被动式太阳能在建筑设计中的应用

被动式太阳能在建筑设计中的应用

蒋升

浙江美源建筑设计有限公司浙江310000

摘要：近年来在国家可再生能源战略背景下，以及国家的节能减排的推动下，太阳能建筑得到了快速发展。然而整合设计不到位阻碍了太阳能与建筑一体化的发展。许多太阳能构件是附加在已建好的建筑外面，与建筑本体结合不好，破坏了建筑立面的美观，也降低了太阳能建筑的能效。如何将太阳能与建筑整合起来。本文针对被动式太阳能建筑，探讨其在建筑设计中的应用。

关键词：被动式；太阳能；建筑设计；应用

一、前言

我国属于太阳能资源丰富的国家之一，太阳能作为一种可再生的清洁能源，近年来在建筑中的利用受到关注。在当前能源高度缺乏的情况下，如何有效的利用太阳能能源成为一个突出的问题。

二、被动式太阳能的理论

1、一般在利用太阳能的建筑中，太阳能利用分为两种方式：一种是被动式太阳能，另一种是主动式太阳能。所谓被动式太阳能，是指利用太能提供室内供热，而无需其他机械装置提供能源，被动式太阳能系统依靠传导、对流和辐射等自然热转换的过程，实现对太阳能的收集、储藏、分配和控制。而主动式太阳能与被动式太阳能正好相反，它是利用机械装置来收集、储藏、分配和控制太阳能热量的方法，如太阳能光电板式发电机、太阳能热水器等。对于被动式太阳能系统来说，它需要两方面的元素构成：一是利用朝阳方向的透明材料（玻璃或塑料等）或是深色材料来收集太阳能，二是收集、储存和分配太阳能热量的蓄热体能够最大限度的接收太阳能。透明材料的原理就是暖房原理greenhouse（也叫温室），而深色材料就是利用深色物体比浅色物体更能吸收热量的原理。

2、被动式太阳能建筑与一般建筑没有绝对界限，只是利用太阳能的多少，节约效益存在高低而已。被动式太阳能建筑的应用可归纳为得热、贮热、散热三个过程。得热就是收集太阳辐射热，合理的朝向、间距、平面布置、开窗大小、房间进深等都有利于收集到更多太阳辐射热。所得热量一部分用于直接取暖，一部分存储起来通过对流、辐射传送到不能直接得热的地方和用于夜间取暖。贮热是太阳能建筑设计的关键，贮热体越多越好，且应分布合理和能受到阳光直射。散热要注意方向性，避免热量流向室外。

3、目前一般的节能建筑中，主动式太阳能运用的较多，而被动式太阳能较少。其实从设计上来说，主动式太阳能的投资较高，但主动式太阳能比较方便，只要留出它的收集太阳能辐射的场地，装上就能使用，主动式太阳能产生的发电量非常有限，产生的热水量倒是可以供应一个家庭使用。而被动式太阳能从投资上来说较低，它是从整个建筑的设计理念出发，通过设计的方法，被整体的、系统的体现在建筑的细节当中，无需过多的投入。比如现实生活中的温室、太阳房等，就是很有效的被动式太阳能的利用。

三、被动式太阳能在建筑设计中的应用

被动式太阳能在建筑设计中主要通过三方面来实现：外部环境设计、建筑本体设计、构造技术设计。

1、外部环境设计策略

太阳能建筑主要是要利用基地的自然资源来增加人类的健康和舒适，并减少人类活动对环境的影响，潜在地提供建筑的能源需求。因此对于太阳能建筑而言，基地的自然条件具有决定性的作用。

（1）选址、环境

太阳能建筑宜修建在太阳能资源丰富的地区，场地南面不应有山坡或浓密的树木遮挡，宜种植落叶植物，冬季才不会阻挡阳光，夏季又能遮阳隔热。山地建筑应尽量选择建在向阳的坡地上，坡度应有利于接收太阳光，可以通过挖填土适当调整。

根据各地太阳高度角不同和建筑高度的差异，建筑间应有一个最小距离，一般不小于1.1H（H为相邻南向建筑的高度）。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南面的遮挡不能超过15％。

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，南向为太阳能建筑的最佳朝向。为了获得更多的热量，白天使用较多的房间，如教室、办公室，可以朝南偏东，而夜间使用的房间，如卧室，可以朝南偏西。

（2）与地形地貌相结合

地表地貌情况的好坏是决定设计太阳能建筑的优劣的最基本因素。一般说来建筑不宜布置在山谷、洼地、沟底等凹地里。因为冬季气流在凹地里会形成对建筑物的“霜洞”效应。造成建筑运行能耗的增加。炎热地区，建筑宜布置在水面附近，夏季水面蒸发可以带走部分热量。风经过水面后进入建筑也会使人觉得清爽舒适。因此设计者应深入分析和研究基地的条件．发现基地的地形特点，才能做一个与基地紧密结合的设计。

另外，还应根据基地的地表地貌来分析和了解场地中的生态构成和分布情况，以保护和利用原有的植被资源，这对优化小气候、保持水土、防尘防噪有很重要的意义。

（3）与气候条件的结合

气候条件是基地条件的重要组成部分。它一般包括所在区域的寒冷或炎热程度、干湿状况、日照条件．常年主导风向，冬夏季的主导风向。冬、夏季的雨雪情况等。太阳能建筑以阳光、风等自然资源为能源，气候条件的优劣具有决定性的作用。在进行太阳能建筑设计时，对太阳高度角、主导风向等气候条件的分析是必须的。

另外，基地除了存在大气候外，还存在微气候。一块给定的区域在不同基地条件下有不同的特征，如基地内的通风路线会园地形、植被，周围建筑的高度、密度、位置、道路走向等因素发生改变，形成特有的风路：地势的起伏、高层建筑的遮挡会对基地的日照条件产生较大影响等。总之，这种微气候的影响也需要设计者加以认真的分析和研究。

（4）与周边建筑场的结合

周边的建筑场是太阳能建筑设计不能忽视的基地条件。太阳能建筑利用的主要能源是太阳能，因此建筑需要与周围建筑保持足够的日照间距。针对不同的建筑场，考虑到遮挡，可以采用错位、围合、退台等方式等布局方式，以争取更多的阳光（见图1）。

根据不同气候条件，建筑需要防风或者通风时，要对周围建筑群的分布做仔细的分析，以利于在建筑场内形成良好的风环境（见图2）。

（4）组合式

以上简述的几种基本类型的被动式太阳房都有它们的独特之处。我们把由两个或两个以上被动式基本类型组合而成的系统称为组合式系统。不同的采暖方式结合使用，就可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。直接受益窗和集热墙两种形式结合而成的组合式太阳房，可同时具有白天自然照明和全天太阳能供热比较均匀的优点。被动式太阳房是一种经济、有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个重要领域，具有重要的经济效益和社会效益。它的推广有利于节约常规能源、保护自然环境、减少污染，使人与自然环境得到和谐的发展。

四、结语

被动式太阳能建筑应注意其“可控性”，特别是在夏热冬冷地区，南向大面积的集热区在夏季可能引发室内过热。所以，在设计被动式太阳能建筑时，应充分考虑夜间通风系统和夏季遮阳系统，在建筑中庭设竖向拔风空间，在双层体系中增加可调遮光百叶或安装倾斜角度可控的钢制遮阳板，都是可行措施。被动式太阳能建筑的前期投入并不比普通建筑高很多，但是，在长期运营过程中，却能取得很好的节能效益。随着太阳能技术的逐步成熟和工程实践中经验的不断积累，被动式太阳能技术将发挥出更大的优势，对建筑的可持续发展和环境保护都有极为重大的意义。

参考文献：

[1]王崇杰，赵学义．论太阳能建筑一体化设计[J]．建筑学报，2002，（7）．

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[3]喜文华．被动式太阳房的设计与建造，北京：化学工业出版社2007

[4]英格伯格•弗拉格．托马斯•赫尔左格（建筑+技术）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．

[5]宋德萱．节能建筑设计与技术[M]．上海：同济大学出版社，2003.