談被動式太陽能建筑設(shè)計
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【摘要】被動式太陽能能更廣泛的應(yīng)用于建筑設(shè)計中，給人類帶來經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。文章對被動式太陽能建筑的特征進行了簡要的分析和研究，對被動式太陽能建筑設(shè)計的方法進行了探討，并以托馬斯•赫爾佐格青年教育學(xué)院賓館設(shè)計為例進行分析。被動式太陽能利用是減少建筑常規(guī)能源消耗的有效途徑，且對太陽能利用率較高、構(gòu)造簡單、成本較低、施工方便。發(fā)展被動式太陽能建筑對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的意義十分重大。
【關(guān)鍵詞】被動式太陽能建筑；托馬斯•赫爾佐格；設(shè)計研究
1被動式太陽能建筑相關(guān)概述
1.1太陽能建筑
太陽能在建筑中的應(yīng)用主要包含采暖、采光、制冷以及為生活和生產(chǎn)供應(yīng)熱水。[1]太陽能建筑是一種利用太陽的輻射能量替代一些常規(guī)能源并使屋舍達到一定溫度環(huán)境的建筑。[2]太陽能建筑根據(jù)其是否具有機械動力可分為主動式和被動式。
1.2被動式太陽能建筑
被動式太陽能建筑通過合理安排建筑朝向、合理布置周邊環(huán)境，配合窗戶、墻壁、屋頂?shù)冉ㄖM成要素，選擇合適的建筑材料和結(jié)構(gòu)來解決建筑的采暖問題?？梢栽诙臼占Υ婧头峙涮柲軣崮?；同時，還能遮擋夏季太陽輻射，消散室內(nèi)熱量，從而為建筑降溫，達到冬暖夏涼的效果。被動式太陽能建筑最基礎(chǔ)的原理是，陽光通過建筑物朝南的玻璃進入室內(nèi)，并通過磚、土坯、混凝土和水等高密度材料吸收太陽能，然后轉(zhuǎn)化為熱量。建筑的主要房間靠近南側(cè)的集熱表面和蓄熱體布置，因此這些房間可以直接供熱，無須管道和機械設(shè)備強制分配熱空氣。被動式太陽能建筑是一種生態(tài)節(jié)能建筑的形式，也是一種具有廣泛推廣價值的建筑形式。
1.3被動式太陽能建筑的基本類型
被動式太陽能建筑的類型很多，到目前為止還沒有統(tǒng)一的分類標準。從太陽能的利用方式看可區(qū)分為：1）直接受益式直接受益式太陽能建筑是一種使陽光通過透明材料直接進入房間的采暖形式。房子的南立面安裝了大面積的玻璃窗，陽光通過玻璃窗直接照射到房間的地板、墻壁、家具等圍護結(jié)構(gòu)表面，從而吸收大部分熱量，使溫度升高。圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面吸收的一部分太陽能以輻射和對流的形式在室內(nèi)傳播，使房間在夜間和陰天都能保持一定的溫度水平。這種太陽能建筑具有升溫快、結(jié)構(gòu)簡單、建筑形式美觀、熱效率高、成本低、管理方便的優(yōu)點。但是，如果設(shè)計不妥，容易導(dǎo)致室溫每天波動大，舒適性差以及輔助能耗增加。直接受益式適用于氣候溫和的地區(qū)，適用于白天需要快速升溫或僅用于白天的房間。2）集熱蓄熱墻式集熱蓄熱墻式是讓建筑物的南部接收太陽能并通過蓄熱墻為建筑物供熱。朝陽墻將被制成厚實的實心墻，涂成黑色，外面是玻璃幕墻，在兩者之間留出空氣隔層。實墻上預(yù)留適當?shù)牟晒鈪^(qū)域，頂部和底部預(yù)留孔。白天，房間中的冷空氣通過底部孔進入空氣隔層，被加熱后上升，然后通過頂部孔進入室內(nèi)，形成對流循環(huán)，室內(nèi)溫度可以不斷升高。在夏天，可以打開實墻和玻璃幕墻上的小窗戶以進行通風(fēng)和散熱。集熱蓄熱墻式被動式太陽能建筑，房間溫度波動小，居住舒適，但集熱效率低，通常與其他形式一起使用。但是，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，玻璃隔層容易積灰，不易清洗，影響集熱效果，成本高，建筑外立面顏色較暗，形式美感較差，其推廣有一定的局限性。3）屋頂集熱蓄熱式屋頂集熱蓄熱式即將屋頂用作間接供熱的儲熱體，即采用塑料袋充水或相變蓄熱材料。在屋頂上，用透明材料制作水袋或水池，并用可拆卸的隔熱板覆蓋。冬天，白天打開隔熱板，陽光加熱水，晚上關(guān)閉隔熱板。水有很大的熱容，在室內(nèi)可以不斷地散發(fā)熱量。該類太陽能建筑更適合在冬季采暖需求不高、夏季需要降溫的情況下使用。但是，由于屋頂需要有較強的負荷能力，隔熱板的操作也比較麻煩，目前在實際應(yīng)用中較少見。4）附加陽光間式附加陽光間式是在建筑物的朝陽側(cè)建造陽光間（或稱溫室），通過蓄熱墻對建筑物進行供熱。陽光間的圍護結(jié)構(gòu)全部或部分由玻璃等透光材料組成，透光面應(yīng)裝有隔熱保溫的窗簾、板。陽光間和房間之間的公共墻壁上有門和窗戶。白天被陽光加熱后，實墻蓄積了熱量，熱空氣可以通過門窗進入房間。與集熱蓄熱墻式對比，附加陽光間式的地板也作為儲熱體。陽光間不僅可以減少風(fēng)沙的侵襲，還可以蓄熱和隔熱，作為日間休息場所和溫室花房，便于與整個建筑融為一體。這種太陽能建筑形式適合民用住宅，是一種適合村鎮(zhèn)地區(qū)建設(shè)的被動式太陽能建筑。
2被動式太陽能建筑設(shè)計
2.1建筑規(guī)劃
通過良好的規(guī)劃，將建筑的朝向、間距和建筑形態(tài)組合與場地的地形、陽光和風(fēng)向相結(jié)合，這是被動使用太陽能的前提。冬季，太陽高度角較小，南垂直面能最長的時間受到太陽輻射，因此，南向是被動式太陽能建筑的最佳方向。并且在建筑規(guī)劃時，建筑和棟房間應(yīng)該留有足夠的間距，在不影響場地利用效率的前提下，保證在冬季陽光不被遮擋。
2.2建筑平面
建筑的平面布置直接影響其采光、采暖、通風(fēng)、制冷空調(diào)的能耗大小。而被動式太陽能建筑，主要通過南向大片玻璃窗和陽光間來實現(xiàn)取暖。所以，從節(jié)能的角度考慮，被動式太陽能建筑的形體以接近正方體的矩形為宜，進深較小，寬面較大，使建筑可以最大化的獲得陽光。且較小的進深便于組織內(nèi)部的自然通風(fēng)，而深度較大的房子，內(nèi)部很難自然采光與通風(fēng)。
2.3空間布局
被動式太陽能建筑的主要采暖房間需要布置在靠近集熱面和儲熱體的位置，而輔助和非采暖房間則布置在東西側(cè)和北側(cè)。為了充分利用太陽能，將經(jīng)常使用的房間與不常使用的房間分開，并在南側(cè)布置有較高采暖要求的功能性空間，例如臥室和客廳。廁所和廚房等布置在北側(cè)，以減少室內(nèi)熱量散失，節(jié)約建筑能耗。
2.4建筑組成要素
建筑組成要素主要包括:屋頂、墻、地板和窗等。1）屋頂屋頂是直接接受陽光照射時間最長的圍護結(jié)構(gòu)，它的隔熱保溫基本通過隔熱材料的使用，以及屋頂?shù)膿Q氣通風(fēng)來實現(xiàn)。2）墻墻是建筑的一個主要圍護結(jié)構(gòu)，墻體不僅僅可以阻擋外來的熱量進入建筑內(nèi)，還可以同時貯存熱量，供給人們使用。在被動式太陽能建筑中南面是集熱面，熱能從南向北流動。采用太陽能的集熱墻、透射墻和透明材料隔熱的墻，將太陽輻射集中起來傳送到室內(nèi)，起到集熱蓄熱的作用。北面則以實墻為主，防止屋內(nèi)熱量散失。3）地板在被動式太陽能建筑設(shè)計中，需要考慮地板的隔熱及保溫、地板的蓄熱、地板下空間及通風(fēng)等問題。4）窗玻璃窗等透明材質(zhì)是被動式太陽能建筑接受太陽輻射的重要結(jié)構(gòu)。南面在大面積的接受太陽能的同時，也要考慮夏季遮陽的問題。而非集熱面的開窗，在滿足采光要求的前提下，應(yīng)限制窗的面積。
3托馬斯•赫爾佐格青年教育學(xué)院賓館設(shè)計分析
托馬斯•赫爾佐格（ThomasHerzog）于1996年提出了將太陽能應(yīng)用于城市建筑的構(gòu)想，他被譽為太陽能建筑和建筑創(chuàng)新領(lǐng)域的先驅(qū)。通過在各類氣候條件下開發(fā)建筑物的最佳外立面設(shè)計，并整合太陽能技術(shù)，大大減少了不可再生能源的使用，成功地將美學(xué)、技術(shù)和功能融糅到建筑物中。在被動式太陽能利用方面，赫爾佐格已有較多成功的經(jīng)驗，下面以青年教育學(xué)院賓館為例來進行分析。
3.1項目概況
青年教育學(xué)院賓館位于德國溫德堡。德國處于歐洲中部，屬于北溫帶氣候，其緯度與中國的哈爾濱市相似，其氣候條件與華北地區(qū)相似。溫德伯格（Winterberg）是德國北萊茵威斯特法倫州的一個小鎮(zhèn)。年平均溫度為-1℃～27℃。青年教育學(xué)院賓館項目的所有者是德國溫德堡的一座修道院，主教希望為青年教育中心設(shè)計與之配套的客房。
3.2被動式太陽能建筑形式
青年教育學(xué)院賓館采用的是集熱蓄熱墻式和附加陽光間式組合而成的被動式太陽能建筑形式。集熱蓄熱墻式的墻體熱阻大，熱穩(wěn)定性好。但它也有集熱效率低、無法進行調(diào)節(jié)、墻體空腔內(nèi)容易積灰，難以清理、通透性差等缺點。赫爾佐格通過建筑材料的應(yīng)用以及與其他被動式太陽能建筑形式的結(jié)合使用來解決了這些問題。赫爾佐格與弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所合作，通過計算機模擬氣候，開發(fā)并研究出了優(yōu)化的墻體結(jié)構(gòu)。并利用TIM（transparentinsulationmaterial）透明絕熱材料使該建筑當室外溫度僅為3℃時，外墻溫度可以達到65℃，即使不打開暖氣，室內(nèi)溫度也可以達到20℃。TIM透明絕熱材料（一種半透明的外墻保溫材料）不僅可以最大限度地吸收太陽熱量，冬季時還可以防止損失室內(nèi)熱量。蓄熱墻體中有2cm厚的空腔，可以促進空氣流通，并散逸夏季過多的熱量，使室溫合適宜人。附加陽光間式太陽能建筑形式在該建筑中表現(xiàn)為一個通高的溫室空間。為了盡可能多地利用太陽能，赫爾佐格常常將建筑物內(nèi)的陽光間設(shè)置在一個特殊的位置，或與其他使用功能結(jié)合來設(shè)計，以最大限度地利用資源和功能。并且，充分利用太陽能，在提供溫室作用的同時，加強了室內(nèi)的通風(fēng)與采光（見圖1）。
3.3建筑規(guī)劃
青年教育學(xué)院賓館的規(guī)劃充分體現(xiàn)了被動式太陽能建筑的特點，即南向立面大面積的玻璃窗、房屋圍護結(jié)構(gòu)極好的保溫性能。在外立面的設(shè)計中，建筑物的南側(cè)是一片大的玻璃，用來最大限度地吸收陽光。但是為了防止夏天過熱，同時在南側(cè)還設(shè)置了一些遮陽卷簾。在北側(cè)，以實墻為主，防止室內(nèi)熱量消散（見圖2）。
3.4建筑平面
在建筑平面上，為了使建筑可以最大化的獲得陽光，赫爾佐格將平面設(shè)計成為矩形，它的進深相對于面寬來說很小，較小的進深更利于組織內(nèi)部的自然通風(fēng)、采光。建筑物中幾乎所有的縱墻都可以移動，這種設(shè)計使房屋使用者可以根據(jù)自己的需要安排內(nèi)部空間，從而提供了極大的靈活性（見圖3）。
3.5空間布局
在空間布局中，赫爾佐格記錄了每個空間的溫度要求和使用時間，將經(jīng)常使用的房間與偶爾使用的房間分隔開來，在南面安排了需要照明和供暖的經(jīng)常使用的休息區(qū)客房；北面設(shè)有一些輔助性的用房，包括衛(wèi)生間、儲藏室等日常使用時間較短的空間，以節(jié)省建筑能耗。
4結(jié)語
太陽能與建筑的完美結(jié)合反映了可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念。中國是一個太陽能資源豐富的國家，面對能源的短缺和建筑的增加，發(fā)展被動式太陽能建筑具有重要意義。目前，發(fā)達國家的被動式太陽能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有房屋的翻新中，并取得了良好的效果。被動式太陽能建筑在青年教育學(xué)院賓館中的應(yīng)用，不僅具有良好的生態(tài)和節(jié)能效果，而且適應(yīng)性強，可以在我國靈活采用。它不僅可以用于新建筑，還可以用于舊建筑的重建，并且可以為中國被動式太陽能建筑的發(fā)展提供有意義的參考。
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作者：郭家怡 單位：武漢工程大學(xué)