בניה ירוקה - ניצול ושימור אנרגיה

אנרגיה סולרית היא האנרגיה המוקרנת מהשמש - אם באופן ישיר, ואם באופן עקיף המוחזר על ידי הקרנה על משטחים הסמוכים למבנה. הקרינה חודרת דרך הזיגוג והופכת לאנרגית חום בתוך המבנה (מעבר בין אורכי גל). תכנון אדריכלי 'ירוק' יודע לנצל את האנרגיה באורח פסיבי. תוך כדי התכנון וההעמדה של המבנה ניתן להגדיל (או להקטין) את חשיפתו לאנרגיה זו (בכיוונים ועונות מסוימות), אך לא "להמיר" אותה באורח אקטיבי באמצעות מערכות מתוחכמות. שימור האנרגיה הופך גם הוא לפסיבי ברובו, מכיוון שהמבנה עצמו מאפשר אגירה ושחרור של חום דרך המסה התרמית שלו, מושג שיוסבר בהמשך.

העמדת המבנה במגרש

שאיפה היא ליצור העמדה שתאפשר לתכנן בית סולארי פסיבי. במושג זה הכוונה למבנה שעובד עבור 

דייריו בתיאום עם הטבע והאקלים המקומי, ומתפקד נכון גם בקיץ וגם בחורף – בקיץ שומר על קרירות, ובחורף על טמפרטורה נעימה. כלומר: מעניק נוחות תרמית עם מינימום השקעת אנרגיה. 

בעונת החורף, המטרה היא לעשות שימוש באנרגית השמש לחימום הבית, מבלי לעשות שימוש 

במערכות עקיפות מתוחכמות (דוגמת מיזוג), אלא באופן ישיר ופסיבי. 

באמצעות למידת מסלול השמש, ניתן לראות שבחורף היא נמצאת בגזרה הדרומית בלבד, ובמסלול 

נמוך. עובדה זו מאפשרת חדירה מצוינת של קרינה אל הבית, במידה ומרב פתחיו מרוכזים בחזית 

הדרומית, וכמובן יש לחשב אותם בזהירות ובצורה מושכלת. (ראה ג.4)

בעונת הקיץ, תכנון נכון של הפתחים וההצללות מונע חדירת קרינת שמש ישירה. אם מרב הפתחים, 

כאמור, מרוכזים בחזית הדרומית, קל מאד להצל עליהם מכיוון שהשמש נעה במסלול צפוני יותר , ובזוית מאד גבוהה.

כלומר העמדה אופטימאלית, כפי שיפורט ויוסבר בסעיף הבא, היא העמדה המאפשרת חזיתות ארוכות 

בכיווני דרום וצפון וחזיתות קצרות בכיווני מזרח ומערב.

תכנון הפנים של בית מגורים כנגזרת מהעמדת הבית במגרש

מאחר והתכנון האדריכלי הנבון מעוניין בחדירת שמש אל חללים שימושיים, בהם דיירי הבית אכן יוכלו ליהנות מהיתרונות של החזית הדרומית כפי שיוסברו מיד, הרי שרצוי למקם בחלק הדרומי של הבית את חדר המגורים, פינת האוכל וחדרי הילדים (הילדים נמצאים בחדרים שלהם בשעות אחר הצהרים בחורף, ויכולים ליהנות מחמימות השמש). חדר ההורים, לעומת זאת, נמצא בשימוש בדרך כלל רק בשעות הלילה, ולכן אין חשיבות לחזית דרומית בחדר זה. בנוסף, חבל "לבזבז" מקום בחזית הדרומית גם על חדרי שירות ורחצה לסוגיהם. גם את המטבח, שהינו אזור מחמם בגלל הפעלה של כיריים ותנורים והימצאות המקרר, מומלץ למקם באזור הצפוני יותר של החלל, כך שהקרינה הדרומית לא תגיע אליו מכיוון שאין בכך צורך.

זוויות השמש בחורף ובקיץ 

הדרכים הבסיסיות להחדרת קרינת חורף אל המבנה 

חורף: בחורף, כאמור, המטרה היא להיעזר בקרינת השמש. באותם ימים בהירים רבים שיש בארץ, השמש עומדת לרשותנו כמקור בר-קיימא ומתחדש לחימום הבית ולחיסכון בחימום מלאכותי הצורך אנרגיה מזהמת. הדרך הראשונה והפשוטה ביותר לעשות זאת היא לאפשר לשמש חורף לחדור באופן מבוקר אל תוך הבית ישירות דרך החלונות הדרומיים, ולחמם  את פנים הבית ואת חומרי המסה התרמית מהם הוא בנוי. (ראו הסבר לגבי מהי מסה תרמית בהמשך). כיצד? הכרת מסלול השמש המתואר בפרק הקודם, מוכיחה כי הגזרה בה השמש נעה היא נמוכה וצרה, כך שאם ישנם פתחים דרומיים, הקרינה תחדור בקלות לעומק חלל הבית, והחום שהיא תפיץ תועיל לצמצום צריכת האנרגיה.

קיץ: המטרה בקיץ היא למנוע כניסת שמש לבית, ובתוך כך נשאלת השאלה האם אותם חלונות דרומיים שפתחנו לטובת קרינת החורף, עלולים להחדיר את קרינתה גם בקיץ ולגרום לחימום יתר של הבית ולצורך מוגבר במיזוגו?

התשובה היא שתכנון אדריכלי 'ירוק' ומושכל, כזה המתחשב בזוויות השמש ימנע זאת. השמש מגיעה בזווית גבוהה מאוד ומכה בעיקר על הגג ולא על החלונות הדרומיים, כך שהם אינם חשופים אליה כלל. בליטה של הגג או בליטת הצללה כלשהי תספיק כדי שחלונות אלו יהיו מוגנים כל העונה החמה. (כמובן שחלונות אינם הדרך היחידה לחדירת חום אל הבית, כפי שיוסבר בהמשך בנושא הבידוד ומעבר חום דרך חומרים.)

הדרך הנכונה לתכנון מושכל של פתחים היא להיעזר באמצעים שרטוטיים או ממוחשבים שמאפשרים לבדוק ולוודא שהחלונות הדרומיים מוגנים משמש מה-21

במרץ ועד ה-21 בספטמבר. אם מדברים במושגים של זוויות גובה השמש, אזי מזווית של 58 מעלות ומעלה. כמובן שתכנון זה אינו פשוט. זאת מכיוון שדווקא באביב ובסתיו ישנם ימי השרב – אלו ימים חמים מאד, שבהם השמש עדיין נמוכה ויכולה לחדור לבית מהחלונות הגדולים. גם ההפך קורה לפעמים. בעונות המעבר יש ימים קרים ואין עדיין מספיק חדירת שמש לבית. אבל בעונות המרכזיות, הקיץ והחורף, אפשר להשתמש בחכמה בידע של זוויות השמש וליצור בית סולרי פסיבי.

מכאן ניתן להבין מדוע הפתחים בחזיתות המזרחית והמערבית הם בעיתיים יותר: קשה מאד למנוע כניסת שמש ממזרח וממערב בשיא הקיץ, היות והזוויות במערב אחרי הצהרים ובמזרח בבוקר הן נמוכות מאד. בשעות הערב בעיקר, האוויר, האדמה, קירות הבית והגג ספגו כבר הרבה קרינה וחום, והתוספת של חדירת קרינה ישירה אל הבית ממערב מעיקה מאד. לכן ההעמדה הרצויה היא עם חזיתות ארוכות בדרום  ובצפון.

קיימת דרך נוספת לתכנון חימום פסיבי של הבית, אם כי היא פחות מיידית וישירה: לתחום בצדו הדרומי אזור בו האוויר מתחמם במהירות, כגון מרפסת חממה, כאשר מתוך מתחם זה האוויר זורם באופן מבוקר אל תוך חלל הבית. למשל, אם למרפסת החממה הדרומית חלונות עליונים הפונים אל הבית, האוויר החם בה יעלה באופן טבעי כלפי מעלה, יזרום אל הבית דרך פתחים אלה ויעלה את הטמפרטורה בתוכו ללא כל שימוש באמצעי אחר. פתרון כזה יכול להתאים מאד לאקלימים הקרים יותר בארץ, לבתים קיימים שאנו מנסים לשפר את התפקוד שלהם, ולבתים גדולים שבהם קשה לאפשר חדירת שמש ישירה לעומק משמעותי של החלל. כמובן שהחממה צריכה להיות דינאמית והפיכה: בקיץ מפרקים או מסיעים את קטעי הזכוכית ומשתמשים בשלד החממה כבסיס להצללה.

מרפסת חממה

היחס הרצוי בין גודל הפתחים בהפניות השונות לגודל החללים הפנימיים

בנוסף לתכנון שמאפשר החדרת/מניעת חום וקרינת שמש אל הבית, חשוב מאד לא לאבד את אותו חום/קור, כלומר לשמר את האנרגיה. כיצד נוכל לדעת את היחס הנכון בין הפתחים, כך שלא יהיו קטנים מדי והבית יישאר חשוך וקר, ולא גדולים מדי שגורמים לאיבוד האנרגיה שאנו מייצרים?

גודל החלונות מכניסי השמש צריך להיות מחושב, ובמסדי נתונים שונים ישנן נוסחאות חישוב שונות. בכל מקרה, החישוב  מתייחס לשטח החלון המזוגג ביחס לשטח הרצפה של החדר כולו.

הנה נתוני היחסים כפי שהם מופיעים בתקן ישראלי *5282, המתלווה לתקן בנינים ירוקים 5281 (הרחבה לגבי התקנים ראה פרק ט"ז) : 

היחס המקסימלי ב% בין כלל השטח המזוגג לשטח החלל

אזורים א' ב' - 20%

אזור ג' - 30%

אזור ד' - 15%

היחס הרצוי בחזית דרומית מכניסת שמש

אזורים א' ב' - 10-20%

אזור ג' - 12-30%

אזור ד' - קטן מ12%

יש לציין כי התקן מתייחס לאלמנטים רבים נוספים לצורך דירוג שימור האנרגיה של המבנה, פרט ליחסים בטבלה. רובם יוסברו בהמשך.

לאחר שנים רבות של בדיקת תכניות של אדריכלים רבים ושונים, שלקוחותיהם מסרו את התכניות לצורך יעוץ ירוק, ומתוך למידה של הנושא, עולה שיחסים אלה רחוקים בדרך כלל מהתכנון האדריכלי הרווח היום בארץ, שבו חלונות רבים וגדולים. במסגרת ההנחיות והחוקים בתחום תכנון ובנייה ה'ירוקים' צריך להגיע למצב המשפר את רמת שימור האנרגיה במסגרת חוקית/תקנונית שהציבור יוכל לעמוד בה. בהסתמך על מחקרים אחרונים מהמכונים ע"ש בלאושטיין בשדה בוקר (“מיפוי הפוטנציאל לבניה אקלימית ירוקה באזורי ישראל") – בדיקת התכניות לצורך יעוץ 'ירוק' מומלצת להיעשות לפי כלל האצבע המדבר על שטח אופטימאלי של 18% ואף 20% חלון דרומי משטח הרצפה בכל חדר, כך שסך כל השטח המזוגג בכל הכיוונים, לא יעלה על 30% מסך שטח הרצפה של החדר.

מתוך מגזין 111: "חם בחורף, קריר בקיץ - ניצול אנרגיה סולרית פסיבית ושימור אנרגיה"