技巧分享 | 如何在設(shè)計(jì)中充分利用太陽(yáng)能？

雖然太陽(yáng)距離地球約1.5億公里，但這顆恒星對(duì)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(yáng)光的空間。

在定義中，“被動(dòng)式太陽(yáng)能是利用自然手段來(lái)收集和分配獲得的太陽(yáng)能”。 被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)的實(shí)施，其簡(jiǎn)單的概念和過(guò)程能夠以盡可能環(huán)保的方式為建筑物提供采暖、照明、機(jī)械動(dòng)力和電力。

在本文中，我們將為您提供在設(shè)計(jì)中實(shí)施被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)的完整指南。

太陽(yáng)

被動(dòng)式太陽(yáng)能是基于一個(gè)重要元素，太陽(yáng)。 當(dāng)太陽(yáng)輻射抵達(dá)地球表面時(shí)，光線會(huì)被吸收、反射和/或透射。透明材料會(huì)透射最多的太陽(yáng)輻射；然而，半透明材料在傳遞同樣多的太陽(yáng)輻射時(shí)，其中一部分會(huì)發(fā)生散射。

并非所有材料都以同樣的方式吸收太陽(yáng)能。例如，拋光/光亮表面會(huì)比啞光表面反射更多太陽(yáng)輻射。同樣，深色表面會(huì)比淺色表面吸收更多熱量。一些表面會(huì)在透射太陽(yáng)輻射的同時(shí)將它們存儲(chǔ)在內(nèi)部，形成我們所熟知的“溫室效應(yīng)”。這類(lèi)系統(tǒng)儲(chǔ)存從太陽(yáng)輻射所獲得的熱量，并將其保存很長(zhǎng)時(shí)間，這與后期才開(kāi)始吸收熱量的被動(dòng)式“制冷系統(tǒng)”相反。

什么是被動(dòng)式系統(tǒng)？

被動(dòng)式系統(tǒng)“通過(guò)非機(jī)械，即自然方式收集和運(yùn)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(yáng)輻射儲(chǔ)存材料。被動(dòng)式系統(tǒng)的工作原理有三種類(lèi)型：直接增益、間接增益、獨(dú)立增益。直接增益是指項(xiàng)目通過(guò)被陽(yáng)光直射其表面（例如通過(guò)南向玻璃幕墻）而獲得熱量和能量。間接增益是指當(dāng)太陽(yáng)光照射到其他表面時(shí)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(yáng)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?yàn)樗鼈冊(cè)诮Y(jié)構(gòu)內(nèi)部直接獲得了太陽(yáng)輻射，同時(shí)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(dú)立增益是一種“自然的集體循環(huán)”，它使用了其他材料來(lái)吸收能量。這些材料包括儲(chǔ)熱罐、金屬板收集器、水、空氣和巖石儲(chǔ)存器。當(dāng)容器收集的水被太陽(yáng)輻射加熱時(shí)，它會(huì)上升并進(jìn)入儲(chǔ)熱罐頂部，從而產(chǎn)生自然電流。

設(shè)計(jì)被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)（以下設(shè)計(jì)策略針對(duì)北半球）

1. 根據(jù)太陽(yáng)設(shè)置位置：太陽(yáng)能的關(guān)鍵在于能吸收到太陽(yáng)光的程度，這就是為什么采用被動(dòng)式太陽(yáng)能的項(xiàng)目必須保證在夏季和冬季都充分利用陽(yáng)光。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：項(xiàng)目的整體形式和朝向決定著能有多少太陽(yáng)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(kāi)的建筑在其南側(cè)吸收到更多的太陽(yáng)光。

3. 注意北側(cè)：由于太陽(yáng)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(yáng)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(lèi)似走廊或雜物間這類(lèi)對(duì)供暖和照明要求最低的空間，可改為沿北側(cè)設(shè)置。

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

6. 入口圍護(hù)：為防止冬季開(kāi)門(mén)時(shí)冷空氣進(jìn)入室內(nèi)，將入口朝向遠(yuǎn)離風(fēng)口，并且/或者在入口旁添加風(fēng)擋。

7. 材料選擇：如果每種材料都在適當(dāng)?shù)牡胤绞褂?，?huì)消耗更多的能量。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(gè)項(xiàng)目都有特定的設(shè)計(jì)要求，這就是為什么不同的項(xiàng)目需要不同的系統(tǒng)。有些情況下被動(dòng)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(shè)置于屋頂。

9. 玻璃立面/太陽(yáng)窗：南向玻璃立面和大型窗戶(hù)能最大程度的將太陽(yáng)輻射吸收至室內(nèi)?！敖ㄗh：在寒冷氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對(duì)應(yīng)使用0.19至0.38平方米的南向窗戶(hù)。在溫和氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對(duì)應(yīng)使用0.11至0.25平方米的南向窗戶(hù)?！?br/>

10. 天窗：當(dāng)無(wú)法采用玻璃外立面時(shí)，可利用天窗和/或高側(cè)窗將陽(yáng)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(dòng)。淺色室內(nèi)墻、深色地板以及墻上的小開(kāi)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(shí)，需確保水墻的位置能在陽(yáng)光最猛烈的時(shí)候（11 am - 3 pm）直對(duì)太陽(yáng)。選擇深色水墻更利于太陽(yáng)光的吸收。

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

14. 墻體尺寸：只要墻體尺寸適當(dāng)，各類(lèi)保溫墻均可在冬季最大化地儲(chǔ)存熱能?！敖ㄗh：在寒冷氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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）?！?/p>

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(yáng)一側(cè)最好為深色，同時(shí)在墻體頂部和底部增加通風(fēng)孔以提高性能，并在通風(fēng)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(shí)際使用上略為復(fù)雜，因?yàn)闊崮軙?huì)先穿過(guò)建筑物的外部結(jié)構(gòu)才能被傳遞至屋內(nèi)。因此，溫室的尺寸必需事先計(jì)算準(zhǔn)確?！敖ㄗh：在寒冷氣候環(huán)境下，每平方米建筑面積對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)使用0.33至0.9平方米的玻璃?！?br/>

16. 獨(dú)立溫室：因?yàn)闇厥掖罅渴褂貌ＡВɑ蚱渌该鞑牧希?yáng)能直接充盈整個(gè)空間，但溫室的北側(cè)接收到的陽(yáng)光會(huì)比其他朝向少。較理想的是，將建筑在東西軸上拉長(zhǎng)，并將北側(cè)飾以淺色使其能將陽(yáng)光反射到該區(qū)域。

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

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(lèi)型。這里是一個(gè)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(xì)節(jié)，因?yàn)樗厝Q于建筑物的結(jié)構(gòu)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(dá)1.83至3.66米，由防水深色容器制成，加以透明頂蓋可使陽(yáng)光在其封閉時(shí)仍能射至水面。理想的絕緣板應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高整個(gè)裝置的效率。

18. 可移動(dòng)絕緣裝置：玻璃和/或透明材料透射的特性使陽(yáng)光能充分的進(jìn)入建筑內(nèi)部，但也正是這個(gè)特性，導(dǎo)致室內(nèi)的光照熱量在晚間會(huì)有一定程度的流失。將可移動(dòng)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(shí)，大面積的玻璃外墻不會(huì)在設(shè)計(jì)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(jìn)入建筑內(nèi)部的光照量?！敖ㄗh：對(duì)于垂直玻璃，使用大致與玻璃等寬且高度為其開(kāi)口高度一至兩倍的水平方向的反射裝置。對(duì)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?！?br/>

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

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

附加貼示

多云天氣下的太陽(yáng)能儲(chǔ)存：多云地區(qū)需要更多的被動(dòng)式太陽(yáng)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(biāo)準(zhǔn)建議）使其能吸收更多的陽(yáng)光至建筑內(nèi)部。

夏季降溫：被動(dòng)式太陽(yáng)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(diǎn)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(jìn)行通風(fēng)、在白天關(guān)閉建筑物門(mén)窗，這都是一些在夏季可以降溫的簡(jiǎn)單操作。

工具：可利用一些工具和應(yīng)用程序來(lái)計(jì)算太陽(yáng)進(jìn)入建筑內(nèi)部的總量。圓柱形太陽(yáng)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(yáng)輻射計(jì)算器和遮陽(yáng)罩等其他工具，可用于建造前的相關(guān)估算和設(shè)計(jì)。

^{注：所有建議均取自 Edward Mazria 所著的《被動(dòng)式太陽(yáng)能》。}

^{譯者：侯丹、杜慧婷、唐久樂(lè)}

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