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如何设计被动式太阳能系统?

来源:《被动式太阳能》作者:Edward Mazria

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虽然太阳距离地球约1.5亿公里,但这颗恒星对我们的星球影响最大。就像有些人热衷于日光浴,建筑师们也在创造能沐浴阳光的空间。


在定义中,“被动式太阳能是利用自然手段来收集和分配获得的太阳能”。被动式太阳能系统的实施,其简单的概念和过程能够以尽可能环保的方式为建筑物提供采暖、照明、机械动力和电力。


在本文中,我们将为您提供在设计中实施被动式太阳能系统的完整指南。



太阳


被动式太阳能是基于一个重要元素,太阳。当太阳辐射抵达地球表面时,光线会被吸收、反射和/或透射。透明材料会透射最多的太阳辐射;然而,半透明材料在传递同样多的太阳辐射时,其中一部分会发生散射。


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非所有材料都以同样的方式吸收太阳能。例如,抛光/光亮表面会比哑光表面反射更多太阳辐射。同样,深色表面会比浅色表面吸收更多热量。一些表面会在透射太阳辐射的同时将它们存储在内部,形成我们所熟知的“温室效应”。这类系统储存从太阳辐射所获得的热量,并将其保存很长时间,这与后期才开始吸收热量的被动式“制冷系统”相反。



什么是被动式系统?


被动式系统“通过非机械,即自然方式收集和运输能量”。砌体(混凝土、砖块、石块)和水(水墙、屋顶水池)是两种最常用的太阳辐射储存材料。


被动式系统的工作原理有三种类型:直接增益、间接增益、独立增益。


直接增益是指项目通过被阳光直射其表面(例如通过南向玻璃幕墙)而获得热量和能量。


间接增益是指当太阳光照射到其他表面时被吸收并转换成热能,然后传递到空间(例如砌体墙吸收太阳辐射并将热量传递到内部空间)。“附属温室”是直接增益和间接增益系统的结合,因为它们在结构内部直接获得了太阳辐射,同时还能将这种能量传递给相邻建筑物,从而迫使其间接获益。


独立增益是一种“自然的集体循环”,它使用了其他材料来吸收能量。这些材料包括储热罐、金属板收集器、水、空气和岩石储存器。当容器收集的水被太阳辐射加热时,它会上升并进入储热罐顶部,从而产生自然电流。


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设计被动式太阳能系统

以下设计策略针对北半球


1. 根据太阳设置位置:太阳能的关键在于能吸收到太阳光的程度,这就是为什么采用被动式太阳能的项目必须保证在夏季和冬季都充分利用阳光。


2. 结构设计:项目的整体形式和朝向决定着能有多少太阳光被转换传递至室内。人们注意到,在冬季,沿着东西轴线展开的建筑在其南侧吸收到更多的太阳光。


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3. 注意北侧:由于太阳光不能直接辐射到建筑北侧,建筑师可降低北侧高度,以最大程度地减少北侧墙的面积。除此之外,相邻的墙采用浅色系有利于将阳光反射至北侧墙。


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4. 室内空间排列:沿东南、西南或南立面布置利用率高的房间,以确保最大限度地吸收热量和自然照明。类似走廊或杂物间这类对供暖和照明要求最低的空间,可改为沿北侧设置。


5. 窗户位置:将大型窗户置于建筑南侧,以确保室内空间获取尽可能多的太阳辐射。由于北立面吸收的热能最少,因而窗户相对较小。


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6. 入口围护:为防止冬季开门时冷空气进入室内,将入口朝向远离风口,并且/或者在入口旁添加风挡。


7. 材料选择:如果每种材料都在适当的地方使用,会消耗更多的能量。查看下表比较每种材料的能量吸收百分比。


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8. 系统选择:每个项目都有特定的设计要求,这就是为什么不同的项目需要不同的系统。有些情况下被动式能源系统是不适用的,比如在高楼林立中的全是大玻璃幕墙的建筑,这种情况下最好的解决办法是将系统设置于屋顶。


9. 玻璃立面/太阳窗:南向玻璃立面和大型窗户能最大程度的将太阳辐射吸收至室内。“建议:在寒冷气候环境下,每平方米建筑面积对应使用0.19至0.38平方米的南向窗户。在温和气候环境下,每平方米建筑面积对应使用0.11至0.25平方米的南向窗户。”


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10. 天窗:当无法采用玻璃外立面时,可利用天窗和/或高侧窗将阳光直接引入室内。


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11. 砖石蓄热:建议墙体厚度至少为10厘米,以减少室内温度波动。浅色室内墙、深色地板以及墙上的小开窗有助于空间内的光散射。


12. 室内水墙:在建筑内使用水墙时,需确保水墙的位置能在阳光最猛烈的时候(11 am - 3 pm)直对太阳。选择深色水墙更利于太阳光的吸收。


13. 保温墙/ Trombe保温墙:与温室原理类似, Trombe 保温墙是在建筑向阳一侧覆盖的墙体,白天储热夜间放热。这些墙体选材通常为砖石和玻璃,通过墙体的开窗或开洞来为建筑内部提供温暖。


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14. 墙体尺寸:只要墙体尺寸适当,各类保温墙均可在冬季最大化地储存热能。“建议:在寒冷气候环境下,每平方米建筑面积对应使用0.43至1平方米的南向双层玻璃保温墙(水墙则为0.31至0.85平方米)。在温和气候环境下,每平方米建筑面积对应使用0.22至0.6平方米的保温墙(水墙则为0.16至0.43平方米)。”


详情:墙体的厚度、材料、颜色/表面处理,都决定着其保温隔热性能。为了将其保温隔热性能最大化,面向太阳一侧最好为深色,同时在墙体顶部和底部增加通风孔以提高性能,并在通风孔上方插入铰链板以避免反向气流。


15. 相邻温室:“相邻温室”的概念在实际使用上略为复杂,因为热能会先穿过建筑物的外部结构才能被传递至屋内。因此,温室的尺寸必需事先计算准确。“建议:在寒冷气候环境下,每平方米建筑面积对应使用0.65至1.5平方米的南向双层玻璃。在温和气候环境下,每平方米建筑面积对应使用0.33至0.9平方米的玻璃。”


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16. 独立温室:因为温室大量使用玻璃(或其他透明材料),太阳能直接充盈整个空间,但温室的北侧接收到的阳光会比其他朝向少。较理想的是,将建筑在东西轴上拉长,并将北侧饰以浅色使其能将阳光反射到该区域。


详情:为避免温室内温度波动,建议使用室内水墙、岩石储存系统、和/或实心砌体结构。


17. 屋顶水池:屋顶水池的面积取决于它是被用于升温或降温、它的材质、所使用的绝缘板类型。这里是一个表格,里面例举了不同材质屋顶水池所需的面积配给。


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详情:建造屋顶水池需格外注意细节,因为水池取决于建筑物的结构和屋顶。屋顶必须由防水金属或混凝土板支撑,并使其暴露在外以吸收尽可能多的热量。水池可深达1.83至3.66米,由防水深色容器制成,加以透明顶盖可使阳光在其封闭时仍能射至水面。理想的绝缘板应尽可能的大,并由反光材料制成,这样做是为了降低漏水的风险,同时提高整个装置的效率。


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18. 可移动绝缘装置:玻璃和/或透明材料透射的特性使阳光能充分的进入建筑内部,但也正是这个特性,导致室内的光照热量在晚间会有一定程度的流失。将可移动绝缘装置覆盖于玻璃面板上,从而减少晚间的热量流失。


19. 反射装置:有时,大面积的玻璃外墙不会在设计阶段就得到体现,这就是为什么额外的反射装置可以提升进入建筑内部的光照量。“建议:对于垂直玻璃,使用大致与玻璃等宽且高度为其开口高度一至两倍的水平方向的反射装置。对于南侧倾斜天窗,将反射装置置于天窗之上,与其呈约100度的倾斜角,并使装置的尺寸与天窗相等。”


20. 遮阳:控制阳光进入建筑内部的总量以及轨迹,可以高效地防止阳光误入不需要光照的区域。“建议:在南侧玻璃上方以水平方向安装屋檐或遮阳板。在南半球,遮阳板的长度应大致与窗户高度的1/4相等;在北半球,其长度应与窗户高度的1/2相等。”


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21. 外置绝缘板:当建筑外墙被用作保温墙时,将绝缘板放置于墙体外侧,从而防止建筑内部储存的热量流失。



附加贴示


多云天气下的太阳能储存:多云地区需要更多的被动式太阳能系统。增加建筑南侧的玻璃面积,采用更大的水墙(如果可能的话,采用多面水墙),并加厚保温墙(参考上文提到的标准建议)使其能吸收更多的阳光至建筑内部。


夏季降温:被动式太阳能系统着重考虑的是将热量和光线引入建筑内部,这一点在冬季显得尤为重要,也因此人们常常忽略了在夏季降温的重要性。选择一款浅色屋顶、在夜间进行通风、在白天关闭建筑物门窗,这都是一些在夏季可以降温的简单操作。


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工具:可利用一些工具和应用程序来计算太阳进入建筑内部的总量。圆柱形太阳图可用于研究其高度、方位角、位置、轨迹、每月轨迹、天空穹顶、纬度、磁变。如太阳辐射计算器和遮阳罩等其他工具,可用于建造前的相关估算和设计。


注:所有建议均取自 Edward Mazria 所著的《被动式太阳能》。

译者:侯丹、杜慧婷、唐久乐