[科普中國(guó)]-被動(dòng)式太陽能建筑

發(fā)展歷史

古代的人類在建造房屋時(shí)就已經(jīng)懂得利用太陽的光和熱，但是，這種太陽能利用還僅僅處于經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的低級(jí)階段?，F(xiàn)代意義上的太陽能建筑(Solar house)于20世紀(jì)20年代在美國(guó)開始出現(xiàn)，而被動(dòng)式太陽能建筑在20世紀(jì)70年代能源危機(jī)之后才得到迅速發(fā)展，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)成為了太陽能建筑發(fā)展的主流。1961年建成的英國(guó)沃拉西圣喬治中學(xué)是世界上最早的現(xiàn)代直接受益式被動(dòng)太陽能建筑之一；1972年建成的法國(guó)喬旺賽堡住宅是世界上第一個(gè)集熱蓄熱墻式被動(dòng)太陽能建筑的樣板房，這種著名的采暖方式于1956年就由法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心獲得了發(fā)明專利。目前，被動(dòng)式太陽能建筑在法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都得到廣泛的應(yīng)用。到1982年，美國(guó)已建造了約8萬棟各種型式的太陽能建筑，到20世紀(jì)90年代增加到25萬棟。比較著名的被動(dòng)式太陽能示范建筑有:美國(guó)新墨西哥州的戴維斯住宅(空氣集熱器和巖石倉(cāng)儲(chǔ)熱組合式)、新澤西州的凱爾布住宅(直接受益窗、附加陽光間和集熱蓄熱墻組合式)、法國(guó)奧代洛住宅群(集熱蓄熱墻式)等。1977年，我國(guó)的第一棟被動(dòng)式太陽能建筑建成于甘肅省民勤縣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1987年，我國(guó)的被動(dòng)式太陽能建筑總建筑面積近10萬m2；到1995年，在農(nóng)村和小城鎮(zhèn)己推廣了575萬m2的被動(dòng)式太陽能建筑，而截至2004年底，中國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)被動(dòng)式太陽能建筑的建筑面積約達(dá)1800萬m，每年節(jié)約折合標(biāo)準(zhǔn)煤36萬噸。這些太陽能建筑廣泛分布于北京、天津、河北、甘肅、青海、山東、內(nèi)蒙古、新疆、遼寧、西藏、寧夏、河南、陜西等省市自治區(qū)，建筑類型幾乎覆蓋了所有民用建筑，大部分為農(nóng)村住宅，也包括學(xué)校、辦公樓、賓館、醫(yī)院和城市住宅等。2

設(shè)計(jì)原理被動(dòng)式太陽能建筑是利用太陽能提供的室內(nèi)熱能，不需要任何機(jī)械設(shè)備提供能源，僅僅依靠傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的自然熱傳遞。加上通過建筑物的布置、內(nèi)外構(gòu)造及材料選擇有效地采集、儲(chǔ)存和分配太陽能，提高建筑的溫度和光線。生活中常見的有溫室與太陽能熱水器，就是有效利用了被動(dòng)式太陽能建筑設(shè)計(jì)的原理。3

被動(dòng)式太陽能能建能利用外部能源太陽能實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，能充分利用太陽熱能源，滿足建筑“冬暖夏涼”的要求。被動(dòng)式太陽能建筑通過建筑朝向，集取與吸收太陽熱能，起到保暖效果；利用建筑的合理布局、內(nèi)部空間加強(qiáng)空氣對(duì)流，使室內(nèi)溫度得到下降；利用節(jié)能環(huán)保材料對(duì)太陽熱能進(jìn)行蓄存，有利于能源的轉(zhuǎn)化。

被動(dòng)式太陽能建筑的夏季降溫和冬季采暖是矛盾對(duì)立而又相互適應(yīng)的關(guān)系。冬季采暖需要建筑物最大限度地獲取太陽能熱量，將熱損失降低到最小程度以及適當(dāng)?shù)匦顭岫募窘禍乇仨殞⑦M(jìn)入室內(nèi)的太陽能熱量降到最小程度、提高散熱量并適當(dāng)?shù)匦罾洹?

考慮因素從被動(dòng)式太陽能建筑設(shè)計(jì)原理可以看出，被動(dòng)式太陽能能利用外部能源太陽能實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，能充分利用太陽熱能源，滿足建筑“冬暖夏涼”的要求。被動(dòng)式太陽能建筑通過建筑朝向，集取與吸收太陽熱能，起到保暖效果；利用建筑的合理布局、內(nèi)部空間加強(qiáng)空氣對(duì)流，使室內(nèi)溫度得到下降；利用節(jié)能環(huán)保材料對(duì)太陽熱能進(jìn)行蓄存，有利于能源的轉(zhuǎn)化。具體應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：5

選址、朝向和間距選擇合理的地址，設(shè)計(jì)正確朝向的房子，可以使冬季房子接收很多直射陽光，夏季照入室內(nèi)的陽光又最少。冬季太陽高度角小，南向垂直表面接受太陽輻射的時(shí)間最長(zhǎng)，所以朝南的方向?yàn)樘柲芙ㄖ罴殉?，被?dòng)式太陽能建筑設(shè)計(jì)正是利用南向窗、墻，以獲得太陽能實(shí)現(xiàn)冬季暖和的溫度。同時(shí)，房子南面不應(yīng)該有山坡或者濃密的樹木遮擋，適宜種植落葉植物，這樣才有充足的太陽照射進(jìn)房子內(nèi)，起到“冬暖夏涼”的效果。研究證明，建筑物的方位在三十度以內(nèi)是最合適的，南向偏東或偏西十五度以內(nèi)最為理想。例如，冬季采暖期間，從上午 9 時(shí)至下午 3 時(shí)，其他建筑物對(duì)太陽能建筑物的南面遮擋不能超過百分之十五。此外，根據(jù)各地太陽高度角度不同和建筑高度的差異，建筑之間應(yīng)該有一個(gè)合適的距離，最小距離一般不小于相鄰南向建筑的高度的 1.1 倍。

建筑構(gòu)造被動(dòng)式太陽能建筑設(shè)計(jì)需要注重建筑構(gòu)造，因?yàn)楹玫臉?gòu)造設(shè)計(jì)不僅能豐富建筑外觀，還能給建筑添加獨(dú)特性和美感。被動(dòng)式太陽能建筑，主要通過向南和透明屋來實(shí)現(xiàn)取暖。向陽面積越大，獲取的熱量越多，但是也要盡量少開不能吸收到熱量的窗戶，減少太陽熱能力的損失。對(duì)于深度較大的房子，內(nèi)部很難自然采光，可以通過安裝導(dǎo)光板、散射板等將太陽光引入室內(nèi)，保證整個(gè)房子都能透入太陽光。透明屋的設(shè)計(jì)能增加進(jìn)入房子的太陽光，但是在夏天過多的太陽光直射房子，房子的溫度過高，不適宜人類居住。這時(shí)應(yīng)該改用中空玻璃和遮陽型玻璃，以及通過促進(jìn)通風(fēng)來改善房子的溫度。此外，還要注意屋面的形式，坡屋面接受太陽輻射的時(shí)間和面積多于平面屋，穹頂屋面為最佳屋面形式。

建筑材料太陽短波輻射容易被吸收，它能穿過窗戶到達(dá)室內(nèi)，可能會(huì)被內(nèi)墻、地板和家具等吸收。太陽長(zhǎng)波容易被密度大的外墻直接吸收和儲(chǔ)存，再把部分向外輻射。因此，通過不同熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)的儲(chǔ)熱材料組合，或者增加儲(chǔ)熱材料的厚度，可以延長(zhǎng)儲(chǔ)熱體向室內(nèi)散熱的時(shí)間，避免夏季太陽輻射房子，導(dǎo)致室內(nèi)溫度過高。例如，普通白玻璃是采暖窗較好的選擇，但是也要注意保溫隔熱；中空玻璃是對(duì)可見光有高投射率，具有極強(qiáng)的保暖性；熱變色玻璃是一種以塑料薄膜夾著聚合物水色溶劑，在低溫和高溫的環(huán)境下分別呈透明狀和不透明的乳白色，它能在低溫的環(huán)境中，吸收與儲(chǔ)存日光的熱能，環(huán)境溫度升高時(shí)，能阻擋日光的熱能，以此對(duì)室內(nèi)起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用。此外，對(duì)于建筑材料尤為關(guān)鍵的一個(gè)因素，就是材料的顏色和質(zhì)地，建筑材料的顏色和質(zhì)地與太陽能的收集有關(guān)，淺顏色光滑的建筑材料較為容易反射太陽光，相反，深色粗糙的建筑材料較為容易吸收太陽光熱量。因此，在對(duì)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)建筑的功能選擇合適的建筑材料顏色和質(zhì)地。

建筑體型系數(shù)建筑體型系數(shù)由建筑在地面以上的表面積總和占建筑體積的比重，所占比重越大，對(duì)建筑節(jié)能不利影響就越大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該找到一個(gè)平衡點(diǎn)，一般要求建筑體型系數(shù)應(yīng)該控制在合理的范圍之內(nèi)，條式居住建筑的體型系數(shù)不應(yīng)該超過 0.35，點(diǎn)式居住建筑不超過0.4。因此，房子體積不變的情況下，建筑外表面積越大，接受的太陽輻射熱能則越多，但是建筑內(nèi)部的熱量也會(huì)比較容易散發(fā)。只有有效控制建筑的體型系數(shù)在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，并且盡可能增加南向面積，減少向東、向西、向北的房間面積，才能使整個(gè)建筑采暖節(jié)能效果更顯著。例如，可以把主要用房布局在建筑的南面，而將輔助用房衛(wèi)生間和廚房等布置在靠北一面。再在北面房子和南面房子之間采用貯熱性能好的重質(zhì)材料作隔墻，并且保證白天的陽光能照射到，這樣可以利用這面隔墻來貯藏白天吸收的太陽光，晚上再把貯藏的熱能散發(fā)出來，提高房子夜間溫度。

室內(nèi)氣流通道為了獲得一個(gè)冬暖夏涼的太陽能建筑，還可以通過室內(nèi)氣流通道的設(shè)計(jì)，在夏季改善室內(nèi)的熱環(huán)境，減弱室外的熱作用。室內(nèi)氣流通道不僅能滿足室內(nèi)外氣流的流通，而且應(yīng)該盡量減少室外熱量傳入室內(nèi)，還能使室內(nèi)的熱量散發(fā)出室外。因此，需要協(xié)調(diào)好室內(nèi)外氣流通道的方位，即進(jìn)風(fēng)口要求置于順風(fēng)背陽、低氣溫的位置，有效控制夏季房間內(nèi)的溫度，減少室內(nèi)溫度波動(dòng)。3

特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)太陽能建筑主要分為三種形式:被動(dòng)式太陽能建筑(Passive solar buildings)不依賴于機(jī)械功，通過建筑朝向、構(gòu)造、建筑材料等恰當(dāng)選擇和設(shè)計(jì)，使其能夠收集、蓄存和分配太陽能熱量，實(shí)現(xiàn)冬季采暖和夏季降溫；主動(dòng)式太陽能建筑(Active solar buildings )利用太陽能驅(qū)動(dòng)供熱或空調(diào)設(shè)備:零能建筑(Zero energy buildings)則由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源供應(yīng)，常規(guī)能源消耗為零。與其它太陽能建筑形式相比，被動(dòng)式太陽能建筑的鮮明特色如下:

1.發(fā)展歷史較短，應(yīng)用范圍廣闊

盡管古代的人類在建造房屋時(shí)就已經(jīng)懂得利用太陽的光和熱，但是，這種太陽能利用還僅僅處于經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的低級(jí)階段。目前，主動(dòng)式太陽能建筑在技術(shù)上還不夠成熟，而且初投資較高，規(guī)模效應(yīng)不明顯，尚未得到大范圍的推廣；零能建筑的研究則是剛剛起步，由于初投資十分昂貴，在我國(guó)的應(yīng)用還幾乎是空白。根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，被動(dòng)式太陽能建筑在將來較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍將是太陽能建筑的主體。

2.充分利用自然環(huán)境潛能，是綜合現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和材料技術(shù)的高技派建筑

被動(dòng)式太陽能建筑并非只是將暖通空調(diào)系統(tǒng)使用的常規(guī)能源替換為太陽能的技術(shù)，也不是單純地將采暖制冷負(fù)荷降到最低的節(jié)能技術(shù)。被動(dòng)式太陽能建筑的深層含義為:在適應(yīng)自然環(huán)境的同時(shí)最大限度地利用自然環(huán)境的潛能，其形成的室內(nèi)環(huán)境與自然形成一體，能夠?qū)嶋H感受到自然脈搏。這種體現(xiàn)“天人合一”的設(shè)計(jì)思想與將能源不斷供給機(jī)械設(shè)備而創(chuàng)造人工建筑環(huán)境的技術(shù)手段有著根本區(qū)別，從而也形成了被動(dòng)式太陽能建筑獨(dú)特的建筑風(fēng)格。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，最大程度地利用環(huán)境中的積極因素以獲得滿意的室內(nèi)環(huán)境是被動(dòng)式太陽能建筑形式與空間處理的指導(dǎo)思想，這在實(shí)質(zhì)上突破了以工藝和功能為基礎(chǔ)的常規(guī)建筑設(shè)計(jì)的制約，豐富了現(xiàn)代建筑學(xué)的內(nèi)涵；作為一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，被動(dòng)式太陽能建筑的設(shè)計(jì)衍生出專門的設(shè)計(jì)理論，由于非線性禍合傳熱過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多樣，因此其計(jì)算分析過程更多地借助于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)；同時(shí)，被動(dòng)式太陽能熱利用的發(fā)展與現(xiàn)代建筑材料科學(xué)的發(fā)展密不可分，各種選擇透過性玻璃等新材料、新構(gòu)造技術(shù)使被動(dòng)式太陽能建筑更加高效。由于科技含量高、資源消耗低、環(huán)境負(fù)荷小，因此很多被動(dòng)式太陽能建筑不僅成為現(xiàn)代建筑科技發(fā)展的示范，而且成為了當(dāng)?shù)鼐哂袠?biāo)志性的人文景觀。

3.構(gòu)造簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越。

與其它相對(duì)復(fù)雜、昂貴的生態(tài)建筑技術(shù)相比較，被動(dòng)式太陽能建筑還是一項(xiàng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的技術(shù)。被動(dòng)式太陽能建筑不需要專門的熱交換器、蓄熱設(shè)備、水泵或風(fēng)機(jī)等設(shè)備，而是將集熱、蓄熱部件與建筑結(jié)構(gòu)融為一體，例如南窗既是采光部件，又是太陽輻射熱的直接接收器；南向重質(zhì)墻體既是圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又是太陽能系統(tǒng)的集熱蓄熱部件。這些構(gòu)造不僅運(yùn)行管理方便，而且能夠完全替代或減少機(jī)械設(shè)備的使用，減少運(yùn)行費(fèi)用，在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)顯示出較強(qiáng)的優(yōu)越性。

綜上所述，被動(dòng)式太陽能建筑具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效等優(yōu)勢(shì)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)或電力供應(yīng)不上的地區(qū)、由于采暖造成嚴(yán)重空氣污染的地區(qū)、由于空調(diào)制冷造成電力供應(yīng)緊張的地區(qū)、旅游度假區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)，都可以說是一種比較理想的建筑形式。2

分類按采集太陽能的方式區(qū)分，被動(dòng)太陽建筑可以分為以下幾類：

直接受益式冬天陽光通過較大面積的南向玻璃窗，直接照射至室內(nèi)的地面墻壁和家具上，使其吸收大部分熱量，因而溫度升高。其示意圖見圖3-39所吸收的太陽能，一部分以輻射、對(duì)流方式在室內(nèi)空間傳遞，一部分導(dǎo)入蓄熱體內(nèi)，然后逐漸釋放出熱量，使房間在晚上和陰天也能保持一定溫度。采用這種方式的太陽能建筑，由于南窗面積較大，應(yīng)配置保溫窗簾，并要求窗扇的密封性能良好，以減少通過窗的熱損失。窗應(yīng)設(shè)置遮陽板，以遮擋夏季陽光進(jìn)入室內(nèi)。

蓄熱墻式這種太陽能建筑主要是利用南向垂直集熱蓄熱墻吸收穿過玻璃采光面的陽光，通過傳導(dǎo)、輻射及對(duì)流，把熱量送至室內(nèi)。椅的外表面涂成黑色或某種深色，以便有效地吸收陽光。集熱蓄熱堵的形式有：實(shí)體式集熱蓄熱墻，花格式集熱蓄熱墻，水墻式集熱蓄熱墻，相變材料集熱蓄熱墻，快速集熱墻等。

陽光間式陽光間附建在房屋南側(cè)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部或部分由玻璃等透光材料構(gòu)成。與房間之間的公共墻上開有門、窗等孔洞。陽光間得到陽光照射被加熱，其內(nèi)部溫度始終高于外環(huán)境溫度。所以既可以在白天通過對(duì)流風(fēng)口供給房間以太陽熱能，又可在夜間作為緩沖區(qū)，減少房間熱損失。

屋頂池式屋頂池式太陽能建筑兼有冬季采暖和夏季降溫兩種功能，適合冬季不屬寒冷，而夏季較熱的地區(qū)。用裝滿水的密封塑料袋作為儲(chǔ)熱體，置于屋頂頂棚之上，其上設(shè)置可水平推拉開閉的保溫蓋板。冬季白天晴天時(shí)，將保溫板敞開，讓水袋充分吸收太陽輻射熱，水袋所儲(chǔ)熱量，通過輻射和對(duì)流傳至下面房間。夜間則關(guān)閉保溫板，阻止向外的熱損失。夏季保溫蓋板啟閉情況則與冬季相反。白天關(guān)閉保溫蓋板，隔絕陽光及室外熱空氣，同時(shí)用較涼的水袋吸收下面房間的熱量，使室溫下降；夜晚則打開保溫蓋板，讓水袋冷卻。保溫蓋板還可根據(jù)房間溫度、水袋內(nèi)水溫和太陽輻照度，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)啟閉。