淺析被動式太陽能建筑的設(shè)計理論與應(yīng)用實踐

文/郝妙琦、謝曉琳 沈陽城市建設(shè)學院 遼寧沈陽 110167

20世紀以來，世界經(jīng)濟與科學技術(shù)迅猛發(fā)展，城市化水平不斷提高，隨之帶來的能源危機和環(huán)境污染日益嚴重。建筑作為能源消耗和影響生態(tài)環(huán)境的主體，肩負著節(jié)能減排的重要職責，綠色建筑思潮在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。人類利用太陽能已經(jīng)有3000多年的歷史，它與常規(guī)能源相比優(yōu)勢十分突出，例如太陽能存儲量巨大、清潔無污染以及無地域限制便于開發(fā)利用等。將太陽能與建筑有機結(jié)合對節(jié)能減排具有重要意義，已經(jīng)成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點。

1、被動式太陽能建筑的基本概念

1.1 被動式太陽能建筑的定義

被動式太陽能建筑(PassiveSolar Building)是指通過對建筑物的朝向、構(gòu)造、建筑材料等進行優(yōu)化設(shè)計，在不采用或盡可能少采用機械設(shè)備的條件下，使太陽輻射的熱量以對流和導熱等形式自然流經(jīng)建筑物，完成對太陽能熱量的收集、蓄存和分配，實現(xiàn)冬季采暖和夏季降溫效果的建筑。[1]

1.2 被動式太陽能建筑的基本特點

與主動式太陽能建筑相比，被動式太陽能建筑所采用的結(jié)構(gòu)形式相對簡單、建造成本低廉，不需要專門設(shè)置蓄能、換熱及加壓設(shè)備，主要依靠建筑自身結(jié)構(gòu)進行集熱和蓄熱來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，從而節(jié)約建筑運行成本。

2、被動式太陽能建筑的設(shè)計理論

2.1 建筑朝向

選擇適宜的建筑朝向，充分利用太陽的光能和熱能，可以有效降低建筑能耗。但是應(yīng)注意地域要素的影響，例如夏季炎熱地區(qū)的建筑需要遮陽來減少輻射降溫，而冬季寒冷地區(qū)的建筑需要吸收和蓄積太陽熱能來升溫。例如沈陽地區(qū)冬季寒冷，當建筑選擇南向時最有利于各墻面接收太陽輻射熱能。另外，應(yīng)注意建筑體型要素的影響，一般選擇長條形比較理想。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)意義上的建筑多是一種相對固定的工程形態(tài)，建筑建設(shè)安裝完成后，其朝向關(guān)系是固定的、靜態(tài)的。為應(yīng)對外部環(huán)境條件的變化，再設(shè)置于建筑主要朝向上、被動式利用太陽能的空間或圍護結(jié)構(gòu)中，通常都會采用一些適用于不同季節(jié)、不同氣候條件的動態(tài)可變的設(shè)施、裝置，例如可開閉的通風口、可調(diào)節(jié)的遮陽等，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的動態(tài)調(diào)控。[2]典型的被動式太陽能建筑維護結(jié)構(gòu)有特隆布墻（Trombe wall）、雙層玻璃幕墻（Double Skin Facade）、透明熱阻材料（TIM）墻、水墻及相變墻等。

2.3 太陽能空間

太陽房也稱陽光間，是應(yīng)用最為廣泛的一種被動式利用和收集太陽能的典型空間模式之一，它的優(yōu)勢在寒冷的冬季十分突出。太陽房往往布置于建筑的主要日照方向，作為室內(nèi)空間與室外環(huán)境的過渡空間或者稱之為熱緩沖空間，也可兼做其他功能房間。太陽房按照供熱方式可以分為直接型、半直接型、獨立溫室型、間接型、熱虹吸型。中庭空間是另外一種常見的太陽能空間，它一般位于建筑中部或邊側(cè)，使各層空間上下通高，利用頂部或側(cè)面的大面積玻璃進行采光，并通過“溫室效應(yīng)”和“煙囪效應(yīng)”調(diào)節(jié)與組織室內(nèi)的自然通風。

3、被動式太陽能建筑的應(yīng)用實踐案例

3.1 英國倫敦貝丁頓零能耗社區(qū)（BedZED）

該項目位于英國倫敦南部薩頓，主要以居住、辦公、娛樂、教育、運動等多種功能于一體。該社區(qū)建筑南側(cè)布置太陽房，冬季利用太陽輻射熱加溫內(nèi)部空間，而夏季利用光伏玻璃遮陽，以達到降低能耗的作用。同時建筑南側(cè)采用大面積玻璃窗和屋頂天窗，充分利用天然采光和太陽熱能資源，是典型的被動式太陽能建筑。

3.2 德國柏林新國會大廈

該建筑是一座典型的低能耗、可持續(xù)性建筑，它利用舊建筑的厚重石墻作為蓄熱體，通過循環(huán)吸收、蓄積并釋放熱能的方式來調(diào)控室內(nèi)溫度。玻璃穹頂設(shè)計有利于自然采光和通風，減少大跨度空間的能耗損失。同時，利用太陽自動跟蹤裝置對太陽運行軌跡實時追蹤，高效、長時地利用太陽能獲取天然采光，同時利用遮陽系統(tǒng)降低輻射熱對建筑產(chǎn)生的不良影響。

3.3 清華大學超低能耗樓

該項目位于清華校園東區(qū)，總建筑面積2930m2。該建筑東、南立面的外圍護結(jié)構(gòu)采用雙層玻璃幕墻，西、北立面則采用高保溫性能墻體及鋁幕墻外飾面，充分利用太陽輻射熱能加溫室內(nèi)空氣并減少圍護結(jié)構(gòu)的散熱量。同時，采用Low-e鍍膜玻璃及真空玻璃等保溫隔熱性能好、透光效率高的玻璃材料，充分利用自然采光。地板采用相變蓄熱材料，來積蓄并調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣熱度。

結(jié)論：

通過對被動式太陽能建筑的設(shè)計理論研究和不同地區(qū)的建筑實踐案例分析，能夠為建筑實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展提供新思路，一般應(yīng)遵循以下幾個基本原則：第一，建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能應(yīng)該與建筑所處地理環(huán)境、周圍建設(shè)環(huán)境等協(xié)調(diào)布置；第二，我國大部分地區(qū)的建筑朝向宜選擇南向或南偏東、西10°范圍以內(nèi)，冬季以最大獲得太陽輻射熱、夏季以減少或降低太陽輻射熱為依據(jù)；第三，建筑形狀盡量選擇東西向較長的板狀建筑，墻體盡量平直少凸凹形式上的變化，控制體形系數(shù)。第四，選擇適宜的建筑圍護結(jié)構(gòu)和太陽房，提高建筑利用太陽輻射熱能。

總之，建筑綜合利用被動式太陽能設(shè)計策略，能夠緩解當代日益嚴峻的環(huán)境污染和能源危機問題，是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的重要方向。