חימום פסיבי

חימום פסיבי

כיצד להגדיל את תחושת הנוחות בבניין תוך הורדת עלויות החימום. מאמר ראשון בסדרה

פרופ' דוד פרלמוטר, פרופ' אביתר אראל, פרופ' יצחק מ
גם בניין אשר מתוכנן היטב בהתייחס לאקלים ולסביבה יזדקק בדרך כלל לחימום או קירור
על מנת לשמור על תנאי פנים נוחים, לפחות במהלך חלק מן השנה. אפשר להקטין את
התלות באנרגיה בלתי-מתחדשת לאקלום הבניין על ידי קליטת אנרגיה מן הסביבה
בחורף או על ידי פליטת עודפי חום אליה בקיץ. כאשר מעבר האנרגיה נעשה בצורה
מבוקרת אך ללא הפעלת מערכות כלשהן, נהוג לכנות אותו 'פסיבי' (עם זאת, יש
המכנים את מעבר האנרגיה 'פסיבי' גם כאשר נדרשת אנרגיה חשמלית מסוימת להפעלת
מערכות הבקרה או שינוע האנרגיה, בתנאי שהיחס בין האנרגיה הזו לבין החיסכון באנרגיה בבניין עולה על  1:50).

מעבר אנרגיה בבניין ובין הבניין והסביבה

על מנת שמעבר האנרגיה בין הבניין והסביבה יתרחש באופן מבוקר אשר יתרום לנוחות בבניין, יש לבודד את המעטפת שלו היטב ולאפשר מעבר חום רק כאשר יש בכך צורך – לחימום או לקירור. מערכת לחימום או לקירור פסיבי של בניין כוללת שלושה רכיבים עיקריים:
א. מחליף חום עם הסביבה
ב. מערכת אגירה
ג. מערכת להובלת האנרגיה בתוך הבניין
כל אחד מן הרכיבים האלה יכול להיות חלק מן הבניין עצמו, אשר משמש גם למטרות אחרות או רכיב ייעודי אשר נוסף לבניין למטרה זו בלבד.

חימום פסיבי

על מנת לחמם את הבניין באופן פסיבי יש לאתר בסביבה מקור אנרגיה זמין ומתאים לשימוש. האנרגיה הזו עשויה להיות גיאותרמית למשל, אך ברוב ארצות העולם )כולל אלו באקלים קר מאוד), מקור האנרגיה העיקרי הינו קרינת השמש. מאחר ובישראל קרינת השמש מצויה בשפע, בעוד שמקורות אחרים לאנרגיה מתחדשת הם זניחים נתמקד רק באנרגיית
השמש כאמצעי לחימום בניינים.



רכיבי המערכת של החימום הסולרי

מערכת החימום הסולארי בבניינים דומה בעיקרה לכל מערכת סולארית. לשם המחשה ניתן להשוותה למערכת הנפוצה לחימום מים לשימוש ביתי – אותו דוד שמש המצוי על גגותינו. במקרה של דוד השמש הנפוץ יחידת הקליטה כוללת לוחות גדולים, מזוגגים וכהים אשר מוצבים על הגג; מערכת האגירה הינה דוד המים, אשר בדרך כלל מוצב אף הוא על הגג; ומערכת ההולכה היא צנרת המים המובילה אל הברזים בתוך הבניין.

מחליף חום עם הסביבה: קולט השמש

הקולט הפשוט והנפוץ ביותר הינו חלון - חלון רגיל בקיר או בגג אשר דרכו חודרת קרינת שמש ומחממת את הבניין. שיטה זו, המכונה חימום סולארי 'בקליטה ישירה' היא ללא ספק הנפוצה ביותר. עם זאת ניתן להתקין קולטים ייעודיים אשר אין להם שימושים נוספים, לרוב על גג הבניין. "הרווח הסולארי" (solar gain) של המערכת הסולארית הוא ההפרש בין כמות אנרגית השמש המנוצלת לחימום הבניין הנצברת על ידה לבין הפסדי האנרגיה מהבניין המתרחשים דרכה. כך למשל חלון החשוף לשמש מחדיר לבניין את מרבית קרינת השמש הפוגעת בו, אבל גם מפסיד אנרגיה מהבניין החוצה בהולכה ובקרינה. ניתן להגדיל אל הרווח הסולארי על ידי תכנון מתאים של הקולט, בין אם הוא חלון ובין אם הוא מתקן ייעודי אחר.

פנות (Orientation) 

בחירת הפנות הנכונה של האלמנטים הקולטים הנה אולי ההחלטה הראשונה והחשובה ביותר בתהליך התכנון של מערכת חימום סולארית. בישראל הפנות המועדפת לצורך זה היא תמיד הדרומית, משום שבחורף, כאשר יש צורך באנרגיה לחימום, שטף קרינת השמש על משטח הפונה לכיוון דרום גבוה בהרבה משטף הקרינה על משטחים הפונים לכיוונים אחרים.
איור 24.2 מראה את התפלגות קרינת השמש הממוצעת לפי הפנות של הבניין בנגב. בחורף מרבית קרינת השמש נופלת על החזית הדרומית של הבניין, בעוד שבקיץ (כאשר אין צורך באנרגיה לחימום), מרבית קרינת השמש נופלת על החזית המזרחית והחזית המערבית של הבניין. אף כי בצפון הארץ ישנה פחות קרינת שמש בחורף מאשר בנגב, גם בגליל ישנה עדיפות ברורה להפניית הקולטים לכיוון דרום.

חשוב לציין כי אף כי קולט הפונה לכיוון דרום יהיה חשוף לקרינת השמש הרבה ביותר, בייחוד בחורף- הירידה בכיוונים אחרים הינה הדרגתית וההפסד הנוצר כתוצאה מפנות שאיננה מיטבית איננו גדול עד לסטייה של כ 45- מעלות מזרחה או מערבה מן הדרום. ישנה אפוא גמישות מסוימת בתכנון מיקומם של הקולטים – בייחוד אם מדובר בחלונות הבניין, אשר ישנם שיקולים אדריכליים רבים העשויים להשפיע על גודלם ומיקומם. מאידך, חשוב לציין כי כאשר מדובר בחלונות, ככל שהסטייה מכיוון דרום גדולה – מערבה או מזרחה - כך גדל גם העומס על הבניין בקיץ.

זווית ההטיה כלפי האופק (Tilt Angle)

בהנחה שהקולט פונה לכיוון דרום, ישנה חשיבות גם לזווית שבה הוא ניצב ביחס לאופק. כמות הקרינה המרבית בחישוב שנתי מתקבלת על קולט הקבוע בזווית הטיה כלפי האופק השווה לקו הרוחב הגיאוגרפי.
בישראל זווית זו היא כ 30- מעלות. עם זאת, מומלץ כי הקולט יותקן בזווית גדולה יותר כלפי האופק, כ45 – מעלות, משום שזו הזווית אשר בה יתקבל שטף הקרינה המרבי בחורף, כאשר הצורך בחימום הוא רב.
כאשר 'מערכת הקליטה' היא בפועל חלונות הבניין זווית ההטיה היא לרוב אנכית (הזיגוג ניצב לרצפה), משיקולים אדריכליים אחרים: שימוש יעיל יותר בחלל הפנימי ואפשרות להתקנת תריסים ומסתורים אחרים.

חומרי זיגוג

ברוב הקולטים (אם כי לא בכולם!) מותקנת שכבת זיגוג שתפקידה להקטין את איבוד האנרגיה מן הקולט הנמצא במגע עם האוויר בסביבה, שהוא לרוב קר במידה משמעותית ממנו. כמובן שכאשר חלונות הבניין משמשים גם כקולט סולרי ישנם לזיגוג גם תפקידים רבים נוספים.
בכדי למלא את תפקידם במערכת לקליטת אנרגית השמש על חומרי הזיגוג להיות בעלי שני מאפיינים עיקריים: א. עליהם להיות שקופים ככל האפשר בכדי לאפשר מעבר של קרינת השמש אל גוף הקולט. ב. עליהם להיות בעלי מולכות תרמית נמוכה בכדי למנוע הפסדי חום מהקולט.
חומר הזיגוג השכיח ביותר הוא זכוכית, משום שהיא שקופה כמעט לחלוטין לקרינת שמש. עם זאת, יש לזכור כי שיעור קרינת השמש החודר דרך הזכוכית הוא פונקציה של זווית הפגיעה של הקרינה במשטח הזכוכית  incidence angle)- איור  .(24.3
דיון מורחב בתכנון מערכות זיגוג בבניינים נמצא בפרק 23 העוסק בעיקר בחלונות. כאשר הקולט איננו משמש גם כחלון ניתן כמובן להתעלם ממרבית השיקולים העוסקים בהשפעתו של הזיגוג על התנאים האקוסטיים או הויזואליים בבניין והתמקד בשיקולים התרמיים בלבד.

מניעת הצללה על הזיגוג

גם אם הקולט מתוכנן ומותקן בצורה מיטבית יעילותו בפועל עלולה להיות קטנה מאוד אם לא יהיה חשוף לקרינת השמש. קולט שמש יהיה כמעט תמיד חשוף לקרינת שמש מפוזרת  )מכיפת הרקיע) או קרינה מוחזרת (מן הקרקע או מבניינים אחרים), אך בימים בהירים הקרינה הישירה מהווה בין 85-80 אחוזים מסך הקרינה. לכן חשוב כי הקולט – בין אם מדובר בחלון ובין אם מדובר בקולט ייעודי – לא יהיה נתון בצילם של בניינים שכנים, צמחייה או אפילו חלקים אחרים של הבניין עצמו. ככל שצפיפות הבנייה גדולה, כך קשה יותר להבטיח זכויות שמש מלאות, אולם עם קצת מחשבה ותשומת לב בזמן עריכת התב"ע ניתן להגדיל מאוד את שיעור הדירות הנהנות מן האפשרות לנצל את אנרגיית השמש לחימום.
מאידך, חובה על המתכננים לבחון אם בניינים קיימים עלולים להטיל צל על הבניינים שלהם ולבחון גם את האפשרות שבניינים אחרים אשר יוקמו בעתיד בהתאם להוראות התב"ע לא יעשו כן. במקרה כזה מומלץ להימנע מהתקנת מערכת ייעודית לחימום סולרי אלא אם ניתן למקם אותה כך שתיהנה מחשיפה מלאה לשמש. איור 24.4 ממחיש את הקושי שבהבטחת זכויות שמש לבניינים ואת הנזק אשר נגרם כתוצאה מכך.
אם החלונות מהווים את מערכת הקליטה והם אינם נהנים משמש ישירה מומלץ להקטין את השטח שלהם למינימום הנדרש מטעמי אוורור, פתיחה אל הנוף וכיו"ב, משום שאיבוד האנרגיה דרכם בחורף ורווחי חום לא רצויים בקיץ )בהולכה) עלולים להיות לנטל תרמי על הבניין העולה על התועלת שבהתקנתם.

מערכת אגירה

תפקידה העיקרי של מערכת האגירה הינו לאגור אנרגיית שמש אשר תשמש לחימום הבניין בתקופות שבהן איננה זמינה )למשל – בלילה) או שבהן איננה זמינה במידה מספקת )למשל – בימים מעוננים(.
עם זאת, למערכת האגירה ישנו גם תפקיד שני: לווסת את הקצב שבו אנרגיית השמש מסופקת לחלל הבניין לצורך חימומו, בכדי למנוע חימום יתר. בימים בהירים בהם יש קרינת שמש חזקה יתכן כי בשעות הצהרים שטף הקרינה הנקלט על ידי המערכת עולה על האנרגיה הדרושה לקיום החלל בטמפרטורה הרצויה. כתוצאה מכך, עלולה הטמפרטורה בבניין לעלות מעבר לתחום הרצוי. בתגובה, עלולים דיירי הבניין לנטרל במידה חלקית או מלאה את מערכת הקליטה )למשל – על ידי סגירת תריסים) או לסלק את עודפי החום החוצה )למשל – על ידי פתיחת חלונות). בשני המקרים, הפוטנציאל לחימום איננו בא לידי ביטוי במלואו ויתכן כי חוסר האנרגיה יורגש בשעות אחרות.
יעילותה של מערכת האגירה תלויה בשני גורמים: כושר הקיבול התרמי שלה והאופן בו היא קולטת אנרגיה ומשחררת אותה.

כושר הקיבול של מערכת האגירה

יכולתה של מערכת האגירה להכיל אנרגיה תלוי בכמות החומר (במסה שלו) ובחום הסגולי של החומר. לחילופין, ניתן לאמוד את כמות החומר הפעיל בהתאם לנפחו, בייחוד אם לא מנצלים את המסה התרמית של הבניין עצמו ומתקינים מאגר הנבנה במיוחד למטרה זו.
המסה התרמית הזמינה לאגירת אנרגיה אינה בהכרח כל המסה של הבניין. יעילותה של המסה התרמית נקבעת על ידי היחס בין המוליכות התרמית של החומר וקיבול החום הנפחי: ככל שהמוליכות התרמית של החומר גבוהה יותר, האנרגיה נבלעת מהר יותר ומגיעה לעומק רב יותר; ככל שקיבול החום הנפחי גדול יותר, יקטן העומק הפעיל באגירת חום במשך זמן נתון.
מאחר והבליעה והפליטה של החום במסה התרמית של הבניין מתרחשים בצורה מחזורית בהתאם לשעות היממה, נמצא כי עבור חומרי הבנייה המקובלים, כגון בטון, העובי האפקטיבי של המסה התרמית (במחזור של 24 שעות) הוא בין 12-6 ס"מ בלבד. מכאן ברור שאין צורך לבנות קירות שעוביים גדול בהרבה ממידות אלה, אם הקיר אוגר ופולט אנרגיה מצד אחד בלבד.

טעינה ופריקה

ככל ששטח הפנים של מסת האגירה גדול ביחס לנפחה, כך יהיה תהליך הטעינה שלה יותר יעיל. מאידך, גם תהליך הפריקה יהיה מהיר יותר, באותה מידה. טעינת המסה התרמית נעשית בשלשה אופנים:
א. חשיפת ישירה של פני החומר לקרינת השמש – זוהי הדרך היעילה ביותר והיא מוגדרת כ"טעינה ראשונית".
ב. קליטת אנרגיה בקרינה ממשטח "שכן" החשוף כולו לשמש. זו מוגדרת כ"טעינה שניונית". במקרה הזה טמפרטורת הקרינה הממוצעת  (mean radiant temperature) של הגוף המקרין )השכן( חייבת להיות גבוהה יותר מטמפרטורת המשטח החיצוני של המסה האוגרת.
ג. קליטת אנרגיה בהסעה מאוויר חם הזורם בסמוך למסה האוגרת. זו מוגדרת כ"טעינה שלישונית" והיא הפחות יעילה מבין מנגנוני הקליטה. במקרה זה האוויר בקולט חייב להתחמם לטמפרטורה גבוהה מזו של המשטח החיצוני של המסה האוגרת, לפני שמתחילה העברת אנרגיה מהאוויר אליו.
פריקת המסה התרמית נעשית בעיקר על ידי קרינה ארוכת גל ועל ידי הסעה באמצעות האוויר הנמצא בסמוך לפני המסה.

מערכת להובלת החום בבניין

לאחר קליטתה של אנרגית השמש במערכת הקליטה יש לפזר אותה בכל רחבי הבניין המחומם. פיזור החום בבניין תלוי מאוד בשיטת האגירה ובתכנונו של הבניין. 
אחד האתגרים העיקריים בתכנון מבנים סולאריים הוא להשיג פיזור חום טבעי ללא צורך במערכת מכאנית שתוכל להעביר את האנרגיה ממקום אחד בבניין אל החדרים המחוממים. רצוי למקם את קולטי האנרגיה בחללים המחוממים עצמם או בסמוך אליהם ורק אם מיקום כזה אינו אפשרי להשתמש במערכת הסעת אנרגיה המופעלת באמצעות מפוחים או משאבות.
יש לדאוג לפיזור אחיד של החום בחלל המחומם בכדי שלא ייווצרו אזורים חמים יותר או פחות בתוך החלל. אלה יכולים להיווצר במיוחד ליד הרצפה ובסמוך לתקרה. בחללים המחוממים בקליטה ישירה אשר בהם מספיקה מסה ראשונית או שניונית לאגירת האנרגיה, הדבר נעשה כמעט מאליו על ידי העברת אנרגיה בקרינה בין הקירות ובהסעה בין הקירות לבין האוויר. התוצאה המתקבלת היא שבדרך כלל טמפרטורת הקירות קרובה מאוד לטמפרטורת האוויר ומתקבלת נוחות תרמית גם בטמפרטורות נמוכות יותר מחדרים שבהם הקירות קרים יותר מהאוויר.


לפעמים יכולים להיווצר הבדלי טמפרטורה בחללים סולאריים בגלל בידוד לא מספיק של חלק מהקירות או בשל איבוד אנרגיה רב דרך החלונות. בחללים המחוממים במערכות תרמו-סיפוניות, כגון קירות טרומב מאווררים, עלול להיווצר ריבוד אנכי של הטמפרטורות משום שהאוויר המחומם חודר אל החדר קרוב לתקרה ויש לדאוג לכך שיידחף כלפי מטה באמצעים מכאניים (למשל מאוורר תקרה). במערכות של אגירה רחוקה, שאינן כמעט בשימוש בארץ, ניתן לקבל חימום אחיד דרך רצפת החלל.
אם אנרגיה רבה מדי מצטברת בחלל המחומם והטמפרטורה בו עולה מדי ניתן להעביר את חלקה לחללים אחרים ללא אמצעים מיוחדים, אפילו רק על ידי פתיחת דלת. ככל שפתח הדלת גבוה יותר יעילות העברת האנרגיה תגדל ומומלץ להגביה את הפתח עד לגובה התקרה, באמצעות חלון עליון.
בבניינים המנצלים אגירה רחוקה של אנרגיה תמיד תהיה דרושה מערכת -  קרוב לוודאי מכאנית – להעברת האנרגיה אל החללים הדורשים את החימום. העברה זו תעשה בהסעה. במקרים כאלה יש להתגבר על התנגדות האוויר והחיכוך בתעלות האוויר והדבר כמובן מקטין את היעילות האנרגטית של המערכת. כתוצאה משימוש במפוחים או מאווררים עלול גם להיווצר מטרד רעש בחללים אליהם מגיעות התעלות.

מדריך להקטנת הצריכה באנרגיה לחימום וקירור

המאמר מבוסס על המדריך לבנייה ביו-אקלימית בישראל. המדריך שזמין 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. 










פי.סי.חץ