Răcire pasivă - Passive cooling

Un design tradițional iranian de răcire solară

Răcirea pasivă este o abordare de proiectare a clădirii care se concentrează pe controlul câștigului de căldură și disiparea căldurii într-o clădire pentru a îmbunătăți confortul termic interior cu un consum redus sau deloc de energie. Această abordare funcționează fie prin împiedicarea pătrunderii căldurii în interior (prevenirea câștigului de căldură), fie prin eliminarea căldurii din clădire (răcire naturală).

Răcirea naturală utilizează energie la fața locului, disponibilă din mediul natural, combinată cu proiectarea arhitecturală a componentelor clădirii (de exemplu , anvelopa clădirii ), mai degrabă decât sisteme mecanice pentru a disipa căldura. Prin urmare, răcirea naturală depinde nu numai de proiectarea arhitecturală a clădirii, ci de modul în care resursele naturale ale sitului sunt utilizate ca radiatoare (adică tot ceea ce absoarbe sau disipă căldura). Exemple de radiatoare la fața locului sunt atmosfera superioară (cerul nopții), aerul exterior (vântul) și pământul / solul.

Răcirea pasivă este un instrument important pentru proiectarea clădirilor pentru adaptarea la schimbările climatice - reducând dependența de aerul condiționat cu consum intensiv de energie în mediile de încălzire.

Prezentare generală

Răcirea pasivă acoperă toate procesele naturale și tehnicile de disipare și modulare a căldurii fără utilizarea energiei. Unii autori consideră că sistemele mecanice minore și simple (de exemplu, pompe și economizoare) pot fi integrate în tehnicile de răcire pasivă, atâta timp cât sunt utilizate pentru a spori eficacitatea procesului natural de răcire. Astfel de aplicații se mai numesc „sisteme de răcire hibridă”. Tehnicile de răcire pasivă pot fi grupate în două categorii principale:

Tehnici preventive care au ca scop asigurarea protecției și / sau prevenirii câștigurilor de căldură externe și interne.
Tehnici de modulare și disipare a căldurii care permit clădirii să stocheze și să disipeze câștigul de căldură prin transferul de căldură de la chiuvetele de căldură către climă. Această tehnică poate fi rezultatul masei termice sau al răcirii naturale.

Tehnici preventive

Această casă romană antică evită să câștige căldură. Pereții grei de zidărie, ferestrele exterioare mici și o grădină îngustă cu ziduri orientate NS umbresc casa, prevenind câștigul de căldură. Casa se deschide spre un atrium central cu un impluvium (deschis spre cer); răcirea prin evaporare a apei determină un tiraj încrucișat de la atrium la grădină .

Protecția sau prevenirea câștigurilor de căldură cuprinde toate tehnicile de proiectare care minimizează impactul câștigurilor de căldură solară prin anvelopa clădirii și a câștigurilor de căldură interne generate în interiorul clădirii datorită ocupării și echipamentelor. Include următoarele tehnici de proiectare:

Microclimatul și proiectarea amplasamentului - Ținând cont de climatul local și de contextul amplasamentului, se pot selecta strategii specifice de răcire care sunt cele mai potrivite pentru prevenirea supraîncălzirii prin anvelopa clădirii. Microclimatul poate juca un rol uriaș în determinarea celei mai favorabile locații a clădirii prin analiza disponibilității combinate a soarelui și a vântului. Diagrama bioclimatică, diagrama solară și trandafirul vântului sunt instrumente de analiză relevante în aplicarea acestei tehnici.
Control solar - Un sistem de umbrire proiectat corespunzător poate contribui în mod eficient la minimizarea câștigurilor de căldură solară . Umbrirea atât a suprafețelor transparente, cât și a celor opace ale anvelopei clădirii va reduce la minimum cantitatea de radiație solară care induce supraîncălzirea atât în spațiile interioare, cât și în structura clădirii. Prin umbrirea structurii clădirii, câștigul de căldură captat prin ferestre și plic va fi redus.
Forma și aspectul clădirii - Orientarea clădirii și o distribuție optimizată a spațiilor interioare pot preveni supraîncălzirea. Camerele pot fi zonate în interiorul clădirilor pentru a respinge sursele de câștig intern de căldură și / sau pentru a aloca câștiguri de căldură acolo unde pot fi utile, având în vedere diferitele activități ale clădirii. De exemplu, crearea unui plan orizontal plat va crește eficiența ventilației încrucișate în plan. Localizarea zonelor pe verticală poate profita de stratificarea temperaturii. De obicei, zonele de construcție din nivelurile superioare sunt mai calde decât zonele inferioare din cauza stratificării. Zonarea verticală a spațiilor și activităților utilizează această stratificare a temperaturii pentru a adapta utilizările zonei în funcție de cerințele lor de temperatură. Factorul de formă (adică raportul dintre volum și suprafață) joacă, de asemenea, un rol major în profilul energetic și termic al clădirii. Acest raport poate fi utilizat pentru a modela forma clădirii în funcție de climatul local specific. De exemplu, formele mai compacte tind să păstreze mai multă căldură decât formele mai puțin compacte, deoarece raportul dintre sarcinile interne și suprafața învelișului este semnificativ.
Izolație termică - Izolația din anvelopa clădirii va reduce cantitatea de căldură transferată de radiații prin fațade. Acest principiu se aplică atât suprafețelor opace (pereți și acoperiș), cât și suprafețelor transparente (ferestrelor) plicului. Deoarece acoperișurile ar putea contribui mai mult la încărcătura de căldură interioară, în special în construcții mai ușoare (de exemplu, clădiri și ateliere cu acoperiș din structuri metalice), asigurarea izolației termice poate reduce efectiv transferul de căldură de pe acoperiș.
Modele comportamentale și de ocupare - Unele politici de gestionare a clădirii, cum ar fi limitarea numărului de persoane într-o anumită zonă a clădirii, pot contribui, de asemenea, în mod eficient la minimizarea câștigurilor de căldură din interiorul unei clădiri. Ocupanții clădirii pot contribui, de asemenea, la prevenirea supraîncălzirii în interior prin: oprirea luminilor și echipamentelor din spațiile neocupate, operarea umbririi atunci când este necesar pentru a reduce câștigurile de căldură solară prin ferestre sau îmbrăcarea mai ușoară pentru a se adapta mai bine la mediul interior prin creșterea confortului lor termic toleranţă.
Controlul câștigului intern - iluminatul mai eficient din punct de vedere energetic și echipamentele electronice tind să elibereze mai puțină energie, contribuind astfel la mai puține încărcături de căldură interne în interiorul spațiului.

Tehnici de modulare și disipare a căldurii

Tehnicile de modulare și disipare a căldurii se bazează pe chiuvete naturale pentru a stoca și a elimina câștigurile interne de căldură. Exemple de chiuvete naturale sunt cerul de noapte, solul pământesc și masa de construcție. Prin urmare, tehnicile de răcire pasivă care utilizează radiatoare pot acționa fie pentru a modula câștigul de căldură cu masa termică, fie pentru a disipa căldura prin strategii naturale de răcire.

Masă termică - Modularea câștigului de căldură al unui spațiu interior poate fi realizată prin utilizarea corectă a masei termice a clădirii ca radiator. Masa termică va absorbi și stoca căldura în timpul orelor de zi și o va readuce în spațiu mai târziu. Masa termică poate fi cuplată cu strategia de răcire naturală de ventilație pe timp de noapte, dacă nu este de dorit căldura stocată care va fi livrată în spațiu în timpul serii / nopții.
Răcire naturală - Răcirea naturală se referă la utilizarea ventilației sau a radiatoarelor naturale pentru disiparea căldurii din spațiile interioare. Răcirea naturală poate fi separată în cinci categorii diferite: ventilație, spălare nocturnă, răcire radiativă , răcire evaporativă și cuplare la pământ .

Ventilare

O pereche de vânturi scurte sau malqaf utilizate în arhitectura tradițională; vântul este forțat în jos pe partea de vânt și frunzele pe partea de sub vânt ( ventilație încrucișată ). În absența vântului, circulația poate fi condusă cu răcire prin evaporare în admisie. În centru, un shuksheika ( ventilator de lanternă de acoperiș ), folosit pentru a umbri qa'a de dedesubt în timp ce permite aerul fierbinte să iasă din el ( efect de stivă ).

Ventilația ca strategie naturală de răcire folosește proprietățile fizice ale aerului pentru a îndepărta căldura sau pentru a asigura răcirea ocupanților. În anumite cazuri, ventilația poate fi utilizată pentru răcirea structurii clădirii, care ulterior poate servi drept radiator.

Ventilație încrucișată - Strategia ventilației încrucișate se bazează pe trecerea vântului prin clădire în scopul răcirii ocupanților. Ventilația încrucișată necesită deschideri pe două părți ale spațiului, numite intrare și ieșire. Dimensionarea și amplasarea orificiilor de intrare și ieșire a aerului va determina direcția și viteza ventilației transversale prin clădire. În general, trebuie prevăzută, de asemenea, o zonă egală (sau mai mare) a orificiilor de ieșire pentru a asigura o ventilație transversală adecvată.
Ventilația în stivă - Ventilația încrucișată este o strategie eficientă de răcire, cu toate acestea, vântul este o resursă nesigură. Ventilarea prin stivă este o strategie alternativă de proiectare care se bazează pe flotabilitatea aerului cald pentru a se ridica și ieși prin deschideri situate la înălțimea tavanului. Aerul exterior mai rece înlocuiește aerul cald în creștere prin orificii de intrare proiectate cu atenție, amplasate lângă podea.

Aceste două strategii fac parte din strategiile de răcire ventilativă .

O aplicație specifică a ventilației naturale este spălarea pe timp de noapte.

Noaptea înroșită

O curte din Florența, Italia . Este înalt și îngust, cu o fântână care varsă șuvoiuri foarte subțiri de apă în partea de jos, iar camerele superioare se deschid spre ea. Spălatul nocturn al curții are loc automat pe măsură ce aerul nopții se răcește; răcirea prin evaporare îl răcește și poate fi folosit pentru a crea curenți de aer și pentru a schimba aerul în timpul zilei. Ferestrele pot fi lăsate deschise non-stop.

Spălarea nocturnă (cunoscută și sub denumirea de ventilație nocturnă, răcire nocturnă, purjare nocturnă sau răcire convectivă nocturnă) este o strategie de răcire pasivă sau semipasivă care necesită o mișcare crescută a aerului pe timp de noapte pentru a răci elementele structurale ale unei clădiri. Se poate face o distincție între răcirea gratuită pentru răcirea apei și spălarea nocturnă pentru răcirea masei termice a clădirii . Pentru a executa spălarea pe timp de noapte, se ține de obicei învelișul clădirii închis în timpul zilei. Masa termică a structurii clădirii acționează ca o chiuvetă pe tot parcursul zilei și absoarbe câștigurile de căldură de la ocupanți, echipamente, radiații solare și conducte prin pereți, acoperișuri și plafoane. Noaptea, când aerul exterior este mai rece, plicul este deschis, permițând trecerea aerului mai rece prin clădire, astfel încât căldura stocată să poată fi disipată prin convecție. Acest proces reduce temperatura aerului interior și a masei termice a clădirii, permițând răcirii convective, conductive și radiante să aibă loc în timpul zilei când clădirea este ocupată. Înroșirea nopții este cea mai eficientă în climele cu o oscilație diurnă mare, adică o mare diferență între temperatura zilnică maximă și minimă în aer liber. Pentru performanțe optime, temperatura aerului exterior pe timp de noapte ar trebui să scadă cu mult sub limita zonei de confort în timpul zilei de 22 ° C (72 ° F) și nu ar trebui să aibă o umiditate absolută sau specifică scăzută . În climele calde și umede, oscilația temperaturii dirunale este de obicei mică, iar umiditatea nocturnă rămâne ridicată. Spălarea pe timp de noapte are o eficiență limitată și poate introduce umiditate ridicată care cauzează probleme și poate duce la costuri ridicate ale energiei dacă este eliminată de sistemele active în timpul zilei. Astfel, eficacitatea spălării nocturne este limitată la climă suficient de uscată. Pentru ca strategia de spălare nocturnă să fie eficientă la reducerea temperaturii interioare și a consumului de energie, masa termică trebuie dimensionată suficient și distribuită pe o suprafață suficient de largă pentru a absorbi câștigurile zilnice de căldură ale spațiului. De asemenea, rata totală de schimbare a aerului trebuie să fie suficient de mare pentru a elimina câștigurile interne de căldură din spațiu pe timp de noapte. Există trei moduri de spălare pe timp de noapte într-o clădire:

Spălarea naturală a nopții prin deschiderea ferestrelor noaptea, lăsând fluxul de aer condus de vânt sau de flotabilitate să răcească spațiul și apoi închiderea ferestrelor în timpul zilei.
Spălarea mecanică pe timp de noapte prin forțarea mecanică a aerului prin conductele de ventilație pe timp de noapte la un debit mare de aer și alimentarea cu aer a spațiului în timpul zilei la un debit de aer minim cerut de cod.
Spălare nocturnă în mod mixt printr-o combinație de ventilație naturală și ventilație mecanică , cunoscută și sub numele de ventilație în mod mixt , prin utilizarea ventilatoarelor pentru a ajuta fluxul de aer natural pe timp de noapte.

Aceste trei strategii fac parte din strategiile de răcire ventilativă .

Există numeroase avantaje de a folosi spălarea pe timp de noapte ca strategie de răcire pentru clădiri, inclusiv un confort îmbunătățit și o schimbare a sarcinii maxime de energie. Energia este cea mai scumpă în timpul zilei. Prin implementarea clătirii nocturne, utilizarea ventilației mecanice este redusă în timpul zilei, ducând la economii de energie și bani.

Există, de asemenea, o serie de limitări de utilizare a spălării pe timp de noapte, cum ar fi utilizabilitatea, securitatea, calitatea redusă a aerului interior, umiditatea și acustica slabă a camerei. Pentru spălarea naturală pe timp de noapte, procesul de deschidere și închidere manuală a ferestrelor în fiecare zi poate fi obositor, mai ales în prezența unor ecrane împotriva insectelor. Această problemă poate fi ușurată cu ferestrele automate sau jaluzelele de ventilație, cum ar fi în Manitoba Hydro Place . Spălarea naturală pe timp de noapte necesită, de asemenea, deschiderea ferestrelor noaptea când clădirea este cel mai probabil neocupată, ceea ce poate ridica probleme de securitate. Dacă aerul exterior este poluat, spălarea nocturnă poate expune ocupanții la condiții dăunătoare în interiorul clădirii. În locațiile puternice ale orașului, deschiderea ferestrelor poate crea condiții acustice slabe în interiorul clădirii. În climatul umed, înroșirea ridicată poate introduce aer umed, de obicei peste 90% umiditate relativă în cea mai răcoroasă parte a nopții. Această umezeală se poate acumula în clădire peste noapte, ducând la creșterea umidității în timpul zilei, ducând la probleme de confort și chiar la creșterea mucegaiului.

Răcire radiativă

Fereastra atmosferică cu infraroșu , frecvențe în care atmosfera este neobișnuit de transparentă, este marele bloc albastru din dreapta. Un obiect care este fluorescent în aceste lungimi de undă se poate răci la temperatura sub aerul ambiant.

Toate obiectele emit și absorb constant energia radiantă . Un obiect se va răci prin radiație dacă fluxul net este exterior, ceea ce este cazul în timpul nopții. Noaptea, radiația cu unde lungi din cerul senin este mai mică decât radiația cu infraroșu cu undă lungă emisă de o clădire, astfel există un flux net spre cer. Deoarece acoperișul oferă cea mai mare suprafață vizibilă pe cerul nopții, proiectarea acoperișului pentru a acționa ca un radiator este o strategie eficientă. Există două tipuri de strategii de răcire radiativă care utilizează suprafața acoperișului: directă și indirectă:

Răcire radiantă directă - Într-o clădire proiectată pentru a optimiza răcirea directă prin radiație, acoperișul clădirii acționează ca un radiator pentru a absorbi sarcinile interne zilnice. Acoperișul acționează ca cel mai bun radiator, deoarece este cea mai mare suprafață expusă cerului nocturn. Transferul de căldură radiată cu cerul nopții va îndepărta căldura de pe acoperișul clădirii, răcind astfel structura clădirii. Iazurile de pe acoperiș sunt un exemplu al acestei strategii. Designul iazului de acoperiș a devenit popular odată cu dezvoltarea sistemului termic Sky proiectat de Harold Hay în 1977. Există diverse modele și configurații pentru sistemul de iaz de acoperiș, dar conceptul este același pentru toate proiectele. Acoperișul folosește apă, fie pungi de plastic umplute cu apă, fie un iaz deschis, ca radiator, în timp ce un sistem de panouri izolante mobile reglează modul de încălzire sau răcire. În timpul zilei vara, apa de pe acoperiș este protejată de radiația solară și de temperatura aerului ambiant prin izolație mobilă, care îi permite să servească drept radiator și să absoarbă căldura generată în interior prin tavan. Noaptea, panourile sunt retrase pentru a permite radiații nocturne între iazul de pe acoperiș și cerul nopții, eliminând astfel căldura stocată. Iarna, procesul este inversat, astfel încât iazul de pe acoperiș să poată absorbi radiația solară în timpul zilei și să o elibereze noaptea în spațiul de mai jos.
Răcire radiantă indirectă - Un fluid de transfer de căldură elimină căldura din structura clădirii prin transfer de căldură radiată cu cerul nopții. Un design comun pentru această strategie implică un plen între acoperișul clădirii și suprafața radiatorului. Aerul este aspirat în clădire prin plen, răcit de la radiator și răcește masa structurii clădirii. În timpul zilei, masa clădirii acționează ca un radiator.
Răcire radiantă fluorescentă - Un obiect poate fi făcut fluorescent : va absorbi apoi lumina la anumite lungimi de undă, dar va radia energia din nou la alte lungimi de undă selectate. Prin radierea selectivă a căldurii în fereastra atmosferică cu infraroșu , o gamă de frecvențe în care atmosfera este neobișnuit de transparentă, un obiect poate folosi în mod eficient spațiul ca radiator și se poate răci până la mult sub temperatura aerului ambiant.

Răcire prin evaporare

Un salasabil (în prezent uscat) în Fortul Roșu din Delhi , India. Un salasabil este conceput pentru a maximiza răcirea prin evaporare; răcirea, la rândul ei, poate fi utilizată pentru a conduce circulația aerului.

Acest design se bazează pe procesul de evaporare a apei pentru a răci aerul care intră în timp ce crește simultan umiditatea relativă. Un filtru saturat este plasat la intrarea de alimentare, astfel încât procesul natural de evaporare poate răci aerul de alimentare. În afară de energia pentru a conduce ventilatoarele, apa este singura altă resursă necesară pentru a asigura condiționarea spațiilor interioare. Eficacitatea răcirii prin evaporare depinde în mare măsură de umiditatea aerului exterior; aerul uscător produce mai multă răcire. Un studiu al rezultatelor performanței pe teren în Kuweit a arătat că puterea necesară pentru un răcitor evaporativ este cu aproximativ 75% mai mică decât puterea necesară pentru un aparat de aer condiționat convențional. În ceea ce privește confortul interior, un studiu a constatat că răcirea prin evaporare a redus temperatura aerului interior cu 9,6 ° C comparativ cu temperatura exterioară. Un sistem pasiv inovator folosește apa evaporată pentru a răci acoperișul, astfel încât o parte majoră a căldurii solare să nu intre înăuntru.

Egiptul antic a folosit răcirea prin evaporare; de exemplu, stufurile erau agățate în ferestre și erau umezite cu apă care picura.

Cuplarea pământului

Un qanat și un captator de vânt folosit ca conductă de împământare, atât pentru cuplarea pământului, cât și pentru răcirea prin evaporare. Nu este nevoie de niciun ventilator; aspirația din fundul turnului de vânt atrage aerul în sus și în afară.

Cuplarea la pământ folosește temperatura moderată și constantă a solului pentru a acționa ca un radiator pentru a răci o clădire prin conducție . Această strategie de răcire pasivă este cea mai eficientă atunci când temperatura pământului este mai rece decât temperatura aerului ambiant, cum ar fi în climă caldă.

Cuplarea directă sau adăpostirea pământului are loc atunci când o clădire folosește pământul ca tampon pentru pereți. Pământul acționează ca un radiator și poate atenua în mod eficient temperaturile extreme. Acoperirea pământului îmbunătățește performanța anvelopelor clădirii prin reducerea pierderilor de căldură și, de asemenea, reduce câștigurile de căldură prin limitarea infiltrării.
Cuplarea indirectă înseamnă că o clădire este cuplată cu pământul prin intermediul unor conducte de pământ. O conductă de pământ este un tub îngropat care acționează ca bulevard pentru trecerea aerului de alimentare înainte de a intra în clădire. Aerul de alimentare este răcit prin transfer conductiv de căldură între tuburi și solul înconjurător. Prin urmare, conductele de pământ nu vor funcționa bine ca sursă de răcire, cu excepția cazului în care temperatura solului este mai mică decât temperatura dorită a aerului din cameră. Canalele terestre necesită în mod obișnuit tuburi lungi pentru a răci aerul de alimentare la o temperatură adecvată înainte de a intra în clădire. Este necesar un ventilator pentru a atrage aerul din conducta de pământ în clădire. Unii dintre factorii care afectează performanța unui canal de pământ sunt: lungimea canalului, numărul de coturi, grosimea peretelui canalului, adâncimea canalului, diametrul canalului și viteza aerului.

Languages

In other projects