被动式太阳能房屋基本设计概念

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(图一：被动式太阳能房屋)

　　家中的窗、墙和地板是可经由设计来达到冬天收集、储存和发散太阳热量，夏天热量的功效。这种设计被称为被动式太阳能设计，与主动式太阳能采暖系统不同，被动式太阳能设计并不涉及任何机械及电力装置，如电泵、风扇或其它电力装置来改变太阳热量的流动。

　　为了更好的了解被动式太阳能设计原理，我们首先需要了解热量的流动方式。

　　热量流动的物理原理

　　热量总是由高温区流向低温区，直到两者间不存在温度差，这是热量流动的基本定律。被动式太阳能建筑（词条“太阳能建筑”由行业大百科提供）通过传导、对流（词条“对流”由行业大百科提供）和辐射三种热量运动原理来在建筑物内发散热量。

　　传导是指热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象。

　　对流可发生在液体和气体中。较轻较暖的流体上升，较重较冷的流体下降。比如，暖空气比冷空气轻，所以暖空气会上升，冷空气会下降。这就是为什么通常房子的二楼比较暖，而底层比较冷的原因。一些被动式太阳能房屋就是利用空气对流把热量由向南墙运输到建筑物内部。

　　辐射热量通过空气有高温物体流向低温物体。被动式太阳能设计主要有两种辐射方式：太阳能辐射和红外辐射。当辐射撞击到物体表面，根据物体的特性，辐射将被吸收、反射或传输。

　　根据物体颜色的不同，不透明的物体会从太阳处吸收40-95%的太阳能辐射，颜色深的物体比颜色浅的吸收的能量更多。这就是太阳能吸收器的表面基本上都是深颜色的原因。亮白颜色的材料或物体通常会反射80-98%的太阳能。

　　房屋内部，当高温表面向低温表面辐射热量时，通常会发生红外辐射。比如说，你身体会向低温物体表面辐射红外热量，这样可能会使你的自身舒适度降低。低温物体表面可能是墙体、窗户或者天花板。

　　透明的玻璃会传递80-90%的太阳辐射，但只能太阳辐射经由玻璃传递、房屋吸收后，会以红外辐射的方式在内部物体表面再次辐射。玻璃不吸收太阳能辐射，但会吸收红外辐射。玻璃会把部分热量辐射会室内。这样，玻璃会阻止太阳能热量进入室内。

　　热容(thermal capacitance)表示材料存储热量的能力，而热质(thermal mass)表示存储热量的材料。通过改变自身的温度，热质可存储热量。热质越多，每一摄氏度温度的升高，吸收的热量就越多。在被动式太阳能房屋中，砌体材料常用作热质，如混凝土、石块、砖块和瓷砖。水也有成功运用的经验。

　　被动式太阳能设计的基本技术

　　被动式太阳能房屋的定义很广泛，可以是那些完全由太阳供暖（词条“供暖”由行业大百科提供）的房屋，也可以是那些有着向南窗户的房屋。被动式太阳能房屋与传统房屋的不同在于设计的不同。被动式太阳能房屋的设计，关键在于如何最大限度地运用当地气候。设计的关键步骤包括：窗户的位置和窗的类型、保温隔热措施、空气的密封性、热质、遮阳措施和辅助热。

　　被动式太阳能设计技术可以很方便地应用于新建筑中，然而，需要对已有建筑进行适当的改造才能收集和存储太阳能热量。某种程度上，每间房屋都可视为被动式太阳能房屋，因为都具有窗户，但是如何根据当地气候设计房屋，是所有被动式太阳能设计技术的关键。

　　每栋被动式太阳能建筑都包含五个不同的部件：收集器(aperture或collector)、吸收器(absorber)、热质(thermal mass)、热量发散(distribution)和热量控制(control)。(见图一)。

　　直接收益

　　直接收益是最简单的被动式太阳能设计技术。太阳光经由收集器进入室内——通常是通过向南的透明玻璃窗。然后太阳光会撞击到砌体地板和墙体，地板和墙体会吸收和存储太阳能热量。通常这些地板和墙体的表面都会采用较深的颜色，主要是为了吸收更多的热量。在晚上，当室内的温度降低，存储在这些热质里的热量就会通过对流和辐射释放出来。

　　(图二，被动式太阳能设计的五个部件)

　　收集器：太阳光进入建筑物内的大玻璃窗范围。通常情况下，收集器需要在正南方向的30度范围内，并且在采暖期中，每天的上午9点至下午3点，不能被其他建筑物和树木遮挡。

　　吸收器：热量存储物体的深色表面。这些表面——墙体、地板、水容器——会设置在室内太阳光可直射的地方。太阳光撞击这些物体的表面，并被其吸收。

　　热质：热质可存储由太阳光产生的热量。尽管吸收器和热质通常可能是同一堵墙或者地板，但吸收器和热质的不同在于：吸收器是外露的表面，而热质则是表面下的材质，

　　热量发散：热量发散是指存储在收集器和热质中的太阳能热量发散到室内。有效的被动式太阳能设计可以最大限度地使用3种热量传递方式——传导、对流和辐射。借助某些电子器械，如风扇等，可有助于室内热量的流动。

　　热量控制：屋顶挑檐可在夏天时有效调节收集器区域的遮阳面积。

　　一些建筑师和屋主会在屋内放置充满水的容器，利用水来吸收和存储太阳能热量。相对于砌体材料而言，每立方英尺的水可吸收近2倍的热量。与砌体材料不同的是，水是液体，没有固定的形态。此外，储水罐需要每年进行必要的维护。

　　被动式太阳能的总量取决于收集器面积和热质的大小。收集器面积会决定可收集热量的多少。热质则决定可存储的热量多少。需要了解的是，热质是决定室内温度的重要性因素。热质和收集器的大小比例根据气候环境的不同而有所变化。

　　另一件需要注意的是，热质需与外界温度隔绝，否则热质中的热量会快速地流失，特别是当热质直接与地面接触，或者直接暴露在外界空气中，特别是外界空气的温度低于热质的理想温度。

　　即便你的房屋仅有朝南的窗户但是没有热质，你的房屋还是具备被动式太阳能设计的可能。为了有效地利用朝南窗户，必须保持窗户的干净整洁，同时对其进行必要的改进，使其减少夜间的热量损失，并且减少夏天时窗户过热。

　　非直接收益——特朗勃墙

　　一间非直接收益的被动式太阳能房屋在其朝南窗户和室内间有热质。运用特朗勃墙是最常用的非直接收益途径。特朗勃墙是指在房屋的南面有一堵8-16英尺的砌体墙，厚约1英尺的单层或双层玻璃安装在墙体表面。太阳能热量被墙体的深色表面吸收、并存储在墙体的热质中，这样就可以在室内辐射热量。

　　(图三：特朗勃墙)

　　特朗勃墙在持续的几个小时之内会向室内不间断地发散或释放热量。太阳能热量可在墙体内流动，大约会在午后传递到墙后。当室内温度低于墙体表面温度，热量会向室内辐射和传递。比如说，热量以每小时一英寸的速度在砌体墙体内移动。因此，中午时分被吸收在8英尺厚墙体内的热量大约会在晚上8点时进入到室内。

　　单独收益——阳光房

　　阳光房是有效的被动式太阳能设计。阳光房最简单和最实用的设计是安装大面积的窗户墙，但是避免屋顶玻璃窗的使用。阳光房会由于大面积玻璃的使用，会快速得到和损失热量。由于热量损失和获得而引起的温度变化可通过热质和低辐射玻璃窗调节。

　　热质可以是地板、承重墙或者是水容器。室内热量的发散可经由天花板、地板、门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）和风扇等。大多数屋主和建筑师会把阳光房和房屋主体分开，避免房屋主体的温度受阳光房的温度变化影响。

　　阳光房与“温室”十分相似。但是温室主要是用于种植培养植物，而阳光房则是提供热量和增加房屋美感。很多温室的设计，诸如屋顶和斜面的玻璃窗设计等，主要是为了满足植物生长的需要，但却不是理想的阳光房设计。

　　(图四：阳光房)

　　(图五：温室)

　　如何设计以保证夏日中室内舒适度

　　在大多数气候环境中，一间被动式太阳能房屋必须考虑到夏日中室内的舒适度。夏日中室外的热量需要通过屋顶挑檐或其它房屋设计被挡在室外。挑檐的外形尺寸是很关键的，如果挑檐未能提供足够的遮阳，室内的气温会快速升高。在设计挑檐的外形大小时，需要考虑到很多变量因素，如维度、气候环境、太阳辐射透过率、照明度和窗户大小类型等。因此，让有经验的太阳能设计师和建筑师来计算挑檐的外形尺寸，是非常重要的。

　　设计与成本

　　大多数被动式太阳能房屋的气密性都非常良好。因此，这些房屋需要借助电子通风系统来维持室内良好的空气质量。空气全热交换器可以很好的保留室内难得的太阳能热量。空气全热交换器的工作原理是，室内外空气交换时，交换器可吸收通向室外空气的热量，然后把热量传递给通向室内的空气。

　　对于很多设计师和建筑师而言，被动式太阳能技术还是比较新。因此，你可能需要额外支付费用以助他们了解这项新技术。但如果你能有幸遇到一位经验丰富的太阳能设计师和建筑师，被动式太阳能房屋的成本有可能低于传统房屋。【完】