Aurinkoarkkitehtuuri

Darmstadtin teknillisen yliopiston suunnittelema aurinkoenergiaa hyödyntävä asuintalo, jolla yliopisto voitti joka toisena vuotena järjestettävän aurinkorakentamisen Solar Decathlon -kilpailun vuonna 2007

Aurinkoarkkitehtuuri tarkoittaa Auringon säteilyn, valon ja lämmön, hyödyntämistä rakennuksissa ottamalla Aurinko huomioon arkkitehtuurissa. Aurinkoarkkitehtuuri voi olla passiivista (yksinkertaista, luonnollista) tai aktiivista (monimutkaisempaa sähköön perustuvaa teknologiaa hyödyntävää). Aurinkoarkkitehtuuria voidaan hyödyntää kaikenlaisissa rakennuksissa omakotitaloista pilvenpiirtäjiin: käytännössä sitä hyödynnetäänkin laajasti valaistuksessa ikkunoiden avulla. Aurinkoarkkitehtuuri on 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 kulkureitti joka vaihtelee vuoden aikana ja vuorokauden mittaan. Aurinkoarkkitehtuuri vähentää muun lämmitysenergian tarvetta talviaikaan ja jäähdyttämisen tarvetta kesäaikaan.

Aurinko

Auringon kulkureitti

Auringon korkeus vuoden mittaan; leveysasteena käytetty New Yorkia

Pääartikkeli: Auringon kulkureitti

Passiivisessa aurinkorakentamisessa otetaan huomioon Auringon kulku vuoden aikana, minkä ansiosta 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.

Auringon kulkureitti Helsingissä

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	10°	19°	30°	41,5°	50°	53,5°	50°	41,5°	30°	19°	10°	6,5°
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
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
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
timeanddate.com

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.com

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

Insolaatio

Pääartikkeli: Insolaatio

Insolaatio tarkoittaa Auringon säteilyvoimakkuutta, ja 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. 2002

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. 2002

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, ja toisena tekijänä mitä enemmän lämmitystarvetta tarvitaan 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

Pääartikkeli: Aurinkokeräin

Peseytymiseen ja käsien pesemiseen, tiskaamiseen ja vaatteiden pesemiseen tarvittavaa vettä voidaan lämmittää passiivisesti aurinkokeräimillä.

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. 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

Pääartikkeli: Rakennuseriste

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

Rakentaminen ja kestävä kehitys

Yhdyskuntasuunnittelu	ympäristövaikutusten arviointi ekokylä yhteisökylä
Suunnitteluperiaatteet	ekorakentaminen aurinkoarkkitehtuuri matalaenergiatalo passiivitalo nollaenergiatalo plusenergiatalo
Lämmitys	aurinkolämmitys kaukolämpö lämpöpumppu maalämpö puupelletti takka
Talotekniikka	ilmanvaihtokone aurinkokenno energiansäästölamppu
Rakennustekniikka	rakennuksen vaippa lämmöneriste ilmansulku ikkuna
Perinnerakentaminen	hirsirakentaminen olkipaalirakentaminen savirakentaminen turpasmökki terva keittomaali
Organisaatiot	ympäristöhallinto Ympäristöministeriö Ympäristökeskus Motiva