淺析被動式太陽能建筑的設計理論與應用實踐

文/郝妙琦、謝曉琳 沈陽城市建設學院 遼寧沈陽 110167

20世紀以來，世界經濟與科學技術迅猛發展，城市化水平不斷提高，隨之帶來的能源危機和環境污染日益嚴重。建筑作為能源消耗和影響生態環境的主體，肩負著節能減排的重要職責，綠色建筑思潮在全球范圍內受到廣泛關注。人類利用太陽能已經有3000多年的歷史，它與常規能源相比優勢十分突出，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利用等。將太陽能與建筑有機結合對節能減排具有重要意義，已經成為建筑節能領域的研究熱點。

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、構造、建筑材料等進行優化設計，在不采用或盡可能少采用機械設備的條件下，使太陽輻射的熱量以對流和導熱等形式自然流經建筑物，完成對太陽能熱量的收集、蓄存和分配，實現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構形式相對簡單、建造成本低廉，不需要專門設置蓄能、換熱及加壓設備，主要依靠建筑自身結構進行集熱和蓄熱來調節室內溫度，從而節約建筑運行成本。

2、被動式太陽能建筑的設計理論

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。但是應注意地域要素的影響，例如夏季炎熱地區的建筑需要遮陽來減少輻射降溫，而冬季寒冷地區的建筑需要吸收和蓄積太陽熱能來升溫。例如沈陽地區冬季寒冷，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 圍護結構

傳統意義上的建筑多是一種相對固定的工程形態，建筑建設安裝完成后，其朝向關系是固定的、靜態的。為應對外部環境條件的變化，再設置于建筑主要朝向上、被動式利用太陽能的空間或圍護結構中，通常都會采用一些適用于不同季節、不同氣候條件的動態可變的設施、裝置，例如可開閉的通風口、可調節的遮陽等，實現對室內環境的動態調控。[2]典型的被動式太陽能建筑維護結構有特隆布墻（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，作為室內空間與室外環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，使各層空間上下通高，利用頂部或側面的大面積玻璃進行采光，并通過“溫室效應”和“煙囪效應”調節與組織室內的自然通風。

3、被動式太陽能建筑的應用實踐案例

3.1 英國倫敦貝丁頓零能耗社區（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。該社區建筑南側布置太陽房，冬季利用太陽輻射熱加溫內部空間，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、可持續性建筑，它利用舊建筑的厚重石墻作為蓄熱體，通過循環吸收、蓄積并釋放熱能的方式來調控室內溫度。玻璃穹頂設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，同時利用遮陽系統降低輻射熱對建筑產生的不良影響。

3.3 清華大學超低能耗樓

該項目位于清華校園東區，總建筑面積2930m2。該建筑東、南立面的外圍護結構采用雙層玻璃幕墻，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空氣并減少圍護結構的散熱量。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，來積蓄并調節室內空氣熱度。

結論：

通過對被動式太陽能建筑的設計理論研究和不同地區的建筑實踐案例分析，能夠為建筑實現綠色低碳發展提供新思路，一般應遵循以下幾個基本原則：第一，建筑形態、結構、功能應該與建筑所處地理環境、周圍建設環境等協調布置；第二，我國大部分地區的建筑朝向宜選擇南向或南偏東、西10°范圍以內，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；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。第四，選擇適宜的建筑圍護結構和太陽房，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計策略，能夠緩解當代日益嚴峻的環境污染和能源危機問題，是實現建筑可持續發展的重要方向。