駕馭太陽能：被動式太陽能設計全球指南

隨著全球對永續發展的關注日益加強，被動式太陽能設計已成為一種強大且具成本效益的策略，用以打造節能建築。本指南將全面概述被動式太陽能的原理、實際應用，以及針對全球不同氣候的考量因素。

什麼是被動式太陽能設計？

被動式太陽能設計是一種建築設計方法，它利用太陽的能量進行供暖和降溫，從而減少或消除對機械系統的需求。其運作方式是透過策略性地規劃建築的座向、形狀和結構，以捕捉、儲存和分配太陽能，同時最大限度地減少熱量損失。與主動式太陽能系統（如太陽能板）不同，被動式太陽能設計依賴於建築本身的結構特徵。

被動式太陽能設計的關鍵原則

有效的被動式太陽能設計整合了五個關鍵元素：

• 開口（集熱器）：大型、朝南的窗戶（在北半球）或朝北的窗戶（在南半球），讓陽光進入建築物。開口的大小和位置對於在冬季最大化太陽能得熱並在夏季最小化至關重要。
• 吸收體：深色的表面，如地板或牆壁，能吸收陽光並將其轉化為熱能。具有高吸收率的材料是首選。
• 熱質量：能夠儲存熱量並隨時間緩慢釋放的材料，有助於調節室內溫度。常見的熱質量材料包括混凝土、磚、石頭和水。
• 分配：在整個建築物內循環熱量的方法。這可以透過對流和輻射自然發生，也可以由風扇輔助。
• 控制：調節太陽能得熱和熱量損失的元件，如懸挑、遮陽篷、百葉窗和隔熱材料。這些控制措施可防止夏季過熱，並在冬季最大限度地減少熱量損失。

針對不同氣候的設計：全球視角

被動式太陽能設計必須根據建築物所在地的具體氣候進行調整。不同的氣候需要不同的策略來優化能源性能。以下是按氣候類型的分類說明：

寒冷氣候

在寒冷氣候中，主要目標是在冬季最大化太陽能得熱並最小化熱量損失。策略包括：

• 朝南窗戶：最大化朝南窗戶的尺寸，以盡可能多地捕捉太陽能。
• 高熱質量：納入大量的熱質量，以便在白天儲存熱量並在夜間釋放。
• 隔熱：使用高等級的隔熱材料，以最小化透過牆壁、屋頂和地板的熱量損失。
• 氣密處理：密封所有裂縫和縫隙，以防止空氣滲透和熱量損失。
• 案例：傳統的斯堪地那維亞住宅通常具有厚實的高熱質量牆壁，北側窗戶較小，而南側窗戶較大，以捕捉冬季的陽光。

溫帶氣候

溫帶氣候需要平衡供暖和降溫策略。目標是在冬季捕捉太陽能，並在夏季防止過熱。策略包括：

• 帶有懸挑的朝南窗戶：使用懸挑在夏季太陽高掛時為窗戶遮陽。
• 中等熱質量：納入適度的熱質量，以幫助調節室內溫度。
• 自然通風：設計建築以利用自然通風，在夏季進行降溫。
• 策略性景觀設計：在建築物的南側種植落葉樹，以在夏季提供遮蔭，並在冬季讓陽光進入。
• 案例：許多地中海風格的住宅利用庭院進行自然通風，並使用厚牆作為熱質量，提供全年舒適的溫度。

炎熱乾旱氣候

在炎熱乾旱的氣候中，主要目標是最小化太陽能得熱並最大化降溫效果。策略包括：

• 小窗戶：最小化窗戶的尺寸，特別是在建築物的東側和西側。
• 遮陽：使用懸挑、遮陽篷和屏風為窗戶和牆壁遮擋直射陽光。
• 高熱質量：納入高熱質量，以調節晝夜之間的溫度波動。
• 蒸發冷卻：利用蒸發冷卻技術，例如帶有噴泉或植物的庭院，來冷卻空氣。
• 淺色表面：使用淺色的外部表面來反射陽光，減少熱量吸收。
• 案例：美國西南部和北非的傳統土坯房利用厚牆、小窗戶和淺色表面，在沙漠炎熱中保持涼爽。

炎熱潮濕氣候

在炎熱潮濕的氣候中，主要目標是最小化太陽能得熱並最大化通風。策略包括：

• 遮陽：提供充足的遮陽，保護建築物免受陽光直射。
• 自然通風：最大化自然通風，讓空氣在建築物內自由流通。
• 架高結構：將建築物從地面架高，以促進空氣流動並減少濕氣。
• 淺色屋頂：使用淺色的屋頂材料來反射陽光，減少熱量吸收。
• 最小化熱質量：避免使用高熱質量的材料，因為它們會積聚熱量並增加濕度。
• 案例：東南亞的傳統高腳屋被架高以促進通風，並防範洪水和濕氣。

具體設計元素與考量

除了基本原則外，還有幾個具體的設計元素有助於成功的被動式太陽能設計：

座向

建築物的座向對於在冬季最大化太陽能得熱和在夏季最小化至關重要。在北半球，建築物的長軸應理想地面向南方。在南半球，長軸應面向北方。這種座向使建築物能在冬季捕捉最多的陽光，並最大限度地減少東、西兩側在夏季受到強烈日曬。

窗戶位置與玻璃

窗戶的尺寸、位置和使用的玻璃類型對於被動式太陽能性能至關重要。朝南的窗戶應該大而無遮擋，而朝東和朝西的窗戶應最小化，以減少一天中最熱時段的太陽能得熱。可以使用低輻射（Low-E）塗層來減少透過窗戶的熱傳遞，提高能源效率。雙層或三層玻璃窗比單層玻璃窗提供更好的隔熱效果。

懸挑與遮陽裝置

懸挑是窗戶上方的水平突出物，可在夏季太陽高掛天空時為其遮擋陽光。懸挑的深度應根據建築物的緯度精心計算，以確保最佳的遮陽效果。其他遮陽裝置，如遮陽篷、屏風和百葉窗，也可用於控制太陽能得熱。

熱質量材料

具有高熱質量的材料，如混凝土、磚、石頭和水，可以在白天吸收和儲存熱量，並在夜間緩慢釋放。這有助於調節室內溫度並減少溫度波動。所需的熱質量取決於氣候和建築物的大小。熱質量應位於白天能接收到陽光直射的區域。

隔熱

適當的隔熱對於在冬季最小化熱量損失和在夏季防止熱量增加至關重要。隔熱材料應安裝在牆壁、屋頂和地板中。隔熱材料的R值應適合當地氣候。氣密處理對於防止空氣滲透和熱量損失也很重要。

通風

自然通風可用於在夏季為建築物降溫。窗戶和門應策略性地放置，以實現交叉通風。可開啟的窗戶應位於建築物的相對兩側，讓空氣自由流過建築物。吊扇也可用於改善空氣循環。

景觀設計

景觀設計在被動式太陽能設計中扮演著重要角色。可以在建築物的南側種植落葉樹，以在夏季提供遮蔭，並在冬季讓陽光進入。可以在建築物的北側種植常綠樹，以阻擋寒風。可以在棚架上種植藤蔓植物，為牆壁和窗戶遮陽。綠色屋頂可以提供隔熱並減少雨水逕流。

世界各地的被動式太陽能設計案例

• 大地之舟（Earthships）（美國新墨西哥州陶斯）：大地之舟是用輪胎和瓶子等回收材料建造的自給自足住宅。它們利用來自大地的熱質量來調節室內溫度，並採用被動式太陽能策略進行供暖和降溫。
• 中國傳統四合院（中國）：這些住宅設有一個中央庭院，提供自然光線和通風。厚牆提供熱質量，庭院設計則有利於蒸發冷卻。
• 努比亞建築（埃及）：在炎熱的沙漠氣候中，努比亞建築利用厚實的泥磚牆作為熱質量，小窗戶以最小化太陽能得熱，並利用庭院進行通風。
• 被動房（Passivhaus）（德國）：被動房是一項嚴格的節能標準，強調被動式太陽能設計、高等級的隔熱和氣密性施工。被動房建築僅需極少的能源即可進行供暖和降溫。
• 澳洲原住民建築：傳統的澳洲原住民住所通常利用當地採集的材料，其設計旨在在嚴酷的澳洲氣候中提供遮陽和通風。設計因具體地區和可用資源而異。

被動式太陽能設計的優點

被動式太陽能設計提供了眾多好處：

• 降低能源消耗：被動式太陽能設計可以顯著減少對機械供暖和降溫的需求，從而降低能源帳單。
• 提升舒適度：被動式太陽能設計可以透過調節溫度和濕度，創造更舒適的室內環境。
• 減少環境影響：透過減少能源消耗，被動式太陽能設計有助於降低溫室氣體排放，並減少建築物對環境的影響。
• 增加建築價值：節能建築通常比傳統建築更有價值。
• 韌性：被動式太陽能住宅對停電更具韌性，因為它們需要較少的機械供暖和降溫。

被動式太陽能設計的挑戰

雖然被動式太陽能設計帶來許多好處，但也存在一些挑戰：

• 氣候依賴性：被動式太陽能設計高度依賴於氣候和場地條件。
• 設計複雜性：設計一個成功的被動式太陽能建築需要周詳的規劃和對細節的關注。
• 成本：被動式太陽能設計可能會增加建築的初始成本，儘管這些成本通常可以透過長期的能源節省來抵消。
• 美學考量：被動式太陽能設計可能需要在建築美學上做出一些妥協。

結論

被動式太陽能設計是創建節能、舒適和永續建築的強大工具。透過理解被動式太陽能設計的原則，並根據具體氣候進行調整，建築師、建造商和屋主可以創造出利用太陽能來減少能源消耗和環境影響的建築。隨著世界朝向一個更永續的未來邁進，被動式太陽能設計將繼續在創造一個既環保又具經濟可行性的建築環境中扮演至關重要的角色。透過實施這些原則，無論您身在何處，都可以為一個更永續、更舒適的未來做出貢獻。