如何在建筑项目中应用被动式太阳能策略？

How to Implement Passive Solar Design in Your Architecture Projects

太阳距离我们有些遥远，距离大约为1.5亿公里，但是它对我们的影响却非常大。人们喜欢阳光，而建筑师则喜欢充满阳光的空间。

就定义而言，被动式太阳能量是“利用自然策略而获得的能量的收集与分配”。应用被动式太阳能源体系的简单概念与过程通过最为环保且可持续的方式为建筑带来了热量、光照、机械动力、电力体系等等。

在文章中，小编会为大家带来应用被动式太阳体系的设计指南。

太阳

被动式太阳能源以太阳为基础。太阳的热辐射来到地面，其热量会被吸收、传播。透明的材质能够传递最多的太阳辐射，而半透明材料既能传播太阳辐射，同时也能进行散射。

但是并非所有的材料都能吸收阳光。例如，相比起哑光表面，抛光表面就会很大程度地反射光线，而相比起浅色的表面，深色表面能够吸收更多的热量。另外，有的表面既能够传递热量也能够储存热量，这便能产生“温室效应”。这个体系将太阳的热量储存起来，然后保存，但这并不是让其冷却的系统，如果需要冷却，则需要将热量吸收。

什么是被动式系统？

被动式系统是指“通过非机械且自然的方式来收集与传送能量”。诸如混凝土、砖石、水墙、屋顶池塘都是非常常见的储存方式。被动式系统包含有三种类型，即直接受益、间接受益，和单独受益。直接受益是指阳光直射在其表面之上，例如南向的玻璃立面，然后从中获得光与热量；间接受益则是指阳光照射在另一个表面之上，然后这个表面将其吸收，并转换成热能，最后再输送到空间之中。举例来说便是，砖石墙体吸收阳光，然后将热量送到建筑内部，“温室”便是直接受益和间接受益的结合使用，它们既需要直接吸收阳光热量，同时也需要将热量输送到其他空间之中。最后，单独受益是“自然收集体系回路”，其中需要使用替代性材料来收集能量。这些材料一般是热储蓄装置、金属面板收集器、水、空气、岩石等等。当容器之中的水经过阳光直射而升温，然后就会产生电流，于是水平面会上升来到储蓄装置的顶部。

Schoolgarden“De Buitenkans”动物园艺学院｜Schoolgarden “De Buitenkans” . Image Courtesy of RO&AD Architecten

设计被动式太阳能策略（以下策略为北半球适应性策略）

1、太阳的位置：太阳的位置对于太阳能量的吸收非常重要，因此项目的设计之时需要在冬季和夏季都充分利用其地理上的优势。

2、结构设计：项目的整体形态和朝向也决定了其空间的太阳能量吸收程度。一般来说，东西向轴线越长，建筑的南面越能在冬天吸收能量。

3、注意建筑的北面：由于太阳无法在北侧进行照射，因此建筑师可以缩短这一侧的长度，减少北侧墙体的裸露部分。另外，在其相邻的墙体上应用浅色材质可以让阳光折射到北侧墙体之上。

美国Kraemer放射肿瘤科中心｜Kraemer Radiation Oncology Center. Image Bruce Damonte

4、适当分配室内房间：可以在建筑的东南面、南面、西南面放置利用率较高的房间，保证热量与光照的最大化利用。诸如走廊与公共设施等热量、照明需求量低的房间，则可以放置在北侧。

5、窗户位置：可以将大型开窗放在建筑的南侧，让阳光最大程度地进入室内。北侧墙体的窗户可以小一些，因为这个方向能够获得的热量不多。

阳光房｜Sunlight House. Image Adam Mork

6、隐蔽的入口：防止冬季冷空气通过入口进入室内，因此建筑入口的朝向应尽量避开风向，也可以应用挡风的设施。

7、材料的选择：如果每种材料都应用，那么能量消耗也不低。下表说明了每种材料的能量吸收率。

各种材料的热容量｜Heat Capacity for Various Materials. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book

8、系统选择：每个项目都有不同的设计需求，因此每个项目也需要应用不同的体系。某些被动式策略对于某些项目来说并不实用，例如在周围都是高层建筑的项目中应用大面积玻璃幕墙，就这种情况而言，建筑师可以充分利用屋顶体系。

9、玻璃立面或太阳窗户：南向玻璃立面和大型开窗能够吸收大量阳光。因此建议，在寒冷气候中，每平方英尺的空间可以对应0.19与0.38平方英尺的南向玻璃窗户。而在温暖气候中，每平方英尺的空间可以对应0.11至0.25平方英尺的南向开窗。

三层玻璃立面｜Triple-Glass Facade. Image Adrien Buchet

10、天窗：有时无法在立面设置开窗，这就是就需要应用天窗，让阳光从天空直接进入室内。

新墨西哥圣菲Karen Terry住宅剖面｜Karen Terry House Section, Santa Fe, New Mexico. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book

Courtesy of Taisei Design

11、砖石蓄热：墙体的建议厚度至少为4英寸，这样能有效的减少室内的温度波动。浅色的室内色调、深色地面、小型开窗，这些都能够使得阳光在空间中有效地扩散。

12、室内水墙：在建筑内使用水墙时，应尽量保证墙体在上午11点至下午3点能够接收到阳光，同时使用较深的颜色来促进热量的吸收。

13、保温墙体：这类似于温室，保温墙体是在建筑的向阳一侧应用外部保温层，这能够让建筑在白天保温，而在夜间释放热量。这些墙体一般由砖石和玻璃建造而成，通过墙体玻璃层和开口来供热。

集热墙剖面｜Trombe Wall Section. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book

14、墙体尺寸：应当适当地调整墙体的尺寸，尽量在冬季的时候多储存能量。那么建议，在寒冷气候中，每平方英尺的空间对应0.43和1平方英尺的南向双层玻璃蓄热墙体，在温暖的气候，每平方英尺的空间对应0.22至0.6平方英尺的保温墙体，其中如果是水墙，建议尺寸则为0.16至0.43平方英尺。

详细信息：墙体的厚度、材质、色彩、完成面都能够影响隔热的效率。为了将效益最大化，因此可以在面向太阳的一侧选用深色的材料，同时在墙体的顶部和侧面增加通风孔洞来提升其整体的性能，另外再在通风孔洞上增加铰接面板来避免反向气流的出现。

15、相邻温室：如果要使用“相邻温室”的概念会有些复杂，因为进入建筑的能量会通过一个结构体系，因此需要正确地计算温室的尺寸。那么建议，在寒冷的气候中，每平方英尺的建筑面积可以对应0.65或1.5平方英尺的南向双玻璃开窗面积。而在温暖气候中，每平方英尺的建筑面积可以对应0.33至0.9平方英尺的玻璃开窗面积。

Maison + Agence. Image Philippe Ruault

16、独立温室：由于温室对于玻璃或其他半透明材质的依赖程度较强，这样太阳才能辐射整个空间，但是，温室的北侧所接收到的阳光会比其他部分要少一些。因此最好延长东西向轴线，然后在北侧应用浅色材料，从而反射太阳光。

详细信息：为了减少温室内温度的波动，可以使用内部水墙、岩石存储系统、实心砖石结构。

17、屋顶池塘：屋顶池塘的面积决定了加热或冷却系统是否高效，其中材料组成、隔离层类型的选用都很重要。下表对比了池塘的定量，这些数值决定了池塘的特性。

材料能量｜Material Energy. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book

详细信息：屋顶池塘需要注意一些细节，因为建筑的结构和屋面对其来说非常重要。建筑的屋面必须有防水层和混凝土面板，这样才能吸收增多的能量。池塘的深度大约为6至12英寸，由深色的防水容器和透明的顶盖构成，这样可以让阳光直接照射在水面之中。保温面板尽量大一些，并且应用反射材料，这样能够减少漏水的风险，提高整体效率。