درس واره شماره 40- دیوارهای خورشیدی

ایده‌ اصلی دیوارهای خورشیدی را ادوارد اس مورس Edward S. Morse در سال 1881 ارائه كرد و به ثبت رساند و در دهه 1960 مهندس فرانسوی فیلیكس ترومبی Felix Trombe آن را كامل كرد. 

از انرژی خورشیدی به دو صورت فعال و غیرفعال استفاده می شود. در سیستم فعال انرژی گرمایی با وسایل مكانیكی مانند: ترموستات ها، كلكتورها و منابع ذخیره عایق بندی شده ایجاد می شود.

 Edward S. Morse-professor-zoologist & orientalist, Maine-United States,1838-1925

Felix Trombe, Engineer, Nogent-France, 1906-1985

در سیستم غیرفعال، ‌از روش های طبیعی همچون تابش، همرفت و هدایت استفاده می شود. در تبادل تابشی،‌ گرمای خورشیدی به شكل امواج از جسم گرم تر به جسم سردتر می رود. در روش همرفت،‌ گرما از طریق حركت هوا منتقل می شود. در تبادل هدایتی،‌ انتقال حرارت از تماس مستقیم ذره با سطح سرد جامد مانند زمین، ‌هوا (‌سیال) و یا حتی آب صورت می گیرد. هرچه اختلاف درجه حرارت بیشتر باشد، جریان حرارتی نیز بیشتر می شود.

در سیستم غیرفعال، ‌انتقال و توزیع حرارت به این شكل است كه نور خورشید توسط دیواری شفاف یا نیمه شفاف جذب و در مخزن پشت دیوار ذخیره می شود،‌ سپس از طریق دریچه هایی، ‌با كمك هواكش در فضاهای مورد نیاز توزیع می شود. این دیوارهای خورشیدی باید در قسمت جنوبی ساختمان تعبیه شوند تا بیشترین مقدار اشعه های خورشیدی را جذب كنند. از سیستم های غیرفعال خورشیدی به دلیل نداشتن اطلاعات كافی درباره قابلیت های آن، ‌استفاده كمی می شود.

Trombe Wall 

 Trombe Wall

انرژی خورشیدی Solar Energy

با رشد علم و صنعت و فناوری در جهان،‌ روش های استفاده از انرژی دگرگون شده و شناخت منابع انرژی جدید تحولی عظیم در توسعه صنعت به وجود آورده است. وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی به خصوص سوخت های فسیلی و مصرف بی رویه آن ها،‌ منابع عظیم لایه های زیرزمین را از بین می برد. اگر تمامی سوخت های فسیلی را جمع كنیم و بسوزانیم، این انرژی معادل تابش چهار روز خورشید به سطح زمین است كه منبعی عظیم از انرژی به شمار می رود. با توجه به سرعت استفاده از منابع انرژی زیرزمینی نسل ما وظیفه دارد آن دسته از منابع انرژی را كه دارای عمر و توان زیادی هستند مصرف كند. فناوری ساده،‌ آلوده نشدن هوا و محیط زیست و از همه مهم تر ذخیره شدن سوخت های فسیلی برای آیندگان،‌ با تبدیل آن ها به مواد و مصنوعات پرارزش با استفاده از پتروشیمی،‌ لزوم استفاده از انرژی خورشیدی برای كشور ما را آشكار می كنند.

 Solar Heat

سیستم های گرما خورشیدی

سیستم گرم كننده انفعالی Passive System (‌غیرفعال) ‌سیستمی است كه در آن گرمایش ساختمان به طور طبیعی و با استفاده از عوامل طبیعی مثل خورشید انجام گیرد‌،‌ بدون نیاز به انرژی فسیلی یا مصنوعی خارجی و با مصرف انرژی بسیار كم. متداول ترین روش های غیرفعال عبارت اند از:

 1- روش دریافت مستقیم

 2-روش گلخانه ای

 Greenhouse method

Greenhouse method

 3-دیوار ترومب و دیوار آب

Trombe wall and the wall of water 

 Trombe wall and the wall of water

 4-استخر یا حوضچه روی بام

5-هواكش حرارتی (برج هوا)

دیوار خورشیدی

نوعی دیوار برای ذخیره سازی حرارت،‌ و متشكل از یك دیوار تیره‌ رو به جنوب از جنس مصالح بنایی است كه با شیشه های عمودی پوشانده می شود. 

اثر دیوار خورشیدی مشابه تأثیر گلخانه ای است،‌ به این صورت كه ویژگی های شیشه در آن به عنوان یك جاذب خورشیدی بسیار موثر است. حرارت خورشید كه در شیشه ذخیره می شود،‌ حداقل به دو عامل، ‌زاویه ‌برخورد اشعه یا شیشه و جنس شیشه بستگی دارد.

بهترین زاویه برخورد اشعه با شیشه ‌تا 30 درجه است.

عوامل موثر در جذب انرژی

جذب انرژی خورشیدی به عوامل زیر بستگی دارد: جرم حرارتی،‌ رنگ ساختمان، شدت تابش، ‌درصد صیقلی بودن مصالح،‌ سطح جسم،‌ میزان سرعت جریان هوا در پیرامون جسم و نیز میزان جذب حرارتی كه به واسطه‌ بازتابش ساختمان به محیط خنك اطراف صورت می گیرد.

جانمایی دیوارهای خورشیدی

مهم ترین نكته در طراحی دیوارهای خورشیدی،‌ انتخاب مكان قرارگیری آن است،‌ دیوارهای خورشیدی باید در جایی اجرا شوند كه بیشترین انرژی خورشیدی را دریافت كنند، ‌حتی زمانی كه موقعیت خورشید در آسمان در طول روز تغییر می كند. پس بهترین موقعیت در جنوب ساختمان است.

اجزای دیوار خورشیدی

یك دیوار خورشیدی تشكیل شده از یك شیشه در قسمت بیرونی و دیوار در قسمت داخل كه شناخت مشخصات و ویژگی های آن ها در طراحی می تواند موثر باشد.

مشخصات شیشه

شیشه ها اجزای بسیار حساس در سیستم های جابه جایی خورشیدی هستند. از شیشه های شفاف به دلیل ذخیره‌ حرارت جذب شده استفاده می كنند، ‌ویژگی یك شیشه خوب توانایی انتقال حرارت ذخیره شده است.

مشخصات دیوار

دیوار از عناصر مهم و تعیین كننده در دیوارهای خورشیدی است، ‌زیرا حرارت خورشیدی را می گیرد،‌ ذخیره می كند و سپس آن را انتقال می دهد. مصالح دیوار و نیز چگونگی بافت سطح رو به خورشید دیوار بسیار مهم است. باید حرارت توسط سطح دیوار جذب شود و از میان شیشه عبور كند.‌ به همین دلیل رنگ سطح رو به خورشید دیوار باید تیره باشد. از مصالحی استفاده شود كه بتواند در برابر حرارت زیاد و انرژی دریافت شده از خورشید، ‌البته اگر مقدارش زیاد باشد،‌ مقاومت كند. مثل بتن ترجیحاً سیاه، آجر و سنگ.

نحوه‌ عملكرد دیوارهای خورشیدی

دیوارهای خورشیدی از دو دیوار مجزای خارجی و داخلی تشكیل شده كه با یك لایه هوا از هم جدا شده اند. دیوار خارجی مانند یك دیوار جداكننده و دیوار داخلی مانند یك حجم فشرده عمل می كند. دیوار خورشیدی به عنوان جاذب و عایق حرارتی روی دیوار خارجی كاربرد دارد. این تركیب از دیوار،‌ مانند یك انبار حرارتی نزدیك سطح خارجی عمل می كند.

در دیوار داخلی دو دریچه به عنوان هواكش وجود دارد. این دریچه ها معمولاً‌ در بالا و پایین دیوار قرار دارند تا اجازه جریان هوا در بین دیوار و شیشه را بدهند. بر اثر انباشتگی، ‌هوای سردتر به داخل دریچه پایینی كشیده و هوای گرم تر به بالا فرستاده می شود. جابه جایی طبیعی موجب حركت جریان هوا می شود كه این سیستم به عنوان دیوار خورشیدی غیرفعال شناخته شده است. 

وقتی هوا سرد می شود، هوای گرم از داخل دریچه به داخل فضا جریان پیدا می كند. انرژی وارد شده در این سیستم از تشعشعات خورشیدی جذب شده از همان دیوار است. در بالا و پایین دیوار، ‌هواكش ها جریان حرارتی را فراهم می كنند كه به درون اتاق مجاور هدایت می شود. هوای سرد اتاق از طریق هواكش پایینی مكیده می شود.

نقش هواكش ها

نقش هواكش ها در جابه جایی هوا بین دیوار و شیشه، ‌به دلیل عملكردشان در روز یا شب زمستان و حتی در تابستان بسیار مهم است. 

در طول روز زمستان، وقتی اشعه های خورشیدی به ساختمان تابیده می شود،‌ هواكش های بالا و پایینيِ درون دیوار باز می شوند. وقتی كه خورشید به سطح تیره‌ دیوار می تابد، هوای بین شیشه و دیوار گرم و منبسط می شود و به سمت بالا حركت می كند و از طریق هواكش بالایی به ساختمان وارد می شود.

همچنان كه هوای گرم از سطح كلكتورهای حرارتی دور می شود، هوای سرد از هواكش پایینی به سمت كلكتورها كشیده می شود. این هوای سرد در اثر چرخش، گرم ‌و منبسط می شود و به داخل ساختمان باز می گردد. 

در شب های زمستان،‌ هواكش ها بسته اند، ‌زیرا در غیر این صورت عمل جابه جایی به شیوه ‌معكوس انجام می شود كه به آن ترموسیركولاسیون Termocirculation می گویند. به این صورت كه حرارت از میان جداره‌ بین دیوار و شیشه خارج می شود. چون هوای كلكتور خاموش سردتر از هوای مجاور ساختمان است. اگر هواكش ها باز باشند هوای گرم داخل ساختمان به سمت فضای بین دیوار و شیشه حركت می كند،‌ سرد می شود و دوباره به داخل ساختمان باز می گردد.

حال در تابستان، ‌وقتی حرارت مطلوب نیست، ‌بهتر است دریچه بالای دیوار حرارتی بسته، ‌و دریچه‌ پایینی دیوار و هواكش شیشه باز باشند و بهتر است یك پنجره در سمت شمال ساختمان نیز باز باشد تا هوا آزادانه بین دیوار و كلكتور در جریان باشد. این هوا گرم،‌ و منبسط می شود و به سمت هواكش كشیده می شود. این جریان ثابت هوای سرد از گرم شدن بیش از اندازه‌ دیوار و كلكتور جلوگیری می كند و ساختمان را خنك نگه می دارد.

معایب دیوار ترومپ

1. اگر در این سیستم فاصله بین دیوار و شیشه ‌جلوی آن خیلی نزدیك به هم باشد،‌ تمیزكردن شیشه از داخل،‌ مشكل ساز است. 
2. انباشته شدن گرد و غبار روی شیشه از داخل، ‌كه همان مشكل تمیزكردن است.
3. امكان وقوع ترموسیركولاسیون معكوس در شب (‌وقتی هوای گرم از منفذ بالایی خارج و هوای سرد از پایین وارد فضای داخلی می شود)‌ وجود دارد. 
4. نصب و راه اندازی و نگهداری عایق شبانه در این دیوارها دشوار است. 
5. هزینه زیاد

محاسن دیوار ترومپ

1. می توان در فضای ایجاد شده بین شیشه و دیوار از گیاهان و دیگر اشیای سبك وزن كه انرژی خورشیدی را سریعاً ‌به هوای گرم شده انتقال می دهند، استفاده كرد. 
2. به عنوان یك سپر محافظ بین ساكنان و تغییرات دمای سطح جذب كننده عمل می كند.
3. گرما را از طریق ذخیره سازی حرارتی به كندی منتقل می كند، ‌به همین دلیل دما را هم تعدیل می كند.