הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

 

יוני 2002

 

 

מערכת סולרית פסיבית לנוחות אקלימית ביתית

 

 

תקציר לספר הפרוייקטים

 

פרוייקט גמר

 

 

 

 

הכין: רמי יואל.

 

מנחה: אינג' יהודה שוורץ.

 

מקום ביצוע: אוניב' ת"א.

 

 

 

 

 

תקציר מנהלים

1. נושא הפרויקט-

מערכת סולרית פסיבית לנוחות אקלימית ביתית.

 

2. מטרת הפרויקט-

תכנון אמצעים סולריים פסיביים חוץ ביתיים לנוחות אקלימית בבית מגורים בירושלים.

 אמצעים סולריים פסיביים משמשים לחיסכון באנרגיה למיזוג וחימום הבית. המבנה המדובר מתואר בגוף הדו"ח.

 

3. מהות העבודה-

א. צמחיה- עצים, מטפסים, דשאים ועשבים משמשים לחסימת ובליעת קרינה, חסימת רוחות קרות בחורף, ניתוב רוחות בקיץ לאוורור.

ב. קירות טרומב- קיר דרומי שחור קולט שמש ומולו זכוכית הלוכדת את הקרינה והחום המועבר לבית בהולכה דרך הקיר ובהסעה דרך פתחי אורור בקיר. משמש לחימום בחורף.

ג. חממות צמודות- חממה הצמודה לקיר דרומי של הבית ומעבירה לבית חלק מהחום הניקלט בה.

משמשת לחימום בחורף.

 

4. חלופות-

* הצללה והרחקת קרינה-

הצללת הקירות המערביים והמזרחיים ע"י עצים גבוהים וצפופי עלים נשירים.

הצללת חלונות, חממות וקירות טרומב ע"י צלונים עיליים וצידיים המורכבים ממטפסים נשירים.

מכיוון שהשמש בקיץ גבוהה בשמיים אז לא ניתן להצל קירות דרומיים ע"י עצים, הפיתרון הוא צלון תלוי מעל הקיר. כיסוי קירות במטפסים לספיגת קרינה.

באזורים הסמוכים לגנים ופארקים ירוקים הטמפ' נמוכה יותר.

* חסימת רוחות-

חסימת רוחות חורף ע"י עצים צפופים בכיוון הרוח, אם זאת יש להזהר שלא לחסום את רוחות הקיץ המאווררות. 

* איוד ונידוף-

צמחים הממוקמים בבית, בחממה או סביב הבית מנדפים לחות לאויר הגורמת לירידת הטמפ'. הדבר נכון גם לגבי דשאים סביב הבית ומטפסים על הקירות.

 

-קיר כהה הפונה דרומה או בסטיה של עד º30 מהדרום.

-זיגוג שקוף. זיגוג כפול מומלץ לאזורים קרים, לאזורים חמים יותר ניתן להסתפק בשמשה יחידה.

-קרוב הזיגוג לקיר משפר את מעבר החום. מרחק מומלץ 10-15 ס"מ.

-קיר מים או מסה תרמית בעלת הולכה תרמית טובה (כמו בטון).

-עובי הקיר 25-32 ס"מ. עיבוי הקיר יגרום לפיגור גדול יותר בכניסת החום לבית ולהקטנת תנודת הטמפ' היומית בבית.

-עומק חדר מומלץ מאחורי קיר הטרומב עד 4 מ' (לכן עדיפות לחדרי שינה).

-אפשרות לפיתחי איורור להסעת חום לתוך החדר, פיתחי איורור סמוך לתחתית ולראש הקיר. מומלץ למקומות קרים. מומלץ לחדרים בהם נעשה שימוש גם בשעות הבוקר כשהחום עדיין לא חצה את הקיר בהולכה.

- גודל פתחים מומלץ   כש-A1+A2 שטח שני הפתחים.

-אפשרות לפתחי איורור דומים בזכוכית עצמה ע"מ לסלק חום לסביבה בקיץ, לשפר פינוי חום מהבית ולאפשר איורור נוסף של הבית ע"י אפקט ארובה תרמית.

-אפשרות להתקנת מפוחים בפתחים שישפרו את זרימת האויר החם לחדר.

-אפשרות שהמפוחים יהיו נישלטים ע"י תרמוסטט המפעיל אותם כשהפרש הטמפ' בין חלל הטרומב לחדר מגיע לסף מסוים וכך לא להכניס אויר שאינו חם דיו. מומלץ לאזורים קרים. החיסרון שבכך הוא סיבוכיות, עלות התקנה ושימוש וירידה באמינות.

-יש להצל את הקיר בקיץ.

-אפשרויות הצללה: סוכך עילי או צידי קבוע או מתכוונן (דורש תיפעול) מלאכותי או טיבעי (מטפס נשיר, יתרון- אין הסתרה בחורף), הצללה ע"י עצים (רק לשעות הבוקר ואחה"צ עקב זוית השמש).

-אפשרות להסתרת קרינה ע"י וילון בהיר נע (רצוי). חיסרון- צורך בתיפעול.

-אפשרות ליריעות בידוד נע בתוך הבית בצמוד לקיר או על הזגוגית מבחוץ. יתרון- בידוד מחום. חיסרון- עלות וצורך בתיפעול.

 

יתרון כללי של החממות שהן יכולות לשמש כחדר שמש בחורף ולגידול פרות, ירקות ופרחים.

חיסרון כללי- עלות הקמה, צורך במקום גדול יותר ובהצללות גדולות.

האפשרויות דומות לקיר טרומב וכן ההמלצות.

ובנוסף-

-אפשרות להטות חלק מהשמשות כלפי מעלה ע"מ לשפר את קליטת הקרינה. החיסרון בכך הוא הצורך בהצללות גדולות יותר בקיץ מכיוון ששמש הקיץ גבוהה יותר.

-מומלץ למקם מסות תרמיות (כמו חביות מים, אדמה או בטון) בחממה שישמשו לאיחסון חום ביום ושיחרורו בשעות הקרות יותר וכך יקטינו את תנודת הטמפ'.

-אפשרות להסבת מרפסת הפונה לשמש ל-sunspace מזוגג המתפקד כחממה מחממת.

-בבתים פרטיים בני 2 קומות בהם הקומה הראשונה מוצלת בחורף ניתן למקם sunspace מוגבה בקומה השניה שהחום מוזרם ממנו לבית ע"י מפוחים נשלטי תרמוסטט ותעלות.

מהמפורט לעיל נמליץ כי חממה תמוקם מול הסלון וקיר טרומב מול חדר שינה.

 

5. הפתרון הנבחר-

פיתרון ראשוני- הגישה לבחירה היא פסיביות ופשטות לכן לא יעשה שימוש באמצעים אקטיביים משולבים ובקירות מים ושאר קירות חכמים המסבכים את המערכת. המבנה מבודד היטב.

לא ניתן להשתמש בכל הקיר הדרומי של הבית עקב חלונות, דלתות ואזורים שאיך צורך בחימומם כמו ארונות ומקלחות. לכן:

 

העצים במרחק 5 מ' מהבית ובגובה של כ-5.17 מ'. עצים מסוג צאלונים, ברכיטונים ועוד. צלונים הבנויים ממטפסים נשירים כמו גפן מעל החלונות החממה וקיר הטרומב.

לא יעשה שימוש בצמחיה לנידוף ולחסימת רוחות מכיוון שקשה להעריך חישובית את השפעתם.

 

·      קיר טרומב- צמוד לחדר השינה הדרומי. בעל זכוכית רגילה יחידה ו-4 פיתחי איורור בקיר (להסעת חום לבית בחורף)  ובזכוכית (להסעת חום החוצה בקיץ). שטחם הכולל של הפתחים הוא 1/50 משטח הקיר (שרטוט בגוף הדו"ח).

חדר השינה הצפוני יטופל ע"י מע' המיזוג/חימום הרגילה.

 

·      חממה- צמודה לקיר הדרומי של הסלון בנויה מזכוכית רגילה יחידה משופעת בזוית º50 בעלת פתחי איורור נסגרים בזכוכית (שרטוט בגוף הדו"ח).

 

6. תוצאות-

* צמחיה- נבחן החיסכון בכסף למיזוג בקיץ הנגרם עקב הקטנת חדירת החום דרך הקירות והחלונות עקב ההצללה.

 

* אנליזה של קיר הטרומב בתוכנת תיכון תרמי-  Icepak נתנה העדפה לחלופת הקיר העושה שימוש בזיגוג יחיד ובפיתחי איורור בקיר (פתוחים בימות החורף) ובזיגוג (פתוחים בקיץ) לעומת האחרות. הטמפרטורה הממוצעת המתקבלת בחדר במצב עמיד דצמבר, ינואר עקב פגיעת הקרינה הסולרית בקיר היא כºc-14.7, לעומת טמפ' חיצונית ממוצעת של כ-ºc9.6 .

 

* החממה מביאה לטמפ' של כºc-14.2 בסלון.

הטמפ' הרצויה בחורף היא ºc20  עד ºc22 כך שקיר הטרומב והחממה אינם יכולים לשמש כמע' עצמאית אלא רק כמע' התורמת לחיסכון באנרגיה של המע' הקונבנציונלית הקיימת בבית.

 

* תפעול הקיץ כלל את הצללת החממה והטרומב, שימוש בוילון לבן להקטנת קליטת הקרינה ופתיחת פתחי איורור בזיגוג. בצורה הזו לא נגרמה תוספת של חום למבנה.

 

7. בדיקה כלכלית-

* צמחיה-

* הצללת הקירות- הבדיקה נערכה ע"י השוואה של חדירת חום למבנה בקיץ דרך קיר מוצל וקיר חשוף לקרינה ע"י מושג של הפרש טמפ' אקויבלנטי [2]. בקיר החשוף לקרינה הפרש הטמפ' האקויבלנטי גדול יותר ולכן חודר יותר חום למבנה ולכן הוצאות המיזוג גבוהות יותר. ע"פ מחיר של 33.18 אג"ח לקוט"ש חשמל, הבדיקה מראה כי הצללת הקירות חוסכת 30 ש"ח בחודש קיץ עבור קירות מבודדים ( ) ו-60 ש"ח לחודש קיץ עבור קירות רגילים שאינם מבודדים ().

* הצללת החלונות- נערכה השואה בין עומס החום הנגרם עקב הקרינה הישירה החודרת למבנה בקיץ דרך חלון, לקרינה המפוזרת (צפונית) החודרת דרך חלון מוצל. התקבל כי החיסכון החודשי הממוצע בקיץ הוא כ-147 ש"ח. שנתי- 441 ש"ח.

 

* קיר טרומב- ע"פ תוכנת ה-Icepak קיר הטרומב מעביר כ-869 וואט חום לחדר השינה בממוצע השווים לכ-520 ש"ח חסכון בשנה (שנה=חורף). עלות הקמת הקיר, 10,700 ש"ח כך שזמן החזר ההשקעה הוא 22 שנים ומחצה, אורך חיי המערכת המשוער- 25 שנה.

הערה: נתוני הקרינה ע"פ הנספחים שבגוף הדו"ח הם ממוצעים חודשיים רב שנתיים ע"פ מדידות בארץ כך שהם מתחשבים גם בימים מעוננים וגשומים בהם הקרינה פחותה.

 

* החממה-ע"פ נתוני החממה והמבנה ניתן לקבל מטבלה כי החממה מעבירה למבנה כ-25% מהחום הנקלט בה בחורף [3]. ע"פ נתוני הקרינה מתקבל כי החממה מעבירה לסלון כ-695 וואט השווים ל-415 ש"ח חסכון בשנה. הקמת החממה, בהצעה הזולה ללא יציקת רצפה, כ-13,700 ש"ח כך שזמן החזר ההשקעה המתקבל הוא כ-36 שנים.

 

8. מסקנות-

* צמחיה- ע"פ חישובים אלו נראה כי הצללת עצים על הקירות אינה כדאית כלכלית. מכיוון שאין צורך ממשי בהצללת הקירות אני לא רואה צורך בהצללת חלונות בלבד ע"י עצים.

בהתחשב בכך שעצים בגודל שכזה דורשים שטח גדול, עוברות מס' שנים עד גדילתם למימדים הרצויים וגורמים ליכלוך רב עקב הנשירה ועוד בעיות כפי שפורט בדו"ח, הבחירה שלי תהיה לא להשתמש בהם לצורכי נוחות אקלימית בבית.

 את קרינת הבוקר ואחה"צ הנופלת על החלונות המערביים והמזרחיים נחסום בעזרת התריסים או הוילונות הקיימים בבית בכל מקרה, והחום החודר דרכם יטופל ע"י מע' המיזוג.

צמחיה נותנת יתרון גדול ע"י הסתרת קרינה ישירה מגוף האדם עצמו לכן היא מומלצת לשימוש בהצללת מרפסות חצרות ושטחים פתוחים אך לא את המבנה עצמו.

 

* קיר טרומב- הקיר מעלה את הטמפ' בחדר השינה בחורף בכ-5 מעלות וההשקעה בקיר טרומב מחזירה את עצמה ואף נותנת חיסכון קטן בסוף התקופה. כמובן שבתור השקעה כלכלית יש טובות מאלה אך במישור הלאומי, בהתחשב בכך שההשקעה מוחזרת, שימוש מסיבי והמוני באלמנט זה יכול לתת חיסכון גדול באנרגיה ולכן צמצום מסוים בזיהום האויר.

קיר הטרומב יעיל ומשתלם יותר מהחממה.

עלות ההקמה הגבוהה, גם בשימוש במרכיבים הזולים יותר כמו זכוכית רגילה, מהווה מכשול רציני לישום ושיווק השיטה.

 

* חממה- מבחינה כלכלית החממה אינה כדאית. ומבחינת חימום נגרמת תוספת של כ-4 מעלות בלבד בסלון. לכן אמליץ להשתמש בחממה לחימום ביתי רק אם שטח הקיר הדרומי המשמש לקליטה הוא גדול יותר ומאפשר שימוש בחממה גדולה יותר (וגם אז יש לבדוק את עלות ההקמה). הבעיה בבית המדובר היא שיש אלמנטים אשר לא מאפשרים הגדלת החממה כמו דלתות, חלונות או אזורים אשר מיותר לחממם כמו שרותים וארונות. תושבי אזורים כפריים אשר משתמשים בחממה לצורכי גידול מזון, פרחים או חקלאות יכולים להצמיד את החממה לבית ולהשתמש בחלק מהחום הנקלט בה לחימום הבית  וכמו כן בתים בהם קיים חדר שמש דרומי. כמו כן באזורים בהם הקרינה גבוהה יותר, כמו הנגב, ישתפרו ביצועי החממה. 

 

כפי שהנחנו המערכת הפסיבית הנ"ל אינה יכולה לשמש כמע' חימום יחידה בחדר אלא כגיבוי הנותן חיסכון על מע' החימום הרגילה. ובודאי שיש צורך בגיבוי לימים קרים וחסרי קרינה במיוחד ולהפך

למרות האמצעים הפשוטים מהם בנויה המע' הפסיבית, האנליזה היא מורכבת ועדינה ביותר וטומנת בחובה דקויות רבות בעלות חשיבות.

 

מבחינת הכדאיות הכלכלית קיים tradeoff , ככל שהצד "קולט השמש" של הבית (בין דרום-מערב לדרום-מזרח) יגדל וחדרים רבים יותר יפנו לכיוונים אלה נוכל לקלוט יותר קרינה סולרית אך אז תעלה גם עלות ההקמה של המע' הפסיבית (כפי שראינו עלות ההקמה היא יקרה למדי למ"ר).

במבנה המדובר 16 מ' הפונים דרומה בגובה 2.8 מ' אך בהם חלונות דלתות מקלחות וארונות כך שרק כ-9 מטרים פנויים להצבת אמצעים סולריים.

כל האמור לעיל הוא לגבי המבנה הנבדק בי-ם, באזורים בהם הקרינה גבוהה יותר, כמו באר-שבע למשל, ניתן להניח כי הכדאיות תגדל.