קול אייר ניוזלטר
אינך רואה את הכתבות? לחץ כאן |  לאתר קול אייר לחץ כאן |  לצפיה בעיתון הדיגיטלי של החודש לחץ כאן |  מי אנחנו  לחץ כאן
קירור פסיבי

קירור פסיבי

כיצד להגדיל את תחושת הנוחות בבניין תוך הורדת עלויות הקירור?

פרופ' דוד פרלמוטר, פרופ' אביתר אראל, פרופ' יצחק מא

 

כאשר מדובר בחימום פסיבי של בניינים, מקור האנרגיה הוא בדרך כלל קרינת השמש. אנרגית השמש זמינה במידה מספקת בכל אזורי הארץ ואופן הניצול שלה דומה, בכולם.
כאשר דנים בקירור פסיבי, המצב מורכב יותר, משני טעמים:
א. האנרגיה העודפת הנמצאת בבניין כוללת חום מוחש, הבא לידי ביטוי בטמפרטורה של רכיבי הבניין ושל האוויר בתוכו, וחום כמוס, הבא לידי ביטוי בתכולת אדי המים באוויר. שיפור הנוחות התרמית יכול להיעשות על ידי הורדת הטמפרטורה, כלומר – סילוק חלק מן החום המוחש אך בתנאים מסוימים עשויה להיות תועלת רבה מאוד גם בהפחתת הלחות. למשל , אוויר בטמפרטורה של 25 מעלות ו 75%- לחות יחסית מכיל יותר חום כמוס מאשר חום מוחש.
ב. בכדי לסלק עודפי אנרגיה מן הבניין דרוש 'אגן סביבתי' (environmental sink) מתאים, כלומר תווך אשר צפיפות האנרגיה שבו נמוכה מזו שבבניין – בין אם מדובר ברכיב החום המוחש ובין אם מדובר בחום הכמוס. למשל אם טמפרטורת האוויר החיצונית נמוכה מזו שבתוך הבניין, ניתן לקרר את הבניין על ידי החדרת אוויר זה לתוכו. ואכן, זוהי השיטה הפשוטה ביותר והנפוצה ביותר לקירור פסיבי – אוורור. אולם, ההבדלים המשמעותיים בתנאי האקלים בין אזורים שונים בארץ משפיעים במידה רבה על קיומו של אגן סביבתי מתאים. ישנם אזורים שבהם ניתן לקרר את הבניין למרות טמפרטורת האוויר הגבוהה, ולעומת זאת, ישנם אזורים שבהם הקירור הפסיבי אינו יעיל למרות שהטמפרטורה של האוויר איננה גבוהה במיוחד – אבל הלחות שלו גבוהה. 
על מנת לבחור את שיטת הקירור המתאימה למקום מסוים, יש אפוא להבין איזה אגן סביבתי נכון לנצל– אם ישנו כזה! בניין יכול לפלוט אנרגיה אל הסביבה באמצעות שני תהליכים פיסיקליים עיקריים: הסעה וקרינה. בנוסף לכך, ישנם מצבים שבהם ישנה תועלת בהמרת חום מוחש לחום כמוס, תהליך המוכר יותר בשם קירור באידוי.
 

קירור בקרינה

קירור בקרינה מתרחש כאשר הבניין מאבד אנרגיה אל סביבתו בקצב העולה על הקצב שבו הוא קולט אנרגיה ממנה. האנרגיה הנפלטת מן הבניין היא בתחום האינפרא אדום (גלים ארוכים) והיא איננה נראית בעין האנושית. האנרגיה הנבלעת על ידי הבניין באה משני מקורות:
*אנרגית שמש ב(גלים קצרים) אשר כחצייה בתחום הנראה.
*אנרגיה הנפלטת ממשטחים שונים בקרבת הבניין, כגון הקרקע או קירות בניינים שכנים ומן האטמוספרה (בגלים ארוכים(.
בליעת האנרגיה האינפרא אדומה מן הסביבה מתרחשת כל שעות היממה. האנרגיה הנפלטת מן הבניין בגלים ארוכים והאנרגיה הנבלעת על ידו באותם האורכי גל הם בעלי סדר גודל דומה. קרינת השמש, לעומת זאת, עשויה להיות בעוצמה גבוהה פי שניים או אף פי שלושה מהקרינה האינפרא אדומה, אך היא מתקבלת רק בשעות היום ובעיקר בשעות הצהריים. מאחר ובשעות אלו שטף הקרינה הנבלע בבניין גבוה בהרבה מזה הנפלט ממנו, יש צורך בבידוד תרמי רב אשר יפחית את רווח החום. קירור הבניין באמצעות פליטת הקרינה אינפרא אדומה יכול להתבצע אפוא רק  בלילה – ובתנאי שניתן לחשוף את המסה התרמית של הבניין אל הסביבה, על ידי הסרת הבידוד התרמי או באמצעות תווך זורם אשר יוביל את האנרגיה אל מקרן מיוחד אשר ימוקם על הגג.
ההפרש בין הקרינה הנפלטת על ידי הבניין בגלים ארוכים בשעות הלילה לבין האנרגיה שהוא קולט מן הסביבה הוא לרוב קטן מאוד. גודלו תלוי בעיקר בכמות הקרינה ארוכת הגל הנפלטת על ידי האטמוספרה. כאשר השמיים מעוננים או כאשר הלחות באוויר גבוהה, פולטת האטמוספרה קרינה רבה באופן יחסי והפוטנציאל לקירור קטן. קירור בקרינה עשוי להיות יעיל אפוא רק כאשר השמים בהירים והאוויר יבש מאוד. תנאים אלו מתקיימים בעיקר במדבר בעוד שבמישור החוף ובצפון הארץ לא ניתן כמעט לקרר את הבניין בשיטה זו.
הקושי העיקרי ביישום מעשי של מערכת לקירור בקרינה נובע מן הצורך בבידוד תרמי על מנת למנוע מעבר אנרגיה לא רצוי בגג – בין אם בשעות היום החמות בקיץ או בשעות הקרות בחורף. מאידך, על מנת לנצל את הגג לצורך קירור הבניין בקרינה, יש צורך בחשיפת המקרן לשמים. לכך קיימים שני פיתרונות: התקנת בידוד נייד על הגג, אשר ניתן לסלקו )באמצעים מכאניים( כאשר מעוניינים בקירור ולהשיבו למקומו בשאר הזמן; או שימוש בתווך זורם אשר ישמש לקישור בין המסה התרמית של הבניין לבין המקרן. תווך כזה יכול להיות אוויר, אשר בא במגע עם המקרן, מתקרר ומועבר לחלל הפנימי של הבניין או מים.
מערכת המתבססת על מים מתוארת באיור 24.12. המים מסוחררים (בלילה בלבד) באמצעות משאבה דרך מקרנים על הגג, מתקררים על ידי פליטת קרינה אל השמים הקרים וחוזרים אל מאגר רדוד הממוקם על הגג. מעבר החום מן הבניין אל המאגר על הגג יכול להתבצע ישירות דרך התקרה או באמצעות מחליפי חום הנמצאים בתוך החלל הפנימי או ברצפתו. 
מערכות לקירור בקרינה יכולות, בתנאי אקלים מתאימים כגון אלו השוררים ברמת הנגב, ליצור הספק קירור של כ 100- ואט למ"ר במשך כל שעות הלילה. עם זאת, הביצועים שלהן בפועל רגישים מאוד למספר מאפייני תכנון:
*איכות הצימוד עם המסה התרמית של הבניין או עם המסה האוגרת של המערכת: ככל שהמקרן מתקרר יותר כך פוחת קצב פליטת החום שלו אל הסביבה. לכן רצוי שהמקרן יהיה בטמפרטורה דומה לזו של החלק החם ביותר בבניין.
*חשיפה לרוח: כל עוד המקרן חם יותר מן האוויר החיצוני, זרימת הרוח מגבירה את קצב איבוד החום, אשר תלוי בסכום של רכיב הקרינה ורכיב ההסעה .כאשר המקרן קר יותר מן האוויר החיצוני, כפי שעשוי לקרות בלילות בהירים, החשיפה לרוח גורמת למעבר חום מן האוויר אל המקרן – ובכך להקטנת יעילותו. עם זאת, ניסיונות שונים להתקין יריעות הגנה בפני הרוח הנמתחות מעל פני המקרן עצמו הוכחו כבלתי יעילות מטעמים שונים. מומלץ כי המקרן יותקן על גג עם מעקה סביבו ללא הגנה אחרת מרוח.
*זווית הטיה כלפי האופק: מקרן המותקן בצורה אופקית חשוף אל החלק ה'קר' ביותר של השמים ,הנמצא במרכז כיפת הרקיע, בדיוק מעלינו, ולכן יעילותו מרבית. ככל שזווית ההטיה של המקרן ביחס לאופק גדלה כך גדלה החשיפה שלו לאזורים חמים יותר של כיפת הרקיע ולמשטחים על פני כדור הארץ, שאף הם חמים ביחס לשמים – ולכן יעילותו פוחתת.
מערכות לקירור קרינתי של בניינים הותקנו ונוסו בהצלחה במספר קטן של בנייני ניסוי, בארה"ב ובישראל. עם זאת, מערכות כאלה עשויות להביא תועלת רק בבניינים בהם שטח הגג גדול מאוד ביחס לנפח הבניין )בניינים חד-קומתיים), ולכן הפוטנציאל שלהן מוגבל.
עם זאת, חשוב לציין כי מאחר ומערכת לקירור בקרינה יכולה לפעול במקביל לאוורור רגיל של הבניין ולהגיע לטמפרטורות נמוכות מטמפרטורת האוויר החיצוני, הן עשויות להביא תועלת כאשר לא ניתן לסלק עודפי חום מן הבניין באמצעות אוורור בלבד.

קירור בהסעה – אוורור

לאוורור הבניין יכולות להיות מספר מטרות, כגון אספקת אוויר צח לדיירים השוהים בו. כאשר טמפרטורת האוויר מחוץ לבניין שונה מן הטמפרטורה של האוויר בתוכו, הסעת האוויר גורמת בהכרח גם למעבר אנרגיה. אם האוויר החיצוני קר מן האוויר הפנימי – הבניין מאבד אנרגיה אל הסביבה. בחורף זהו מצב לא רצוי, אולם בקיץ, אפשר למצל את הפרש הטמפרטורות – כאשר גם בעונות המעבר, ואוורור לילה יכול להקטין מאוד את צריכת האנרגיה לקירור גם בערים כמו תל אביב או אילת, אשר בהן התועלת באוורור בחודשים יולי ואוגוסט איננה רבה. 
קירור בהסעה )אוורור) מתבצע בפועל מבעד לפתחי הבניין – חלונות, דלתות או פתחי אוורור מיוחדים. השפעתם של מאפייני הפתחים על יעילות האוורור תוארה בפרק הדן במערכות זיגוג במעטפת הבניין.
 

קירור באידוי

קירור באוורור וקירור בקרינה מביאים להפחתה בכמות האנרגיה הכוללת בבניין. קירור באידוי, לעומת זאת, אמנם מביא להורדה בטמפרטורה )כלומר הקטנת החום המוחש) – אבל במקביל מביא לעלייה בלחות האוויר הנמצא במגע עם מתקן האידוי (כלומר– הגדלת החום הכמוס שבו).
בדומה לקירור בקרינה או קירור בהסעה, גם היישום של קירור באידוי בבניינים תלוי בתנאי הסביבה. האגן הסביבתי במקרה זה, כמו בהסעה, הוא האוויר הנמצא מחוץ לבניין. אלא שכאשר מדובר באידוי, הפוטנציאל לקירור איננו תלוי רק בטמפרטורה של האוויר (הנתונה על ידי טמפרטורת הגולה היבשה שלו) אלא בתכולת אדי המים בו )המתוארת על ידי טמפרטורת הגולה הלחה). מבחינה תיאורטית טמפרטורת הגולה הלחה היא הטמפרטורה הנמוכה ביותר אליה אפשר לצנן את האוויר על ידי אידוי מים בלבד, בתהליך אדיאבטי.
מבחינה מעשית, רוב מתקני הקירור באידוי אינם מספקים אוויר בטמפרטורה זו, אלא בטמפרטורה הגבוהה ב 2-3- מעלות יותר. בהנחה שאנו מעוניינים שהאוויר המקורר יסופק לבניין בטמפרטורה של 23-24 מעלות לכל היותר )ורצוי אפילו פחות מכך) ,לא ניתן להשתמש בקירור באידוי בסביבה שבה טמפרטורת הגולה הלחה של האוויר החיצוני עולה על כ 21- מעלות.
הערה: המגבלה המתוארת כאן ובדוגמא המובאת בתיבת הטקסט מתייחסות רק לקירור באידוי ישיר, כגון זה הנעשה במצנן המדברי. בקירור עקיף או בקירור דו-שלבי ניתן להגיע לטמפרטורות נמוכות יותר, אולם במקרים אלו מדובר במתקני קירור שהם מכונות לכל
דבר ולא בקירור פסיבי.

שיטות קירור באידוי 

*קירור באידוי ישיר מתקבל כאשר המים מתאדים ישירות אל האוויר אשר מסופק לבניין. האוויר אשר מתקבל הוא אפוא לא רק קריר יותר אלא גם לח מאוד.
*קירור באידוי עקיף נעשה כאשר האוויר המסופק לבניין מקורר באמצעות מחליף חום אשר דרכו זורם גם אוויר אשר מקורר באידוי ישיר באופן ששני מסלולי הזרימה אינם באים במגע. האוויר המסופק לחלל הוא קריר יותר, אך תכולת אדי המים בתוכו אינה גדלה )אם כי הלחות היחסית עולה משום שהטמפרטורה יורדת!(
*קירור באידוי דו-שלבי נעשה במתקן אשר משלב את שני התהליכים אשר תוארו למעלה: אוויר אשר קורר בקירור עקיף מצונן עוד על ידי אידוי מים ישירות בתוכו, לפני שהוא מסופק לבניין. בשיטה זו ניתן להגיע לטמפרטורות הנמוכות ביותר.
 
 
קירור באידוי עקיף וקירור באידוי דו-שלבי דורשים מפוחים ומחליפי חום, ואף כי הם משמשים בבניינים לא מעטים בארץ, לא ניתן לסווג אותם כקירור פסיבי, ולפיכך הדיון בהמשך לא יעסוק במתקנים מסוג זה.
 

מצנן מדברי

מתקן פשוט לקירור באידוי, המכונה מצנן מדברי (איור 24.13), היה נפוץ מאוד בנגב עד לפני שנים אחדות אולם לאחרונה נדחק בידי המזגנים. כיום ניתן למצוא מצננים מדבריים בעיקר במחסנים ובבתי  מלאכה.
 
 
איור 24.14 מראה חתך עקרוני במצנן מדברי: האוויר המסופק לבניין נשאב באמצעות מפוח ומצונן כאשר הוא בא במגע עם הדפנות הלחות של המתקן. הדפנות, אשר עשויות חומר נקבובי וסופג )בדרך כלל צלולוזה) מורטבות באמצעות משאבה קטנה. עודפי המים נאספים בתחתית המיכל ומסופקים שוב לדפנות באמצעות המשאבה.
עלות התפעול של מצנן מדברי נמוכה יותר מזו של המזגן והוא יכול לספק כמויות גדולות של אוויר מצונן. עם זאת, לא ניתן למעשה לשלוט בטמפרטורה של האוויר המסופק והיא תלויה בטמפרטורת הגולה הלחה של האוויר החיצוני. חשוב לציין כי פעולתו התקינה של מצנן מדברי מבוססת על צינון אוויר חיצוני חם אך יבש מאוד ואספקתו לחלל הפנימי. מאחר ולא ניתן לצנן אותו לטמפרטורה נמוכה כדוגמת זו המושגת באמצעות מזגן, יש צורך לספק נפח אוויר גדול יותר. בהתאם לכך יש צורך להשאיר פתח גדול דיו לשחרור אוויר מתוך החדר אל הסביבה, בספיקה הדומה לזו של האוויר אשר מספק המצנן.
בשנים האחרונות משווקים גם מצננים מדבריים 'ביתיים' :מתקנים קטנים וניידים אשר מוצבים בתוך החלל המקורר ולא מחוץ לו. משום כך יעילותם פחותה ובשימוש מוגבר הם אינם תורמים כלל לנוחות התרמית. זאת משום שכאשר אוויר מתוך החלל מצונן באופן רצוף על ידי אידוי מים, תכולת אדי המים עולה מעל התחום אשר בו עדיין ניתן לחוש בנוח. שימוש רצוף במתקנים מעין אלה יוצר שילוב של טמפרטורה גבוהה מדי ולחות גבוהה – ולכן עומס חום גבוה.
 
 
 

מגדלי צינון

במצנן מדברי זרימת האוויר נוצרת באמצעות מפוח חשמלי ולכן המערכת איננה פסיבית לחלוטין. ניתן לקבל זרימה טבעית של אוויר באמצעות מגדל קירור. שלא כמו במגדלי הקירור התעשייתיים, במגדל פסיבי זרימת האוויר מתרחשת מלמעלה כלפי מטה והיא תוצאה של שני מנגנונים:
א. כאשר מאדים מים באוויר יבש )למשל באמצעות מתזים, מערפלים או מזרון לח) האוויר מתקרר – אך גם נעשה צפוף יותר. כאשר המגדל גבוה מספיק, הפרש הלחצים בין חלקו העליון אשר בו מאדים את המים לבין האוויר החם בסביבה גדול מספיק בכדי ליצור שקיעה. מהירות הזרימה נתונה על ידי הנוסחה הבאה: 
 
w  - מהירות זרימה אנכית ]מטר/שנייה[
g  - תאוצת הכובד ]מטר/שנייה [2
z  - הבדל הגובה ]מטר[
Te- טמפרטורת הסביבה ]קלווין[
Tp - טמפרטורת האוויר המקורר ]קלווין[
 
מבחינה מעשית, הפרש הגובה הדרוש על מנת לקבל זרימה משמעותית הוא כ 10- מטרים לפחות–  בהנחה שההתנגדות האוירודינמית של המגדל ושל החלל אליו מסופק האוויר קטנים מאוד.
 
 
ב. זרימת הרוח סמוך לפתחו העליון של צינור אנכי יוצרת כוחות יניקה כלפי חוץ, אשר מסייעים בפליטת העשן מארובה, למשל. מאידך, התקנת כונס רוח מתאים יכולה לא רק למנוע את היניקה כלפי חוץ, אלא לתעל חלק מהרוח פנימה וליצור זרימה כלפי מטה.  
 
 
תכנון הכונס מחייב היכרות עם משטר הרוחות המקומי, בכדי שפתחו יהיה מופנה לעבר הרוח השלטת. ניתן אמנם לבנות כונס מתכוונן, אך התועלת שבכך קרוב לוודאי שאיננה מצדיקה את העלות הכספית הנוספת. התכנון המומלץ לכונס קבוע מתבסס על משטח קעור אשר מטה את זרימת הרוח האופקית בראש המגדל כלפי מטה באופן מיטבי. גיאומטריה זו מתאימה לשימוש גם כאשר במגדל מותקן מפוח אשר מאפשר להגביר את קצב יניקת האוויר כאשר אין רוח. בכל מקרה רצוי להימנע משימוש ברפפות מטיפוסים שונים, משום שהן בולעות חלק מן האנרגיה הקינטית של הרוח ומקטינות את היעילות של הכונס.
 
 
מגדלי הקירור נבדלים ביניהם באופן אספקת המים לאוויר: אם דרוש אידוי מוחלט של המים ניתן להעביר את האוויר דרך מזרונים לחים, בדומה למצנן המדברי, או לספק אותם באמצעות מערפלים היוצרים ענן של טיפות קטנות מאוד, אשר מתאדות לגמרי לפני שהן מגיעות לתחתית המגדל. החדרת האוויר דרך מזרונים מקטינה מאוד את זרימת האוויר, בשל ההתנגדות האוירודינמית שלהם. מאידך, הריסוס בטיפות מים אינו מבטיח אידוי מוחלט בכל תנאי מזג האוויר, כך שדרושה מערכת בקרה אשר תווסת את כמות המים המסופקת בהתאם לכושר האידוי של האוויר. אם בתחתית המגדל ישנה בריכת מים ניתן להסתפק באידוי חלקי של המים ולרסס טיפות גדולות יותר. את המים העודפים הנקווים בבריכה ניתן להזין שוב למתזים באמצעות משאבת סחרור.
 
 

מדריך להקטנת הצריכה באנרגיה לחימום וקירור

המאמר מבוסס על המדריך לבנייה ביו-אקלימית בישראל. המדריך זמין ללא תשלום באינטרנט, הינו מאגר רחב, מעודכן, אינטראקטיבי ויישומי אודות בנייה בת-קיימא והוא מכיל חומר תיאורטי ויישומי (עד לרמת פרטי הבנייה), ביבליוגרפיה נרחבת ומעודכנת בנושא וכן ארבעה כלים אינטראקטיביים: הדמיה תלת ממדית של מסלול השמש בעונות השונות של השנה, מפה פסיכרומטרית המאפשרת לאמוד את תנאי הנוחות התרמית ואת הצורך בחימום או בקירור, כלי גרפי לתכנון הצללה של חלונות וסימולטור אינטראקטיבי המאפשר לדמות את טמפרטורות פנים המבנה בהתייחס להחלטות תכנוניות שונות, כגון פנות של חלונות, גוון מעטפת, בידוד, מסה תרמית ועוד. כלי זה מאפשר למתכנן לקבל החלטות תכנוניות בצורה מושכלת, תוך מתן דגש על הנוחות התרמית של הדייר ועל כן תוך ניסיון למזער את הצריכה באנרגיה לחימום וקירור.
כיוון שבמדינות מתועשות יותר מ-40% מהאנרגיה הנצרכת מושקעים בחימום, קירור, אוורור ותאורה של בניינים, נושא זה מתפרס במדריך, החל ממושגי יסוד, דרך תכנון הבניין הנכון, שילוב שיטות ומערכות פסיביות, תאורה ובוהק ועד לפוטנציאל שבמערכות חלופיות, מגגות ירוקים ועד לקירור באידוי. כל אלה מלווים בדרכים לחישוב כמותי ובהנחיות קונקרטיות ליישום, לרבות השוואת הפתרונות המומלצים לתקנים.
המדריך נכתב והופק על ידי פרופ' דוד פרלמוטר, פרופ' אביתר אראל, פרופ' יצחק מאיר (סאקיס), פרופ' יאיר עציון ופרופ' יודן רופא מהיחידה לאדריכלות ובינוי ערים במדבר, במחלקה לאדם במדבר והמכון לחקר סביבות צחיחות, המכונים לחקר המדבר ע"ש יעקב בלאושטיין, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב, במימון אגף מחקר ופיתוח של משרד התשתיות הלאומיות.