被动式太阳能设计：利用太阳能实现节能建筑

被动式太阳能设计是一种建筑方法，它利用太阳能进行采暖、制冷和照明，最大限度地减少对传统能源的依赖。这是一种经过时间考验的方法，如果正确实施，可以显着降低建筑物的环境影响和运营成本。本综合指南探讨了被动式太阳能设计的原则以及它们如何在世界各地的各种气候中应用。

了解被动式太阳能设计的原则

被动式太阳能设计依赖于几个关键原则协同工作：

• 朝向：定位建筑物以最大限度地增加冬季的太阳能收益，并最大限度地减少夏季的太阳能收益。
• 保温：通过对墙壁、屋顶和地板进行适当的保温，最大限度地减少冬季的热量损失和夏季的热量增加。
• 蓄热：使用可以吸收、储存和释放热量的材料来调节温度波动。
• 玻璃：选择合适的窗户和玻璃材料来控制太阳能的吸热和散热。
• 悬挑和遮阳：设计悬挑和其他遮阳装置，以在夏季阻挡阳光直射，同时允许冬季阳光照射。
• 通风：利用自然通风策略来促进冷却并改善室内空气质量。

优化建筑物朝向以获得太阳能收益

建筑朝向可以说是被动式太阳能设计中最关键的方面。最佳朝向取决于气候，但通常，建筑物的最长轴应朝东西方向延伸。这样可以最大限度地暴露在白天的太阳路径中。

朝南（北半球）

在北半球，南立面全年接收到的阳光最多。在南侧设计大窗户和玻璃区域可以最大限度地吸收冬季的太阳热量。悬挑可以策略性地放置，以在夏季（太阳在天空中的位置较高）为这些窗户遮阳。

朝北（南半球）

相反，在南半球，北立面是最大限度地获取太阳能收益的最佳位置。窗户放置和遮阳的原则也适用，但镜像到北立面。

朝东和朝西

朝东和朝西的窗户分别在上午和下午接收阳光直射。这可能会导致过热，尤其是在温暖的气候中。建议尽量减小这些立面上的窗户尺寸或安装遮阳装置。

保温在被动式太阳能性能中的作用

保温在冬季保持热量和夏季防止热量增加方面起着关键作用。一个隔热良好的建筑外壳可以最大限度地减少对补充采暖和制冷的需求，而与气候无关。选择保温材料时，请考虑以下因素：

• R 值：衡量热阻的指标。R 值越高，表示保温性能越好。所需的 R 值因气候而异。
• 材料类型：选项包括玻璃纤维、纤维素、泡沫和天然材料，如羊毛或稻草捆。每种材料在成本、环境影响和性能方面都有其自身的优缺点。
• 放置：确保对墙壁、屋顶、地板和地基进行适当的保温，以形成连续的隔热层。

利用蓄热调节温度

蓄热是指材料吸收、储存和释放热量的能力。具有高蓄热能力的材料，如混凝土、砖、石材和水，可以帮助调节建筑物内的温度波动。

蓄热的工作原理

在白天，蓄热吸收太阳热量，防止建筑物过热。在夜间，随着温度下降，蓄热释放储存的热量，有助于保持舒适的室内温度。此过程有助于减少对补充采暖和制冷的需求。

蓄热的应用

• 混凝土楼板：混凝土楼板可以充当重要的蓄热元件，尤其是在暴露在阳光直射下时。
• 砖墙：内墙可以吸收和释放热量，有助于调节温度。
• 水箱：水箱可以策略性地放置，以便在白天吸收太阳热量并在夜间释放。

用于优化太阳能控制的玻璃策略

窗户和玻璃在捕获太阳热量和防止热量损失方面起着关键作用。选择合适的玻璃类型并策略性地放置窗户对于优化被动式太阳能性能至关重要。

玻璃类型

• 单层玻璃：提供最小的保温，通常不适用于大多数气候下的被动式太阳能设计。
• 双层玻璃：与单层玻璃相比，提供更好的保温，减少了热量损失和增加。
• 低辐射玻璃：涂有一层薄而透明的涂层，可以反射红外辐射，减少热传递。低辐射涂层可以针对采暖主导型或制冷主导型气候进行优化。
• 三层玻璃：与双层玻璃相比，提供更好的保温，进一步减少了热量损失和增加。
• 着色玻璃：减少了太阳能的增加，但也减少了进入建筑物的自然光量。

窗户放置

如前所述，朝南（或南半球朝北）的大窗户是冬季捕获太阳热量的理想选择。东面和西面的小窗户可以最大限度地减少过热。朝北的窗户（或南半球的朝南窗户）提供持续的漫射光，而没有直接的太阳热量增加。

夏季阳光控制的遮阳策略

悬挑、遮阳篷和其他遮阳装置对于防止夏季过热至关重要。这些设备可以阻挡阳光直射进入建筑物，从而减少对空调的需求。

遮阳装置类型

• 悬挑：固定水平突出部分，可以阻挡高角度的夏季阳光，同时允许低角度的冬季阳光穿透。最佳悬挑深度取决于建筑物的纬度和朝向。
• 遮阳篷：可伸缩或固定的织物覆盖物，可在窗户和门上提供遮阳。
• 百叶窗：可调节的板条，可以倾斜以控制进入建筑物的阳光量。
• 树木和植被：落叶乔木在夏季提供阴影，并在冬季落叶后允许阳光穿透。
• 外百叶窗：铰接面板，可以关闭以阻挡阳光并提供额外的保温。

自然通风，用于冷却和空气质量

自然通风是利用自然气流冷却建筑物和改善室内空气质量的过程。有效的自然通风策略可以显着减少对空调的需求。

自然通风的原则

• 烟囱效应：暖空气上升，产生压力差，从下方吸入冷空气。可以使用高窗户或通风口排出暖空气，而低窗户或通风口则允许冷空气进入。
• 横向通风：允许空气从建筑物的一侧流到另一侧。这需要在建筑物相对两侧策略性地放置窗户或通风口。
• 夜间冲洗：在夜间打开窗户，以冲走建筑物中积聚的热量。这在夜间凉爽的气候中特别有效。

不同气候下的被动式太阳能设计

被动式太阳能设计的具体策略将因气候而异。以下是针对不同气候类型的一些注意事项：

寒冷气候

• 最大限度地增加太阳热量：优先考虑朝南（或南半球朝北）的窗户和蓄热来储存太阳热量。
• 最大限度地减少热量损失：使用高水平的保温和气密结构来减少热量损失。
• 防风：设计建筑物以最大限度地减少暴露在盛行风中的情况。

炎热和干旱的气候

• 最大限度地减少太阳热量：使用遮阳装置、反射表面和小型窗户来减少太阳热量。
• 最大限度地利用自然通风：利用庭院和风塔来促进自然通风。
• 蓄热：利用蓄热来调节温度波动。

炎热和潮湿的气候

• 最大限度地减少太阳热量：使用遮阳装置和反射表面来减少太阳热量。
• 最大限度地利用自然通风：设计横向通风以促进空气流通并减少湿度。
• 抬高建筑物：将建筑物抬离地面可以改善通风并减少水分。

温带气候

温带气候在被动式太阳能设计方面提供了最大的灵活性。可以定制策略以平衡采暖和制冷需求。设计时，请考虑具体的小气候和季节性变化。

世界各地被动式太阳能设计的例子

被动式太阳能设计原则已在全球各种气候和建筑类型中得到成功应用。以下是几个例子：

• 地球飞船（各个地点）：这些离网房屋通常采用被动式太阳能设计原则，使用回收材料和蓄热来调节温度。例如，在新墨西哥州陶斯，地球飞船利用装有泥土的轮胎墙作为蓄热，并策略性地放置朝南的窗户以获取太阳热量。
• Passivhaus（德国和世界各地）：Passivhaus 标准强调能源效率，并且通常结合被动式太阳能设计策略以最大限度地减少采暖和制冷需求。许多德国的 Passivhaus 建筑物都展示了出色的保温、气密结构和朝南方向，以最大限度地增加太阳能收益。
• 传统庭院住宅（中东和地中海）：这些房屋使用庭院来促进自然通风并提供阴影。墙壁的高蓄热有助于调节温度波动。传统的摩洛哥里亚德是这种设计的绝佳例子。
• 本土建筑（印度尼西亚巴厘岛）：传统的巴厘岛建筑通常结合自然通风、遮阳和当地材料的使用，以建造舒适且节能的建筑物。升高的结构和悬垂的屋顶是促进气流并防止日晒雨淋的常见特征。

被动式太阳能设计的好处

实施被动式太阳能设计原则提供了许多好处，包括：

• 降低能耗：最大限度地减少对传统采暖、制冷和照明系统的依赖。
• 降低水电费：节省能源成本。
• 改善室内舒适度：创造更舒适和健康的室内环境。
• 减少环境影响：降低碳排放并促进可持续性。
• 增加财产价值：提高建筑物的价值。

挑战和注意事项

虽然被动式太阳能设计有很多好处，但也需要注意一些挑战和注意事项：

• 气候特异性：被动式太阳能设计的有效性取决于当地气候。一种气候下有效的策略可能不适用于另一种气候。
• 初始成本：与传统建筑方法相比，实施被动式太阳能设计功能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的规划和对细节的关注。
• 居住者行为：被动式太阳能设计的有效性也取决于居住者如何使用建筑物。例如，在错误的时间打开窗户可能会抵消蓄热的好处。
• 新建筑的遮阳问题：周围环境在不断变化。太阳的位置也在不断变化。由于这两个原因，建造一个依赖持续阳光照射的房屋或结构可能具有挑战性。

结论

被动式太阳能设计是创建节能和可持续建筑的有力工具。通过理解和应用朝向、保温、蓄热、玻璃、遮阳和通风的原则，建筑师和建筑商可以建造利用太阳能的建筑物，以减少环境影响并改善室内舒适度。虽然需要考虑一些挑战，但被动式太阳能设计的好处远大于成本，这使其成为在全球范围内建造具有环境意识和经济上合理的建筑物的宝贵方法。随着建筑实践不断发展以满足全球可持续发展目标，被动式太阳能设计为在全球范围内建造环保且经济上合理的建筑物提供了框架。继续根据您独特的当地气候和您的建筑场地的微气候调整被动式太阳能的基本建筑原则。