חימום פסיבי

חימום פסיבי

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

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

 

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 באמצעות מערכות סולריות.

מערכת קליטה ישירה

מערכת ל'קליטה ישירה' היא המערכת הפשוטה ביותר בין מערכות החימום הסולרי. זוהי המערכת היחידה כמעט בה נעשה שימוש בישראל, בעיקר בגלל שיקולי עלות. עלותה הנמוכה של המערכת הזו נובעת מכך שעיקרה הוא רכיבים הקיימים ממילא בבניין הישראלי האופייני – הקליטה נעשית באמצעות החלונות ואגירת החום נעשית בקירות וברצפה. לעתים יש צורך לשנות במקצת את גודלם של הרכיבים האלה, אבל בעיקרו של עניין אין בכך תוספת משמעותית לעלות הבניין.
כיוון החלונות הקולטים הוא לכיוון דרום. בשל זווית הגובה הנמוכה יחסית של השמש בחורף, קרינת השמש הישירה פוגעת בחלון )בעיקר בשעות הצהריים בהם הקרינה חזקה במיוחד) בזויות הקרובות לניצב, כך שכמעט כל הקרינה חודרת לבניין מבעד לזכוכית. בקיץ נמצאת השמש בזוית רום גבוהה יותר ולכן זווית הפגיעה של קרניה בזיגוג היא שטוחה יחסית וחדירתה דרך הזיגוג קטנה יותר )עם זאת מודגש שתכונה זו בלבד לא תמנע התחממות חללי הבניין במשך הקיץ כתוצאה מהקרינה ויש להגן על משטח הזיגוג באמצעים אחרים).
הבניין הסולרי זקוק לכמות מספקת של מסה לאגירת האנרגיה הנקלטת על ידי החלונות הדרומיים. לצורך זה משמשים הקירות החיצוניים (בתנאי שהבידוד התרמי הוא חיצוני), תקרות, רצפות ומחיצות פנימיות הבנויות מבלוקי בטון (לא מחיצות גבס). במשך היום המסה הזו אוגרת את קרינת השמש הפוגעת בה ובלילה היא משחררת אותה לחלל הבית. כך מושגת בתוך הבניין משרעת טמפרטורה קטנה בהרבה מזו הקיימת בחוץ. כל רכיבי המערכת הסולרית חייבים להיות מתואמים ביניהם: חלונות גדולים מדי ומסת אגירה מעטה מדי, למשל, עלולים לגרום להתחממות יתר.
יתרונות מערכת הקליטה הישירה:
• מערכת הקליטה הישירה היא המערכת הפשוטה והזולה ביותר להתקנה. ברוב המקרים היא דורשת רק למקם חלונות ופתחים מזוגגים הדרושים בלאו הכי בבניין בחזית הדרומית  (בעדיפות על פני החזיתות האחרות ( והתאמת גודלם לשיעור האנרגיה שמבקשים להשיג מקרינת השמש.
• כל החומרים והאמצעים הטכניים הדרושים לבניית מבנים עם קליטה ישירה זמינים מהמדף ואינם מייקרים כמעט את עלות הבניין.
• כל רכיבי המערכת אינם מתחממים לטמפרטורות גבוהות ולכן ההפסדים קטנים.
 
חסרונות מערכת הקליטה הישירה:
• ניתנת ליישום רק בחללים אשר יש בהם חלון הפונה לדרום.
• שטחי זיגוג גדולים יכולים לגרום לבוהק בחלל המחומם.
• הקרינה האולטרה-סגולה ((UV שהיא חלק מקרינת השמש גורמת לדהיית חפצים בחדר המחומם.
• הטמפרטורה הקרינתית הממוצעת במקומות בהם ישנם כתמי שמש בתוך החדר גבוהה מאוד אפילו בחורף ויכולה לגרום לאי-נוחות תרמית.
• אם אין אפשרות לבודד את החלונות בלילה) למשל באמצעות תריסים) נגרם איבוד אנרגיה רב.
• חלונות גדולים עלולים לגרום לאובדן פרטיות, בעיקר בלילה.
 
 
 
 

קליטה בלתי ישירה

בשיטת הקליטה הבלתי ישירה, מערכת הקליטה כוללת שמשה החשופה לשמש ומאחוריה קיר מסיבי וביניהם חלל אוויר. ישנן מספר וריאציות שונות של שיטה זו, הנבדלות זו מזו במיקום הבידוד התרמי בקיר ובאופן הבקרה על תנועת האוויר ברווח שבין הזכוכית והמסה התרמית. הקיר יכול להיבנות מכל אחד מחומרי הבניה הכבדים – בטון, סיליקה, לבנים, אבן, אדמה וכו'.
בשיטת הקיר האוגר מחומם הקיר שמאחורי הזיגוג ומעביר את האנרגיה אל החלל המחומם רק בהולכה דרך הקיר. החום מועבר מן הצד הפנימי של הקיר אל החלל המחומם בקרינה ובהסעה (של אוויר הקרוב למשטח הפנימי של הקרי המחומם). פיגור הזמן הנוצר בחימום החלל המחומם תלוי בעובי הקיר ובחומר ממנו הוא עשוי. פיגור זמן אופייני בבטון הוא כ- 20  18 דקות לכל ס"מ של עובי הקיר.
בקיר טרומב ישנם פתחים בחלקו העליון ובחלקו התחתון, המאפשרים לאוויר לזרום בחופשיות
מהחלל הפנימי בבניין אל המרווח שבין הזיגוג לבין הקיר ובחזרה. כאשר הקיר חשוף לקרינת שמש ומתחמם, האוויר הנמצא ברווח שבינו לבין הזכוכית מתחמם אף הוא, עולה למעלה וחוזר דרך הפתח העליון אל החלל המחומם.
 
 
 
במקומו חודר למרווח אויר קר יותר המגיע מהחלל המחומם. האוויר הנמצא בחלל שבין משטח הזיגוג לבין הקיר האוגר עשוי להגיע לטמפרטורות גבוהות יחסית – בישראל יכולה הטמפרטורה לעלות עד כדי 60 מעלות צלזיוס. בתהליך מחזורי זה מועברת אנרגית השמש בהסעה אל החלל המחומם. בנוסף לחימום בהסעה מתקבל גם חימום בהולכה דרך הקיר, מאחר והמשטח החיצוני של הקיר (זה הפונה אל הזיגוג) מתחמם ומגיע לטמפרטורות גבוהות יותר מאלה הקיימות בצדו הפנימי של הקיר. זהו מנגנון יעיל– פיגור הזמן של רכיב החימום בהסעה יכול להיות קצר יחסית, כך שהחימום יתחיל כמעט מיד עם חשיפת הקיר לקרינת השמש – ואילו החימום בהולכה יאחר במספר שעות. מערכת זו מאפשרת להאריך את זמן החימום המתקבל מהקיר למשך רוב שעות היום וגם לשעות הראשונות של הלילה. חשוב לשים לב כי בשעות הלילה יתקרר החלל שבין הזיגוג לבין הקיר האוגר ועלולה להיווצר בו זרימה הפוכה – האוויר בתוכו יזרום כלפי מטה, ימשוך אוויר חם מחלקו העליון של החלל המחומם ויחדירו חזרה אל החלל המחומם בטמפרטורה נמוכה יותר. למניעת התופעה הזו יש לדאוג לסגירת הפתחים בתחתית ובראש הקיר בשעות הלילה בעזרת מדפים שניתנים לפתיחה ולסגירה.
קיר האגירה המבודד הוא במהותו קיר טרומב שבו קיר האגירה הנמצא מאחורי הזיגוג מבודד מצידו הפנימי )צד חלל הבניין). בשיטה הזו נמנעת כל העברת אנרגיה מהחוץ פנימה בהולכה ובקרינה וכל האנרגיה מועברת אל תוך החלל בהסעה – טבעית או מאולצת (על ידי מערכת מכנית). היתרון של מערכת כזו הוא שפיגור הזמן שלה הוא קצר יחסית והחימום מתקבל בחלל המחומם בסמוך לחשיפת הזיגוג לשמש. יעילותה של מערכת זו היא נמוכה יותר מאלה שנמנו קודם, בעיקר משום שהקיר האוגר, שטמפרטורת צדו הפונה אל הזיגוג יחסית גבוהה, מקרין חום החוצה דרך הזיגוג וגורם להפסדים גדולים יותר.

יתרונות הקליטה הבלתי-ישירה:

• בעיות הבוהק והנזקים הנגרמים על ידי הקרינה האולטרה סגולה בקליטה הישירה נמנעים.
• אין בעיית פרטיות.
• בדרך כלל משרעת הטמפרטורה בתוך החלל המחומם קטנה יותר מאשר בבניינים מחוממים בקרינה ישירה.
• ניתן בקלות יחסית לווסת את פיגור הזמן שבין קליטת האנרגיה על ידי המערכת לבין העברתה אל החלל המחומם בכדי להתאימה לצורכי הדיירים ובכדי לקבל ניצולת גבוהה של המערכת.

חסרונות הקליטה הלא ישירה:

•כמו בקליטה הישירה, גם קיר האגירה מתאים ליישום בעיקר בחזית דרומית.
• בהשוואה לקליטה הישירה, קיר קולט יקר בהרבה: הוא כולל קיר בנוי וזיגוג גם יחד.
• המשטח של הקיר האוגר הוא יחסית חם ומאחר והוא נמצא קרוב מאוד לזיגוג הוא חשוף יותר לטמפרטורות החיצוניות. התוצאה היא איבוד משמעותי של אנרגיה דרך המשטח המזוגג: יעילות המערכת נמוכה במידה ניכרת ביחס לקליטה ישירה.
• המערכת מגדילה את עובי הקיר החיצוני ובכך מקטינה את השטח הפנימי הנותר של בניין
במעטפת נתונה (לפי תקנות הבנייה, מביאים בחשבון את עובי הקיר בחישוב שטח הדירה, ובדרך כלל הוא נחשב גם לצורך ארנונה.(
• הצורך בשטח זיגוג גדול המופנה דרומה בא על חשבון פתחים מזוגגים אחרים הרצויים בחללי הבניין, לאוורור ולמאור.
• קשה לנקות את הצד הפנימי של השמשה הפונה כלפי הקיר האוגר.
 
 

קליטה מרוחקת

במערכות קליטה מרוחקת קולט השמש אינו קשור ישירות לחלל המחומם ויכול להימצא גם במרחק מה ממנו. במערכות פסיביות אמיתיות, העברת האנרגיה בין הקולט לבין מסת האגירה או החלל המחומם או לשניהם ביחד, נעשית באמצעות הסעה תרמו-סיפונית. במערכות אלה האוויר החם המצטבר בקולט השמש מתחמם ועולה כלפי מעלה. אם החלל המחומם או מתקן האגירה נמצא מעליו יזרום האוויר ממנו אליהם בזרימה תרמו-סיפונית. עם התקררותו של האוויר בחלל המחומם הוא יזרום בחזרה אל הקולט, יחומם שוב ויזרום חזרה אל החלל המחומם. טבעת הזרימה הזו תימשך כל עוד יקלוט קולט השמש די קרינה לחימום האוויר לטמפרטורה שתאפשר אותה. במערכות היברידיות ההסעה מבוצעת גם באמצעות מפוחים ומאווררים. איור 24.9  מראה יישום אפשרי של מערכת חימום מרוחקת, הכוללת גם אגירה מיוחדת במרתף.
המערכת התרמו-סיפונית מורכבת מקולט שמש שאין בו אגירה תרמית, הממוקם במקום הטוב ביותר האפשרי לקליטת שמש בעונת החורף - מבחינת הפנות וההטיה- ומתחת לחלל המחומם או מסת האגירה. הקולט דומה במבנהו לקולט המים הפופולארי של מערכות ביתיות לחימום מים, אלא שבמקום מים מזרימים בו אויר: לוח זיגוג הממוקם מספר סנטימטרים לפני לוח מתכת כהה המבודד בצדו האחורי. כניסת האוויר אל הקולט הזה תהיה מהצד התחתון, יציאת האוויר תהיה בחלקו העליון. זרימת האוויר בין החלקים השונים של המערכת מונעת בכוח הפרש הצפיפות שבין האוויר הקר לבין האוויר החם. בלילות יש צורך לדאוג להפסקת הזרימה של האוויר במערכת, שכן תנאי הלילה עלולים ליצור זרימה הפוכה – להעביר אוויר חם דרך הקולט, לקררו ולהחזירו לחלל המחומם. בקיץ ניתן לנטרל את המערכת על ידי פתיחת נתיבי ההובלה של האוויר והוצאת האוויר החוצה או על ידי כיסוי הקולט.
 
 
 
יתרונות הקליטה המרוחקת:
• הזיגוג בקולט אינו משפיע על תפקוד החדרים, כך שבעיות הבוהק, הקרינה האולטרה סגולה והפרטיות אינן קיימות.
• גודל השטח המזוגג אינו תלוי בתכנון של שאר הבניין.
• ניתן לחמם בעזרתה גם חללים שאינם פונים לדרום.
• קל לבטל את פעולתה בימים חמים שבהם אין צורך באנרגיה נוספת.
 
חסרונות הקליטה המרוחקת:
• היעילות התרמית של מערכות אלו נמוכה.
• רק תכנון זהיר וקפדני יבטיח זרימת אוויר יעילה בין הקולט לבין החלל המחומם.
• אנרגית החימום נמסרת לחלל המחומם בהסעת אויר חם. אגירת אנרגיה שמקורה באוויר חם קשה יותר ופחות יעילה מאגירה שנעשית על ידי הקרנת המסה האוגרת בקרינה ישירה או אפילו משנית.
• אם קולט השמש אינו ממוקם מתחת לחלל המחומם ו/או מסת האגירה, העברת החום דורשת מפוח (ולכן אינה פסיבית לגמרי).
 

חממות

מהבחינה הטכנית החממה הצמודה לבניין היא תת סוג נוסף של מערכות קליטה לא ישירה, אולם בשל שימושיה האדריכליים והפופולאריות העולה שלה ראוי להתייחס אליה באופן נפרד. באנגלית נקראת החממה "חלל-שמש" ((Sunspace  השם עצמו מצביע על שונותה של החממה מאמצעי חימום אחרים.
 
 
 
החממה היא חלל צמוד לקיר הדרומי של הבניין שחלק ניכר מדפנותיו וגגו עשויים זכוכית. חלל החממה מחומם על ידי האנרגיה הסולרית החודרת דרך הזיגוג, אגירת האנרגיה נעשית בקיר אוגר הממוקם בין החממה לבין החלל המחומם, ברצפת החממה, בכל מסה אוגרת אחרת הנמצאת בתוך החממה או במסה האוגרת של החלל המחומם עצמו. במקרה האחרון הובלת האנרגיה תהיה על ידי הסעה מחלל החממה אל החלל המחומם, שם תבלע האנרגיה על ידי המסה של החלל המחומם. רצוי לבודד את כל האלמנטים שהם בעלי פוטנציאל אגירה בתוך החממה עצמה בכדי שכל האנרגיה הנוצרת בחממה תוכל להיות מועברת אל החלל המחומם. העברת האנרגיה הזו יכולה להיעשות בצורה פסיבית או בעזרת מפוח. ההעברה הזו צריכה להיות מהירה יחסית, שכן אחרת תעלה הטמפרטורה של חלל החממה וההפסדים החוצה דרך משטחי הזיגוג הגדולים יהיו משמעותיים.
מאחר והחממה אינה חלק אינטגראלי של הבניין אין צורך להשקיע בה אנרגיה במקרה שהטמפרטורה שלה יורדת מתחת לרצוי, אבל אז יש לחסום את מעבר האנרגיה מתוך הבניין אל החממה.
חממה צמודה ניתנת לשימוש בשני אופנים:
א. כחלל עזר לבניין המחומם בקליטה ישירה. במקרה שכזה יכולה החממה להיות חלל נוסף בבניין אשר ניתן להשתמש בו חלק מהשנה, בדומה למרפסת.
ב. כקולט בקליטה לא ישירה, המייצר אוויר חם שאותו ניתן להעביר אל חללים אחרים בבניין ולקבל חימום על ידי הסעה.
 
 
 
מבחינה גיאומטרית חממות יכולות להיות בעלות צורות שונות, החל מחלל צמוד לקיר אחד של בניין, כאשר שאר דפנותיו )חוץ מהרצפה) עשויים זכוכית ועד לחלל אשר סגור בין שלשה קירות של הבניין ואשר יש לו רק דופן מזוגגת אחת. מבחינת גובה חלל החממה יש לקחת בחשבון שבחממה גבוהה מדי )יותר מקומה אחת) יווצר ריבוד (stratification) של האוויר: האוויר החם יעלה למעלה והטמפרטורה בחלק התחתון של החממה עלולה להיות נמוכה במידה ניכרת. תופעה זו יכולה לתרום להסעת אוויר חם מחלל החממה אל החלל המחומם, אבל היא פוגעת בתכונותיה כחלל שימושי בו מבלים אנשי הבית.
בקיץ חייבים לנטרל את פעילות החממה כדי למנוע חימום יתר של החלל המחומם הצמוד אליה. הדרכים המועדפות לנטרול חממה הן פתיחת דפנותיה ) עליהן להיות ניתנות לפתיחה) או הצללה שלהן.
 
יתרונות החממה:
• החממה מהווה תוספת לשטח השימושי של הבניין- לבילוי, גידול צמחים לנוי או לאכילה 
• ניתן לשלב בה שטחי זיגוג גדולים, כמעט ללא מגבלות גיאומטריות החלות על חלונות בקירות הבניין.
• ניתן להוסיף חממות לבניינים קיימים (בעיקר בקומת קרקע).
• ניתן בקלות לשלב חממות עם אמצעים אחרים לחימום סולרי באותו הבניין.
 
חסרונות החממה:
• עלות החממה עלולה להיות גבוהה מאוד (אם כי התועלת שבה איננה מוגבלת רק לרווח אנרגיה).
• בקיץ עלול להיווצר בחממה חימום יתר.
• החממה אינה ניתנת לניצול בכל ימות השנה או אף בכל שעות היממה, בין היתר משום שנוצרים בה הפרשי טמפרטורה גדולים בין היום לבין הלילה.
• היעילות התרמית של החממה נמוכה, משום ששטח הפנים שלה גדול ולא מבודד ומשום שהצימוד התרמי לשאר הבניין הינו חלש.
 

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.
 
 










פי.סי.חץ