تصميم المباني الشمسية السلبية

قد يكون انتقال الحرارة بالحمل الحراري مفيدًا أو ضارًا. إذ يُمكن أن يُساهم تسرب الهواء غير المُتحكم فيه، الناتج عن سوء العزل الحراري /مانعات التسرب/مانعات التيارات الهوائية، في فقدان ما يصل إلى 40% من الحرارة خلال فصل الشتاء؛ ^{[ 11 ]} ومع ذلك، يُمكن أن يُحسّن التوزيع الاستراتيجي للنوافذ أو فتحات التهوية القابلة للفتح من الحمل الحراري والتهوية المتقاطعة وتبريد الصيف عندما يكون الهواء الخارجي بدرجة حرارة ورطوبة نسبية مُريحة . ^{[ 12 ]} وقد تكون أنظمة التهوية المُفلترة لاستعادة الطاقة مفيدةً للتخلص من الرطوبة غير المرغوب فيها والغبار وحبوب اللقاح والكائنات الدقيقة في هواء التهوية غير المُفلتر.

قد يؤدي الحمل الحراري الطبيعي، الذي يتسبب في صعود الهواء الدافئ وهبوط الهواء البارد، إلى تفاوت في توزيع الحرارة. وهذا بدوره قد يُسبب اختلافات غير مريحة في درجات الحرارة بين الجزء العلوي والسفلي من المساحة المكيفة، أو يُستخدم كوسيلة لتهوية الهواء الساخن، أو يُصمم كحلقة لتدفق الهواء بالحمل الحراري الطبيعي لتوزيع الحرارة الشمسية السلبية وتحقيق توازن في درجات الحرارة. ويمكن تسهيل التبريد الطبيعي للإنسان عن طريق التعرق والتبخر من خلال حركة الهواء بالحمل الحراري الطبيعي أو القسري بواسطة المراوح، إلا أن مراوح السقف قد تُخلّ بتوازن طبقات الهواء العازلة في أعلى الغرفة، وتُسرّع انتقال الحرارة من العلية الساخنة، أو عبر النوافذ القريبة. إضافةً إلى ذلك، تُعيق الرطوبة النسبية العالية التبريد التبخيري للإنسان.

يُعدّ الإشعاع الشمسي المصدر الرئيسي لانتقال الحرارة ، ومصدره الأساسي هو الشمس. وينتقل الإشعاع الشمسي في الغالب عبر السقف والنوافذ (وأيضًا عبر الجدران). وينتقل الإشعاع الحراري من الأسطح الأكثر دفئًا إلى الأسطح الأكثر برودة. وتستقبل الأسطح معظم الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى المنزل. ويمكن للسقف البارد ، أو السقف الأخضر، بالإضافة إلى حاجز إشعاعي، أن يساعد في منع ارتفاع درجة حرارة العلية عن ذروة درجة حرارة الهواء الخارجي في فصل الصيف ^{[ 13 ]} (انظر: البياض ، والامتصاصية ، والانبعاثية ، والانعكاسية ).

تُعدّ النوافذ موقعًا جاهزًا ومتوقعًا للإشعاع الحراري . ^{[ 14 ]} يمكن للطاقة الإشعاعية أن تدخل النافذة نهارًا، وتخرج منها ليلًا. يستخدم الإشعاع الفوتونات لنقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفراغ أو وسط شبه شفاف. قد يكون اكتساب الحرارة الشمسية كبيرًا حتى في الأيام الباردة الصافية. يمكن تقليل اكتساب الحرارة الشمسية عبر النوافذ باستخدام الزجاج العازل ، والتظليل، وتوجيه النوافذ. تُعدّ النوافذ صعبة العزل بشكل خاص مقارنةً بالأسقف والجدران. كما أن انتقال الحرارة بالحمل الحراري عبر وحول أغطية النوافذ يُضعف خصائص عزلها. ^{[ 14 ]} عند تظليل النوافذ، يكون التظليل الخارجي أكثر فعالية في تقليل اكتساب الحرارة من أغطية النوافذ الداخلية . ^{[ 14 ]}

توفر أشعة الشمس الغربية والشرقية الدفء والإضاءة، لكنها عرضة لارتفاع درجة الحرارة في الصيف إذا لم تُظلل. في المقابل، تسمح أشعة الشمس المنخفضة في منتصف النهار بدخول الضوء والدفء بسهولة خلال فصل الشتاء، ويمكن تظليلها بسهولة باستخدام مظلات ذات طول مناسب أو ستائر مائلة خلال فصل الصيف، بالإضافة إلى أشجار الظل الصيفية التي تتساقط أوراقها في الخريف. ترتبط كمية الحرارة الإشعاعية التي تصل إلى الموقع بخط العرض والارتفاع وغطاء السحب وزاوية سقوط الشمس الموسمية /الساعية (انظر مسار الشمس وقانون جيب التمام لامبرت ).

من مبادئ التصميم الشمسي السلبي الأخرى إمكانية تخزين الطاقة الحرارية في بعض مواد البناء وإطلاقها مجددًا عند انخفاض اكتساب الحرارة، وذلك لتحقيق استقرار في تقلبات درجات الحرارة اليومية (بين الليل والنهار). قد يكون التفاعل المعقد بين مبادئ الديناميكا الحرارية غير بديهي للمصممين المبتدئين، لذا فإن استخدام نماذج حاسوبية دقيقة يُساعد على تجنب التجارب الإنشائية المكلفة.

في نظام الطاقة الشمسية السلبي ذي الكسب المباشر ، يعمل الحيز الداخلي كمجمع شمسي، وممتص للحرارة، ونظام توزيع لها. يسمح الزجاج المواجه للجنوب في نصف الكرة الشمالي (والشمالي في نصف الكرة الجنوبي) بدخول الطاقة الشمسية إلى داخل المبنى، حيث تُسخّن مباشرةً (امتصاص الطاقة الإشعاعية) أو بشكل غير مباشر (عن طريق الحمل الحراري) الكتلة الحرارية في المبنى، مثل الأرضيات والجدران الخرسانية أو المبنية من الطوب. تُدمج الأرضيات والجدران، التي تعمل ككتلة حرارية، كأجزاء وظيفية من المبنى، وتُخفف من شدة التدفئة خلال النهار. وفي الليل، تُشعّ الكتلة الحرارية المُسخّنة الحرارة إلى الحيز الداخلي. ^{[ 20 ]}

في المناخات الباردة، يُعدّ المبنى المُعتنى به شمسيًا أبسط أنواع أنظمة الطاقة الشمسية السلبية ذات الكسب المباشر، حيث يقتصر على زيادة مساحة الزجاج المواجه للجنوب (بشكل طفيف) دون إضافة كتلة حرارية إضافية. وهو نظام كسب مباشر يتميز بعزل جيد لغلاف المبنى، وامتداده من الشرق إلى الغرب، ووجود نسبة كبيرة من النوافذ (حوالي 80% أو أكثر) في الجهة الجنوبية. ولا يتطلب هذا النظام إضافة كتلة حرارية تُذكر تتجاوز ما هو موجود بالفعل في المبنى (أي الهيكل، وألواح الجدران، وما إلى ذلك). في المبنى المُعتنى به شمسيًا، يجب ألا تتجاوز مساحة النوافذ المواجهة للجنوب 5 إلى 7% من إجمالي مساحة الأرضية، وتكون أقل في المناخات المشمسة، وذلك لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. ولا يمكن إضافة زجاج إضافي مواجه للجنوب إلا في حال زيادة الكتلة الحرارية. وتُعدّ وفورات الطاقة متواضعة مع هذا النظام، كما أن تكلفة التعتيم الشمسي منخفضة للغاية. ^{[ 20 ]}

في أنظمة الطاقة الشمسية السلبية ذات الكسب المباشر الحقيقي ، يلزم وجود كتلة حرارية كافية لمنع التقلبات الكبيرة في درجة حرارة الهواء الداخلي؛ وتكون الكتلة الحرارية المطلوبة أكبر من تلك المطلوبة في المباني المعرضة لأشعة الشمس المباشرة. قد يؤدي عدم كفاية الكتلة الحرارية أو سوء تصميمها إلى ارتفاع درجة حرارة المبنى من الداخل. يجب أن تُبنى ما بين نصف إلى ثلثي مساحة السطح الداخلي للأرضيات والجدران والأسقف من مواد تخزين حراري. يمكن أن تكون مواد التخزين الحراري من الخرسانة أو الطوب اللبن أو الطوب أو الماء. ينبغي إبقاء الكتلة الحرارية في الأرضيات والجدران مكشوفة قدر الإمكان من الناحية الوظيفية والجمالية؛ ويجب تعريضها لأشعة الشمس المباشرة. يُنصح بتجنب استخدام السجاد الممتد من الجدار إلى الجدار، والسجاد الكبير، والأثاث الضخم، واللوحات الجدارية الكبيرة.

عادةً، لكل  قدم ^مربع تقريبًا من الزجاج المواجه للجنوب، يلزم ما بين 5 إلى 10  أقدام ^{مكعبة من الكتلة الحرارية (متر مكعب} واحد لكل 5 إلى 10 أمتار ^مربعة ). وعند الأخذ في الاعتبار أغطية الجدران والأرضيات والأثاث، فإن هذا يعادل عادةً ما بين 5 إلى 10  أقدام ^مربعة لكل قدم ^مربع (5 إلى 10 أمتار ^مربعة لكل متر ^مربع ) من الزجاج المواجه للجنوب، وذلك بحسب ما إذا كانت أشعة الشمس تسقط على السطح مباشرةً أم لا. وأبسط قاعدة عامة هي أن مساحة الكتلة الحرارية يجب أن تكون من 5 إلى 10 أضعاف مساحة سطح المجمع الشمسي المباشر (الزجاج). ^{[ 20 ]}

ينبغي أن تكون الكتلة الحرارية الصلبة (مثل الخرسانة، والبناء، والحجر، وما إلى ذلك) رقيقة نسبيًا، بحيث لا يتجاوز  سمكها 100 ملم تقريبًا. وتُحقق الكتل الحرارية ذات المساحات المكشوفة الكبيرة، وتلك المعرضة لأشعة الشمس المباشرة لجزء من اليوم على الأقل (ساعتين كحد أدنى)، أفضل أداء. يُنصح باستخدام ألوان متوسطة إلى داكنة ذات قدرة امتصاص عالية على أسطح عناصر الكتلة الحرارية المعرضة لأشعة الشمس المباشرة. أما الكتلة الحرارية غير المعرضة لأشعة الشمس، فيمكن أن تكون بأي لون. كما يمكن أن تكون العناصر خفيفة الوزن (مثل جدران وأسقف الجبس) بأي لون. يُحسّن تغطية الزجاج بألواح عازلة متحركة ومحكمة الإغلاق خلال فترات الظلام والغيوم وساعات الليل أداء نظام التدفئة المباشرة بشكل كبير. يسخن الماء الموجود داخل حاويات بلاستيكية أو معدنية، والمعرض لأشعة الشمس المباشرة، بشكل أسرع وأكثر تجانسًا من الكتلة الصلبة، وذلك بفضل انتقال الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي. كما تمنع عملية الحمل الحراري ارتفاع درجات حرارة السطح إلى مستويات شديدة الارتفاع، كما يحدث أحيانًا عند تعرض أسطح الكتل الصلبة ذات الألوان الداكنة لأشعة الشمس المباشرة.

بحسب المناخ ومع وجود كتلة حرارية كافية، ينبغي ألا تتجاوز مساحة الزجاج المواجه للجنوب في نظام التدفئة والتبريد المباشر ما بين 10% إلى 20% من مساحة الأرضية (مثلاً، من 10 إلى 20  قدمًا ^مربعًا من الزجاج لأرضية مساحتها 100  قدم ^مربع ). ويُحتسب هذا بناءً على صافي مساحة الزجاج. تجدر الإشارة إلى أن معظم النوافذ تحتوي على صافي مساحة زجاج تتراوح بين 75% إلى 85% من إجمالي مساحة وحدة النافذة. وإذا تجاوزت هذه النسبة، فمن المرجح حدوث مشاكل مثل ارتفاع درجة الحرارة، والوهج، وبهتان الأقمشة. ^{[ 20 ]}

في نظام الطاقة الشمسية السلبي ذي الكسب غير المباشر ، تقع الكتلة الحرارية ( الخرسانة ، أو البناء، أو الماء) خلف الزجاج المواجه للجنوب مباشرةً وأمام المساحة الداخلية المراد تدفئتها، وبالتالي لا يوجد تسخين مباشر. يمنع موقع الكتلة دخول ضوء الشمس إلى المساحة الداخلية، وقد يحجب الرؤية عبر الزجاج. يوجد نوعان من أنظمة الكسب غير المباشر: أنظمة الجدران لتخزين الطاقة الحرارية وأنظمة برك الأسطح. ^{[ 20 ]}

أثبت كاتشادوريان إمكانية التغلب على عيوب جدران التخزين الحراري بتوجيه جدار ترومب أفقيًا بدلًا من رأسيًا. ^{[ 21 ]} فإذا شُيِّدت كتلة التخزين الحراري على شكل أرضية خرسانية مهواة بدلًا من جدار، فإنها لا تحجب ضوء الشمس عن دخول المنزل (وهو العيب الأبرز لجدار ترومب)، بل يمكن تعريضها لأشعة الشمس المباشرة عبر نوافذ زجاجية مزدوجة مواجهة لخط الاستواء، والتي يمكن عزلها بشكل إضافي باستخدام مصاريع أو ستائر حرارية ليلًا. ^{[ 22 ]} وبذلك، يُزال تأخر جدار ترومب الملحوظ في امتصاص الحرارة نهارًا، إذ لا يتعين على الحرارة المرور عبر الجدار للوصول إلى الهواء الداخلي، بل ينعكس جزء منها أو يُشعّ مباشرةً من الأرضية. بشرط أن تحتوي البلاطة على قنوات هوائية مثل جدار ترومب، والتي تمر من خلالها في اتجاه الشمال والجنوب ويتم تهويتها إلى مساحة الهواء الداخلية من خلال أرضية البلاطة الخرسانية داخل الجدران الشمالية والجنوبية مباشرة، فإن عملية سحب الهواء الحراري القوية عبر البلاطة لا تزال تحدث كما هو الحال في جدار ترومب الرأسي، مما يؤدي إلى توزيع الحرارة المحتجزة في جميع أنحاء المنزل (وتبريد المنزل في الصيف من خلال العملية العكسية).

يُعدّ بناء البلاطة الأفقية المُهواة أقل تكلفة من بناء جدران ترومب الرأسية، إذ تُشكّل أساس المنزل الذي يُعتبر نفقة ضرورية في أي مبنى. تُعتبر أساسات البلاطة الأرضية عنصرًا شائعًا ومفهومًا جيدًا وفعالًا من حيث التكلفة في البناء (مع تعديل طفيف بإضافة طبقة من قنوات التهوية المصنوعة من الطوب الخرساني)، على عكس جدران ترومب المعقدة. العيب الوحيد المتبقي لهذا النوع من العمارة الشمسية ذات الكتلة الحرارية هو غياب القبو، كما هو الحال في أي تصميم بلاطة أرضية.

يُعد تصميم أرضية الكاشادوري نظامًا شمسيًا سلبيًا مباشرًا ، لكن كتلتها الحرارية تعمل أيضًا كعنصر تسخين (أو تبريد) غير مباشر ، حيث تُطلق حرارتها ليلًا. وهو نظام طاقة هجين ذو دورة متناوبة، مثل السيارة الكهربائية الهجينة .

في نظام الطاقة الشمسية السلبي ذي الكسب المعزول ، تكون المكونات (مثل المجمع وتخزين الطاقة الحرارية) معزولة عن المنطقة الداخلية للمبنى. ^{[ 20 ]}

المساحة الشمسية الملحقة ، والتي تُسمى أحيانًا غرفة شمسية أو شرفة زجاجية ، هي نوع من أنظمة الطاقة الشمسية المعزولة، تتكون من مساحة داخلية زجاجية أو غرفة ملحقة بالمبنى، ويمكن عزلها تمامًا عن المناطق الرئيسية المأهولة. تعمل هذه المساحة كبيت زجاجي ملحق، حيث تجمع بين خصائص أنظمة الطاقة الشمسية المباشرة وغير المباشرة. قد تُسمى المساحة الشمسية بالبيت الزجاجي، وقد تبدو كذلك، إلا أن البيت الزجاجي مُصمم لزراعة النباتات، بينما تُصمم المساحة الشمسية لتوفير الدفء والجمال للمبنى. تُعد المساحات الشمسية من عناصر التصميم السلبي الشائعة جدًا، لأنها تُوسع مساحات المعيشة في المبنى، وتوفر مكانًا لزراعة النباتات. مع ذلك، في المناخات المعتدلة والباردة، يلزم توفير تدفئة إضافية لحماية النباتات من التجمد خلال الطقس شديد البرودة.

تجمع النوافذ الزجاجية المواجهة للجنوب في المساحات الشمسية الملحقة الطاقة الشمسية كما في أنظمة الاكتساب المباشر. أبسط تصميم للمساحات الشمسية هو تركيب نوافذ رأسية بدون نوافذ علوية. قد تتعرض هذه المساحات لاكتساب وفقدان كبيرين للحرارة نتيجةً لكثرة النوافذ الزجاجية. ورغم أن النوافذ الأفقية والمائلة تجمع حرارة أكبر في الشتاء، إلا أنه يتم تقليل استخدامها لمنع ارتفاع درجة الحرارة خلال فصل الصيف. وعلى الرغم من أن النوافذ العلوية قد تكون جذابة من الناحية الجمالية، إلا أن السقف المعزول يوفر أداءً حراريًا أفضل. ويمكن استخدام المناور لتوفير بعض الإضاءة الطبيعية. يمكن للنوافذ الرأسية زيادة اكتساب الحرارة إلى أقصى حد في الشتاء، عندما تكون زاوية الشمس منخفضة، وتقليل اكتساب الحرارة خلال الصيف. كما أن الزجاج الرأسي أقل تكلفة، وأسهل في التركيب والعزل، وأقل عرضة للتسرب والضباب والكسر وغيرها من أعطال الزجاج. يُعد الجمع بين النوافذ الرأسية وبعض النوافذ المائلة مقبولاً إذا تم توفير التظليل الصيفي. وقد يكون بروز السقف المصمم جيدًا كافيًا لتظليل النوافذ في الصيف.

يمكن تخفيف تقلبات درجات الحرارة الناتجة عن فقدان واكتساب الحرارة باستخدام الكتلة الحرارية والنوافذ ذات الانبعاثية المنخفضة. تشمل الكتلة الحرارية أرضية مبنية من الطوب، وجدارًا مبنيًا من الطوب يحيط بالمنزل، أو خزانات مياه. ويمكن توزيع الحرارة في المبنى من خلال فتحات التهوية في السقف والأرضية، والنوافذ، والأبواب، والمراوح. في التصميم الشائع، يعمل جدار الكتلة الحرارية الموجود في الجزء الخلفي من المساحة المشمسة المجاورة لمساحة المعيشة كجدار كتلة حرارية غير مباشر الاكتساب. تُحفظ الطاقة الشمسية الداخلة إلى المساحة المشمسة في الكتلة الحرارية. وتنتقل الحرارة الشمسية إلى المبنى عن طريق التوصيل الحراري عبر جدار الكتلة المشترك في الجزء الخلفي من المساحة المشمسة وعن طريق فتحات التهوية (مثل جدار تخزين حراري غير مُهوى)، أو من خلال فتحات في الجدار تسمح بتدفق الهواء من المساحة المشمسة إلى المساحة الداخلية عن طريق الحمل الحراري (مثل جدار تخزين حراري مُهوى).

في المناطق الباردة، يُنصح باستخدام الزجاج المزدوج لتقليل فقدان الحرارة بالتوصيل عبر الزجاج إلى الخارج. وعلى الرغم من أهمية فقدان الحرارة ليلاً خلال فصل الشتاء، إلا أنه ليس بنفس أهمية أنظمة التدفئة والتبريد المباشرة في المساحات المشمسة، حيث يمكن عزل هذه المساحات عن باقي المبنى. أما في المناطق المعتدلة والباردة، فيُعدّ عزل المساحات المشمسة حرارياً عن المبنى ليلاً أمراً بالغ الأهمية. ويمكن استخدام ألواح زجاجية كبيرة، أو أبواب فرنسية، أو أبواب زجاجية منزلقة بين المبنى والمساحات المشمسة المتصلة بها للحفاظ على شعور بالرحابة دون فقدان الحرارة المصاحب للمساحات المفتوحة.

يحتاج الفضاء الشمسي ذو الجدار الحراري المبني من الطوب إلى مساحة تقارب 0.3  قدم ^مربع من سطح الجدار ذي الكتلة الحرارية لكل قدم ^مربع من مساحة الأرضية المراد تدفئتها (0.3 متر ^مربع لكل متر ^مربع من مساحة الأرضية)، وذلك حسب المناخ. وينبغي أن تكون سماكة الجدران مماثلة لسماكة جدار التخزين الحراري. في حال استخدام جدار مائي بين الفضاء الشمسي ومساحة المعيشة، فإن مساحة تقارب 0.2  قدم ^مربع من سطح الجدار ذي الكتلة الحرارية لكل قدم ^مربع من مساحة الأرضية المراد تدفئتها (0.2 متر ^مربع لكل متر ^مربع من مساحة الأرضية) تُعدّ مناسبة. في معظم المناخات، يلزم وجود نظام تهوية خلال أشهر الصيف لمنع ارتفاع درجة الحرارة. عمومًا، لا يُنصح باستخدام مساحات زجاجية واسعة (أفقية) أو مواجهة للشرق أو الغرب في الفضاء الشمسي دون اتخاذ احتياطات خاصة لمنع ارتفاع درجة الحرارة في الصيف، مثل استخدام زجاج عاكس للحرارة وتوفير مناطق تظليل صيفية.

ينبغي أن تكون الأسطح الداخلية للكتلة الحرارية داكنة اللون. ويمكن استخدام مواد عازلة متحركة (مثل أغطية النوافذ، والستائر، والمصاريع) للمساعدة في حبس الهواء الدافئ في المساحة المشمسة بعد غروب الشمس وأثناء الطقس الغائم. وعند إغلاقها في الأيام شديدة الحرارة، تساعد أغطية النوافذ على منع ارتفاع درجة حرارة المساحة المشمسة.

لتحقيق أقصى قدر من الراحة والكفاءة، ينبغي عزل جدران وسقف وأساسات المساحة الشمسية غير الزجاجية عزلاً جيداً. يجب عزل محيط جدار أو بلاطة الأساس حتى مستوى تجمد التربة أو حول محيط البلاطة. في المناخ المعتدل أو البارد، ينبغي عزل الجدران الشرقية والغربية للمساحة الشمسية (بدون زجاج).

لا تشرق الشمس طوال الوقت. يحافظ تخزين الحرارة، أو الكتلة الحرارية ، على دفء المبنى عندما لا تستطيع الشمس تدفئته.

في المنازل الشمسية النهارية، يُصمَّم نظام التخزين ليوم واحد أو بضعة أيام. والطريقة المعتادة هي بناء كتلة حرارية مُخصصة. تشمل هذه الكتلة جدار ترومب ، وأرضية خرسانية مهواة، ^{[ 23 ]} وخزانًا، وجدارًا مائيًا، أو بركة على السطح. ^{[ 24 ]} من الممكن أيضًا استخدام الكتلة الحرارية للأرض نفسها، إما كما هي أو بدمجها في الهيكل عن طريق بناء حواجز أو استخدام التربة المدكوكة كوسيط إنشائي. ^{[ 25 ]}

في المناطق شبه القطبية، أو المناطق التي تشهد فترات طويلة من انعدام اكتساب الطاقة الشمسية (مثل أسابيع من الضباب المتجمد)، تُعدّ الكتل الحرارية المصممة خصيصًا مكلفة للغاية. وقد ابتكر دون ستيفنز تقنية تجريبية رائدة لاستخدام الأرض ككتلة حرارية كبيرة بما يكفي لتخزين الحرارة على مدار العام. وتتضمن تصاميمه أنبوبًا حراريًا معزولًا على عمق 3  أمتار تحت المنزل، وعزل الأرض بغطاء  مقاوم للماء بطول 6 أمتار. ^{[ 26 ]}

يقلل العزل الحراري أو العزل الفائق (نوعه وموقعه وكميته) من التسرب غير المرغوب فيه للحرارة. ^{[ 10 ]} بعض المباني السلبية مبنية بالفعل من مواد عازلة .

تتحسن فعالية أنظمة اكتساب الطاقة الشمسية المباشرة بشكل كبير من خلال العزل (مثل الزجاج المزدوج )، أو الزجاج الانتقائي طيفياً ( منخفض الانبعاثية )، أو عزل النوافذ المتحرك (أغطية النوافذ، وستائر العزل الداخلية القابلة للطي، والظلال، وما إلى ذلك). ^{[ 22 ]}

بشكل عام، لا ينبغي استخدام طلاءات زجاجية تمنع اكتساب الطاقة الشمسية في النوافذ المواجهة لخط الاستواء.

يُستخدم نظام النوافذ المعزولة حرارياً على نطاق واسع في معيار المنزل السلبي الألماني . ويعتمد اختيار أنواع الطلاء المختلفة للنوافذ ذات الانتقائية الطيفية على نسبة أيام التدفئة إلى أيام التبريد في موقع التصميم.

قد يؤدي التصميم الذي يحتوي على الكثير من الزجاج المواجه لخط الاستواء إلى ارتفاع مفرط في درجات الحرارة خلال فصل الشتاء أو الربيع أو الخريف، ومساحات معيشة مشرقة بشكل غير مريح في أوقات معينة من السنة، وانتقال مفرط للحرارة في ليالي الشتاء وأيام الصيف.

على الرغم من أن الشمس تكون على نفس الارتفاع قبل ستة أسابيع من الانقلاب الشمسي وبعده، فإن متطلبات التدفئة والتبريد قبل الانقلاب وبعده تختلف اختلافًا كبيرًا. يُعزى ذلك إلى تراكم الحرارة على سطح الأرض، مما يُسبب "تأخرًا حراريًا". كما يؤثر الغطاء السحابي المتغير على إمكانية اكتساب الطاقة الشمسية. وهذا يعني أن بروزات النوافذ الثابتة، المصممة خصيصًا لخطوط العرض المختلفة، على الرغم من أهميتها، لا تُعد حلًا كاملًا للتحكم في اكتساب الطاقة الشمسية الموسمية.

يمكن لآليات التحكم (مثل الستائر الداخلية المعزولة اليدوية أو الآلية، والستائر، وشاشات التظليل الخارجية القابلة للطي، أو المظلات القابلة للسحب) أن تعوض عن الاختلافات الناتجة عن التأخر الحراري أو الغطاء السحابي، وتساعد في التحكم في اختلافات متطلبات اكتساب الطاقة الشمسية اليومية / الساعية.

يمكن لأنظمة التشغيل الآلي للمنازل التي تراقب درجة الحرارة وضوء الشمس ووقت اليوم وإشغال الغرفة أن تتحكم بدقة في أجهزة تظليل النوافذ والعزل الآلية.

يمكن اختيار المواد والألوان بحيث تعكس أو تمتص الطاقة الحرارية الشمسية . ويمكن الاستعانة بمعلومات عن لون معين فيما يتعلق بالإشعاع الكهرومغناطيسي لتحديد خصائصه الإشعاعية الحرارية من حيث الانعكاس أو الامتصاص، مما يساعد في اتخاذ هذه الخيارات. ^{[ 30 ]}

في المناخات الباردة ذات الأيام الشتوية القصيرة، قد تعمل أنظمة الكسب المباشر التي تستخدم النوافذ المواجهة لخط الاستواء بشكل أفضل عندما يغطي الثلج الأرض، حيث سيدخل ضوء الشمس المنعكس والمباشر إلى المنزل ويتم التقاطه كحرارة. ^{[ 31 ]}

تعمل تقنيات الإضاءة الشمسية السلبية على تعزيز الاستفادة من الإضاءة الطبيعية في المساحات الداخلية، وبالتالي تقليل الاعتماد على أنظمة الإضاءة الاصطناعية.

يمكن تحقيق ذلك من خلال تصميم دقيق للمبنى، وتوجيه مناسب، ووضع أجزاء النوافذ بشكل ملائم لجمع الضوء. وتشمل الحلول الإبداعية الأخرى استخدام أسطح عاكسة لإدخال ضوء النهار إلى داخل المبنى. يجب أن تكون أجزاء النوافذ ذات حجم مناسب، ولتجنب الإضاءة الزائدة، يمكن حجبها باستخدام مصدات الشمس ، والمظلات ، والأشجار الموضوعة في أماكن مناسبة، والطلاءات الزجاجية، وغيرها من الوسائل السلبية والفعالة. ^{[ 32 ]}

تُعدّ مشكلة أخرى رئيسية تواجه العديد من أنظمة النوافذ هي احتمالية تعرضها لاكتساب أو فقدان الحرارة بشكل مفرط. فبينما تُتيح النوافذ العلوية المُثبّتة في السقف والمناور التقليدية إمكانية إدخال ضوء النهار إلى الأجزاء غير المُوجّهة جيدًا من المبنى، إلا أن التحكم في انتقال الحرارة غير المرغوب فيه قد يكون صعبًا. ^{[ 33 ] [ 34 ]} وبالتالي، فإن الطاقة المُوفّرة من خلال تقليل الإضاءة الاصطناعية غالبًا ما تُقابلها طاقة أكبر بكثير من الطاقة اللازمة لتشغيل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للحفاظ على الراحة الحرارية .

يمكن استخدام طرق مختلفة لمعالجة هذا الأمر بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر أغطية النوافذ والزجاج المعزول والمواد الجديدة مثل العزل شبه الشفاف من الهلام الهوائي والألياف البصرية المدمجة في الجدران أو السقف أو الإضاءة الشمسية الهجينة في مختبر أوك ريدج الوطني .

تعكس العناصر، من مصادر الإضاءة الطبيعية النشطة والسلبية ، مثل رفوف الإضاءة ، وألوان الجدران والأرضيات الفاتحة، وأجزاء الجدران العاكسة ، والجدران الداخلية ذات الألواح الزجاجية العلوية، والأبواب المفصلية والمنزلقة الزجاجية الشفافة أو شبه الشفافة ، الضوء الملتقط وتعكسه بشكل سلبي إلى الداخل. يمكن أن يكون مصدر الضوء نوافذ سلبية أو مناور أو أنابيب إضاءة شمسية، أو مصادر إضاءة طبيعية نشطة . في العمارة اليابانية التقليدية، تُعد أبواب شوجي المنزلقة ذات الألواح وشاشات واشي شبه الشفافة سابقةً أصلية . وقد سبقت العمارة العالمية والحداثية وعمارة منتصف القرن الحديث في ابتكار هذا الاختراق والانعكاس السلبي في التطبيقات الصناعية والتجارية والسكنية.

توجد طرق عديدة لاستخدام الطاقة الشمسية الحرارية لتسخين المياه للاستخدام المنزلي. وتختلف نتائج تحليل التكلفة والعائد الاقتصادي لتقنيات تسخين المياه بالطاقة الشمسية، سواءً كانت فعّالة أو غير فعّالة، باختلاف الموقع .

لا تتطلب أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية السلبية الأساسية أي مضخات أو أجهزة كهربائية. وهي فعّالة من حيث التكلفة في المناطق ذات المناخ المعتدل، حيث لا تشهد فترات طويلة من درجات الحرارة تحت الصفر أو طقسًا غائمًا كثيفًا. ^{[ 35 ]} قد تكون تقنيات تسخين المياه بالطاقة الشمسية النشطة الأخرى، وما شابهها، أكثر ملاءمة لبعض المواقع.

من الممكن الحصول على نظام تسخين مياه يعمل بالطاقة الشمسية، وهو نظام مستقل عن الشبكة الكهربائية ويُعتبر مستداماً. ويتم ذلك باستخدام خلية كهروضوئية تستخدم طاقة الشمس لتشغيل المضخات. ^{[ 36 ]}

شهدت الفترة الأخيرة اهتماماً متزايداً باستغلال المساحات الشاسعة لناطحات السحاب لتحسين كفاءتها الإجمالية في استهلاك الطاقة. ونظراً لانتشار ناطحات السحاب بشكل متزايد في البيئات الحضرية، واستهلاكها كميات كبيرة من الطاقة لتشغيلها، تبرز إمكانية تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة من خلال استخدام تقنيات التصميم الشمسي السلبي. وقد وجدت إحدى الدراسات ^{[ 41 ]} ، التي حللت برج بيشوبسجيت 22 المقترح في لندن، أنه يمكن نظرياً تحقيق انخفاض في استهلاك الطاقة بنسبة 35% من خلال الاستفادة غير المباشرة من الطاقة الشمسية، وذلك بتدوير المبنى لتحقيق التهوية المثلى ودخول ضوء النهار، واستخدام مواد أرضيات ذات كتلة حرارية عالية لتقليل تقلبات درجات الحرارة داخل المبنى، واستخدام زجاج نوافذ مزدوج أو ثلاثي الطبقات منخفض الانبعاثية للاستفادة المباشرة من الطاقة الشمسية. تضمنت تقنيات الاستفادة غير المباشرة من الطاقة الشمسية تعديل تدفق الحرارة عبر الجدران بتغيير سماكتها (من 20 إلى 30  سم)، واستخدام زجاج النوافذ في المساحات الخارجية لمنع فقدان الحرارة، وتخصيص 15-20% من مساحة الأرضية للتخزين الحراري، وتطبيق جدار ترومب لامتصاص الحرارة الداخلة إلى المكان. كما استُخدمت المظلات لحجب أشعة الشمس المباشرة في الصيف والسماح بدخولها في الشتاء، ووُضعت ستائر عاكسة للحرارة بين الجدار الحراري والزجاج للحد من تراكم الحرارة خلال أشهر الصيف.

حللت دراسة أخرى ^{[ 42 ]} واجهات المباني الشاهقة المغطاة بالنباتات ذات الطبقة الخضراء المزدوجة في هونغ كونغ. وقد وجد الباحثون أن هذه الواجهات الخضراء، أو الغطاء النباتي الذي يغطي الجدران الخارجية، يمكن أن يقلل بشكل كبير من استخدام مكيفات الهواء، بنسبة تصل إلى 80%.

في المناخات الأكثر اعتدالاً، يمكن أن توفر استراتيجيات مثل التزجيج، وتعديل نسبة النوافذ إلى الجدران، وتظليل الشمس، واستراتيجيات الأسقف، وفورات كبيرة في الطاقة، تتراوح بين 30% و60%. ^{[ 43 ]}