Пассивное охлаждение: естественный климат-контроль зданий для устойчивого будущего

По мере того как глобальная обеспокоенность изменением климата усиливается, строительный сектор сталкивается с растущим давлением по снижению своего воздействия на окружающую среду. Значительная часть энергопотребления в зданиях приходится на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК). Пассивное охлаждение, подход к проектированию, использующий естественные процессы для регулирования внутренней температуры, предлагает убедительное решение для создания более устойчивой и комфортной застроенной среды по всему миру. В этой статье рассматриваются принципы, методы и глобальные применения пассивного охлаждения, предоставляя всестороннее понимание для архитекторов, инженеров и всех, кто заинтересован в создании энергоэффективных и экологически ответственных зданий.

Что такое пассивное охлаждение?

Пассивное охлаждение — это стратегии проектирования зданий, которые минимизируют потребность в механических системах охлаждения. Вместо того чтобы полагаться на энергоемкие кондиционеры, методы пассивного охлаждения используют природные явления, такие как вентиляция, солнечное затенение и тепловая масса, для поддержания комфортной температуры в помещении. Эти стратегии направлены на снижение теплопоступлений, рассеивание существующего тепла и оптимизацию воздушных потоков, создавая более приятную и устойчивую внутреннюю среду. Эффективность различных методов пассивного охлаждения зависит от климата и конструкции здания. Поэтому крайне важно понимать местные климатические условия и соответствующим образом адаптировать проектные стратегии.

Принципы пассивного охлаждения

В основе пассивного охлаждения лежат несколько фундаментальных принципов. К ним относятся:

• Предотвращение теплопоступлений: Минимизация количества солнечной радиации и внешнего тепла, проникающего в здание, является первой линией защиты.
• Рассеивание существующего тепла: Удаление тепла, уже проникшего в здание, с помощью вентиляции, тепловой массы или испарительного охлаждения.
• Оптимизация воздушного потока: Стимулирование естественного воздушного потока для охлаждения находящихся в здании людей и удаления тепла.

Техники пассивного охлаждения

В проектирование зданий можно включить множество техник пассивного охлаждения. Вот некоторые из наиболее распространенных и эффективных:

1. Естественная вентиляция

Естественная вентиляция использует разницу давлений и плавучесть для обеспечения воздушного потока через здание. Это простая, но мощная техника для удаления тепла и обеспечения свежего воздуха. Существует два основных типа естественной вентиляции:

• Сквозная вентиляция: Основана на давлении ветра для продвижения воздушного потока через здание. Окна и проемы стратегически расположены на противоположных сторонах здания, чтобы воздух мог свободно проходить. Ориентация здания относительно преобладающих ветров имеет важное значение для максимизации эффективности сквозной вентиляции.
• Конвективная вентиляция (эффект дымовой трубы): Использует плавучесть для создания воздушного потока. Теплый воздух поднимается и выходит через проемы на верхнем уровне, создавая разницу давлений, которая втягивает более холодный воздух через проемы на нижнем уровне. Это особенно эффективно в многоэтажных зданиях.

Пример: Традиционные риады в Марокко используют внутренние дворы и конвективную вентиляцию для создания прохладных и комфортных внутренних пространств в жарком, засушливом климате. Внутренний двор обеспечивает тень и позволяет осуществлять испарительное охлаждение, а центральное открытое пространство действует как дымовая труба, вытягивая горячий воздух вверх и из здания.

2. Солнцезащита

Солнцезащита предотвращает проникновение прямого солнечного света в здание, уменьшая поступление тепла. Эффективные стратегии затенения могут значительно снизить температуру в помещении и уменьшить потребность в кондиционировании воздуха.

• Навесы и козырьки: Горизонтальные выступы, которые блокируют высоко расположенное летнее солнце, но позволяют низко расположенному зимнему солнцу проникать в здание.
• Вертикальные ребра: Вертикальные выступы, которые блокируют низко расположенное утреннее и вечернее солнце.
• Внешние ставни и экраны: Регулируемые покрытия, которые можно закрыть для блокировки солнечного света или открыть для вентиляции.
• Деревья и ландшафтный дизайн: Стратегическая посадка лиственных деревьев для обеспечения тени летом и пропускания солнечного света зимой.
• Коэффициенты затенения остекления: Использование стекла с низкими коэффициентами затенения для уменьшения количества солнечного тепла, передаваемого через окна.

Пример: В средиземноморском регионе здания часто оснащены регулируемыми ставнями, которые можно закрывать в самую жаркую часть дня, чтобы блокировать солнечный свет, и открывать ночью для вентиляции. Эти ставни обеспечивают гибкий и эффективный способ контроля температуры в помещении.

3. Тепловая масса

Тепловая масса — это способность материала поглощать, хранить и выделять тепло. Материалы с высокой тепловой массой, такие как бетон, кирпич и камень, могут помочь стабилизировать температуру в помещении, поглощая тепло днем и выделяя его ночью, когда прохладнее.

• Прямое поступление: Подвергание тепловой массы прямому солнечному свету в течение дня для поглощения тепла.
• Непрямое поступление: Размещение тепловой массы между солнцем и жилым пространством.
• Изолированное поступление: Использование отдельного пространства, такого как солярий, для сбора и хранения тепла.

Пример: Здания из самана на юго-западе США используют толстые стены из глины и соломы для создания теплового буфера. Стены поглощают тепло днем, сохраняя прохладу внутри, и выделяют его ночью, сохраняя тепло внутри.

4. Испарительное охлаждение

Испарительное охлаждение использует принцип, согласно которому вода поглощает тепло при испарении. Этот метод может быть особенно эффективен в жарком и сухом климате.

• Прямое испарительное охлаждение: Введение воды непосредственно в поток воздуха для его охлаждения. Это может быть достигнуто с помощью испарительных охладителей или систем распыления.
• Непрямое испарительное охлаждение: Косвенное охлаждение воздуха путем его пропускания над влажной поверхностью. Это позволяет избежать повышения влажности воздуха.

Пример: Ветроуловители, или бадгиры, в Иране используют испарительное охлаждение для создания комфортной внутренней среды. Эти башни улавливают ветер и направляют его над бассейном с водой, охлаждая воздух перед его поступлением в здание.

5. Заглубление в грунт

Заглубление в грунт предполагает строительство сооружений частично или полностью под землей. Земля действует как тепловая масса, смягчая внутренние температуры и уменьшая их колебания.

• Строительство с обвалованием: Строительство у склона, при котором одна или несколько стен покрыты землей.
• Подземное строительство: Строительство полностью под землей, при котором крыша и стены покрыты землей.

Пример: Пещерные жилища в Каппадокии, Турция, обеспечивают естественно прохладную и стабильную внутреннюю среду благодаря тепловой массе земли. Пещеры поддерживают постоянную температуру круглый год, независимо от внешних погодных условий.

6. Ночная вентиляция

Ночная вентиляция предполагает проветривание здания ночью для удаления тепла, накопленного в тепловой массе. Этот метод наиболее эффективен в климатических условиях с прохладными ночами и теплыми днями.

Пример: Многие современные здания в Европе оснащены автоматизированными оконными системами, которые открываются ночью для удаления тепла и предварительного охлаждения здания на следующий день. Это помогает снизить потребность в кондиционировании воздуха в часы пик.

Климатические соображения

Эффективность методов пассивного охлаждения сильно зависит от местного климата. Крайне важно анализировать климатические данные, включая температуру, влажность, ветровые режимы и солнечную радиацию, чтобы выбрать наиболее подходящие стратегии.

• Жаркий и засушливый климат: Сосредоточьтесь на затенении, тепловой массе и испарительном охлаждении.
• Жаркий и влажный климат: Сосредоточьтесь на вентиляции, затенении и осушении.
• Умеренный климат: Сосредоточьтесь на комбинации вентиляции, затенения и тепловой массы.
• Холодный климат: Хотя основное внимание уделяется пассивному солнечному отоплению, включение таких элементов, как заглубление в грунт, также может способствовать тепловой стабильности и снижению энергопотребления на отопление и охлаждение.

Проектирование для пассивного охлаждения: глобальная перспектива

Успешное проектирование пассивного охлаждения требует целостного подхода, учитывающего ориентацию здания, его планировку, материалы и окружение. Вот некоторые ключевые соображения для разных регионов:

Тропические регионы

В тропических регионах высокая влажность и температура требуют проектов, способствующих обильной естественной вентиляции. Стратегии включают ориентацию зданий для максимального воздействия преобладающих ветров, использование легких строительных материалов для минимизации удержания тепла и включение больших навесов для затенения окон и стен. Поднятые полы и вентиляционные отверстия в крыше также эффективны для улучшения воздушного потока и уменьшения накопления влаги. Примеры включают традиционные малайские дома в Юго-Восточной Азии, которые подняты на сваях для обеспечения вентиляции под полом и защиты от наводнений.

Засушливые и пустынные регионы

Засушливый климат требует проектов, которые минимизируют поступление солнечного тепла и максимизируют использование тепловой массы. Толстые стены, построенные из таких материалов, как саман или утрамбованная земля, помогают смягчать внутренние температуры, поглощая тепло днем и выделяя его ночью. Внутренние дворы обеспечивают затененные открытые пространства и способствуют испарительному охлаждению. Маленькие окна и стратегически расположенные проемы минимизируют воздействие прямого солнечного света. Системы кяризов, древняя техника управления водными ресурсами, используемая на Ближнем Востоке, обеспечивают источник прохладной воды для испарительного охлаждения и орошения. Ветроуловители, подобные тем, что встречаются в иранской архитектуре, используются для направления прохладных бризов в здания.

Регионы с умеренным климатом

Умеренный климат часто требует сбалансированного подхода к пассивному охлаждению и отоплению. Проекты должны включать элементы, которые обеспечивают как поступление солнечного тепла зимой, так и затенение летом. Естественная вентиляция необходима для поддержания комфортной температуры в помещении. Лиственные деревья, посаженные вокруг здания, обеспечивают тень в летние месяцы и позволяют солнечному свету проникать зимой. Ориентацию здания и расположение окон следует тщательно продумывать для максимизации естественного освещения и вентиляции. Примеры включают "земные корабли", которые умело сочетают пассивное солнечное отопление и охлаждение с использованием природных материалов.

Прибрежные регионы

Прибрежные регионы характеризуются высокой влажностью и часто испытывают постоянные бризы. Проекты должны быть сосредоточены на максимизации естественной вентиляции и минимизации воздействия влаги. Поднятые конструкции и стратегии сквозной вентиляции имеют решающее значение. Важны строительные материалы, устойчивые к повреждению влагой. Балконы и веранды обеспечивают затененные открытые пространства и способствуют естественной вентиляции. Примеры включают пляжные домики в Австралии, спроектированные с большими окнами и открытой планировкой для улавливания морских бризов.

Горные регионы

Горные регионы характеризуются разнообразными микроклиматами, требующими проектов, адаптируемых к меняющимся условиям. Южные склоны идеально подходят для пассивного солнечного отопления. Заглубление в грунт может обеспечить защиту от экстремальных температур и ветра. Материалы с высокой тепловой массой помогают стабилизировать внутренние температуры. Правильная изоляция необходима для минимизации потерь тепла зимой. Примеры включают традиционные каменные дома в швейцарских Альпах, которые встроены в склон горы для защиты от стихии.

Преимущества пассивного охлаждения

Пассивное охлаждение предлагает множество преимуществ, в том числе:

• Снижение энергопотребления: Минимизация потребности в механических системах охлаждения значительно снижает потребление энергии и выбросы углерода.
• Улучшение качества воздуха в помещении: Естественная вентиляция обеспечивает свежий воздух и уменьшает накопление загрязняющих веществ.
• Повышенный комфорт: Пассивное охлаждение может создать более комфортную и здоровую внутреннюю среду.
• Снижение эксплуатационных расходов: Снижение потребления энергии приводит к уменьшению счетов за коммунальные услуги.
• Повышение устойчивости зданий: Пассивное охлаждение может помочь зданиям противостоять отключениям электроэнергии и экстремальным погодным явлениям.
• Экологическая устойчивость: Снижение зависимости от ископаемого топлива способствует более устойчивому будущему.

Проблемы пассивного охлаждения

Хотя пассивное охлаждение предлагает многочисленные преимущества, оно также сопряжено с некоторыми проблемами:

• Климатическая зависимость: Эффективность методов пассивного охлаждения зависит от местного климата.
• Сложность проектирования: Проектирование для пассивного охлаждения требует целостного и комплексного подхода.
• Первоначальные инвестиции: Некоторые стратегии пассивного охлаждения, такие как заглубление в грунт или строительство с высокой тепловой массой, могут потребовать более высоких первоначальных инвестиций.
• Поведение жильцов: Эффективность пассивного охлаждения зависит от поведения жильцов, например, от правильного открывания и закрывания окон.
• Интеграция с механическими системами: В некоторых климатических условиях пассивное охлаждение может потребовать интеграции с механическими системами для обеспечения достаточного охлаждения.

Будущее пассивного охлаждения

Поскольку мир борется с проблемами изменения климата, пассивному охлаждению суждено играть все более важную роль в создании устойчивых и жизнеспособных зданий. Достижения в области строительных материалов, программного обеспечения для проектирования и моделирования эксплуатационных характеристик зданий упрощают проектирование и оптимизацию стратегий пассивного охлаждения. Правительства и организации также продвигают пассивное охлаждение через строительные нормы, стимулы и образовательные программы.

Заключение

Пассивное охлаждение представляет собой мощный и устойчивый подход к климат-контролю в зданиях. Используя естественные процессы и проектируя здания, которые реагируют на свою среду, мы можем создавать более комфортные, здоровые и энергоэффективные пространства. Принятие принципов пассивного охлаждения — это не просто экологический императив; это инвестиция в более устойчивое и жизнеспособное будущее для нашей застроенной среды по всему миру. Будущее проектирования зданий заключается в интеграции пассивных стратегий для кардинального снижения энергопотребления и создания конструкций, которые работают в гармонии с землей, независимо от климата.

Дополнительные ресурсы

• Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
• Институт пассивного дома
• Совет по экологическому строительству США (USGBC)

Отказ от ответственности

В этой статье представлена общая информация о методах пассивного охлаждения. Конкретные проектные решения должны приниматься после консультации с квалифицированными специалистами.