükséges levegőt ha előbb a naptéren vezetjük át, s úgy jut a házba, akkor az előmelegszik, így a fűtési energiaigény csökkenthető.
A napterek kialakítási szempontjai
A naptérbe bejutó napsugárzás mennyisége függ az üvegfelület nagyságától és áteresztőképességétől. Ebből a szempontból ideális lenne egy vékony fémvázas szerkezet, ez viszont hőhidak, és transzmissziós szempontokból hátrányos.
A vastagabb faszerkezetü dupla üveges kivitel, mégha az áteresztőképessége rosszabb, a pufferhatása jobb, illetve kevesebb problémát jelentenek a hőhidak is.
A mögöttes térbe bejutó nyereség függ a naptérbe bejutott energia mennyiségétől, naptér és az épület határolásán elhelyezkedő nyílászáró mérete, szerkezete. Értelemszerűen nagyobb lesz a nyereség, ha az üveges nagyfelületü és áteresztésű, viszont az épületből a naptérbe irányulóan a transzmissziós veszteségek is nőnek.
Ha a padlózat hőszigetelt, akkor csak a szigetelés feletti réteg tárolja a hőt, ám a talaj irányú hőveszteség jelentősen csökken. Ugyanakkor a nyári hónapokban a talaj is hőtárolási funkciót tölt be. Általában ezt az ellentétet egy köztes megoldással, mélyre elhelyezett szigetelőréteggel oldják meg.
A padló sugárzáselnyelési képessége fontos szempont. A sötétebb burkolat egyértelműen jobbak, viszont a természetes világítás szempontjából a világosabb színek előnyösebbek. A berendezési mód is fontos szerepet játszik, hiszen ha zsúfoltan van berendezve a naptér, akkor a bútorok leszenk az elnyelőfelületek, a padlózat pedig csak a levegő hőátadása által melegszik fel.
Ha a naptér tetőzete üvegezett, az a téli időszakban előnyös, hiszen a sugárzásos nyereség nagyobb. Nyáron viszont a túlhevülés veszélye áll fennt. Ha tehát nem áttetsző tetőt alkalmazunk, akkor a transzmissziós veszteség kisebb, viszont ennek az az ára, hogy a naptér mélysége korlátozódik. A túlzottan kinyúló előtető korlátozza a mögöttes helység direkt nyereségét, és a természetes fényhatást is. Ezeket a hátrányokat a naptér belmagasságának növelésével tudjuk valamelyest kompenzálni. Arra azonban oda kell figyelnünk, hogy a naptérben a sűrűségkülönbség miatt meredek a hőmérsékleteloszlás. A meleg levegő hőérzetre gyakorolt pozitív hatását azonban csak akkor élvezhetjük, ha a meleg levegőt a megfelelő helyre juttatjuk. Ez megoldható természetes légmozgással, illetve ventillátor alkalmazásával.
A levegőmozgásával létrejövő hőáramok a szellőztetés intenzitásától, illetve a zárt nyílászárók résein kialakult filtráció fokától függenek.
A levegőáramlás irányát is intenzítását tervezéssel bizonyos mértékben módosíthatjuk. A nyílászárók légáteresztési ellenállása, és egymáshoz viszonyított helyzetüknek megváltoztatásával, vagy pedig szellőztető rendszerek elhelyezésével.
Ha a levegő az épületből a naptér irányába áramlik, de ez fordítva is lehetséges, páralecsapódás jöhet létre.
A naptérnek további előnye, hogy a naptérből a házba áramló levegő por és areoszol mentessé válik, illetve a naptér csökkenti a hangterhelés mértékét is.
Tájolás szempontjából a déli fekvés ideális, de ez persze nem mindig lehetséges. A tájolást még is úgy kell megoldanunk, hogy a pufferhatás a lehető legjobban érvényesüljön.
Noha a naptér hőmérséklete gyakran nem tűnik ideálisnak, a napi hőingadozások miatt mindig adódik pár óra, amikor számunkra ideális hőmérsékletű. Jó kialakításnál évente legalább 4500 órán át éri el a 20 fokos belső hőmérsékletet. Az, hogy milyen hőingadozás játszódik le a naptérben a hőtárolóképesség függvénye. Minnél nagyobb a hőtárolás, annál kisebb mértékben ingadozik a belső hőmérséklet. Ez azért jó, hiszen éjszaka nem hűl annyira le a naptér, így a ház hővesztesége a naptér irányában kevesebb. Viszont, mégha kicsi is a hőingadozás, de a naptér hőmérséklet sem magas, a csúcshőmérséklet sem lesz nagy. A nagyobb csúcshőmérséklettel nagyobb minimumhőmérséklet is jár, tehát hőérzeti szempontból jelentős eltérések lehetnek.
A naptér hőtárolóképessége sokat csökkenhet, ha sok bútort helyezünk el benne, ha a padlózatra szőnyeget terítünk.
Az eddigi jellemzők egy téli átlag alapján lettek megállapítva, a nyári ideális hőérzet tényezői a következőek:
- Az épület intenzív szellőztetése.
- A naptér intenzív szellőztetése.
- A naptér árnyékolása.
A napterek hatását energetikai szempontból nehéz meghatározni, hiszen az időjárástól, a berendezéstől, a környezeti tényezőtől, és a használati módtól is függenek. Ideális esetben a téli idényben 30% energia megtakarítás is elérhető.