Αξιοποίηση ηλιακής ενέργειας (ΜΕΡΟΣ 2)

Μέρος Β Η λειτουργία των παθητικών συστημάτων βασίζεται σε 3 μηχανισμούς.

• Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (για τη δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας και τη μετατροπή της σε θερμότητα για την θέρμανση των χώρων)
• Τη θερμική υστέρηση των υλικών – θερμοχωρητικότητα (για την αποθήκευση της θερμότητας)
• Τις αρχές μετάδοσης της θερμότητας (την ιδιότητα της θερμότητας να μεταφέρεται από το θερμό στο κρύο αντικείμενο για τη μεταφορά της θερμότητας από το χώρο της συλλογής στην αποθήκη θερμότητας ή και στο χώρο που θα θερμανθεί)

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου αναφέρεται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας που διέρχεται από τον υαλοπίνακα, σε θερμική ακτινοβολία και στη δέσμευσή της ως θερμότητα στον εσωτερικό χώρο. Με την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας (άμεσης και διάχυτης) επάνω στον υαλοπίνακα λαμβάνουν χώρα τρεις διαφορετικοί μηχανισμοί μετάδοσής της. Ένα ποσοστό ανακλάται προς το εξωτερικό περιβάλλον, ένα ποσοστό, που αντιστοιχεί στο ορατό τμήμα της ακτινοβολίας – φωτεινή ακτινοβολία – διαπερνά τον υαλοπίνακα, και ένα ποσοστό της ακτινοβολίας απορροφάται από τον υαλοπίνακα, από το οποίο ένα μέρος επανακτινοβολείται προς το εξωτερικό περιβάλλον, ένα μέρος προς τον εσωτερικό χώρο και ένα μέρος μετατρέπεται σε θερμική ακτινοβολία. Το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που διαπερνά, ανακλάται ή απορροφάται από τον υαλοπίνακα εξαρτάται από τα φωτομετρικά χαρακτηριστικά αυτού. g + p + a = 1 όπου g : διαπερατότητα, p : ανακλαστικότητα και a : απορροφητικότητα. Το ορατό τμήμα του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας, που ανάλογα με τη διαπερατότητα του υαλοπίνακα, διέρχεται στον εσωτερικό χώρο, είναι μικρού μήκους κύματος. Η ακτινοβολία προσπίπτει στα δομικά στοιχεία και τα αντικείμενα που βρίσκονται στον εσωτερικό χώρο και, αλλάζοντας μήκος κύματος, μετατρέπεται σε θερμική ακτινοβολία (ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος). Ο υαλοπίνακας και τα διαφανή εν γένει υλικά είναι αδιαπέρατα στη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα σώματα. Η με αυτόν τον τρόπο προερχόμενη θερμότητα, δεν μπορεί να διαπεράσει ως θερμική ακτινοβολία τον υαλοπίνακα, εγκλωβίζεται στον εσωτερικό χώρο, απορροφάται από τα δομικά στοιχεία ή από ειδικά διαμορφωμένη αποθήκη θερμότητας και πλέον μεταδίδεται στο χώρο με αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία, συμβάλλοντας στη διατήρηση του θερμικού ισοζυγίου του χώρου. Υλικά παθητικών ηλιακών συστημάτων Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα παθητικά ηλιακά συστήματα, διακρίνονται σε υλικά συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας και σε υλικά αποθήκευσης της θερμότητας. α) Υλικά συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας Πρόκειται για διαφανή υλικά, διαπερατά από την ηλιακή ακτινοβολία. Τα κριτήρια για την επιλογή των διαφανών υλικών που θα χρησιμοποιηθούν σε ένα παθητικό σύστημα είναι: I. Οι θερμοφυσικές ιδιότητες ( διαπερατότητα, απορροφητικότητα, ανακλαστικότητα, ικανότητα εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας, θερμοπερατότητα). II. Η αισθητική, που είναι καθοριστικός παράγων για τη διαμόρφωση των όψεων του κτιρίου και η οποία συνδέεται με τις θερμοφυσικές ιδιότητες του διαφανούς υλικού. III. Η αντοχή, που πρέπει να είναι ικανή να παραλαμβάνει τις μηχανικές καταπονήσεις από θερμοκρασιακές μεταβολές και ανεμοπιέσεις. IV. Το βάρος που μπορεί να φέρει το στοιχείο στο οποίο εφαρμόζεται το διαφανές υλικό. V. Το κόστος αγοράς, τοποθέτησης και συντήρησης που πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο για να μην επιβαρύνεται οικονομικά η κατασκευή. Τα συνηθέστερα υλικά που χρησιμοποιούνται σε κτιριακές κατασκευές είναι οι υαλοπίνακες, τα σκληρά πλαστικά (ακρυλικά, πολυεστερικά και πολυκαρβονικά) και η διαφανής θερμομόνωση. β) Υλικά αποθήκευσης της θερμότητας Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση της θερμότητας είναι υλικά με μεγάλη θερμοχωρητικότητα. Συνήθως είναι οικοδομικά υλικά του φέροντα οργανισμού και του κελύφους γενικότερα ή των εσωτερικών διαχωριστικών τοιχοποιιών, καθώς και υλικά επενδύσεων τοιχοποιιών και δαπέδων. Τα πιο ικανά υλικά που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση της θερμότητας στα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι το σκυρόδεμα, η πέτρα, οι ωμόπλινθοι, οι οπτόπλινθοι, τα κεραμικά πλακίδια, το νερό και τα υλικά αλλαγής φάσης (πχ τα εύτηκτα άλατα). Τα πρώτα (σκυρόδεμα, πέτρες κλπ) είναι συγχρόνως υλικά του φέροντος οργανισμού και έχουν και μεγάλη θερμοχωρητικότητα (σκυρόδεμα). Το νερό έχει μεν τη μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα, αλλά είναι κατασκευαστικώς δύσκολο να χρησιμοποιηθεί σε δομικά στοιχεία. Μπορεί να τοποθετηθεί σε δεξαμενές που ενσωματώνονται σε δομικά στοιχεία (πχ σε τμήμα της εξωτερικής τοιχοποιίας) ή σε μεμονωμένα στοιχεία-δοχεία. Τα υλικά αλλαγής φάσης είναι σχετικά νέα υλικά που χρησιμοποιούνται σε επιλεγμένες θέσεις μέσα σε ειδικές δεξαμενές για την αποθήκευση της θερμότητας. Τα υλικά αυτά αλλάζοντας φυσική κατάσταση αποθηκεύουν θερμότητα την οποία αποδίδουν για να επιστρέψουν στην αρχική τους κατάσταση.