Aurinkoarkkitehtuuri

Aurinkoarkkitehtuuri tarkoittaa Auringon erityistä huomioimista arkkitehtuurisessa suunnittelussa. Siinä pyritään hyödyntämään Auringon säteily eli valo ja lämpö maksimaalisesti mutta toisaalta välttämään liiallinen säteilykuorma. 

Aurinkoarkkitehtuuri voi olla passiivista tai aktiivista. Passiivisia näkökohtia ovat perusratkaisut kuten ikkunoiden koko ja sijoitus ja rakennemateriaalit. Aktiivisia osia ovat esimerkiksi erilaiset aurinkoenergian keräimet, jossa energiaa kerätään väliaineeseen.

Aurinkoarkkitehtuuria voidaan hyödyntää kaikenlaisissa rakennuksissa omakotitaloista pilvenpiirtäjiin. 

Aurinkoarkkitehtuuri on osa ekorakentamista, sillä Auringon säteilyn energia on ilmaista, uusiutuvaa ja saasteetonta, ja se on perustava osa nollaenergiatalojen suunnittelua.

Perusteet
Aurinkoarkkitehtuurissa tarvitaan yksinkertaistetusti lämmityskäytössä seuraavat elementit: 1) auringonpaisteen sisältämää energiaa 2) lämpöä sitova rakenne 3) säätömekanismi(t) energiamäärän säätelyyn.

Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää avaamalla rakennus aurinkoiseen suuntaan; pohjoisella pallonpuoliskolla etelään ja eteläisellä pallonpuoliskolla pohjoiseen päin. Rakennus imee Auringon säteilyenergiaa esimerkiksi suurten ikkunoiden ja absorboivien rakennusosien avulla, ja ulkovaippa suljetaan Auringosta poispäin. Aurinkoarkkitehtuurisessa otetaan huomioon Auringon kulku, joka muuttuu vuoden aikana ja vuorokauden mittaan. Aurinkoarkkitehtuuri vähentää muun lämmitysenergian tarvetta talviaikaan ja jäähdyttämisen tarvetta kesäaikaan.

Aurinkon säteily
Aurinko säteilee Maahan varsin vakioteholla, joten oleellisin muuttuva tekijä kunkin sijainnin osalta on Maan ja ilmakehän varjostus. Maan varjostusta kuvaa Auringon kulkureitti, jonka määrittää sijainnin leveyspiiri. Ilmakehän varjostuksen määrittää pääosin pilvisyys.

Auringon kulkureitti

Passiivisessa aurinkorakentamisessa otetaan huomioon Auringon kulun vaihtelu vuoden aikana. Aurinko paistaa kesällä korkealta ja talvella talvipäivänseisauksena 47 astetta kesäpäivänseisausta matalammalta. Kääntöpiirien välinen etäisyys on 47 astetta. Auringon korkeus kesäpäivänseisauksena, jolloin Auringon zeniitti on 23,5 astetta pohjoista leveyttä, voidaan laskea leveyspiirin avulla: 90 asteesta eli suorasta kulmasta vähennetään leveyspiirin mukainen asteluku, joka on Helsingin tapauksessa noin 60 astetta pohjoista leveyttä, ja tulokseen lisätään kesäpäivänseisauksen zeniittiaseman mukainen 23,5 astetta. Kesäpäivänseisauksena Aurinko paistaa Helsingissä siis noin 53,5 asteen korkeudelta. Esimerkiksi New York (noin 40,5 astetta pohjoista leveyttä) sijaitsee 19,5 astetta Helsinkiä etelämpänä, ja siten kesäpäivänseisauksena Aurinko paistaa siellä korkeammalta, noin 73 asteen korkeudelta.

{| class="prettytable" style="float: center;"
|+ 'Auringon kulkureitti Helsingissä
|-
! height="16;" | Ajankohta
| 21. tam
| 20. hel
| 20. maa
| 20. huh
| 21. tou
| 21. kes
| 21. hei
| 22. elo
| 22. syy
| 21. lok
| 21. mar
| 21. jou
|-
! height="16;" | Auringon kulma likimäärin
| 10°
| 19°
| 30°
| 41,5°
| 50°
| 53,5°
| 50°
| 41,5°
| 30°
| 19°
| 10°
| 6,5°
|-
! height="16;" | Aurinko nousee
| 8:59
| 7:45
| 6:22
| 5:49
| 4:28
| 3:54
| 4:35
| 5:51
| 7:05
| 8:15
| 8:34
| 9:24
|-
! height="16;" | Aurinko laskee
| 16:05
| 17:24
| 18:35
| 20:52
| 22:08
| 22:50
| 22:17
| 20:54
| 19:20
| 17:54
| 15:38
| 15:13
|-
! height="16;" | Päivän pituus
| 7:06
| 9:39
| 12:13
| 15:03
| 17:39
| 18:56
| 17:42
| 15:03
| 12:16
| 9:39
| 7:03
| 5:49
|-
| colspan="13" | timeanddate.comhttp://www.timeanddate.com/worldclock/astronomy.html?n=101
|}
+ Auringon kulkureitti New Yorkissa Ajankohta 21. tam 20. hel 20. maa 20. huh 21. tou 21. kes 21. hei 22. elo 22. syy 21. lok 21. mar 21. jou Auringon kulma likimäärin 29,5° 38,5° 49,5° 61° 69,5° 72,7° 69,5° 61° 49,5° 38,5° 29,5° 26° Aurinko nousee 7:14 6:43 6:59 6:09 5:33 5:25 5:42 5:51 6:43 7:14 6:50 7:16 Aurinko laskee 17:00 17:37 19:08 19:41 20:12 20:30 20:21 19:43 18:52 18:06 16:33 16:31 Päivän pituus 9:46 10:54 12:09 13:31 14:39 15:06 14:39 13:30 12:09 10:52 9:43 9:15 timeanddate.comhttp://www.timeanddate.com/worldclock/astronomy.html?n=179

Taulukoiden asteluvut tarkoittavat Auringon korkeutta keskipäivällä, jolloin Aurinko on korkeimmillaan. Päivämäärät menevät näin, jotta Auringon korkeus menee tasan molemmilla vuoden puoliskoilla.

Insolaatio

Insolaatio tarkoittaa Auringon säteilyn kertymää. Sitä mitataan kilowattitunteina neliömetriä kohden vuorokaudessa. Insolaatioon vaikuttavat muun muassa Auringon kulma, maanpinnan kaltevuus ja pilvisyys. Vuorokauden insolaatio on vuorokauden keskimääräinen insolaatio, ja siten aurinkoisina tunteina lämpösäteily neliömetriä kohden on yötä suurempi. Korkeilla leveysasteilla, kuten Suomessa, insolaatio on talvella alhainen, aurinkotunteja on vähän ja siten Auringosta saatava lämpöhyöty on eteläisempiä alueita huomattavasti vähäisempi.

+ Insolaatio Helsingissä Kuukausi Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu Insolaatio (kWh/m2) 0,28 0,99 2,23 3,83 5,14 5,37 5,17 3,98 2,47 1,12 0,46 0,16 NASA Langley Research Center Atmospheric Science Data Center; New et al. 2002http://www.gaisma.com/en/location/helsinki.htmlhttp://www.gaisma.com/en/info/help.html

+ Insolaatio New Yorkissa Kuukausi Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu Insolaatio (kWh/m2) 1,79 2,66 3,66 4,44 5,21 5,70 5,65 5,00 3,98 2,89 1,89 1,57 NASA Langley Research Center Atmospheric Science Data Center; New et al. 2002http://www.gaisma.com/en/location/new-york-ny.html

Varjostus
Auringon säteilyä estävät pilvisyys, muut rakennukset ja puut.

Tekniikat

Tilojen lämmitys

Auringon energiaa voidaan käyttää rakennusten lämmittämiseen ikkunoiden ja absorboivien materiaalien avulla. Aurinkoenergian potentiaali lämmityskäytössä on suurempi, mitä lähempänä sijainti on päiväntasaajaa, sillä silloin auringonpaisteessa on enemmän energiaa. Toisaalta kylmemmillä seuduilla on enemmän lämmitystarvetta vuoden aikana. Suuri potentiaali on mantereisen ilmaston alueilla  (esimerkiksi Yhdysvaltain keskiosissa ja Pohjois-Kiinassa), kylmien merivirtojen viilentämillä alueilla (esimerkiksi Yhdysvaltain koillisosassa ja Japanin Hokkaidōssa) ja vuoristoalueilla (esimerkiksi Alpeilla ja Balkanvuorilla).

Veden lämmitys

Käyttöveden lämmittämiseen voidaan käyttää erilaisia aurikokeräimiä.

Jäähdytys

Auringon energiaa voidaan käyttää jäähdyttämiseen siten, että viileää ilmaa vedetään maan alle sijoitetun putken kautta rakennuksen sisälle. Jäähdyttäminen perustuu siihen, että maa pysyy kesäisin viileänä. Ilman vetämiseen käytetään lämmetessään ylöspäin kohoavaa ilmaa, jolloin lämmin poistoilma päästetään katolta ulos ja viileä korvausilma virtaa maan alle sijoitetun putken kautta sisään. Silloin kun jäähdytystarve kasvaa, lämmin ilma kohoaa nopeammin ylöspäin ja vastaavasti viileää ilmaa tulee tällöin tilalle enemmän. Jäähdytyksen toiminta on siis periaatteessa automaattista. Lämpimän ilman muuttuessa viileämmäksi ilman suhteellinen kosteus nousee, joten ilman viilentyessä ilmasta on tehtävä kuivempaa, jotta se olisi rakennuksen sisälle soveltuvaa.

Valaistus

Auringonvaloa eli päivänvaloa voidaan hyödyntää valaistuksessa esimerkiksi tavallisten ikkunoiden, kattoikkunoiden ja lasikatosten avulla. Usein kattoikkunoiden ja lasikatosten täytyy olla lämpösäteilyä heijastavia, koska muuten rakennus lämpenisi turhaan sisältä kesäisin. Valoa kuljettavien putkien (engl. light tube'') avulla myös maanalaisiin tiloihin voidaan tuoda valoa. Valoa voidaan myös kuljettaa kerrosten välillä esimerkiksi rakennuksen katolta alempiin kerroksiin. Passiivisen valaistuksen puutteena on se, että jos aurinko ei paista, niin valaistusta ei saada. Päivänvaloa hyödyntämällä voidaan kuitenkin pienentää sähkövalaistuksen tarvetta aurinkoiseen aikaan.

Suunnittelutekijöitä

Eristäminen

Auringosta peräisin oleva lämpö saadaan pidettyä rakennuksen sisällä käyttämällä riittävästi lämpöeristeitä rakenteissa. Eristämisessä voidaan noudattaa matalaenergiataloille asetettuja määräyksiä. Ikkunoiden tulee olla energiatehokkaita, sillä niistä täytyy tulla enemmän energiaa rakennuksen sisälle, kuin niiden kautta karkaa ulos.

Julkisivu
Rakennuksen julkisivun tulisi olla mahdollisimman hyvin kohti päiväntasaajaa eli pohjoisella pallonpuoliskolla etelään ja eteläisellä pallonpuoliskolla pohjoiseen. Rakennuksen tulisi olla leveä päiväntasaajan suunnassa, jotta auringonpaiste saataisiin maksimoitua. Julkisivulla tulisi olla suuret paljon auringonpaistetta sisään päästävät ikkunat. Kesäaikaan auringonpaiste ei kuitenkaan saisi turhaan lämmittää sisäilmaa, jolloin esimerkiksi ikkunan ulkopuolisilla ikkunaluukuilla paiste voidaan estää.

Suunnittelussa on huomioitava ikkunoiden läpäisemä suuri lämmitysenergia kesäisin (säteilyteho 1 000 W/m²) joka  vaatii jäähdytystä tai ikkunoiden peittämistä/varjostamista, sekä lämmityskautena ikkunan seinärakenteita heikompi lämmönpitävyys, joka on noin kuudesosa normaalin seinärakenteen vastaavasta. Rakennuksen vuoden lämmitystehosta vaaditaan noin 80 prosenttia talviaikaan, jolloin hyvinkin suunnatun ikkunan läpäisemä lämmittävä säteilyteho on suhteellisen pieni. Suunnittelussa tulee huomioida energiatalouden kokonaisuus ja ratkaisujen toimivuus niin kesällä kuin talvella.

Varjostaminen

Auringon kulkureittiä hyödyntäen voidaan varjostaa erilaisilla ratkaisuilla siten, että Aurinko ei paista kesällä esimerkiksi ikkunoista sisään, mutta syksystä talveen mentäessä yhä enemmän sisätilaa lämmittäen. Lisäksi puita voidaan istuttaa varjostamaan rakennuksen kattoa, ja puskia estämään esimerkiksi pohjoisia kylmiä tuulia.

Absorptiokyky

Auringon säteilyn lämpövaikutukseen vaikuttaa myös materiaalin lämpösäteilyn absorptiokyky. Esimerkiksi Aurinkoon päin olevan ikkunan alle voidaan laittaa tummia savilaattoja, jotka absorboivat lämpösäteilyä. Rakennuksen katto ja seinät voidaan tehdä lämpösäteilyä heijastaviksi.

Lähteet

*