در معماري خورشيدي ساختار يك ساختمان شامل يك سيستم گردآوري انرژي خورشيد و يك سيستم ذخيره و توزيع انرژي كه در نتيجه براي ساكنين ساختمان آسايش حرارتي و روشنائي طبيعي تامين مي نمايد، مي گردد. گرمايش فضاي دروني ساختمان از طريق ورود انرژي خورشيدي از پنجره هاي بزرگ يا فضاي خورشيدي و يا از طريق گردآورنده هاي حرارتي كه با بام يا نماي ساختمان يكپارچه هستند بدست مي آيد. سرمايش فضاي دروني بوسيله سايبان ها، تجهيزات تهويه و خنك كننده هاي تبخيري، تابشي يا جريان هواي خنك – تازه سطحي انجام مي گيرد. روشنائي طبيعي با استفاده از هدايت نور خورشيد از طريق كانال هاي ويژه به عمق ساختمان انجام مي گيرد.
با توجه به اينكه تكنيكهاي ساختماني از منطقه به منطقه خيلي متفاوت هستند، و نيازهاي نسبي گرمايش، سرمايش، و نورگيري در روز بشدت تحت تاثير هوا قرار دارد. طراحي معماري خورشيدي مناسب تمايل به تاثير پذيري از شرايط خاص محل را دارد. با وجود اين مي توان اظهار نمود كه هزينه افزايشي جهت استفاده از طراحي كاملا غير فعال در مناطقي كه ديوارها و پارتيشن هاي با جرم زياد از قبيل بتون و آجر مرسوم است، حداقل مي باشد. هزينه شيشه هاي بزرگ با كارآيي زياد كه درمقابل آفتاب قرار دارند ( با سايبان درست و امكانات تهويه عرضي جهت اجتناب از گرمايش بيش از حد در تابستان ) تا حدودي توسط سطح كاهش يافته ديوارهاي خارجي جبران مي شود، و بخشي ازجرم حرارتي ساختمان مي تواند بسادگي از طريق تهويه به ذخيره حرارت تبديل گردد بدين صورت كه حرارت خورشيدي زمستاني براي استفاده در شب ذخيره مي شود و هواي شب خنك تابستان براي استفاده در روز ذخيره مي گردد.
لذا با طراحي خوب مي توان بار حرارتي ساليانه را درنواحي سرد و آفتابي به ميزان 80% و در نواحي ابري تر به ميزان 50% كاهش داد. براي دستيابي به همان ميزان گرمايش خورشيدي در ساختمانهاي سبك،گردآورنده هاي حرارتي خورشيدي همراه با ذخيره مربوطه لازم است، كه هزينه بيشتري را در بر دارد. استراتژي صحيح سايبا ن و تهويه در ساختمان هي با جرم حرارتي زياد مي تواند 80% از بار سرمايشي ساليانه را اگر شبها به اندازه كافي خنك باشند كاهش دهد، اما درغير اينصورت تكنولوژي هاي پيچيده تري بر مبناي تبخير آب با تونلهاي خنك كننده زيرزميني، نيز مورد نياز مي باشد، نور دهي در روز كه از طريق شيشه هاي بزرگ با راندمان بالا حاصل مي شود سبب صرفه جوئي اندك انرژي در منازل مي گردد اما مي تواند براي دفاتر كه كاهش نياز به نور حاصل از الكتريسيته در كاهش بار سرمايشي اثر دارد، بسيار مهم است
معماري خورشيدي ساده، كه صرفا بر مبناي شيشه هاي با راندمان بالا و عايق حرارتي خوب ساختمان مي باشد، بطور تجاري توسط برخي از معماران مورد استفاده قرار مي گيرد و اغلب بدان بصورت صرفه جوئي در انرژي نگريسته مي شود. اين درست است زيرا ميتوان در ساختمانهاي موجود با چنين اقداماتي حدود 25% در انرژي صرفه جوئي نمود. اما ميزان بالاتر نقش خورشيد اشاره شده در بالا فقط مي تواند در ساختمانهاي جديد كه به دقت طراحي شده اند حاصل گردد، و مدلسازي كامپيوتري نورگيري و حرارت يك وسيله اساسي دربهينه كردن كارآيي ساختمان مي باشد. تعدادي نرم افزاهاي كامپيوتري ارائه شده اند، اما يك برنامه معتبر و جامع و ساده براي استفاده هنوز موجود نيست و اين مانع اصلي در توسعه وسيع تر طراحي معماري خورشيدي مي باشد. علاوه بر آن فقدان آگاهي عمومي كه چنين طراحي هايي مي تواند منجر به ساختمانهاي با نياز خيلي كمتر به انرژي شود كه درعين حال مكان لذت بخش تري براي زندگي و كار هستند، نيز وجود دارد.
کاربرد انرژي خورشيدي در معماري و برنامه ريزي شهري:
مهم ترين بعد مجزاي بعد خورشيد در ارتباط با ساختمان ها، استفاده ي بصري از آن است و اين يعني نور خورشيد (آفتاب)، تابش و چشم انداز. تابش مستقيم آفتاب به بدن انسان را مي توان در نواحي خاصي محصور کرد که مردم در اين مکان ها اوقات فراغت و استراحت خود را مي گذرانند، (مثل نواحي خارج از خانه، بالکن ها، حياط، گلخانه، و ايوان ها ...). معماري خورشيدي بايد بتواند شرايط راحت و مطلوبي را براي صرف مدت زمان طولاني در چنين نواحي فراهم آورد. مهم ترين موارد در اين راستا، عبارت اند از جنبه هاي آسايش بصري (مناظر) و چشم اندازي کوتاه به خورشيد است. جنبه ي منحصر به فرد روشنايي روز در تکنولوژي خورشيدي، متأثر از تراکم نوري است. ساختمان ها بايد طوري طراحي شوند که بتوانند نور پراکنده و پخش شده ي خورشيد را دريافت کنند، که اين خود زماني حاصل مي شود که خورشيد در بالاترين نقطه در آسمان (سمت الرأس) باشد.
يکي از اشکال استفاده از انرژي خورشيدي در ساختمان به صورت مستقيم (انفعالي) است که در آن کيفيت و چگونگي معماري ساختمان، دريافت و ذخيره ي انرژي خورشيدي را فراهم مي کند.
کاربردهاي شخصي استفاده از نور خورشيد، چون گرمايش ساختمان يا اتاق ها با تابش خورشيد را نيز مي توان جزء کاربردهاي انفعالي يا مستقيم انرژي خورشيدي به شمار آورد.
اين نوع از گرمايش، ترکيبي است از کاربردهاي تکنيکي و شخصي تابش خورشيدي، در نگاه اول، اين شکل گرمايش، در قسمتي ساده و راحت از يک خانه مثل اتاق نشيمن براي آسايش فرد به نظر عجيب مي رسد؛ چون هيچ کس نمي خواهد در يک جمع کننده خورشيدي يا جايي که گرمايش آن کاملاً تحت کنترل خورشيد است، زندگي کند. به بيان فني، کوچک بودن ناحيه ي جذب مستقيم (منبع ذخيره ي اوليه)، محدوديت هاي گرمايي اتاق و جريان هاي همرفتي ناشي از منابع ثابت براي ورود هواي تازه جهت آسايش ساکنان، بخش داخلي ساختمان را به تنهايي و بدون اعمال و استفاده از سيستم خورشيدي انفعالي در آن، به يک جمع کننده ي بي نهايت ضعيف گرما و انرژي خورشيد تبديل مي کند.
کاربرد فني محض از انرژي خورشيدي بايد در کالکتورها (جمع کننده هاي انرژي خورشيدي) و سطوح تبديلي (مثل کالکتورهاي حرارتي) و تأسيسات فتوولتاييک (مبدل هاي انرژي خورشيدي به انرژي الکتريکي) رخ دهد، که از آن ها، انرژي به واحدهاي ذخيره يا مکان حقيقي خود جهت استفاده، انتقال مي يابد. اين يک کاربرد غيرمستقيم (يا فعال) از انرژي خورشيدي است، و تأسيسات تکنيکي آن، بر روي بدنه ي ساختمان، جايي که عاملي براي ايجاد سايه نباشد، نصب مي شوند.
از جمله نکات و مراحلي که در راستاي شکل گيري و اجراي يک پروژه ي معماري خورشيدي بايد مورد نظر قرار گيرند، مي توان به مواردي چون سايت ساختمان، شکل و فرم و مصالح ساختمان و خود ساختمان اشاره کرد که در ادامه به شرح هر يک پرداخته شده است.
موقعيت محلي ويژه، پوشش گياهي موجود و سازه ي ساختمان ها، عوامل اقليمي و توپوگرافي محدوده و قابل دسترس بودن اشکال پايدار الکولوژيکي از انرژي که براي يک دوره ي زماني در نظر گرفته شده اند و حجم استفاده از آن ها، همانند محدوديت هاي محلي، همگي بايد به عنوان پايه و مبناي اصلي هر يک از پروژه هاي معماري به صورت جداگانه، ارزيابي و تحليل گردند.
منابع طبيعي قابل دسترس در يک مکان خاص، به خصوص خورشيد، باد و گرماي درون زميني بايد در تعيين موقعيت اقليمي ساختمان ها منعکس شوند و نيز در طراحي اوليه شکل و سطوح و لايه هاي ساختماني منظور گردند. بر حسب موقعيت جغرافيايي، شکل کالبدي، ترکيبات مواد و مصالح و اين که سازه براي چه منظوري مورد استفاده قرار گرفته، الگوهاي گوناگون موجود يا جديد براي ايجاد يک سازه در ارتباط متقابل با عوامل مکاني که در زير آمده است، بايد مدنظر قرار گيرد.
* داده هاي اقليمي (ارتفاع خورشيد، تغييرات فصلي و ناحيه اي نور خورشيد، دماهاي متفاوت هوا، نيروي باد و مسير آن، دوره هاي زماني که در آن بادها مي وزند، ميزان رطوبت و بارش و غيره).
* ميزان قرارگيري در معرض نور خورشيد، و مناظر فضاهاي باز و مسطح زمين (زاويه شيب، شکل، خط، برجستگي زمين، تناسبات، مقياس و غيره).
* موقعيت، شکل هندسي، اندازه ها و ابعاد ساختمان هاي مجاور، ساختارهاي توپولوژيکي (زمين شناسي)، آب و پوشش گياهي (الگوهاي متغير سايه اندازي، انعکاس، حجم، تشعشعات و تابش و غيره).
* تناسب جرم و توده هاي زميني موجود به عنوان بدنه هاي ذخيره حرارتي (گرمايي).
* الگوهاي انساني و مکانيکي حرکت.
* قراردادها و آيين نامه هاي موجود ساختمان سازي و ميراث هاي معماري.
مصالح و شکل ساختمان:
ساختمان ها بايد به گونه اي طراحي شوند که به حداقل انرژي جهت روشنايي و سرويس دهي به فضاها (براي مثال، گرما براي گرمايش آب يا خود ساختمان، سرمايش، تهويه ي هوا و توليد الکتريسيته براي روشنايي) نيازمند باشند. براي رفع همه ي نيازهاي باقيمانده ي ديگر، راه حل ها بايد به گونه اي انتخاب شوند که ايجاد تعادل کلي در مصرف انرژي را برآورده کنند و آخرين دانش فني روز را در استفاده از اشکال مختلف انرژي سازگار با محيط در بر گيرد و مورد ملاحظه قرار دهد.
در استفاده از مصالح، اشکال ساختماني، فن آوري سازه، حمل و نقل، نصب و مونتاژ قطعات توليدي مربوط به اجزاي ساختماني، بايد محتوا، مقدار انرژي و چرخه ي عمر (طول عمر) مصالح در نظر گرفته شود.
* مواد خام قابل بازيافت که به مقدار کافي با مقادير دقيق در دسترس هستند و اشکال ساختماني شامل انواع سازه ها و ساختمان هايي که داراي حداقل مقدار مصرف انرژي اوليه هستند، بايد در اولويت قرار داده شوند.
* بازيافت مواد و مصالح ساختماني بايد تضمين شده باشد، به طوري که بتوان آن ها را دوباره مورد استفاده قرار داد و يا اين که دفع آن ها براي محيط زيست امکان پذير باشد (محيط زيست بتواند آن ها را تجزيه کند).
* ساختارهاي باربر و پوسته ي ساختمان ها بايد مقاوم باشند و دوام زيادي داشته باشند، به طوري که از کارايي و موثر بودن مصالح، نحوه ي عمل و مصرف انرژي آن ها اطمينان حاصل شود و هزينه ي دفع را به حداقل رساند.
يک ارتباط بهينه ميان انرژي توليد شده يا مورد استفاده در طول عمر آن، بايد حاصل شود.
عناصر و اجزاي ساختماني که به طور فعال يا غيرفعال انرژي خورشيدي مصرف مي کنند و آن دسته از المان هايي که به راحتي قادر به استفاده براي رفع مشکلات طراحي و ابعادي هستند، موادي هستند که بايد در آينده براي گسترش آن ها تلاش شود و بايد استفاده ي آن ها را در اولويت قرار داد.
سيستم هاي جديد و محصولات توليد شده در زمينه ي انرژي و فن آوري ساختمان، بايد اين قابليت را داشته باشند که به آساني با اجزاي ساختمان يکپارچه و ترکيب گردن و به راحتي قابل تعويض و تجديد باشند.
ساختمان ها را بر حسب تعادل انرژي شان، مي توان به عنوان سيستم هاي کاملي در نظر گرفت که انواع انرژي قابل حصول محيطي را کسب مي کنند و نيازهاي متنوع و گوناگون را در اين رابطه برآورده مي سازند. ساختمان ها را بايد به عنوان سيستم هاي پايدراي در نظر گرفت که قابليت استفاده ي مختلف را در درازمدت دارا باشند.
* عملکردها بايد در پلان و مقطع به گونه اي مشخص شوند که تغييرات دما و نواحي دمايي محاسبه گرديده باشد.
* نقشه کشي و اجراي ساختمان و انتخاب مصالح بايد بر اساس يک راهکار و مفهوم انعطاف پذير و قابل تغيير باشد، به گونه اي که تغييرات بعدي در به کارگيري و استفاده از آن ها بتواند با حداقل هزينه براي مصالح و انرژي صورت پذيرد .
* نفوذپذيري پوسته ساختمان نسبت به نور، گرما و هوا، و نيز شفافيت پوسته ساختمان بايد قابل کنترل و قابل اصلاح باشد، به گونه اي که بتواند در برابر تغييرات شرايط آب و هوايي محلي عکس العمل نشان دهد (مثل ميزان دريافت انرژي خورشيدي، محافظت در برابر تابش، انعکاس نور، سايه اندازي، محافظت در برابر گرم شدن هاي موقتي و تهويه قابل تطبيق طبيعي).
* امکان اين که نيازهاي رفاهي ساکنان به طور عمده از طريق طراحي ساختمان بر اساس معيارهاي مشترک و به شکل مستقيم برآورده شود، بايد وجود داشته باشد. انرژي مورد نياز باقيمانده که براي گرمايش، سرمايش، توليد برق، تهويه و روشنايي مورد نياز است، بايد توسط سيستم هاي فعالي که از نظر اقتصادي به وسيله انرژي هاي قابل دسترس تأمين مي شوند، به دست آيند.
منابع تکنيکي و انرژي که در يک ساختمان مورد استفاده قرار مي گيرد، بايد متناسب با عملکردهاي ساختمان باشند، بررسي ها نشان مي دهند که نيازها براي گروه هاي مختلف استفاده کننده بايد دوباره مورد بازبيني قرار گيرند و در هر جايي که لازم است اصلاح گردند. ساختمان ها با کاربري هاي خاص، از قبيل خانه ها، موزه ها، کتابخانه ها، بيمارستان ها و غيره، بايد به طور جداگانه در نظر گرفته شوند، چرا که شرايط آب و هوايي و اقليمي خاصي براي هر يک از آن ها وجود دارد .