被動式太陽能建築

被動式太陽能建築就是通過建築設計, 使建築在冬季充分利用太陽輻射熱取暖, 儘量減少通過維護結構及通風滲透而造成熱損失; 夏季儘量減少因太陽輻射及室內人員設備散熱造成的熱量，以不使用機械設備為前提,完全依靠加強建築物的遮擋功能, 通過建築上的方法, 達到室內環境舒適的目的的環保型建築。

基本介紹

• 中文名：被動式太陽能建築
• 外文名：Passive Solar Building
• 能量來源：太陽能
• 原理：太陽熱能採集、儲存和分配
• 目的：滿足建築“冬暖夏涼”的要求
• 優點：節能環保

發展歷史

古代的人類在建造房屋時就已經懂得利用太陽的光和熱，但是，這種太陽能利用還僅僅處於經驗主導的低級階段。現代意義上的太陽能建築(Solar house)於20世紀20年代在美國開始出現，而被動式太陽能建築在20世紀70年代能源危機之後才得到迅速發展，在相當長的時間內成為了太陽能建築發展的主流。1961年建成的英國沃拉西聖喬治中學是世界上最早的現代直接受益式被動太陽能建築之一；1972年建成的法國喬旺賽堡住宅是世界上第一個集熱蓄熱牆式被動太陽能建築的樣板房，這種著名的採暖方式於1956年就由法國國家科學研究中心獲得了發明專利。目前，被動式太陽能建築在法國、德國、澳大利亞、英國、美國等已開發國家都得到廣泛的套用。到1982年，美國已建造了約8萬棟各種型式的太陽能建築，到20世紀90年代增加到25萬棟。比較著名的被動式太陽能示範建築有:美國新墨西哥州的戴維斯住宅(空氣集熱器和岩石倉儲熱組合式)、新澤西州的凱爾布住宅(直接受益窗、附加陽光間和集熱蓄熱牆組合式)、法國奧代洛住宅群(集熱蓄熱牆式)等。1977年，我國的第一棟被動式太陽能建築建成於甘肅省民勤縣。據不完全統計，1987年，我國的被動式太陽能建築總建築面積近10萬m²；到1995年，在農村和小城鎮己推廣了575萬m²的被動式太陽能建築，而截至2004年底，中國北方農村地區被動式太陽能建築的建築面積約達1800萬m，每年節約折合標準煤36萬噸。這些太陽能建築廣泛分布於北京、天津、河北、甘肅、青海、山東、內蒙古、新疆、遼寧、西藏、寧夏、河南、陝西等省市自治區，建築類型幾乎覆蓋了所有民用建築，大部分為農村住宅，也包括學校、辦公樓、賓館、醫院和城市住宅等。

設計原理

被動式太陽能建築是利用太陽能提供的室內熱能，不需要任何機械設備提供能源，僅僅依靠傳導、對流和輻射的自然熱傳遞。加上通過建築物的布置、內外構造及材料選擇有效地採集、儲存和分配太陽能，提高建築的溫度和光線。生活中常見的有溫室與太陽能熱水器，就是有效利用了被動式太陽能建築設計的原理。

被動式太陽能能建能利用外部能源太陽能實現自我調節，能充分利用太陽熱能源，滿足建築“冬暖夏涼”的要求。被動式太陽能建築通過建築朝向，集取與吸收太陽熱能，起到保暖效果；利用建築的合理布局、內部空間加強空氣對流，使室內溫度得到下降；利用節能環保材料對太陽熱能進行蓄存，有利於能源的轉化。

被動式太陽能建築的夏季降溫和冬季採暖是矛盾對立而又相互適應的關係。冬季採暖需要建築物最大限度地獲取太陽能熱量，將熱損失降低到最小程度以及適當地蓄熱而夏季降溫必須將進入室內的太陽能熱量降到最小程度、提高散熱量並適當地蓄冷。

考慮因素

從被動式太陽能建築設計原理可以看出，被動式太陽能能利用外部能源太陽能實現自我調節，能充分利用太陽熱能源，滿足建築“冬暖夏涼”的要求。被動式太陽能建築通過建築朝向，集取與吸收太陽熱能，起到保暖效果；利用建築的合理布局、內部空間加強空氣對流，使室內溫度得到下降；利用節能環保材料對太陽熱能進行蓄存，有利於能源的轉化。具體應考慮以下幾點因素：

選址、朝向和間距

選擇合理的地址，設計正確朝向的房子，可以使冬季房子接收很多直射陽光，夏季照入室內的陽光又最少。冬季太陽高度角小，南向垂直表面接受太陽輻射的時間最長，所以朝南的方向為太陽能建築最佳朝向，被動式太陽能建築設計正是利用南向窗、牆，以獲得太陽能實現冬季暖和的溫度。同時，房子南面不應該有山坡或者濃密的樹木遮擋，適宜種植落葉植物，這樣才有充足的太陽照射進房子內，起到“冬暖夏涼”的效果。研究證明，建築物的方位在三十度以內是最合適的，南向偏東或偏西十五度以內最為理想。例如，冬季採暖期間，從上午 9 時至下午 3 時，其他建築物對太陽能建築物的南面遮擋不能超過百分之十五。此外，根據各地太陽高度角度不同和建築高度的差異，建築之間應該有一個合適的距離，最小距離一般不小於相鄰南向建築的高度的 1.1 倍。

被動式太陽能建築

建築構造

被動式太陽能建築設計需要注重建築構造，因為好的構造設計不僅能豐富建築外觀，還能給建築添加獨特性和美感。被動式太陽能建築，主要通過向南和透明屋來實現取暖。向陽面積越大，獲取的熱量越多，但是也要儘量少開不能吸收到熱量的窗戶，減少太陽熱能力的損失。對於深度較大的房子，內部很難自然採光，可以通過安裝導光板、散射板等將太陽光引入室內，保證整個房子都能透入太陽光。透明屋的設計能增加進入房子的太陽光，但是在夏天過多的太陽光直射房子，房子的溫度過高，不適宜人類居住。這時應該改用中空玻璃和遮陽型玻璃，以及通過促進通風來改善房子的溫度。此外，還要注意屋面的形式，坡屋面接受太陽輻射的時間和面積多於平面屋，穹頂屋面為最佳屋面形式。

建築材料

太陽短波輻射容易被吸收，它能穿過窗戶到達室內，可能會被內牆、地板和家具等吸收。太陽長波容易被密度大的外牆直接吸收和儲存，再把部分向外輻射。因此，通過不同熱容量和導熱係數的儲熱材料組合，或者增加儲熱材料的厚度，可以延長儲熱體向室內散熱的時間，避免夏季太陽輻射房子，導致室內溫度過高。例如，普通白玻璃是採暖窗較好的選擇，但是也要注意保溫隔熱；中空玻璃是對可見光有高投射率，具有極強的保暖性；熱變色玻璃是一種以塑膠薄膜夾著聚合物水色溶劑，在低溫和高溫的環境下分別呈透明狀和不透明的乳白色，它能在低溫的環境中，吸收與儲存日光的熱能，環境溫度升高時，能阻擋日光的熱能，以此對室內起到調節室內溫度的作用。此外，對於建築材料尤為關鍵的一個因素，就是材料的顏色和質地，建築材料的顏色和質地與太陽能的收集有關，淺顏色光滑的建築材料較為容易反射太陽光，相反，深色粗糙的建築材料較為容易吸收太陽光熱量。因此，在對建築設計時，應該根據建築的功能選擇合適的建築材料顏色和質地。

建築體型係數

建築體型係數由建築在地面以上的表面積總和占建築體積的比重，所占比重越大，對建築節能不利影響就越大。因此，設計時應該找到一個平衡點，一般要求建築體型係數應該控制在合理的範圍之內，條式居住建築的體型係數不應該超過 0.35，點式居住建築不超過0.4。因此，房子體積不變的情況下，建築外表面積越大，接受的太陽輻射熱能則越多，但是建築內部的熱量也會比較容易散發。只有有效控制建築的體型係數在一個適當的範圍內，並且儘可能增加南向面積，減少向東、向西、向北的房間面積，才能使整個建築採暖節能效果更顯著。例如，可以把主要用房布局在建築的南面，而將輔助用房衛生間和廚房等布置在靠北一面。再在北面房子和南面房子之間採用貯熱性能好的重質材料作隔牆，並且保證白天的陽光能照射到，這樣可以利用這面隔牆來貯藏白天吸收的太陽光，晚上再把貯藏的熱能散發出來，提高房子夜間溫度。

室內氣流通道

為了獲得一個冬暖夏涼的太陽能建築，還可以通過室內氣流通道的設計，在夏季改善室內的熱環境，減弱室外的熱作用。室內氣流通道不僅能滿足室內外氣流的流通，而且應該儘量減少室外熱量傳入室內，還能使室內的熱量散發出室外。因此，需要協調好室內外氣流通道的方位，即進風口要求置於順風背陽、低氣溫的位置，有效控制夏季房間內的溫度，減少室內溫度波動。

特點優勢

太陽能建築主要分為三種形式:被動式太陽能建築(Passive solar buildings)不依賴於機械功，通過建築朝向、構造、建築材料等恰當選擇和設計，使其能夠收集、蓄存和分配太陽能熱量，實現冬季採暖和夏季降溫；主動式太陽能建築(Active solar buildings )利用太陽能驅動供熱或空調設備:零能建築(Zero energy buildings)則由太陽能光電轉換裝置提供建築物所需要的全部能源供應，常規能源消耗為零。與其它太陽能建築形式相比，被動式太陽能建築的鮮明特色如下:

1.發展歷史較短，套用範圍廣闊

儘管古代的人類在建造房屋時就已經懂得利用太陽的光和熱，但是，這種太陽能利用還僅僅處於經驗主導的低級階段。目前，主動式太陽能建築在技術上還不夠成熟，而且初投資較高，規模效應不明顯，尚未得到大範圍的推廣；零能建築的研究則是剛剛起步，由於初投資十分昂貴，在我國的套用還幾乎是空白。根據我國的國情，被動式太陽能建築在將來較長的一段時期內仍將是太陽能建築的主體。

2.充分利用自然環境潛能，是綜合現代計算技術和材料技術的高技派建築

被動式太陽能建築並非只是將暖通空調系統使用的常規能源替換為太陽能的技術，也不是單純地將採暖製冷負荷降到最低的節能技術。被動式太陽能建築的深層含義為:在適應自然環境的同時最大限度地利用自然環境的潛能，其形成的室內環境與自然形成一體，能夠實際感受到自然脈搏。這種體現“天人合一”的設計思想與將能源不斷供給機械設備而創造人工建築環境的技術手段有著根本區別，從而也形成了被動式太陽能建築獨特的建築風格。根據當地的氣候特點，最大程度地利用環境中的積極因素以獲得滿意的室內環境是被動式太陽能建築形式與空間處理的指導思想，這在實質上突破了以工藝和功能為基礎的常規建築設計的制約，豐富了現代建築學的內涵；作為一個新的技術領域，被動式太陽能建築的設計衍生出專門的設計理論，由於非線性禍合傳熱過程複雜，結構形式多樣，因此其計算分析過程更多地藉助於電子計算機技術；同時，被動式太陽能熱利用的發展與現代建築材料科學的發展密不可分，各種選擇透過性玻璃等新材料、新構造技術使被動式太陽能建築更加高效。由於科技含量高、資源消耗低、環境負荷小，因此很多被動式太陽能建築不僅成為現代建築科技發展的示範，而且成為了當地具有標誌性的人文景觀。

3.構造簡單，經濟性優越。

與其它相對複雜、昂貴的生態建築技術相比較，被動式太陽能建築還是一項構造簡單、造價低廉的技術。被動式太陽能建築不需要專門的熱交換器、蓄熱設備、水泵或風機等設備，而是將集熱、蓄熱部件與建築結構融為一體，例如南窗既是採光部件，又是太陽輻射熱的直接接收器；南向重質牆體既是圍護結構，又是太陽能系統的集熱蓄熱部件。這些構造不僅運行管理方便，而且能夠完全替代或減少機械設備的使用，減少運行費用，在整個建築生命周期內顯示出較強的優越性。

綜上所述，被動式太陽能建築具有簡單、經濟、有效等優勢，在偏遠地區或電力供應不上的地區、由於採暖造成嚴重空氣污染的地區、由於空調製冷造成電力供應緊張的地區、旅遊度假區和風景名勝區，都可以說是一種比較理想的建築形式。

分類

按採集太陽能的方式區分，被動太陽建築可以分為以下幾類：

直接受益式

冬天陽光通過較大面積的南向玻璃窗，直接照射至室內的地面牆壁和家具上，使其吸收大部分熱量，因而溫度升高。其示意圖見圖3-39所吸收的太陽能，一部分以輻射、對流方式在室內空間傳遞，一部分導入蓄熱體內，然後逐漸釋放出熱量，使房間在晚上和陰天也能保持一定溫度。採用這種方式的太陽能建築，由於南窗面積較大，應配置保溫窗簾，並要求窗扇的密封性能良好，以減少通過窗的熱損失。窗應設定遮陽板，以遮擋夏季陽光進入室內。

蓄熱牆式

這種太陽能建築主要是利用南向垂直集熱蓄熱牆吸收穿過玻璃採光面的陽光，通過傳導、輻射及對流，把熱量送至室內。椅的外表面塗成黑色或某種深色，以便有效地吸收陽光。集熱蓄熱堵的形式有：實體式集熱蓄熱牆，花格式集熱蓄熱牆，水牆式集熱蓄熱牆，相變材料集熱蓄熱牆，快速集熱牆等。

集熱牆

陽光間式

陽光間附建在房屋南側，其圍護結構全部或部分由玻璃等透光材料構成。與房間之間的公共牆上開有門、窗等孔洞。陽光間得到陽光照射被加熱，其內部溫度始終高於外環境溫度。所以既可以在白天通過對流風口供給房間以太陽熱能，又可在夜間作為緩衝區，減少房間熱損失。

屋頂池式

屋頂池式太陽能建築兼有冬季採暖和夏季降溫兩種功能，適合冬季不屬寒冷，而夏季較熱的地區。用裝滿水的密封塑膠袋作為儲熱體，置於屋頂頂棚之上，其上設定可水平推拉開閉的保溫蓋板。冬季白天晴天時，將保溫板敞開，讓水袋充分吸收太陽輻射熱，水袋所儲熱量，通過輻射和對流傳至下面房間。夜間則關閉保溫板，阻止向外的熱損失。夏季保溫蓋板啟閉情況則與冬季相反。白天關閉保溫蓋板，隔絕陽光及室外熱空氣，同時用較涼的水袋吸收下面房間的熱量，使室溫下降；夜晚則打開保溫蓋板，讓水袋冷卻。保溫蓋板還可根據房間溫度、水袋內水溫和太陽輻照度，進行自動調節啟閉。