Passzív napenergia hasznosítás a falszerkezetekben

Nyári estéken, régi épületek mellett sétálva érezzük a vastag falak sugárzó hatását. Azt a hőt sugározzák magukból, amit napközben a napsütésből magukba szívtak. A tömegfal és a Trombe-fal ennek az egyszerű megoldásnak a továbbfejlesztett változatai, melyek egy masszív külső falból és az eléépített üvegezésből állnak. Ilyen módon az elnyelt hőt az épület belseje felé tudjuk "terelni", hasznunkra tudjuk fordítani.
A tömeg- illetve a Trombe falat mozgatható árnyékoló szerkezet, valamint a tömegfalban és az üvegezésben kialakított, nyitható-zárható szellőzőnyílások egészíthetik ki. A tömegfal külső felületét nagy elnyelő képességű, lehetőleg sötét színezéssel, felületképzéssel, esetleg szelektív bevonattal látják el. Itt történik a napsugárzás hőterhelésének elnyelése, amelyet a nagy tömegű fal tárol, és késleltetéssel a helyiségbe juttat.

A fal külső rétegeiben maradt tárolt hőnek a "kiöblítése" a tömegfalon átmenő szellőzőjáratok nyitásával, természetes légkörzéssel valósítható meg. E szellőzőnyílások nélkül tömegfalról, ezekkel együtt Trombe-falról beszélünk. Trombe-falak esetén a szellőző csappantyúkat akkor célszerű kinyitni, ha a légrésben lévő levegő hőmérséklete meghaladja a belső léghőmérsékletet, és szükség van fűtőteljesítményre (hideg hónapok). Helytelen használat esetén a csappantyúkat akkor nyitják, amikor a helyiség levegője melegebb. Ez nem csak energiaveszteséggel jár, hanem állagkárosodáshoz is vezet: a levegő nedvességtartalma borult időben vagy éjszaka a hideg felületeken kicsapódik.
Télen, éjszaka a társított szerkezet (árnyékoló szerkezet) saját hővezetési ellenállása és újabb légréteg létrehozása révén az elnyelő felület és a környezet között hőszigetelő hatást fejt ki, csökkentve ezzel a hőveszteségeket. Nyáron, nappal a társított szerkezet árnyékolja az elnyelő felületet, meggátolva ezzel a helyiség túlzott felmelegedését. Az üvegezésben kialakított szellőzőszárnyakat kinyitva nyáron a légréteg átszellőztethető, éjszaka a hűvösebb külső levegővel a tömegfal előhűthető.

Mérsékelt övi körülmények között, a nagy téli hőveszteség elkerülése érdekében kettős üvegezés ajánlott. Meglévő tégla-, kő- vagy vályogfal esetén is hatékonyan alkalmazhatók, ugyanis ezek tömegfallá/Trombe-fallá történő átalakításával a szoláris nyereség hasznosítása mellett hőszigetelő-képességjavulást érhetünk el. Nem alkalmazható azonban olyan falak esetén, amelyek rétegrendje külön hőszigetelést is tartalmaz. Ilyen esetekben falkollektor alkalmazása jöhet szóba.

Falkollektor

A Trombe-fal elvét alkalmazva, de nagy tömegű fal helyett egy könnyű és szigetelt szerkezetet használva a falkollektornak nevezett rendszert kapjuk, amely azzal jellemezhető, hogy az elnyelő felület mögött közvetlenül nincs hőtároló tömeg (pl. vastag téglafal), az energia levegővel, természetes légkörzés révén jut tovább. A hőtároló tömeg hiánya miatt késleltetés sincs, ezért a rendszer olyan intenzív szellőztetést igénylő helyiségek esetében alkalmazható, ahol a sugárzás, és a szellőzési igények szinkronban vannak.

Transzparens szigetelésű falak

A transzparens (átlátszó) hőszigetelések lényege az, hogy a külső falak külső síkját, a napsugárzást többé-kevésbé áteresztő hőszigeteléssel burkoljuk. A beeső sugárzási energia java részének elnyelése a hőszigetelés mögött, a fal síkján történik. Ezt a síkot a környezettől a hőszigetelő réteg választja el. Az elnyelt energia nagy része - a könnyebbik utat választva - a kis ellenállású, nagy hőtároló-képességű falba hatol be. A hőszigetelés és a fal érintkezési síkján olyan magas hőmérséklet alakul ki, hogy átlagos téli feltételek mellett a helyiségnek a szerkezeten keresztül hőnyeresége van, de még borúsabb időben is a hőveszteségek jelentősen lecsökkennek.
A legfontosabb technikai problémát éppen az előbb leírt folyamat jelenti - az anyagok károsodását és a helyiség túlzott felmelegedését megelőzendő - ugyanis a külső felületet nyáron védeni kell a napsugárzástól. Ez árnyékolással, hőhatásra elsötétedő különleges (fototróp, termotróp) üvegezéssel, szellőztetett légréteg beiktatásával lehetséges.
A transzparens szigetelés áttetsző vakolattal is fedhető, aminek adalékanyaga hordozórétegre kasírozott üveggyöngy. Ez kisebb teljesítményt nyújt, de nincs szükség nyári túlmelegedés elleni védelemre, a fedőréteg a magasabb napállásoknál (azaz nyáron) kevesebb sugárzást enged át. A transzparens hőszigetelés mellett szól, hogy meglévő épületek felújítása során is előnyösen alkalmazható.

Vízfal, fázisváltó fal

A vízfal sémája a tömegfaléhoz hasonló, de a falat víztároló edények, konténerek alkotják. A víz fajhője (és ebből kifolyólag hőtároló képessége) ötször nagyobb, mint a szokványos építőanyagoké, emellett a tartályokon belül a víznek a hőmérséklet-különbségből fakadó és azt kiegyenlítő cirkulációja miatt a hőmérséklet eloszlás egyenletes. A víz nagyobb hőtároló képessége több szoláris energia eltárolását teszi lehetővé, nagyobb hővezető képessége pedig az energia épületbe jutását teszi egyszerűbbé.
Épületszerkezetek, vagy helyiségek hőtároló tömegének növelésére előnyösen alkalmazhatók a fázisváltó anyaggal ellátott szerkezetek. Ezek olyan anyagok, amelyek szilárd-folyékony fázisváltása számunkra megfelelő hőmérsékletszinten megy végbe (20, 29, 32, 35, 50-60 °C), de mielőtt a halmazállapot változás bekövetkezik jelentős energiát ad le, vagy vesz fel.
Egyszerű példa az olvadó jég, ami egészen addig, amíg folyékony halmazállapotúvá válik 0 °C-os marad, azaz a hőközlés ebben a stádiumban a fázisváltásra fordítódik. Ugyanez igaz fordítva is, azaz amikor folyékonyból szilárd halmazállapotúvá válik az anyag.
Ha a fázisváltó anyagból kialakított tábla a falszerkezetben hőtechnikailag optimalizált helyen helyezkedik el, akkor hőakkumlátorként és hőcserélőként egyszerre működik: egyrészt hőcsillapítást végez, és késleltetési időt biztosít a falszerkezetnek, amely így egy falazott falszerkezet tulajdonságaival bír, másrészt kompenzálja a külső és belső hőmérsékletkülönbségét, adott esetben elraktározza a hőenergiát.

Ilyen anyagok edényekbe, műanyag csövekbe, méhsejt-szerkezetekbe, műanyagmátrixokba építhetők be, de adalékanyagként gipszbe és vakolatba kevert változatokat is kipróbáltak már. A tároló elemek energiagyűjtő falakba, vagy belső határoló-szerkezetekbe egyaránt beépíthetők. A fázisváltási hőmérséklet és annak alapján a fázisváltó anyag megválasztása alapos megfontolást igényel. A magasabb hőmérsékleten tárolt energia értékesebb (intenzívebben lehet vele fűteni), de az idény során kevesebb olyan nap lesz, amikor a szoláris nyereség elegendő lesz a fázisváltáshoz, tehát kevesebb szoláris nyereséget tudunk vele begyűjteni. Alacsonyabb fázisváltási hőmérséklet esetén az előbb elmondottak ellenkezője érvényesül.