如何設計被動式太陽能系統(tǒng)？

雖然太陽距離地球約1.5億公里，但這顆恒星對我們的星球影響最大。就像有些人熱衷于日光浴，建筑師們也在創(chuàng)造能沐浴陽光的空間。

在定義中，“被動式太陽能是利用自然手段來收集和分配獲得的太陽能”。被動式太陽能系統(tǒng)的實施，其簡單的概念和過程能夠以盡可能環(huán)保的方式為建筑物提供采暖、照明、機械動力和電力。

在本文中，我們將為您提供在設計中實施被動式太陽能系統(tǒng)的完整指南。

太陽

被動式太陽能是基于一個重要元素，太陽。當太陽輻射抵達地球表面時，光線會被吸收、反射和/或透射。透明材料會透射最多的太陽輻射；然而，半透明材料在傳遞同樣多的太陽輻射時，其中一部分會發(fā)生散射。

非所有材料都以同樣的方式吸收太陽能。例如，拋光/光亮表面會比啞光表面反射更多太陽輻射。同樣，深色表面會比淺色表面吸收更多熱量。一些表面會在透射太陽輻射的同時將它們存儲在內(nèi)部，形成我們所熟知的“溫室效應”。這類系統(tǒng)儲存從太陽輻射所獲得的熱量，并將其保存很長時間，這與后期才開始吸收熱量的被動式“制冷系統(tǒng)”相反。

什么是被動式系統(tǒng)？

被動式系統(tǒng)“通過非機械，即自然方式收集和運輸能量”。砌體（混凝土、磚塊、石塊）和水（水墻、屋頂水池）是兩種最常用的太陽輻射儲存材料。

被動式系統(tǒng)的工作原理有三種類型：直接增益、間接增益、獨立增益。

直接增益是指項目通過被陽光直射其表面（例如通過南向玻璃幕墻）而獲得熱量和能量。

間接增益是指當太陽光照射到其他表面時被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，然后傳遞到空間（例如砌體墻吸收太陽輻射并將熱量傳遞到內(nèi)部空間）?！案綄贉厥摇笔侵苯釉鲆婧烷g接增益系統(tǒng)的結(jié)合，因為它們在結(jié)構內(nèi)部直接獲得了太陽輻射，同時還能將這種能量傳遞給相鄰建筑物，從而迫使其間接獲益。

獨立增益是一種“自然的集體循環(huán)”，它使用了其他材料來吸收能量。這些材料包括儲熱罐、金屬板收集器、水、空氣和巖石儲存器。當容器收集的水被太陽輻射加熱時，它會上升并進入儲熱罐頂部，從而產(chǎn)生自然電流。

設計被動式太陽能系統(tǒng)

以下設計策略針對北半球

1. 根據(jù)太陽設置位置：太陽能的關鍵在于能吸收到太陽光的程度，這就是為什么采用被動式太陽能的項目必須保證在夏季和冬季都充分利用陽光。

2. 結(jié)構設計：項目的整體形式和朝向決定著能有多少太陽光被轉(zhuǎn)換傳遞至室內(nèi)。人們注意到，在冬季，沿著東西軸線展開的建筑在其南側(cè)吸收到更多的太陽光。

3. 注意北側(cè)：由于太陽光不能直接輻射到建筑北側(cè)，建筑師可降低北側(cè)高度，以最大程度地減少北側(cè)墻的面積。除此之外，相鄰的墻采用淺色系有利于將陽光反射至北側(cè)墻。

4. 室內(nèi)空間排列：沿東南、西南或南立面布置利用率高的房間，以確保最大限度地吸收熱量和自然照明。類似走廊或雜物間這類對供暖和照明要求最低的空間，可改為沿北側(cè)設置。

5. 窗戶位置：將大型窗戶置于建筑南側(cè)，以確保室內(nèi)空間獲取盡可能多的太陽輻射。由于北立面吸收的熱能最少，因而窗戶相對較小。

6. 入口圍護：為防止冬季開門時冷空氣進入室內(nèi)，將入口朝向遠離風口，并且/或者在入口旁添加風擋。

7. 材料選擇：如果每種材料都在適當?shù)牡胤绞褂茫瑫母嗟哪芰?。查看下表比較每種材料的能量吸收百分比。

8. 系統(tǒng)選擇：每個項目都有特定的設計要求，這就是為什么不同的項目需要不同的系統(tǒng)。有些情況下被動式能源系統(tǒng)是不適用的，比如在高樓林立中的全是大玻璃幕墻的建筑，這種情況下最好的解決辦法是將系統(tǒng)設置于屋頂。

9. 玻璃立面/太陽窗：南向玻璃立面和大型窗戶能最大程度的將太陽輻射吸收至室內(nèi)。“建議：在寒冷氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對應使用0.19至0.38平方米的南向窗戶。在溫和氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對應使用0.11至0.25平方米的南向窗戶。”

10. 天窗：當無法采用玻璃外立面時，可利用天窗和/或高側(cè)窗將陽光直接引入室內(nèi)。

11. 磚石蓄熱：建議墻體厚度至少為10厘米，以減少室內(nèi)溫度波動。淺色室內(nèi)墻、深色地板以及墻上的小開窗有助于空間內(nèi)的光散射。

12. 室內(nèi)水墻：在建筑內(nèi)使用水墻時，需確保水墻的位置能在陽光最猛烈的時候（11 am - 3 pm）直對太陽。選擇深色水墻更利于太陽光的吸收。

13. 保溫墻/ Trombe保溫墻：與溫室原理類似， Trombe 保溫墻是在建筑向陽一側(cè)覆蓋的墻體，白天儲熱夜間放熱。這些墻體選材通常為磚石和玻璃，通過墻體的開窗或開洞來為建筑內(nèi)部提供溫暖。

14. 墻體尺寸：只要墻體尺寸適當，各類保溫墻均可在冬季最大化地儲存熱能?！敖ㄗh：在寒冷氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對應使用0.43至1平方米的南向雙層玻璃保溫墻（水墻則為0.31至0.85平方米）。在溫和氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對應使用0.22至0.6平方米的保溫墻（水墻則為0.16至0.43平方米）?！?/span>

詳情：墻體的厚度、材料、顏色/表面處理，都決定著其保溫隔熱性能。為了將其保溫隔熱性能最大化，面向太陽一側(cè)最好為深色，同時在墻體頂部和底部增加通風孔以提高性能，并在通風孔上方插入鉸鏈板以避免反向氣流。

15. 相鄰溫室：“相鄰溫室”的概念在實際使用上略為復雜，因為熱能會先穿過建筑物的外部結(jié)構才能被傳遞至屋內(nèi)。因此，溫室的尺寸必需事先計算準確?！敖ㄗh：在寒冷氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對應使用0.65至1.5平方米的南向雙層玻璃。在溫和氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對應使用0.33至0.9平方米的玻璃?！?/span>

16. 獨立溫室：因為溫室大量使用玻璃（或其他透明材料），太陽能直接充盈整個空間，但溫室的北側(cè)接收到的陽光會比其他朝向少。較理想的是，將建筑在東西軸上拉長，并將北側(cè)飾以淺色使其能將陽光反射到該區(qū)域。

詳情：為避免溫室內(nèi)溫度波動，建議使用室內(nèi)水墻、巖石儲存系統(tǒng)、和/或?qū)嵭钠鲶w結(jié)構。

17. 屋頂水池：屋頂水池的面積取決于它是被用于升溫或降溫、它的材質(zhì)、所使用的絕緣板類型。這里是一個表格，里面例舉了不同材質(zhì)屋頂水池所需的面積配給。

詳情：建造屋頂水池需格外注意細節(jié)，因為水池取決于建筑物的結(jié)構和屋頂。屋頂必須由防水金屬或混凝土板支撐，并使其暴露在外以吸收盡可能多的熱量。水池可深達1.83至3.66米，由防水深色容器制成，加以透明頂蓋可使陽光在其封閉時仍能射至水面。理想的絕緣板應盡可能的大，并由反光材料制成，這樣做是為了降低漏水的風險，同時提高整個裝置的效率。

18. 可移動絕緣裝置：玻璃和/或透明材料透射的特性使陽光能充分的進入建筑內(nèi)部，但也正是這個特性，導致室內(nèi)的光照熱量在晚間會有一定程度的流失。將可移動絕緣裝置覆蓋于玻璃面板上，從而減少晚間的熱量流失。

19. 反射裝置：有時，大面積的玻璃外墻不會在設計階段就得到體現(xiàn)，這就是為什么額外的反射裝置可以提升進入建筑內(nèi)部的光照量?！敖ㄗh：對于垂直玻璃，使用大致與玻璃等寬且高度為其開口高度一至兩倍的水平方向的反射裝置。對于南側(cè)傾斜天窗，將反射裝置置于天窗之上，與其呈約100度的傾斜角，并使裝置的尺寸與天窗相等?！?/span>

20. 遮陽：控制陽光進入建筑內(nèi)部的總量以及軌跡，可以高效地防止陽光誤入不需要光照的區(qū)域。“建議：在南側(cè)玻璃上方以水平方向安裝屋檐或遮陽板。在南半球，遮陽板的長度應大致與窗戶高度的1/4相等；在北半球，其長度應與窗戶高度的1/2相等?！?/span>

21. 外置絕緣板：當建筑外墻被用作保溫墻時，將絕緣板放置于墻體外側(cè)，從而防止建筑內(nèi)部儲存的熱量流失。

附加貼示

多云天氣下的太陽能儲存：多云地區(qū)需要更多的被動式太陽能系統(tǒng)。增加建筑南側(cè)的玻璃面積，采用更大的水墻（如果可能的話，采用多面水墻），并加厚保溫墻（參考上文提到的標準建議）使其能吸收更多的陽光至建筑內(nèi)部。

夏季降溫：被動式太陽能系統(tǒng)著重考慮的是將熱量和光線引入建筑內(nèi)部，這一點在冬季顯得尤為重要，也因此人們常常忽略了在夏季降溫的重要性。選擇一款淺色屋頂、在夜間進行通風、在白天關閉建筑物門窗，這都是一些在夏季可以降溫的簡單操作。

工具：可利用一些工具和應用程序來計算太陽進入建筑內(nèi)部的總量。圓柱形太陽圖可用于研究其高度、方位角、位置、軌跡、每月軌跡、天空穹頂、緯度、磁變。如太陽輻射計算器和遮陽罩等其他工具，可用于建造前的相關估算和設計。

注：所有建議均取自 Edward Mazria 所著的《被動式太陽能》。

譯者：侯丹、杜慧婷、唐久樂