[科普中国]-被动式太阳能建筑

发展历史

古代的人类在建造房屋时就已经懂得利用太阳的光和热，但是，这种太阳能利用还仅仅处于经验主导的低级阶段。现代意义上的太阳能建筑(Solar house)于20世纪20年代在美国开始出现，而被动式太阳能建筑在20世纪70年代能源危机之后才得到迅速发展，在相当长的时间内成为了太阳能建筑发展的主流。1961年建成的英国沃拉西圣乔治中学是世界上最早的现代直接受益式被动太阳能建筑之一；1972年建成的法国乔旺赛堡住宅是世界上第一个集热蓄热墙式被动太阳能建筑的样板房，这种著名的采暖方式于1956年就由法国国家科学研究中心获得了发明专利。目前，被动式太阳能建筑在法国、德国、澳大利亚、英国、美国等发达国家都得到广泛的应用。到1982年，美国已建造了约8万栋各种型式的太阳能建筑，到20世纪90年代增加到25万栋。比较著名的被动式太阳能示范建筑有:美国新墨西哥州的戴维斯住宅(空气集热器和岩石仓储热组合式)、新泽西州的凯尔布住宅(直接受益窗、附加阳光间和集热蓄热墙组合式)、法国奥代洛住宅群(集热蓄热墙式)等。1977年，我国的第一栋被动式太阳能建筑建成于甘肃省民勤县。据不完全统计，1987年，我国的被动式太阳能建筑总建筑面积近10万m2；到1995年，在农村和小城镇己推广了575万m2的被动式太阳能建筑，而截至2004年底，中国北方农村地区被动式太阳能建筑的建筑面积约达1800万m，每年节约折合标准煤36万吨。这些太阳能建筑广泛分布于北京、天津、河北、甘肃、青海、山东、内蒙古、新疆、辽宁、西藏、宁夏、河南、陕西等省市自治区，建筑类型几乎覆盖了所有民用建筑，大部分为农村住宅，也包括学校、办公楼、宾馆、医院和城市住宅等。2

设计原理被动式太阳能建筑是利用太阳能提供的室内热能，不需要任何机械设备提供能源，仅仅依靠传导、对流和辐射的自然热传递。加上通过建筑物的布置、内外构造及材料选择有效地采集、储存和分配太阳能，提高建筑的温度和光线。生活中常见的有温室与太阳能热水器，就是有效利用了被动式太阳能建筑设计的原理。3

被动式太阳能能建能利用外部能源太阳能实现自我调节，能充分利用太阳热能源，满足建筑“冬暖夏凉”的要求。被动式太阳能建筑通过建筑朝向，集取与吸收太阳热能，起到保暖效果；利用建筑的合理布局、内部空间加强空气对流，使室内温度得到下降；利用节能环保材料对太阳热能进行蓄存，有利于能源的转化。

被动式太阳能建筑的夏季降温和冬季采暖是矛盾对立而又相互适应的关系。冬季采暖需要建筑物最大限度地获取太阳能热量，将热损失降低到最小程度以及适当地蓄热而夏季降温必须将进入室内的太阳能热量降到最小程度、提高散热量并适当地蓄冷。4

考虑因素从被动式太阳能建筑设计原理可以看出，被动式太阳能能利用外部能源太阳能实现自我调节，能充分利用太阳热能源，满足建筑“冬暖夏凉”的要求。被动式太阳能建筑通过建筑朝向，集取与吸收太阳热能，起到保暖效果；利用建筑的合理布局、内部空间加强空气对流，使室内温度得到下降；利用节能环保材料对太阳热能进行蓄存，有利于能源的转化。具体应考虑以下几点因素：5

选址、朝向和间距选择合理的地址，设计正确朝向的房子，可以使冬季房子接收很多直射阳光，夏季照入室内的阳光又最少。冬季太阳高度角小，南向垂直表面接受太阳辐射的时间最长，所以朝南的方向为太阳能建筑最佳朝向，被动式太阳能建筑设计正是利用南向窗、墙，以获得太阳能实现冬季暖和的温度。同时，房子南面不应该有山坡或者浓密的树木遮挡，适宜种植落叶植物，这样才有充足的太阳照射进房子内，起到“冬暖夏凉”的效果。研究证明，建筑物的方位在三十度以内是最合适的，南向偏东或偏西十五度以内最为理想。例如，冬季采暖期间，从上午 9 时至下午 3 时，其他建筑物对太阳能建筑物的南面遮挡不能超过百分之十五。此外，根据各地太阳高度角度不同和建筑高度的差异，建筑之间应该有一个合适的距离，最小距离一般不小于相邻南向建筑的高度的 1.1 倍。

建筑构造被动式太阳能建筑设计需要注重建筑构造，因为好的构造设计不仅能丰富建筑外观，还能给建筑添加独特性和美感。被动式太阳能建筑，主要通过向南和透明屋来实现取暖。向阳面积越大，获取的热量越多，但是也要尽量少开不能吸收到热量的窗户，减少太阳热能力的损失。对于深度较大的房子，内部很难自然采光，可以通过安装导光板、散射板等将太阳光引入室内，保证整个房子都能透入太阳光。透明屋的设计能增加进入房子的太阳光，但是在夏天过多的太阳光直射房子，房子的温度过高，不适宜人类居住。这时应该改用中空玻璃和遮阳型玻璃，以及通过促进通风来改善房子的温度。此外，还要注意屋面的形式，坡屋面接受太阳辐射的时间和面积多于平面屋，穹顶屋面为最佳屋面形式。

建筑材料太阳短波辐射容易被吸收，它能穿过窗户到达室内，可能会被内墙、地板和家具等吸收。太阳长波容易被密度大的外墙直接吸收和储存，再把部分向外辐射。因此，通过不同热容量和导热系数的储热材料组合，或者增加储热材料的厚度，可以延长储热体向室内散热的时间，避免夏季太阳辐射房子，导致室内温度过高。例如，普通白玻璃是采暖窗较好的选择，但是也要注意保温隔热；中空玻璃是对可见光有高投射率，具有极强的保暖性；热变色玻璃是一种以塑料薄膜夹着聚合物水色溶剂，在低温和高温的环境下分别呈透明状和不透明的乳白色，它能在低温的环境中，吸收与储存日光的热能，环境温度升高时，能阻挡日光的热能，以此对室内起到调节室内温度的作用。此外，对于建筑材料尤为关键的一个因素，就是材料的颜色和质地，建筑材料的颜色和质地与太阳能的收集有关，浅颜色光滑的建筑材料较为容易反射太阳光，相反，深色粗糙的建筑材料较为容易吸收太阳光热量。因此，在对建筑设计时，应该根据建筑的功能选择合适的建筑材料颜色和质地。

建筑体型系数建筑体型系数由建筑在地面以上的表面积总和占建筑体积的比重，所占比重越大，对建筑节能不利影响就越大。因此，设计时应该找到一个平衡点，一般要求建筑体型系数应该控制在合理的范围之内，条式居住建筑的体型系数不应该超过 0.35，点式居住建筑不超过0.4。因此，房子体积不变的情况下，建筑外表面积越大，接受的太阳辐射热能则越多，但是建筑内部的热量也会比较容易散发。只有有效控制建筑的体型系数在一个适当的范围内，并且尽可能增加南向面积，减少向东、向西、向北的房间面积，才能使整个建筑采暖节能效果更显著。例如，可以把主要用房布局在建筑的南面，而将辅助用房卫生间和厨房等布置在靠北一面。再在北面房子和南面房子之间采用贮热性能好的重质材料作隔墙，并且保证白天的阳光能照射到，这样可以利用这面隔墙来贮藏白天吸收的太阳光，晚上再把贮藏的热能散发出来，提高房子夜间温度。

室内气流通道为了获得一个冬暖夏凉的太阳能建筑，还可以通过室内气流通道的设计，在夏季改善室内的热环境，减弱室外的热作用。室内气流通道不仅能满足室内外气流的流通，而且应该尽量减少室外热量传入室内，还能使室内的热量散发出室外。因此，需要协调好室内外气流通道的方位，即进风口要求置于顺风背阳、低气温的位置，有效控制夏季房间内的温度，减少室内温度波动。3

特点优势太阳能建筑主要分为三种形式:被动式太阳能建筑(Passive solar buildings)不依赖于机械功，通过建筑朝向、构造、建筑材料等恰当选择和设计，使其能够收集、蓄存和分配太阳能热量，实现冬季采暖和夏季降温；主动式太阳能建筑(Active solar buildings )利用太阳能驱动供热或空调设备:零能建筑(Zero energy buildings)则由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源供应，常规能源消耗为零。与其它太阳能建筑形式相比，被动式太阳能建筑的鲜明特色如下:

1.发展历史较短，应用范围广阔

尽管古代的人类在建造房屋时就已经懂得利用太阳的光和热，但是，这种太阳能利用还仅仅处于经验主导的低级阶段。目前，主动式太阳能建筑在技术上还不够成熟，而且初投资较高，规模效应不明显，尚未得到大范围的推广；零能建筑的研究则是刚刚起步，由于初投资十分昂贵，在我国的应用还几乎是空白。根据我国的国情，被动式太阳能建筑在将来较长的一段时期内仍将是太阳能建筑的主体。

2.充分利用自然环境潜能，是综合现代计算技术和材料技术的高技派建筑

被动式太阳能建筑并非只是将暖通空调系统使用的常规能源替换为太阳能的技术，也不是单纯地将采暖制冷负荷降到最低的节能技术。被动式太阳能建筑的深层含义为:在适应自然环境的同时最大限度地利用自然环境的潜能，其形成的室内环境与自然形成一体，能够实际感受到自然脉搏。这种体现“天人合一”的设计思想与将能源不断供给机械设备而创造人工建筑环境的技术手段有着根本区别，从而也形成了被动式太阳能建筑独特的建筑风格。根据当地的气候特点，最大程度地利用环境中的积极因素以获得满意的室内环境是被动式太阳能建筑形式与空间处理的指导思想，这在实质上突破了以工艺和功能为基础的常规建筑设计的制约，丰富了现代建筑学的内涵；作为一个新的技术领域，被动式太阳能建筑的设计衍生出专门的设计理论，由于非线性祸合传热过程复杂，结构形式多样，因此其计算分析过程更多地借助于电子计算机技术；同时，被动式太阳能热利用的发展与现代建筑材料科学的发展密不可分，各种选择透过性玻璃等新材料、新构造技术使被动式太阳能建筑更加高效。由于科技含量高、资源消耗低、环境负荷小，因此很多被动式太阳能建筑不仅成为现代建筑科技发展的示范，而且成为了当地具有标志性的人文景观。

3.构造简单，经济性优越。

与其它相对复杂、昂贵的生态建筑技术相比较，被动式太阳能建筑还是一项构造简单、造价低廉的技术。被动式太阳能建筑不需要专门的热交换器、蓄热设备、水泵或风机等设备，而是将集热、蓄热部件与建筑结构融为一体，例如南窗既是采光部件，又是太阳辐射热的直接接收器；南向重质墙体既是围护结构，又是太阳能系统的集热蓄热部件。这些构造不仅运行管理方便，而且能够完全替代或减少机械设备的使用，减少运行费用，在整个建筑生命周期内显示出较强的优越性。

综上所述，被动式太阳能建筑具有简单、经济、有效等优势，在偏远地区或电力供应不上的地区、由于采暖造成严重空气污染的地区、由于空调制冷造成电力供应紧张的地区、旅游度假区和风景名胜区，都可以说是一种比较理想的建筑形式。2

分类按采集太阳能的方式区分，被动太阳建筑可以分为以下几类：

直接受益式冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗，直接照射至室内的地面墙壁和家具上，使其吸收大部分热量，因而温度升高。其示意图见图3-39所吸收的太阳能，一部分以辐射、对流方式在室内空间传递，一部分导入蓄热体内，然后逐渐释放出热量，使房间在晚上和阴天也能保持一定温度。采用这种方式的太阳能建筑，由于南窗面积较大，应配置保温窗帘，并要求窗扇的密封性能良好，以减少通过窗的热损失。窗应设置遮阳板，以遮挡夏季阳光进入室内。

蓄热墙式这种太阳能建筑主要是利用南向垂直集热蓄热墙吸收穿过玻璃采光面的阳光，通过传导、辐射及对流，把热量送至室内。椅的外表面涂成黑色或某种深色，以便有效地吸收阳光。集热蓄热堵的形式有：实体式集热蓄热墙，花格式集热蓄热墙，水墙式集热蓄热墙，相变材料集热蓄热墙，快速集热墙等。

阳光间式阳光间附建在房屋南侧，其围护结构全部或部分由玻璃等透光材料构成。与房间之间的公共墙上开有门、窗等孔洞。阳光间得到阳光照射被加热，其内部温度始终高于外环境温度。所以既可以在白天通过对流风口供给房间以太阳热能，又可在夜间作为缓冲区，减少房间热损失。

屋顶池式屋顶池式太阳能建筑兼有冬季采暖和夏季降温两种功能，适合冬季不属寒冷，而夏季较热的地区。用装满水的密封塑料袋作为储热体，置于屋顶顶棚之上，其上设置可水平推拉开闭的保温盖板。冬季白天晴天时，将保温板敞开，让水袋充分吸收太阳辐射热，水袋所储热量，通过辐射和对流传至下面房间。夜间则关闭保温板，阻止向外的热损失。夏季保温盖板启闭情况则与冬季相反。白天关闭保温盖板，隔绝阳光及室外热空气，同时用较凉的水袋吸收下面房间的热量，使室温下降；夜晚则打开保温盖板，让水袋冷却。保温盖板还可根据房间温度、水袋内水温和太阳辐照度，进行自动调节启闭。