Nhược điểm của năng lượng mặt trời thụ động: Hạn chế và cách khắc phục thực tế

Vì sao năng lượng mặt trời thụ động lại gây bất lợi trong dự án thực tế

Năng lượng mặt trời thụ động có thể cắt giảm nhu cầu sưởi ấm bằng cách sử dụng định hướng tòa nhà, kính, khối nhiệt và bóng râm thay vì thiết bị hoạt động. Điểm bất lợi là hiệu suất phụ thuộc nhiều vào các quyết định thiết kế khó “điều chỉnh” sau khi xây dựng. Một sai sót nhỏ—quá nhiều kính hướng về phía Nam, cách nhiệt ban đêm không đủ hoặc bóng râm yếu—có thể đánh đổi khoản tiết kiệm trong mùa đông để lấy sự khó chịu trong mùa hè, mất nhiệt nhiều hơn và trang bị thêm tốn kém.

Mục tiêu của hướng dẫn này mang tính xây dựng: xác định những nhược điểm phổ biến nhất của năng lượng mặt trời thụ động, chỉ ra chúng phát sinh ở đâu và phác thảo các biện pháp giảm thiểu thực tế để giữ cho khái niệm này khả thi.

Những hạn chế về địa điểm, khí hậu và định hướng có thể loại bỏ lợi thế

Năng lượng mặt trời thụ động không phải là plug-and-play. Nó cần một cửa sổ năng lượng mặt trời thuận lợi và một hình thức xây dựng có thể sử dụng được nó. Khi thiếu những điều kiện tiên quyết đó, cách tiếp cận “thụ động” có thể mang lại những lợi ích khiêm tốn hoặc thậm chí là những hình phạt ròng.

Che nắng đô thị và khả năng tiếp cận năng lượng mặt trời kém

Các tòa nhà, cây cối, đồi núi và lô đất hẹp gần đó có thể che khuất ánh nắng mùa đông—mùa mà lợi ích thụ động quan trọng nhất. Nếu mặt tiền hướng về phía Nam bị che khuất trong những giờ cao điểm mùa đông, lợi ích thụ động sẽ giảm mạnh, nhưng dự án vẫn có thể phải gánh chịu rủi ro về chi phí và thất thoát nhiệt khi lắp thêm kính.

Khí hậu không phù hợp: mùa đông nhiều mây hoặc mùa hè nóng bức

• Ở vùng khí hậu mùa đông nhiều mây kéo dài, lượng nhiệt hấp thụ từ mặt trời ít đáng tin cậy hơn, do đó sự thoải mái phụ thuộc nhiều vào khả năng cách nhiệt và sưởi ấm cơ học hiệu quả hơn là diện tích lắp kính.
• Ở những vùng khí hậu thiên về làm mát, lượng năng lượng mặt trời bổ sung sẽ làm tăng tải làm mát trừ khi việc che nắng và lắp kính có mức tăng năng lượng mặt trời thấp được thực hiện cẩn thận.

Ý nghĩa thực tế: chiến lược năng lượng mặt trời thụ động hoạt động tốt nhất khi nhóm thiết kế có thể xác minh khả năng tiếp cận năng lượng mặt trời vào mùa đông và điều chỉnh gói kính/tấm che nắng cho phù hợp với sự cân bằng giữa sưởi ấm và làm mát cục bộ. Không có điều đó, nhược điểm sẽ trở thành cấu trúc, không thể khắc phục được bằng những chỉnh sửa nhỏ.

Nguy cơ quá nhiệt là nhược điểm hàng đầu của năng lượng mặt trời thụ động

Chế độ hư hỏng thường gặp là quá nóng trong các mùa giao mùa (mùa xuân và mùa thu) hoặc những ngày mùa đông đầy nắng. Nhiệt độ trong nhà có thể tăng đột biến ngay cả khi nhiệt độ ngoài trời ôn hòa, đặc biệt là ở những ngôi nhà cách nhiệt tốt và tiếp xúc nhiều với ánh nắng mặt trời.

Tại sao quá nhiệt xảy ra

• Quá nhiều kính có khả năng thu năng lượng mặt trời cao đối diện với đường đi của mặt trời mà không có đủ lớp che nắng bên ngoài.
• Khối lượng nhiệt không đủ để hấp thụ các đỉnh và giải phóng nhiệt chậm.
• Đường thông gió tự nhiên hạn chế (không có gió chéo, cửa sổ nhỏ có thể mở được hoặc các hạn chế về an toàn/tiếng ồn khiến cửa sổ phải đóng).

“Xấu” trông như thế nào trên thực địa

Trong các phòng tiếp xúc với ánh nắng, nhiệt độ tăng lên đến 28–32°C (82–90°F) phạm vi vào những ngày quang đãng nếu bóng râm không đủ, ngay cả khi phần còn lại của tòa nhà hoạt động tốt. Chi phí không chỉ gây khó chịu: người cư ngụ thường phản ứng bằng cách sử dụng quạt làm mát cơ học hoặc quạt di động, làm xói mòn khoản tiết kiệm dự kiến.

Biện pháp giảm thiểu được thiết kế dựa trên: tấm che bên ngoài có kích thước phù hợp với góc nắng mùa hè, kính thu năng lượng mặt trời có kiểm soát khi cần thiết, khối lượng nhiệt vừa đủ và các chiến lược thông gió thổi vào ban đêm. Nếu bỏ qua những điều này, quá nhiệt sẽ trở thành một trong những nhược điểm tốn kém nhất cần khắc phục sau này.

Sự mất nhiệt vào ban đêm có thể lớn hơn mức tăng năng lượng mặt trời vào ban ngày

Năng lượng mặt trời thụ động thường dựa vào việc lắp kính bổ sung để thu ánh sáng mặt trời. Điểm bất lợi là cửa sổ thường cách nhiệt kém hơn các bức tường mờ đục, do đó, loại kính giúp ban ngày có thể mất nhiệt nhanh chóng vào ban đêm.

Kính và cách nhiệt tường (so sánh theo quy tắc ngón tay cái)

Ngay cả các cửa sổ hiệu suất cao cũng thường có giá trị U cao hơn (tệ hơn) nhiều lần so với hệ thống tường cách nhiệt tốt. Sự khác biệt đó thể hiện ở những luồng gió lạnh, cảm giác khó chịu do bức xạ gần kính và thời gian sưởi ấm tăng lên sau khi mặt trời lặn.

Hình phạt thoải mái ban đêm gần kính

Người sử dụng có thể cảm thấy ớn lạnh khi ở gần những khu vực có kính lớn do nhiệt độ bề mặt bên trong lạnh hơn. Nếu bố trí đồ nội thất phải tránh vùng cửa sổ vào mùa đông thì diện tích sàn sử dụng sẽ bị thu hẹp một cách hiệu quả - một nhược điểm thường bị bỏ qua của năng lượng mặt trời thụ động trong phòng khách và không gian có không gian mở.

Giảm nhẹ tập trung vào việc giảm tổn thất trong khi vẫn duy trì lợi ích: thông số kỹ thuật cửa sổ tốt hơn, bịt kín không khí cẩn thận, khung cách nhiệt và (nếu thích hợp) mành cách nhiệt có thể hoạt động được. Kết luận quan trọng là năng lượng mặt trời thụ động hiếm khi là “nhiệt tự do” trừ khi tổn thất vào ban đêm được quản lý rõ ràng.

Tác dụng phụ của ánh sáng ban ngày: chói, mờ dần và đánh đổi quyền riêng tư

Năng lượng mặt trời thụ động thường làm tăng ánh sáng ban ngày. Nhược điểm là ánh sáng ban ngày không tự động là ánh sáng “tốt”: nó có thể tạo ra ánh sáng chói, độ sáng không đồng đều và hành vi của người sử dụng (đóng rèm) làm cản trở việc thu năng lượng mặt trời.

Độ chói và khả năng sử dụng màn hình

• Kính hướng về phía Nam và phía Tây có thể tạo ra sự tương phản mạnh làm giảm sự thoải mái và năng suất trong không gian làm việc tại nhà.
• Người cư trú thường phản ứng bằng cách hạ rèm trong giờ cao điểm, cắt giảm lượng nhiệt mặt trời thu được một cách chính xác khi thiết kế nhằm mục đích thu chúng.

Sự phai màu của vật liệu và hao mòn bên trong

Tiếp xúc với ánh sáng mặt trời nhiều hơn có thể làm tăng tốc độ phai màu của hàng dệt, sàn và lớp hoàn thiện, đặc biệt là ở những vùng “tấm che nắng”. Đây là một bất lợi về chi phí sở hữu có thể gây ngạc nhiên cho những chủ nhà đã dự trù ngân sách để tiết kiệm năng lượng nhưng lại không dành cho những chu kỳ thay thế nội thất trước đó.

Các chiến thuật giảm thiểu bao gồm lập kế hoạch bố trí nhận biết ánh sáng chói, lắp kính kiểm soát năng lượng mặt trời có chọn lọc, che nắng bên ngoài thay vì dùng rèm liên tục và lựa chọn hoàn thiện phù hợp với mức tiếp xúc với tia cực tím cao hơn.

Hạn chế trang bị thêm: nhiều tòa nhà không thể sử dụng tốt năng lượng mặt trời thụ động

Năng lượng mặt trời thụ động dễ thực hiện nhất trong xây dựng mới. Trong các tòa nhà hiện tại, những nhược điểm xuất hiện dưới dạng hạn chế về cấu trúc: định hướng cố định, sơ đồ tầng có thể không hỗ trợ việc bố trí khối nhiệt và các quy tắc phân vùng hoặc mặt tiền có thể hạn chế thay đổi cửa sổ.

Trình chặn trang bị thêm phổ biến

• Các khu vực sinh hoạt chính không ở phía có ánh nắng mặt trời; việc cấu hình lại các phòng có thể tốn kém và gây gián đoạn.
• Việc thêm hoặc mở rộng các cửa sổ có thể kích hoạt công việc kết cấu, các yêu cầu cấp phép và các thách thức về khả năng bịt kín không khí.
• Việc bổ sung thêm bóng râm bên ngoài có thể xung đột với các quy tắc của khu phố, nguyên tắc lịch sử hoặc khoảng lùi của ranh giới bất động sản.

Bài học rút ra mang tính xây dựng: trong các kịch bản trang bị thêm, “năng lượng mặt trời thụ động” thường hoạt động tốt nhất dưới dạng gói được nhắm mục tiêu (cửa sổ có chọn lọc nâng cấp khả năng thông gió che nắng kín khí) thay vì định hướng lại kiến ​​trúc toàn bộ mà tòa nhà không thể hỗ trợ.

Rủi ro về chi phí và hiệu suất đến từ độ nhạy cảm của thiết kế

Một nhược điểm khác của năng lượng mặt trời thụ động là nhạy cảm với các lỗi thiết kế nhỏ. Không giống như nồi hơi hoặc bơm nhiệt có thể điều chỉnh kích thước và điều chỉnh sau khi lắp đặt, các hệ thống thụ động được tích hợp vào kiến ​​trúc. Nếu tỷ lệ kính, hình học bóng hoặc khối lượng nhiệt sai, việc sửa chúng có thể tốn kém.

Bài học cốt lõi là quản lý rủi ro: năng lượng mặt trời thụ động có hiệu quả kinh tế cao nhất khi được lập mô hình sớm, chi tiết trong các tài liệu xây dựng và được xác minh trong quá trình lắp đặt (hình học che nắng, độ kín khí và thông số kính). Nếu không có sự chặt chẽ đó, những bất lợi sẽ dễ trở thành hiện thực hơn là những lợi ích đã hứa hẹn.

Một danh sách kiểm tra thực tế để giảm thiểu những bất lợi trước khi bạn cam kết

Hãy sử dụng các bước kiểm tra sau để quyết định xem năng lượng mặt trời thụ động có phù hợp hay không và để sớm giảm thiểu những nhược điểm phổ biến nhất khi các giải pháp rẻ nhất.

Kiểm tra trước khi thiết kế

1. Xác nhận khả năng tiếp cận năng lượng mặt trời vào mùa đông trên mặt tiền mặt trời chính trong giờ cao điểm ban ngày; nếu không thể tránh khỏi bóng râm, hãy ưu tiên cách nhiệt và kín gió hơn là lắp thêm kính.
2. Điều chỉnh chiến lược lắp kính phù hợp với thực tế về khí hậu: nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời là chủ yếu để sưởi ấm; thiên về làm mát cần có bóng mát và kiểm soát năng lượng mặt trời trước tiên.
3. Xác định các đường thông gió phù hợp với hành vi của người cư ngụ (tiếng ồn, an ninh, khói cháy rừng, dị ứng); chiến lược thụ động thất bại khi cửa sổ vẫn đóng.

Kiểm tra thiết kế và giao hàng

1. Kích thước bóng râm bên ngoài cho các góc nắng mùa hè và xác minh nó trong các bản vẽ từng phần—không chỉ trong các bản vẽ.
2. Chỉ định kính theo hướng (không phải một loại cửa sổ ở mọi nơi) để cân bằng độ tăng, độ chói và tổn thất nhiệt.
3. Hãy coi sự kín đáo là không thể thương lượng được; rò rỉ không được kiểm soát làm suy yếu cả sự thoải mái và hiệu suất thụ động dự kiến.

Nếu bạn muốn có một quy tắc quyết định duy nhất: Năng lượng mặt trời thụ động dễ bị tổn thương nhất khi được bổ sung muộn . Khi được tích hợp sớm với kính, bóng mát, khối lượng và độ kín khí phù hợp với khí hậu, những nhược điểm của nó sẽ trở nên dễ quản lý hơn là xác định dự án.