被动式制冷：为可持续未来打造的自然建筑气候控制

随着全球对气候变化的担忧日益加剧，建筑行业面临着减少其环境影响的越来越大的压力。建筑中相当一部分的能源消耗归因于供暖、通风和空调（HVAC）系统。被动式制冷是一种利用自然过程调节室内温度的设计方法，为在全球范围内创建更可持续、更舒适的建筑环境提供了引人注目的解决方案。本文深入探讨了被动式制冷的原理、技术和全球应用，为建筑师、工程师以及任何有兴趣创建节能环保建筑的人士提供了全面的理解。

什么是被动式制冷？

被动式制冷是指最大限度减少对机械制冷系统需求的建筑设计策略。被动式制冷技术不依赖于高耗能的空调，而是利用通风、太阳能遮阳和蓄热体等自然现象来维持舒适的室内温度。这些策略旨在减少热量获取、散发既有热量并优化气流，从而创造一个更宜人、更可持续的室内环境。不同被动式制冷技术的有效性因气候和建筑设计而异。因此，了解当地气候条件并相应地调整设计策略至关重要。

被动式制冷的原则

被动式制冷设计基于几个基本原则，包括：

• 防止热量获取：最大限度地减少进入建筑的太阳辐射和外部热量是第一道防线。
• 散发既有热量：通过通风、蓄热体或蒸发冷却来移除已经进入建筑的热量。
• 优化气流：促进自然气流，为建筑内的人员降温并带走热量。

被动式制冷技术

建筑设计中可以融入多种被动式制冷技术。以下是一些最常见且有效的技术：

1. 自然通风

自然通风利用压力差和浮力驱动气流通过建筑物。这是一种简单而强大的技术，用于散热和提供新鲜空气。自然通风主要有两种类型：

• 交叉通风：依靠风压驱动气流穿过建筑物。在建筑物的相对两侧策略性地设置窗户和开口，以使空气自由流通。建筑物相对于主导风向的朝向对于最大化交叉通风效果至关重要。
• 烟囱效应通风（烟囱效应）：利用浮力驱动气流。暖空气上升并通过高处的开口排出，形成压力差，将较冷的空气从低处的开口吸入。这在多层建筑中尤其有效。

示例：摩洛哥的传统庭院住宅（riads）利用庭院和烟囱效应通风，在炎热干旱的气候中创造凉爽舒适的室内空间。庭院提供遮阳并允许蒸发冷却，而中央的开放空间则像烟囱一样，将热空气向上抽出建筑物外。

2. 太阳能遮阳

太阳能遮阳可防止阳光直射进入建筑物，从而减少热量获取。有效的遮阳策略可以显著降低室内温度，减少对空调的需求。

• 悬挑和遮阳篷：水平突出物，可阻挡高角度的夏季阳光，同时允许低角度的冬季阳光进入建筑物。
• 垂直翅片：垂直突出物，可阻挡低角度的早晨和午后阳光。
• 外部百叶窗和遮阳屏：可调节的覆盖物，可以关闭以阻挡阳光，也可以打开以进行通风。
• 树木和景观：策略性地种植落叶树，在夏季提供遮荫，在冬季允许阳光照射。
• 玻璃的遮阳系数：使用低遮阳系数的玻璃，以减少通过窗户传输的太阳热量。

示例：在地中海地区，建筑物通常配有可调节的百叶窗，可以在一天中最热的时候关闭以阻挡阳光，在晚上打开以进行通风。这些百叶窗提供了一种灵活有效的方式来控制室内温度。

3. 蓄热体

蓄热体（或称热质量）是指材料吸收、储存和释放热量的能力。高蓄热体材料，如混凝土、砖和石头，可以通过在白天吸收热量并在夜晚较凉爽时释放热量，帮助稳定室内温度。

• 直接得热：白天将蓄热体暴露在阳光直射下以吸收热量。
• 间接得热：将蓄热体放置在太阳和使用空间之间。
• 隔离得热：使用一个独立的空间，如日光室，来收集和储存热量。

示例：美国西南部的土坯建筑使用由泥土和稻草制成的厚墙来创建热缓冲。墙壁在白天吸收热量，保持室内凉爽，在夜晚释放热量，保持室内温暖。

4. 蒸发冷却

蒸发冷却利用水在蒸发时吸收热量的原理。这种技术在炎热干燥的气候中尤其有效。

• 直接蒸发冷却：将水直接引入气流中进行冷却。这可以通过蒸发冷却器或喷雾系统实现。
• 间接蒸发冷却：通过使空气流过湿润表面来间接冷却空气。这样可以避免增加空气的湿度。

示例：伊朗的风塔（badgirs）利用蒸发冷却来创造舒适的室内环境。这些塔捕捉风，并将其引导到一个水池上方，在空气进入建筑物之前对其进行冷却。

5. 覆土建筑

覆土建筑涉及将结构部分或完全建于地下。土壤充当蓄热体，调节室内温度并减少温度波动。

• 护堤式建筑：靠坡而建，用土覆盖一面或多面墙。
• 地下建筑：完全建于地下，屋顶和墙壁均被土覆盖。

示例：土耳其卡帕多奇亚的洞穴住宅因土壤的蓄热作用而提供了自然凉爽稳定的室内环境。无论外部天气条件如何，这些洞穴全年都保持着恒定的温度。

6. 夜间通风降温

夜间通风降温是指在夜间对建筑物进行通风，以去除储存在蓄热体中的热量。这种技术在夜晚凉爽、白天温暖的气候中最为有效。

示例：欧洲的许多现代建筑都集成了自动化窗户系统，这些系统在夜间打开以排出热量，并为第二天预冷建筑物。这有助于减少高峰时段对空调的需求。

气候考量

被动式制冷技术的有效性高度依赖于当地气候。分析包括温度、湿度、风型和太阳辐射在内的气候数据，以选择最合适的策略至关重要。

• 炎热干旱气候：重点在于遮阳、蓄热体和蒸发冷却。
• 炎热潮湿气候：重点在于通风、遮阳和除湿。
• 温和气候：重点在于通风、遮阳和蓄热体的结合。
• 寒冷气候：虽然主要关注被动式太阳能供暖，但结合如覆土建筑等元素也可以有助于热稳定性和减少供暖和制冷的能耗。

被动式制冷设计：全球视角

成功的被动式制冷设计需要一个综合性的方法，考虑建筑物的朝向、布局、材料和周围环境。以下是针对不同地区的一些关键考量：

热带地区

在热带地区，高湿度和高温要求设计能促进充足的自然通风。策略包括使建筑物朝向最大化地暴露于主导风向，使用轻质建筑材料以最小化热量保留，并结合大悬挑来为窗户和墙壁遮阳。架高地板和屋顶通风口在促进气流和减少湿气积聚方面也很有效。例如东南亚的传统马来房屋，它们被架在支柱上，以便进行地板下通风并防止洪水。

干旱和沙漠地区

干旱气候要求设计能最大限度地减少太阳热量获取并最大化利用蓄热体。用土坯或夯土等材料建造的厚墙有助于通过白天吸收热量并在夜晚释放来调节室内温度。庭院提供有遮荫的室外空间并促进蒸发冷却。小窗户和策略性放置的开口可最大限度地减少阳光直射。坎儿井系统是中东地区使用的一种古老的水管理技术，为蒸发冷却和灌溉提供了凉水来源。像在伊朗建筑中发现的风塔被用来将凉爽的微风引入建筑物内。

温带地区

温带气候通常需要一种平衡的被动式制冷和供暖方法。设计应包含既能在冬季获得太阳热量又能在夏季遮阳的特性。自然通风对于维持舒适的室内温度至关重要。在建筑物周围种植落叶树，可在夏季提供遮荫，并在冬季让阳光穿透。应仔细考虑建筑朝向和窗户位置，以最大化自然光和通风。例如，大地之舟（earthships）巧妙地结合了被动式太阳能供暖和制冷以及天然材料。

沿海地区

沿海地区的特点是湿度高，且常有持续的微风。设计应侧重于最大化自然通风和最小化湿气的影响。架高结构和交叉通风策略至关重要。抗湿损坏的建筑材料是必不可少的。阳台和游廊提供有遮荫的室外空间并允许自然通风。例如澳大利亚的海滨别墅，它们设计有大窗户和开放式平面图以捕捉海风。

山区

山区经历多样的微气候，需要能够适应不断变化的条件的设计。朝南的山坡是进行被动式太阳能供暖的理想选择。覆土建筑可以提供对极端温度和风的保护。高蓄热体材料有助于稳定室内温度。适当的隔热对于在冬季最大限度地减少热量损失至关重要。例如瑞士阿尔卑斯山的传统石屋，它们建在山坡上以提供对自然元素的保护。

被动式制冷的益处

被动式制冷提供了多种益处，包括：

• 减少能源消耗：最大限度地减少对机械制冷系统的需求，显著降低了能源消耗和碳排放。
• 改善室内空气质量：自然通风提供新鲜空气，并减少污染物的积聚。
• 增强舒适度：被动式制冷可以创造一个更舒适、更健康的室内环境。
• 降低运营成本：能源消耗的减少转化为更低的公用事业账单。
• 提高建筑韧性：被动式制冷可以帮助建筑物抵御停电和极端天气事件。
• 环境可持续性：减少对化石燃料的依赖，有助于实现一个更可持续的未来。

被动式制冷的挑战

虽然被动式制冷提供了众多优势，但它也存在一些挑战：

• 气候依赖性：被动式制冷技术的有效性因当地气候而异。
• 设计复杂性：被动式制冷设计需要一个整体和综合的方法。
• 初始投资：一些被动式制冷策略，如覆土建筑或高蓄热体结构，可能需要更高的初始投资。
• 使用者行为：被动式制冷的有效性取决于使用者的行为，例如适当地开关窗户。
• 与机械系统的整合：在某些气候条件下，被动式制冷可能需要与机械系统集成以提供足够的冷却。

被动式制冷的未来

随着世界努力应对气候变化的挑战，被动式制冷将在创造可持续和有韧性的建筑中扮演越来越重要的角色。建筑材料、设计软件和建筑性能模拟方面的进步，使得设计和优化被动式制冷策略变得更加容易。政府和组织也通过建筑规范、激励措施和教育项目来推广被动式制冷。

结论

被动式制冷代表了一种强大且可持续的建筑气候控制方法。通过利用自然过程和设计能响应其环境的建筑，我们可以创造更舒适、健康和节能的空间。拥抱被动式制冷原则不仅是环境的必然要求，更是对我们全球建筑环境更可持续、更有韧性的未来的投资。建筑设计的未来在于整合被动式策略，以大幅减少能源消耗，并创造与地球和谐共存的结构，无论气候如何。

更多资源

• 美国供暖、制冷和空调工程师协会 (ASHRAE)
• 被动房研究所 (Passive House Institute)
• 美国绿色建筑委员会 (USGBC)

免责声明

本文提供有关被动式制冷技术的一般信息。具体的设计决策应咨询合格的专业人士。