驾驭太阳能：被动式太阳能设计全球指南

被动式太阳能设计利用太阳能为建筑提供自然采暖、制冷和照明。与使用机械或电子设备的有源太阳能系统不同，被动式太阳能设计将建筑元素整合在一起，以最大化冬季的太阳得热并最小化夏季的太阳得热。这种方法可以显著节省能源，减少对化石燃料的依赖，并创造更舒适、更可持续的全球生活环境。

理解被动式太阳能设计原则

被动式太阳能设计的有效性取决于几个关键原则：

• 朝向：建筑的朝向至关重要。在北半球，朝南的立面可以在冬季最大化太阳得热。在南半球，朝北的立面是最佳选择。
• 太阳得热：这是指进入建筑的太阳能量。在冬季设计最佳的太阳得热，同时在夏季最小化太阳得热至关重要。
• 热质量：混凝土、砖石等材料具有高热质量，意味着它们可以吸收和储存大量的热量。储存的热量随后可以缓慢释放，调节室内温度。
• 隔热：适当的隔热对于在冬季保温和在夏季隔热至关重要。这可以最大限度地减少通过建筑物围护结构的热量损失和热量增益。
• 自然通风：设计自然通风有助于在夏季为建筑物降温。这可以通过战略性地布置门窗、通风口和建筑形状来实现。
• 遮阳：屋檐、遮阳篷和景观绿化可以在夏季提供遮阳，减少太阳得热并防止过热。

被动式太阳能设计的关键要素

几项建筑元素有助于实现有效的被动式太阳能设计：

1. 朝南的窗户（或南半球的朝北窗户）

大型朝南（或朝北）窗户是冬季捕获太阳能的主要方式。这些窗户的大小和位置应根据建筑物的地点和气候进行仔细计算。使用低辐射涂层的双层或三层玻璃窗可以进一步提高能源效率。

2. 热质量

热质量充当散热器，在白天吸收太阳能并在夜间释放。常见的热质量材料包括混凝土地板、砖墙和蓄水容器。所需的热质量取决于气候和太阳得热量。

示例：科罗拉多州丹佛市一栋房屋的混凝土地板在白天通过朝南的窗户吸收太阳能。然后，储存的热量会在夜间释放，保持房屋温暖，减少对辅助供暖的需求。

3. 隔热

充足的隔热对于防止冬季热量损失和夏季热量增益至关重要。将墙壁、屋顶和地板隔热至建议水平可显著降低能源消耗。考虑使用可持续的隔热材料，如回收牛仔布或纤维素。

示例：芬兰赫尔辛基一栋隔热良好的房屋在漫长而寒冷的冬季能够保持热量，最大限度地减少了对昂贵供暖系统的需求。在这种气候下，高 R 值隔热材料至关重要。

4. 屋檐和遮阳装置

屋檐是水平突出部分，可在夏季为窗户遮阳，此时太阳位置较高。屋檐的深度应根据建筑物的纬度进行仔细计算，以提供最佳遮阳。其他遮阳装置包括遮阳篷、百叶窗和景观绿化。

示例：亚利桑那州凤凰城一栋建筑的屋檐能有效阻挡强烈的夏日阳光，防止过热并减少空调的使用。

5. 自然通风

通过设计自然通风，可以允许新鲜空气流通，从而在夏季为建筑物降温。这可以通过战略性布置门窗和通风口来创造自然气流来实现。设计自然通风时，请考虑盛行风向。

示例：摩洛哥马拉喀什的一座传统庭院住宅利用中央庭院和战略性布置的窗户来创造自然通风，在炎热的沙漠气候中保持建筑凉爽。

6. 楚姆贝墙（Trombe Walls）

楚姆贝墙是一种朝南（或朝北）的墙壁，由深色、吸热材料制成，通常是混凝土或砖石，外部有玻璃表面。墙壁顶部和底部的通风口允许暖空气循环到建筑物内部。

7. 阳光房（温室）

阳光房，也称为温室或暖房，是附着在建筑物南侧（或北侧）的玻璃空间。它可以用来收集太阳热量、种植植物，并提供明亮、阳光充足的生活空间。

被动式太阳能设计的优势

被动式太阳能设计提供了许多优势：

• 降低能耗：通过利用太阳能，被动式太阳能设计显著减少了对传统供暖和制冷系统的需求，从而降低了能源账单。
• 更低的碳足迹：降低的能耗转化为更小的碳足迹，为更可持续的环境做出贡献。
• 改善室内舒适度：被动式太阳能设计创造了更舒适、更稳定的室内温度，减少了温度波动，并提高了整体幸福感。
• 增加房产价值：节能房屋越来越受欢迎，被动式太阳能设计可以增加房产价值。
• 减少对化石燃料的依赖：通过利用太阳能，被动式太阳能设计减少了我们对有限化石燃料资源的依赖。
• 增强美学：被动式太阳能设计可以无缝地融入建筑的结构中，增强其美学吸引力。
• 更健康的室内环境：增加的自然光和通风有助于更健康的室内环境。

被动式太阳能设计的挑战

虽然被动式太阳能设计提供了许多优势，但也有一些挑战需要考虑：

• 气候依赖性：被动式太阳能设计的有效性在很大程度上取决于当地气候。根据特定的气候条件定制设计至关重要。
• 初始成本：与传统建筑实践相比，实施被动式太阳能设计可能需要更高的初始投资。
• 设计复杂性：被动式太阳能设计需要仔细规划和整合建筑元素。与经验丰富的建筑师和工程师合作至关重要。
• 过热风险：如果设计不当，被动式太阳能建筑在夏季可能会过热。适当的遮阳和通风对于防止这种情况至关重要。
• 居住者行为：被动式太阳能设计的有效性取决于居住者的行为。例如，在冬季白天关闭窗帘会降低太阳得热。
• 场地限制：现有建筑可能存在场地限制，限制了被动式太阳能改造的有效性。

被动式太阳能设计的全球范例

被动式太阳能设计原则已成功应用于世界各地不同的气候和文化中：

• 地球飞船（Earthships）（各地）：地球飞船是独立的、可持续的房屋，使用回收材料建造，并结合了被动式太阳能设计原则来进行供暖、制冷和水收集。
• 土坯房（美国西南部）：美国西南部传统的土坯房利用厚土坯墙来获得热质量，在沙漠气候中提供自然供暖和制冷。
• 庭院住宅（摩洛哥）：摩洛哥传统的庭院住宅设有中央庭院和战略性布置的窗户，以创造自然通风和遮阳，在炎热的气候中保持建筑凉爽。
• 被动房（德国及全球）：被动房是超级隔热、气密性良好的建筑，利用被动式太阳能设计和热回收通风来最大限度地减少能源消耗。被动房标准已在全球范围内得到采纳。
• 洞穴住宅（各地）：纵观历史，人们一直利用洞穴和地下结构来利用地球恒定的温度，创造自然凉爽和温暖的居住空间。
• 锡瓦绿洲住宅（埃及）：锡瓦绿洲的住宅通常由泥砖制成，并设计有小窗户和厚墙，以隔绝沙漠热量。
• 传统日式住宅（日本）：传统日式住宅通常利用深屋檐和战略性布置的障子屏风来控制阳光和气流，适应不同的季节。

不同气候下的被动式太阳能设计策略

被动式太阳能设计的具体策略将因气候而异：

• 寒冷气候：通过朝南（或朝北）的窗户最大化太阳得热，使用高水平的隔热材料，并结合热质量来储存热量。最大限度地减少空气泄漏并使用热回收通风。
• 炎热干旱气候：通过遮阳装置最小化太阳得热，使用浅色外表面反射阳光，并设计自然通风。考虑使用蒸发冷却技术。
• 炎热潮湿气候：最大化自然通风，提供遮阳，并使用除湿策略。避免使用热质量，因为它会积聚湿气。
• 温和气候：根据具体气候条件，可能适用多种策略。平衡太阳得热、遮阳、通风和隔热。

将被动式太阳能设计融入新建和改造工程

被动式太阳能设计原则可以纳入新建和改造项目：

新建工程

在新建工程中，可以从一开始就完全整合被动式太阳能设计原则，优化建筑的朝向、窗户位置、隔热和热质量。这可以实现最有效和高效的被动式太阳能设计。

改造工程

用被动式太阳能设计特征改造现有建筑可能更具挑战性，但仍然可以提高能源效率。一些常见的改造策略包括：

• 增加墙壁、屋顶和地板的隔热材料
• 更换为节能型窗户
• 为窗户增加遮阳装置
• 安装楚姆贝墙或阳光房
• 改善自然通风

被动式太阳能设计工具和资源

一些工具和资源可以帮助进行被动式太阳能设计：

• 太阳能分析软件：SketchUp（带有 Sefaira 插件）、Ecotect 和 EnergyPlus 等软件程序可用于模拟和分析建筑物的太阳能性能。
• 气候数据：当地气候数据对于设计有效的被动式太阳能系统至关重要。这些数据可以从气象组织和在线资源获取。
• 建筑规范和标准：建筑规范和标准通常包括对能源效率和被动式太阳能设计的规定。
• 被动房学院（PHI）：被动房学院是推广被动房标准的主要组织。
• 书籍和文章：有许多关于被动式太阳能设计的书籍和文章。
• 顾问和专家：与经验丰富的建筑师、工程师和顾问合作对于成功的被动式太阳能设计至关重要。

被动式太阳能设计的未来

随着世界面临日益严峻的能源挑战和对气候变化的担忧，被动式太阳能设计变得越来越重要。建筑材料、软件工具和设计策略的进步，使得被动式太阳能设计比以往任何时候都更有效、更易于获取。将被动式太阳能设计与其他可持续建筑实践（如绿色屋顶和雨水收集）相结合，可以创造真正可持续和有弹性的建筑。

结论

被动式太阳能设计是一种强大而可持续的利用太阳能为建筑供暖、制冷和照明的方式。通过理解被动式太阳能设计的原则和关键要素，建筑师、建造商和房主可以创建节能、舒适且环保的建筑。随着我们迈向更可持续的未来，被动式太阳能设计将在减少我们的碳足迹和创造更健康的地球方面发挥越来越重要的作用。