浅析被动式太阳能建筑的设计理论与应用实践

文/郝妙琦、谢晓琳 沈阳城市建设学院 辽宁沈阳 110167

20世纪以来，世界经济与科学技术迅猛发展，城市化水平不断提高，随之带来的能源危机和环境污染日益严重。建筑作为能源消耗和影响生态环境的主体，肩负着节能减排的重要职责，绿色建筑思潮在全球范围内受到广泛关注。人类利用太阳能已经有3000多年的历史，它与常规能源相比优势十分突出，例如太阳能存储量巨大、清洁无污染以及无地域限制便于开发利用等。将太阳能与建筑有机结合对节能减排具有重要意义，已经成为建筑节能领域的研究热点。

1、被动式太阳能建筑的基本概念

1.1 被动式太阳能建筑的定义

被动式太阳能建筑(PassiveSolar Building)是指通过对建筑物的朝向、构造、建筑材料等进行优化设计，在不采用或尽可能少采用机械设备的条件下，使太阳辐射的热量以对流和导热等形式自然流经建筑物，完成对太阳能热量的收集、蓄存和分配，实现冬季采暖和夏季降温效果的建筑。[1]

1.2 被动式太阳能建筑的基本特点

与主动式太阳能建筑相比，被动式太阳能建筑所采用的结构形式相对简单、建造成本低廉，不需要专门设置蓄能、换热及加压设备，主要依靠建筑自身结构进行集热和蓄热来调节室内温度，从而节约建筑运行成本。

2、被动式太阳能建筑的设计理论

2.1 建筑朝向

选择适宜的建筑朝向，充分利用太阳的光能和热能，可以有效降低建筑能耗。但是应注意地域要素的影响，例如夏季炎热地区的建筑需要遮阳来减少辐射降温，而冬季寒冷地区的建筑需要吸收和蓄积太阳热能来升温。例如沈阳地区冬季寒冷，当建筑选择南向时最有利于各墙面接收太阳辐射热能。另外，应注意建筑体型要素的影响，一般选择长条形比较理想。

2.2 围护结构

传统意义上的建筑多是一种相对固定的工程形态，建筑建设安装完成后，其朝向关系是固定的、静态的。为应对外部环境条件的变化，再设置于建筑主要朝向上、被动式利用太阳能的空间或围护结构中，通常都会采用一些适用于不同季节、不同气候条件的动态可变的设施、装置，例如可开闭的通风口、可调节的遮阳等，实现对室内环境的动态调控。[2]典型的被动式太阳能建筑维护结构有特隆布墙（Trombe wall）、双层玻璃幕墙（Double Skin Facade）、透明热阻材料（TIM）墙、水墙及相变墙等。

2.3 太阳能空间

太阳房也称阳光间，是应用最为广泛的一种被动式利用和收集太阳能的典型空间模式之一，它的优势在寒冷的冬季十分突出。太阳房往往布置于建筑的主要日照方向，作为室内空间与室外环境的过渡空间或者称之为热缓冲空间，也可兼做其他功能房间。太阳房按照供热方式可以分为直接型、半直接型、独立温室型、间接型、热虹吸型。中庭空间是另外一种常见的太阳能空间，它一般位于建筑中部或边侧，使各层空间上下通高，利用顶部或侧面的大面积玻璃进行采光，并通过“温室效应”和“烟囱效应”调节与组织室内的自然通风。

3、被动式太阳能建筑的应用实践案例

3.1 英国伦敦贝丁顿零能耗社区（BedZED）

该项目位于英国伦敦南部萨顿，主要以居住、办公、娱乐、教育、运动等多种功能于一体。该社区建筑南侧布置太阳房，冬季利用太阳辐射热加温内部空间，而夏季利用光伏玻璃遮阳，以达到降低能耗的作用。同时建筑南侧采用大面积玻璃窗和屋顶天窗，充分利用天然采光和太阳热能资源，是典型的被动式太阳能建筑。

3.2 德国柏林新国会大厦

该建筑是一座典型的低能耗、可持续性建筑，它利用旧建筑的厚重石墙作为蓄热体，通过循环吸收、蓄积并释放热能的方式来调控室内温度。玻璃穹顶设计有利于自然采光和通风，减少大跨度空间的能耗损失。同时，利用太阳自动跟踪装置对太阳运行轨迹实时追踪，高效、长时地利用太阳能获取天然采光，同时利用遮阳系统降低辐射热对建筑产生的不良影响。

3.3 清华大学超低能耗楼

该项目位于清华校园东区，总建筑面积2930m2。该建筑东、南立面的外围护结构采用双层玻璃幕墙，西、北立面则采用高保温性能墙体及铝幕墙外饰面，充分利用太阳辐射热能加温室内空气并减少围护结构的散热量。同时，采用Low-e镀膜玻璃及真空玻璃等保温隔热性能好、透光效率高的玻璃材料，充分利用自然采光。地板采用相变蓄热材料，来积蓄并调节室内空气热度。

结论：

通过对被动式太阳能建筑的设计理论研究和不同地区的建筑实践案例分析，能够为建筑实现绿色低碳发展提供新思路，一般应遵循以下几个基本原则：第一，建筑形态、结构、功能应该与建筑所处地理环境、周围建设环境等协调布置；第二，我国大部分地区的建筑朝向宜选择南向或南偏东、西10°范围以内，冬季以最大获得太阳辐射热、夏季以减少或降低太阳辐射热为依据；第三，建筑形状尽量选择东西向较长的板状建筑，墙体尽量平直少凸凹形式上的变化，控制体形系数。第四，选择适宜的建筑围护结构和太阳房，提高建筑利用太阳辐射热能。

总之，建筑综合利用被动式太阳能设计策略，能够缓解当代日益严峻的环境污染和能源危机问题，是实现建筑可持续发展的重要方向。