Pasif güneş enerjisi tasarımı, binaların ısıtılması ve soğutulması için güneşin enerjisinden, coğrafi iklimden ve farklı malzemelerin niteliklerinden yararlanılmasını ifade eder. Bu tasarıma insan yapısı enerji kullanılmayan ve ısıtma ile soğutma için gerekli olan enerji miktarını önemli ölçüde azaltabilen çeşitli yöntemler de dahildir. Geçmişte, sert çöl koşullarında yaşayan yerliler, gündüz serin ve gece sıcak olması için kısmen yer altında bulunan evler inşa etmekteydi. Ayrıca, kışın güneşten ısınan ancak yazın güneş almayan dik kayalıklardaki mağaralara kerpiçten evler inşa etmişlerdi.
Pasif güneş enerjisi, aktif güneş enerjisi ya da fotovoltaik güneş enerjisi hücreleriyle karıştırılmamalıdır. Aktif güneş enerjisi tasarımı, pasif ile benzerlikler göstermesine karşın, üretilen ısının taşınmasına yardımcı olması için küçük miktarlarda enerji kullanır. Örneğin, bir güneş enerjisi duvarının havayı ısıtması durumunda bu hava doğal olarak yükselir, buna pasif güneş enerjisi adı verilir; havanın hareket ettirilmesi için bir fan kullanılıyorsa, bu sistem "aktif" olarak kabul edilir.
Öğrencilerinize sağlayacağınız malzemelerden bazılarının nasıl kullanılabileceğine ilişkin örnekler aşağıda sunulmuştur:
Köpük panel: duvarlar ve çatı içindir, termal enerjiyi absorbe eder ve yavaşça serbest bırakır, aynı zamanda izolasyon sağlar
İnce şeffaf plastik: evlerin ısıtılması amacıyla ışığın pencerelerden girmesine imkan tanımak için kullanılabilir.
Alüminyum folyo: metal yüzeyler için kullanılır; ısıyı ve ışığı yansıtır.
İnce lastik: termal enerjiyi absorbe eder ve yavaşça serbest bırakır.
Siyah kumaş: ışıktan çok yüksek miktarda ısıyı absorbe eder.
Tutkal: evi bir arada tutmasına ek olarak, pasif güneş enerjisi kullanılan evlerdeki çatlakların ve küçük hava kaçaklarının kapatılması için son izolasyon maddesi görevi görür.
"Gündüz" testinde, açık bir gündeki güneş ışığını temsil etmesi için model evin üzerine parlak bir ışık tutulur. Sıcak bir günde güneşin altında zaman geçirdiyseniz, güneşin olağanüstü bir ısıtma gücüne sahip olduğunu bilirsiniz. Güneşin altında bir süre kaldıktan sonra bir otomobilin içinin ne kadar ısındığını düşünün. Enerjisi bedava ve neredeyse sonsuz olduğundan, enerji verimliliğini artırmak için güneşin enerjisinden yararlanılması kullanışlı bir yöntemdir. İşte bu nedenle, güneş enerjisini bir "yenilenebilir" enerji kaynağı olarak kabul etmekteyiz.
Pasif güneş enerjisi ile ısıtmanın en basit yöntemi, güneş ışığının pencerelerden içeri girmesine izin verilmesidir. Güneşin yaz aylarında kış aylarına kıyasla daha yüksekte olduğunu bildiğimiz için, mühendisler ve mimarlar binaları kış aylarında, binanın ısıtılmasının gerekli olduğu zamanlarda güneş ışığının pencerelerden geçeceği ve yaz aylarında, binanın soğutulmasına yardımcı olması için güneş ışığının engelleneceği biçimde tasarlamaktadır.
"Gece" testi ise, serin bir esinti ile birlikte gece koşullarının benzetimini oluşturur. Bunun için parlak ışık kaldırılır ve model evlerin ısıyı ne kadar iyi muhafaza ettiğinin belirlenmesi için bir fan kullanılarak serin hava verilir. Güneş battıktan sonra, tüm gün güneşin altında kalmış bir kayanın ya da beton bankın ısısını hissettiğiniz oldu mu? Kaya veya bank, ısıyı absorbe eder ve içinde depolar, daha sonra da yavaşça serbest bırakır. Aynı şekilde işleyen bir temel pasif güneş enerjisi yöntemi, binaya giren güneş ışığının radyan ısısını yapı içerisindeki bir termal kütle tarafından absorbe edilmesidir. Bir termal kütle; beton, tuğla, karo ve hatta su gibi yüksek miktarda ısıyı absorbe edebilen bir inşaat malzemesinden oluşan büyük bir duvar ya da zemin alanı olabilir. Termal kütle, güneş battığında ve hava sıcaklığı düştüğünde, tüm gün boyunca topladığı ısıyı yavaşça serbest bırakarak gece boyunca konforlu bir iç ortam sıcaklığının korunmasına yardımcı olur. Yaz aylarında, aynı termal kütle, ortamın serinlemesi için çevresindeki havanın ısısını çekebilir. Termal kütlenin ısıyı depolama yeteneği, tüm mevsimlerde sıcaklığın aynı düzeyde tutulmasına yardımcı olur.
Enerjinin Tanımları
Günlük dilde kullanılan "ısı" terimi, hem termal enerjiyi (bir madde içerisindeki atomların veya moleküllerin hareketi) hem de bu termal enerjinin bir nesneden diğerine transferini ifade eder. Isı terimi, bilimsel açıdan yalnızca yukarıdaki ikinci anlamı ifade etmek için kullanılır; iki nesne arasındaki sıcaklık farkı nedeniyle oluşan enerji transferini ifade eder.
Bir sistemin sıcaklığı, ortalama kinetik enerjiyle ve atom ya da molekül (sistemi oluşturan malzeme için uygun yapı taşı hangisi ise) başına düşen potansiyel enerjiyle orantılıdır. Bu ilişkinin ayrıntıları, atomun ya da molekülün türüne ve malzemenin atomları arasındaki etkileşimlere bağlıdır. Sıcaklık, sistemdeki toplam termal enerjinin doğrudan bir ölçüsü değildir. Bir sistemdeki toplam termal enerji (toplam dahili enerji olarak da anılır), sıcaklığa, sistemdeki toplam atom sayısına ve malzemenin durumuna bağlıdır.
