被动式太阳能建筑设计

在被动式太阳能建筑设计(Passive solar building design)中,窗户,墙壁和地板用于在冬季以热量的形式收集,存储,反射和分配太阳能,并在夏季拒绝太阳能。 这被称为被动式太阳能设计,因为与主动式太阳能加热系统不同,它不涉及使用机械和电气设备。

设计被动式太阳能建筑的关键是最好地利用当地气候进行准确的场地分析。 要考虑的因素包括窗口放置和尺寸,玻璃类型,隔热,热质量和阴影。 被动式太阳能设计技术最容易应用于新建筑,但现有建筑可以进行调整或“改造”。

被动能量增加
太阳能技术在没有主动机械系统的情况下使用太阳能(与有源太阳能相比)。 这些技术将太阳光转换成可用的热量(在水,空气和热质量中),导致通风或未来使用的空气运动,而几乎不使用其他能源。 一个常见的例子是建筑物赤道侧的日光浴室。 被动冷却是使用相同的设计原则来降低夏季制冷要求。

一些被动系统使用少量常规能量来控制阻尼器,百叶窗,夜间隔热装置以及其他增强太阳能收集,存储和使用的装置,并减少不希望的热传递。

被动式太阳能技术包括用于空间加热的直接和间接太阳能增益,基于热虹吸管的太阳能热水系统,使用热质量和相变材料来减缓室内空气温度波动,太阳能炊具,用于增强自然通风的太阳能烟囱,以及地球庇护。

更广泛地,被动太阳能技术包括太阳能炉,但是这通常需要一些外部能量来对准它们的聚光镜或接收器,并且历史上未被证明对于广泛使用是实用的或成本有效的。 随着时间的推移,“低等级”能源需求,如空间和水加热,已被证明是太阳能被动使用的更好应用。

作为一门科学
被动式太阳能建筑设计的科学基础是从气候学,热力学(特别是传热:传导(热),对流和电磁辐射),流体力学/自然对流(空气和水的被动运动,无需使用)的组合发展而来的。电力,风扇或泵的基础上的人体热舒适度,基于热量指数,湿度测量和焓控制,用于人类或动物居住的建筑物,日光室,日光浴室和用于饲养植物的温室。

具体注意事项分为:建筑物的场地,位置和日照方向,当地太阳路径,日照水平(纬度/日照/云/降水),设计和施工质量/材料,位置/尺寸/窗户类型和墙壁,并结合太阳能储存热质量和热容量。

虽然这些考虑因素可能针对任何建筑物,但实现理想的优化成本/性能解决方案需要对这些科学原理进行仔细,整体的系统集成工程。 通过计算机建模进行的现代改进(例如综合的美国能源部“Energy Plus”建筑能源模拟软件),以及数十年经验教训(自20世纪70年代能源危机以来)的应用可以实现显着的节能和减少环境破坏,牺牲功能或美学。 实际上,诸如温室/日光室/日光浴室之类的被动太阳能设计特征可以以每单位空间的低成本极大地提高家庭的宜居性,日光,景观和价值。

自20世纪70年代能源危机以来,人们对被动太阳能建筑设计的了解很多。 许多不科学的,基于直觉的昂贵的建筑实验已经尝试并且未能实现零能量 – 完全消除加热和冷却能源账单。

被动式太阳能建筑结构可能并不困难或昂贵(使用现成的现有材料和技术),但科学的被动式太阳能建筑设计是一项重要的工程工作,需要对以前反直觉的经验教训进行大量研究,以及时间进入,评估和迭代细化模拟输入和输出。

最有用的建造后评估工具之一是使用数字热成像相机进行热成像,进行正式的定量科学能量审计。 热成像可用于记录热性能差的区域,例如在寒冷的冬夜或炎热的夏日,屋顶角玻璃或天窗的负热影响。

在过去三十年中学到的科学经验已经在复杂的综合建筑能源模拟计算机软件系统(如美国DOE Energy Plus)中得到了体现。

科学的被动式太阳能建筑设计与定量成本效益产品优化对于新手来说并不容易。 复杂程度导致了持续的糟糕架构,以及许多基于直觉的,不科学的建筑实验,这些实验令设计师失望并将大部分建筑预算浪费在不恰当的想法上。

科学设计和工程的经济动力是显着的。 如果从1980年开始全面应用于新建筑建设(基于20世纪70年代的经验教训),美国每年可以节省超过2.5亿美元的昂贵能源和相关污染。

自1979年以来,被动式太阳能建筑设计一直是教育机构实验实现零能耗的关键因素,也是世界各国政府,包括美国能源部和几十年来一直支持的能源研究科学家。 几十年前建立了具有成本效益的概念证明,但对建筑,建筑行业和建筑业主决策的文化同化一直非常缓慢且难以改变。

新的术语“建筑科学”和“建筑技术”正在被添加到一些建筑学院,未来的目标是教授上述科学和能源工程原理。

被动式设计中的太阳能路径
同时实现这些目标的能力从根本上取决于全天太阳路径的季节性变化。

这是由于地球的旋转轴相对于其轨道的倾斜而发生的。 对于任何给定的纬度,太阳路径都是唯一的。

在北半球非赤带纬度比赤道23.5度:

太阳将到达南部的最高点(赤道方向)
随着冬至临近,太阳升起并逐渐设定的角度进一步向南移动,白昼时间将变短
相反的是在夏季,太阳将升起并进一步朝向北方,白天时间将延长
在南半球观察到了相反的情况,但是无论你在哪个半球,太阳都向东升起并朝向西方。

在赤道低于23.5度的地区,太阳在太阳正午的位置将从北向南振荡,并在年内再次回升。

在距北极或南极23.5度以下的地区,夏季太阳将在天空中完整的圆形轨迹,而不会在六个月后的冬季高峰期间永远不会出现在地平线上方。

冬季和夏季太阳正午太阳高度的47度差异构成了被动式太阳能设计的基础。 该信息与当地气候数据(度日)加热和冷却要求相结合,以确定一年中的什么时间太阳能增益将有利于热舒适性,以及何时应该用阴影阻挡。 通过对玻璃和遮阳设备等物品进行战略性布置,可以全年控制进入建筑物的太阳能增益百分比。

一个被动太阳能太阳路径设计问题是,尽管太阳在六周前和六周之后处于相同的相对位置,但由于地球热质量的“热滞后”,温度和太阳能增益要求在夏至或冬至之前和之后都是完全不同的。 可移动的百叶窗,窗帘,遮阳帘或窗户被子可以满足日常和小时的太阳能增益和绝缘要求。

精心安排的房间完善了被动式太阳能设计。 住宅的一个共同建议是将生活区域放在太阳正午和对面的睡眠区。 heliodon是建筑师和设计师用来帮助模拟太阳路径效果的传统可移动照明设备。 在现代,3D计算机图形可以直观地模拟这些数据,并计算性能预测。

被动太阳能传热原理
个人热舒适性是个人健康因素(医疗,心理,社会和情境),环境空气温度,平均辐射温度,空气运动(风寒,湍流)和相对湿度(影响人体蒸发冷却)的函数。 建筑物中的热传递通过屋顶,墙壁,地板和窗户的对流,传导和热辐射发生。

对流传热
对流传热可能是有益的或有害的。 由于恶劣的风化/挡风雨条/防风雨造成的不受控制的空气渗透可能导致冬季高达40%的热量损失; 然而,当外部空气具有舒适的温度和相对湿度时,可操作的窗户或通风口的策略性布置可以增强对流,交叉通风和夏季冷却。 过滤的能量回收通风系统可用于消除未过滤的通风空气中的不希望的湿气,灰尘,花粉和微生物。

导致暖空气上升和空气冷却的自然对流会导致不均匀的热量分层。 这可能导致上部和下部调节空间中的温度的不舒适变化,用作排出热空气的方法,或者被设计为用于被动太阳能热分布和温度均衡的自然对流气流回路。 通过风扇的自然或强制对流空气运动可以促进通过排汗和蒸发进行的自然人体冷却,但吊扇可以扰乱房间顶部的分层隔热空气层,并加速来自热阁楼或通过附近窗户的热传递。 此外,高相对湿度抑制了人类的蒸发冷却。

辐射传热
传热的主要来源是辐射能,主要来源是太阳。 太阳辐射主要通过屋顶和窗户(但也通过墙壁)发生。 热辐射从较暖的表面移动到较冷的表面。 屋顶接收到交付给房屋的大部分太阳辐射。 除了辐射屏障之外,凉爽的屋顶或绿色屋顶可以帮助防止阁楼变得比夏季室外高峰温度更高(参见反照率,吸收率,发射率和反射率)。

Windows是热辐射的现成且可预测的站点。 来自辐射的能量可以在白天移动到窗口中,并在夜间从同一窗口移出。 辐射使用光子通过真空或半透明介质传输电磁波。 即使在寒冷的晴天,太阳能热量也会增加。 通过隔热玻璃,遮阳和定向可以减少通过窗户的太阳能热量增加。 与屋顶和墙壁相比,窗户特别难以隔热。 通过窗帘和周围的对流传热也会降低其隔热性能。 遮光窗户时,外部遮阳比内部窗帘更有效地减少热量增加。

西部和东部的阳光可以提供温暖和照明,但如果没有阴影,夏天很容易过热。 相比之下,正午的阳光很容易在冬季进入光线和温暖状态,但在夏季可以很容易地用适当长度的悬垂物或有角度的百叶窗遮蔽,而在秋天,叶子会遮挡树叶遮挡树叶。 接收到的辐射热量与位置纬度,海拔高度,云量和季节/小时入射角有关(参见Sun路径和Lambert余弦定律)。

另一种被动太阳能设计原理是热能可以存储在某些建筑材料中,并在热量增加缓和以稳定昼夜(白天/夜晚)温度变化时再次释放。 热力学原理的复杂相互作用对于初次设计者来说可能是违反直觉的。 精确的计算机建模有助于避免昂贵的施工实验。

设计期间的特定场地考虑因
纬度,太阳路径和日照(阳光)
太阳能增益的季节性变化,例如冷却或加热度日,太阳辐射,湿度
温度的日变化
与微风,湿度,植被和陆地轮廓相关的微气候细节
障碍物/过度遮蔽 – 太阳能增益或局部横风

温带气候下住宅建筑的设计元素
在房子里放置房间类型,内门和墙壁以及设备。
将建筑物朝向赤道(或向东几度,以捕捉早晨的太阳)
沿东/西轴延伸建筑物尺寸
在冬天充分调整窗户以适应正午的阳光,并在夏天遮荫。
最大限度地减少其他侧面的窗户,尤其是西式窗户
架设正确尺寸,纬度特定的屋顶悬挑或遮阳元素(灌木丛,树木,棚架,栅栏,百叶窗等)
使用适当数量和类型的绝缘材料,包括辐射屏障和散装绝缘,以尽量减少季节性过热的增加或损失
在冬季使用热质量来储存多余的太阳能(然后在夜间重新辐射)

面向赤道的玻璃和热质量的精确数量应基于对纬度,海拔高度,气候条件和加热/冷却度日要求的仔细考虑。

可能降低热性能的因素:

偏离理想方向和北/南/东/西纵横比
过多的玻璃区域(“过度上釉”)导致过热(也导致软装饰品眩光和褪色)和环境空气温度下降时的热量损失
安装玻璃窗,白天太阳能增益和夜间热损失不容易控制,例如朝西,倾斜玻璃,天窗
通过非绝缘或无保护玻璃的热损失
在太阳能获得高的季节性时期(特别是在西墙上)缺乏足够的阴影
热质量的不正确应用以调节日常温度变化
当暖空气上升时,打开楼梯导致上层和下层之间的暖空气分布不均匀
高建筑表面积与体积 – 角落太多
风化不足导致高空气渗透
在炎热季节缺乏或不正确安装辐射屏障。 (另见凉顶和绿色屋顶)
与主要传热模式不匹配的绝缘材料(例如,不希望的对流/传导/辐射传热)

被动式太阳能加热的效率和经济性
从技术上讲,PSH是高效的。 直接增益系统可以利用(即转换成“有用的”热量)65-70%的太阳辐射能量撞击孔径或收集器。

被动太阳能部分(PSF)是PSH所需的热负荷的百分比,因此代表了加热成本的潜在降低。 RETScreen International报告的PSF为20-50%。 在可持续发展领域,即使是15%的节能也被认为是实质性的。

其他来源报告以下PSF:

适度系统为5-25%
40%用于“高度优化”的系统
“非常激烈”的系统高达75%
在美国西南部等有利气候条件下,高度优化的系统可以超过75%的PSF。

园林绿化和花园
用于谨慎被动太阳能选择的节能景观材料包括硬​​景观建筑材料和“softscape”植物。 使用景观设计原则选择树木,树篱和带藤蔓的格架 – 凉棚特征; 所有都可以用来创建夏季阴影。 对于冬季太阳能增益,最好使用落叶植物,在秋季放下叶子,给予全年的被动太阳能益处。 非落叶常绿灌木和树木可以是不同高度和距离的防风林,以保护和避免冬季寒风。 利用“成熟适当大小”的本地物种和耐旱植物,滴灌,覆盖和有机园艺实践来减少或消除对能源和水密集灌溉,天然气动力园林设备的需求,并减少垃圾填埋场废物脚印。 太阳能景观照明和喷泉泵,带顶棚的游泳池和带太阳能热水器的小型游泳池可以减少这些设施的影响。

可持续园艺
可持续的景观美化
可持续景观建筑

其他被动太阳能原理

被动式太阳能照明
被动式太阳能照明技术可增强利用室内自然光照,从而减少对人工照明系统的依赖。

这可以通过仔细的建筑设计,方向和窗户部分的放置来收集光来实现。 其他创造性的解决方案涉及使用反射表面以允许日光进入建筑物内部。 窗户部分应有足够的尺寸,并且为了避免过度照明,可以使用Brise soleil,遮阳篷,放置良好的树木,玻璃涂层以及其他被动和主动装置进行屏蔽。

许多窗户系统的另一个主要问题是它们可能是过度热增益或热量损失的潜在易受攻击的地方。 虽然高安装的天窗和传统的天窗会在建筑物的不良导向部分引入日光,但是不希望的热传递可能难以控制。 因此,通过减少人工照明而节省的能量通常被操作HVAC系统以维持热舒适性所需的能量抵消。

可以采用各种方法来解决这个问题,包括但不限于窗户覆盖物,隔热玻璃窗和新型材料,例如气凝胶半透明绝缘材料,嵌入墙壁或屋顶的光纤,或橡树岭国家实验室的混合太阳能照明。

来自主动和被动日光采集器的反射元件,例如轻型货架,较轻的墙壁和地板颜色,镜面墙部分,带有上部玻璃面板的内墙,透明或半透明玻璃铰链门和滑动玻璃门,可捕获光线并被动反射它进一步在里面。 光可以来自被动窗户或天窗和太阳能灯管或来自主动采光源。 在传统的日本建筑中,Shōji滑动板门,半透明的Washi屏幕,是一个独创的先例。 国际风格,现代主义和中世纪的现代建筑是工业,商业和住宅应用中被动渗透和反思的早期创新者。

被动式太阳能热水器
有许多方法可以利用太阳热能来加热家用水。 不同的主动 – 被动太阳能热水技术具有不同的位置特定的经济成本效益分析含义。

基本的被动太阳能热水加热不涉及泵或任何电气。 在没有长时间的低于冰点或非常多云的天气条件的气候中,它非常具有成本效益。 其他有源太阳能热水技术等可能更适合某些地方。

有活力的太阳能热水也可以“离网”并且具有可持续性。 这是通过使用光伏电池来完成的,该光伏电池使用来自太阳的能量来为泵供电。

气候和舒适
每栋建筑都是为了保护我们免受外部环境影响而建造内部气候。 当外部条件妨碍内部空间的舒适性时,使用加热或冷却系统。

最有效的措施之一是通过使用隔热材料来节约能源。 但是节约能源意味着将我们与外界隔离开来,被动设计试图以可以实现自然调节的方式将建筑物打开到外部。

因此,建筑物所处的气候由温度,湿度水平,风的速度和方向以及场地的阳光来定义。 然后,气候条件可能构成房屋的足够能量效率的缺点或优点。 然后应用日常生活的简单概念,例如:

如果它太冷而不舒服,那么我们自己包裹=隔热
如果是刮风的日子我们很冷,我们会寻找一些物品来保护我们并恢复舒适=防风
如果太热,我们在阳光下,我们寻找阴影=防晒
如果它很热,即使在阴凉处,我们也会寻找微风来冷却我们=通风
如果它很热并且空气非常干燥,那就找一些阴凉凉爽的地下室=热质量

山屋
对于位于非常寒冷且风很大的地方的山区房屋,我们希望位于阳光明媚的防风坡上,并在天花板,墙壁和窗户上加隔热; 最好将窗户朝向正午的阳光; 以这样的方式构建,即冷空气穿透并消散内部热量的缝隙最少。

沙漠的房子
应保护沙漠中的房屋免受太阳辐射。 另一方面,由于白天和夜晚之间的温度变化很高,由于空气中的湿度不足,建议通过用局部材料建造厚壁来利用热质量。 有必要利用低夜间温度通过策略性定位的开口冷却建筑物的质量,这些开口允许通风。

任何旨在有效的环保设计的基础是对该地区气候的不便和优势的充分反应。 如果不考虑这一点,我们将不得不采用热能调节的机械系统,以及能源消耗和由此产生的温室气体排放。

与欧洲被动房标准的比较
欧洲被德国Passive House(德国Passivhaus)研究所所采用的方法越来越强劲。 这种方法不是仅依靠传统的被动式太阳能设计技术,而是寻求利用所有被动热源,最大限度地减少能源使用,并强调需要通过对细节的细致关注来加强高水平的绝缘,以解决热桥接和冷空气渗透。 大多数按照被动式房屋标准建造的建筑物还包括一个主动式热回收通风装置,带有或不带有一个小的(通常为1千瓦)加热元件。

被动式房屋建筑的能源设计是使用基于电子表格的建模工具开发的,该工具称为被动房屋规划包(PHPP),该工具定期更新。 当前版本是PHPP2007,其中2007年是发行年份。 当可以证明建筑物符合某些标准时,建筑物可以被认证为“被动房屋”,最重要的是房屋的年热量需求不应超过15kWh / m2a。

被动式太阳能系统
无源太阳能系统主要用于捕获和储存来自太阳能的热量。 它们被称为无源,因为其他机电设备不用于再循环热量。 这是因为基本的物理原理,如传导,辐射和热对流。

直接增益:它是最简单的系统,涉及通过玻璃表面捕获太阳的能量,玻璃表面的尺寸适合每个方向,并取决于建筑物或待加热房屋的热量需求。

不通风的积聚墙:也称为trombe墙,这是一个用石头,砖块,混凝土甚至水建成的墙,外面涂成黑色或非常深的颜色。 为了改善捕获,使用玻璃的特性,其产生温室效应,可见光通过该温室效应进入,当触摸壁时,它加热它,发射红外辐射,其不能穿透玻璃。 因此,墙壁和玻璃之间的暗表面和气室的温度升高。

通风积聚墙:类似于前一个,但在上部和下部的部分中加入了孔,以便通过对流促进墙与大气之间的热交换。

附属温室:在这种情况下,中午的墙壁包含一个可以居住的玻璃区域,改善白天的热量捕获,减少向外部的热量损失。

热量积聚的屋顶:在某些纬度,可以使用屋顶表面来捕获和积累太阳的能量。 它们也被称为太阳能池塘,它们需要复杂的移动设备来防止热量在夜间逃逸。

太阳能收集和蓄热:它是一个更复杂的系统,允许将窗户的直接增益与空气或热水的太阳能收集器结合在一起,将其积聚在地板下。 然后,以与通风蓄电池壁类似的方式,将热量带入内部环境。 适当的尺寸允许累积热量超过七天。

在几乎所有情况下,它都可以通过反转操作感来用作被动冷却系统。

设计工具
传统上,日光浴用于模拟一年中任何一天任何时候在模型建筑物上照射的太阳的高度和方位角。 在现代,计算机程序可以对这种现象进行建模并整合当地气候数据(包括诸如遮蔽和物理障碍物等场地影响),以预测特定建筑设计在一年内的太阳能增益潜力。 基于GPS的智能手机应用程序现在可以在手持设备上廉价地执行此操作。 这些设计工具为被动式太阳能设计师提供了在施工前评估当地条件,设计元素和方向的能力。 能量性能优化通常需要迭代细化设计和评估过程。 没有“一刀切”的通用被动太阳能建筑设计在所有地方都能很好地工作。

申请级别
许多独立的郊区住宅可以降低供暖费用,而不会明显改变其外观,舒适度或可用性。 这是通过良好的选址和窗口定位,少量热质量,良好但传统的绝缘,风化和偶尔的补充热源,例如连接到(太阳能)热水器的中央散热器来完成的。 阳光可能在白天落在墙上并升高其热质量的温度。 然后,这将在晚上将热量辐射到建筑物中。 外部阴影或辐射屏障加上气隙可用于减少不希望的夏季太阳能增益。

“被动太阳能”方法的延伸,用于季节性太阳能捕获和储存热量和冷却。 这些设计试图捕获暖季太阳能热量,并将其传送到季节性热库,以便在寒冷季节使用几个月(“年度化被动太阳能”。)通过采用大量热质量或地球耦合来实现增加的储存。 轶事报告表明它们可以有效,但尚未进行正式研究以证明其优越性。 这种方法也可以使冷却进入温暖的季节。 例子:

被动年度蓄热(PAHS) – 作者:John Hait
年度地热太阳能(AGS)加热 – 由唐斯蒂芬

接地屋顶
一个“纯粹被动”的太阳能加热房屋将没有机械炉单元,而是依赖于从阳光中捕获的能量,只能通过灯,计算机和其他任务专用设备(例如那些设备)发出的“偶然”热能来补充。烹饪,娱乐等),淋浴,人和宠物。 尽管不是严格的太阳能设计,但使用自然对流气流(而不是诸如风扇的机械装置)来传播空气是相关的。 被动式太阳能建筑设计有时使用有限的电气和机械控制来操作阻尼器,绝缘百叶窗,遮阳篷,遮阳篷或反射器。 一些系统采用小型风扇或太阳能加热的烟囱来改善对流气流。 分析这些系统的合理方法是测量它们的性能系数。 热泵每4 J可以使用1 J,COP为4.仅使用30 W风扇将10 kW太阳热量均匀分布在整个房屋内的系统的COP为300。

被动式太阳能建筑设计通常是具有成本效益的零能耗建筑的基本要素。 虽然ZEB使用多个被动式太阳能建筑设计概念,但ZEB通常不是纯粹的被动式,具有主动机械可再生能源发电系统,例如:风力涡轮机,光伏发电,微型水电,地热和其他新兴替代能源。

在摩天大楼的被动太阳能设计
最近人们对利用摩天大楼上的大量表面积来提高其整体能效感兴趣。 由于摩天大楼在城市环境中越来越普遍,但需要大量能源才能运行,因此采用被动式太阳能设计技术可以节省大量能源。 一项研究分析了伦敦建议的22座Bishopsgate塔,发现理论上可以通过间接太阳能增益实现35%的能源需求减少,通过旋转建筑物实现最佳通风和日光穿透,使用高热质地板材料减少建筑物内部的温度波动,并使用双层或三层玻璃低发射率窗玻璃直接获得太阳能。 间接太阳能增益技术包括通过改变壁厚(20至30厘米)来调节壁热流,在室外空间使用窗户玻璃以防止热量损失,将15-20%的占地面积用于蓄热,并实施Trombe墙壁吸收热量进入空间。悬垂用于在夏季阻挡阳光直射,并在冬季使用,并在热墙和玻璃窗之间插入热反射百叶窗,以限制夏季的热量积聚。

另一项研究分析了香港高层建筑外面的双绿色外观(DGSF)。这样的绿色外墙或覆盖外墙的植被可以极大地对抗空调的使用 – 高达80%,正如研究人员所发现的那样。

在更温和的气候条件下,玻璃窗,窗户与墙壁比率的调整,遮阳和屋顶策略等策略可以在30%至60%的范围内提供可观的节能效果。