Passive Solarenergie basiert auf der direkten Nutzung der Sonnenstrahlung, ohne dass externe Unterstützungsmechanismen wie Elektromotoren zur Ausrichtung von Solarmodulen oder ähnliche Systeme erforderlich sind. Das Hauptziel dieser Art erneuerbarer Energie besteht darin, in Räumen einen natürlichen thermischen Komfort zu erreichen, ohne auf externe Energiequellen zurückzugreifen. Um die Energieeffizienz zu maximieren, werden passive Solarsysteme manchmal mit aktiven Technologien, wie der Installation von Photovoltaikmodulen, kombiniert.
Um die Vorteile der passiven Solarenergie zu nutzen, ist es unabdingbar, eine Reihe von Energieaustauschvorgängen durchzuführen, bei denen Solarenergie von einem System auf ein anderes übertragen wird. Ein Beispiel hierfür ist die Übertragung der Wärme aus der Sonnenstrahlung auf einen Wassertank, die dazu dient, das Wasser zu erhitzen und Warmwasser für sanitäre Zwecke zu gewinnen.
Diese Übertragung thermischer Energie erfolgt durch drei grundlegende thermodynamische Prozesse: Strahlung , Leitung und Konvektion . Diese Konzepte werden im Folgenden näher erläutert:
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
Die Wärmeübertragung durch Leitung basiert auf dem Transport von Wärme von einem Körper zu einem anderen durch ein leitfähiges Medium, das Luft oder Wasser sein kann. Im Bereich der passiven Solarenergie ist insbesondere die Leitung durch die Luft relevant.
Im Hinblick auf passive Solarenergie kann die Wärmeleitung sowohl vorteilhaft als auch nachteilig sein. Im Winter beispielsweise müssen wir die Wärme ausnutzen, während im Sommer übermäßige Hitze zu unangenehmen Temperaturen in den Räumen führen kann. Darüber hinaus kann das unkontrollierte Eindringen kalter Luft im Winter bis zu 40 % zum Wärmeverlust beitragen.
Die richtige Platzierung von Fenstern und Belüftungssystemen kann die natürliche Konvektion verbessern und so in den wärmeren Monaten eine Querlüftung und Kühlung fördern.
Lüftungssysteme mit Energierückgewinnung sind unverzichtbar, da sie Feuchtigkeit, Staub, Pollen und unerwünschte Mikroorganismen aus der Luft entfernen können, ohne dass energieintensive Filtersysteme erforderlich sind.
Natürliche Konvektion, die dazu führt, dass warme Luft aufsteigt und kühle Luft absinkt, kann zu einer ungleichmäßigen Wärmeschichtung führen, die unangenehme Temperaturschwankungen in Räumen verursachen kann. Allerdings kann diese Schichtung auch zum Abführen warmer Luft oder sogar als Luftstromkreislauf zur passiven Verteilung der Sonnenwärme genutzt werden.
Konvektionswärmeübertragung
Die Wärmeübertragung durch Konvektion basiert auf dem Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen, die miteinander in Kontakt stehen. Dieser Prozess wird durch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt.
Ein häufiges Beispiel für diesen Vorgang ist, wenn wir mit der Hand einen heißen Heizkörper berühren. In diesem Moment wird durch Konvektion Wärme vom Heizkörper (wärmer) auf unsere Hand (kälter) übertragen.
Bei Gebäuden, die nach den Prinzipien der Passivarchitektur errichtet werden, ist die Verwendung von Materialien mit hoher Wärmedämmung von entscheidender Bedeutung. Um die Energieeffizienz des Systems zu gewährleisten, müssen Wärmebrücken in den Fugen von Außentüren und Fenstern vermieden werden.
Wärmeübertragung durch Strahlung
Die Wärmeübertragung durch Strahlung erfolgt durch elektromagnetische Wellen, ohne dass ein leitendes Medium erforderlich ist. Dies ist der Mechanismus, durch den die Sonnenenergie von der Sonne durch das Vakuum des Weltraums zur Erde gelangt.
Die Aufnahme der Sonnenstrahlung erfolgt vor allem über Fenster und Dächer. Thermische Energie wird von heißen auf kalte Oberflächen übertragen, sodass sich das Haus tagsüber auf natürliche Weise aufheizt. Nachts kann jedoch dieselbe Strahlung durch dieselben Oberflächen nach außen dringen.
An kalten, klaren Tagen ist die Sonnenstrahlung zum Heizen unerlässlich. Um den Wärmeeintrag durch Fenster zu kontrollieren, ist es möglich, diesen durch den Einsatz von Isolierglas, ausreichender Beschattung und der richtigen Ausrichtung der Fenster zu reduzieren.
Sonnenstrahlung sorgt nicht nur für Wärme, sondern auch für Beleuchtung. Um einer Überhitzung im Sommer vorzubeugen, können Dachtraufen, Jalousien oder Schatten spendende Bäume, die im Herbst ihr Laub verlieren und so im Winter das Sonnenlicht besser nutzen können, für Beschattung sorgen.
Ein wesentliches Prinzip des passiven Solardesigns ist die Speicherung thermischer Energie in bestimmten Baumaterialien, die zur Stabilisierung der täglichen Temperaturschwankungen beiträgt. Diese Materialien geben die während der Nacht oder zu Zeiten größeren Wärmebedarfs angesammelte Energie frei.