被動式太陽能房屋基本設計概念

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(圖一：被動式太陽能房屋)

　　家中的窗、墻和地板是可經由設計來達到冬天收集、儲存和發散太陽熱量，夏天熱量的功效。這種設計被稱為被動式太陽能設計，與主動式太陽能采暖系統不同，被動式太陽能設計并不涉及任何機械及電力裝置，如電泵、風扇或其它電力裝置來改變太陽熱量的流動。

　　為了更好的了解被動式太陽能設計原理，我們首先需要了解熱量的流動方式。

　　熱量流動的物理原理

　　熱量總是由高溫區流向低溫區，直到兩者間不存在溫度差，這是熱量流動的基本定律。被動式太陽能建筑（詞條“太陽能建筑”由行業大百科提供）通過傳導、對流（詞條“對流”由行業大百科提供）和輻射三種熱量運動原理來在建筑物內發散熱量。

　　傳導是指熱量從系統的一部分傳到另一部分或由一個系統傳到另一個系統的現象。

　　對流可發生在液體和氣體中。較輕較暖的流體上升，較重較冷的流體下降。比如，暖空氣比冷空氣輕，所以暖空氣會上升，冷空氣會下降。這就是為什么通常房子的二樓比較暖，而底層比較冷的原因。一些被動式太陽能房屋就是利用空氣對流把熱量由向南墻運輸到建筑物內部。

　　輻射熱量通過空氣有高溫物體流向低溫物體。被動式太陽能設計主要有兩種輻射方式：太陽能輻射和紅外輻射。當輻射撞擊到物體表面，根據物體的特性，輻射將被吸收、反射或傳輸。

　　根據物體顏色的不同，不透明的物體會從太陽處吸收40-95%的太陽能輻射，顏色深的物體比顏色淺的吸收的能量更多。這就是太陽能吸收器的表面基本上都是深顏色的原因。亮白顏色的材料或物體通常會反射80-98%的太陽能。

　　房屋內部，當高溫表面向低溫表面輻射熱量時，通常會發生紅外輻射。比如說，你身體會向低溫物體表面輻射紅外熱量，這樣可能會使你的自身舒適度降低。低溫物體表面可能是墻體、窗戶或者天花板。

　　透明的玻璃會傳遞80-90%的太陽輻射，但只能太陽輻射經由玻璃傳遞、房屋吸收后，會以紅外輻射的方式在內部物體表面再次輻射。玻璃不吸收太陽能輻射，但會吸收紅外輻射。玻璃會把部分熱量輻射會室內。這樣，玻璃會阻止太陽能熱量進入室內。

　　熱容(thermal capacitance)表示材料存儲熱量的能力，而熱質(thermal mass)表示存儲熱量的材料。通過改變自身的溫度，熱質可存儲熱量。熱質越多，每一攝氏度溫度的升高，吸收的熱量就越多。在被動式太陽能房屋中，砌體材料常用作熱質，如混凝土、石塊、磚塊和瓷磚。水也有成功運用的經驗。

　　被動式太陽能設計的基本技術

　　被動式太陽能房屋的定義很廣泛，可以是那些完全由太陽供暖（詞條“供暖”由行業大百科提供）的房屋，也可以是那些有著向南窗戶的房屋。被動式太陽能房屋與傳統房屋的不同在于設計的不同。被動式太陽能房屋的設計，關鍵在于如何最大限度地運用當地氣候。設計的關鍵步驟包括：窗戶的位置和窗的類型、保溫隔熱措施、空氣的密封性、熱質、遮陽措施和輔助熱。

　　被動式太陽能設計技術可以很方便地應用于新建筑中，然而，需要對已有建筑進行適當的改造才能收集和存儲太陽能熱量。某種程度上，每間房屋都可視為被動式太陽能房屋，因為都具有窗戶，但是如何根據當地氣候設計房屋，是所有被動式太陽能設計技術的關鍵。

　　每棟被動式太陽能建筑都包含五個不同的部件：收集器(aperture或collector)、吸收器(absorber)、熱質(thermal mass)、熱量發散(distribution)和熱量控制(control)。(見圖一)。

　　直接收益

　　直接收益是最簡單的被動式太陽能設計技術。太陽光經由收集器進入室內——通常是通過向南的透明玻璃窗。然后太陽光會撞擊到砌體地板和墻體，地板和墻體會吸收和存儲太陽能熱量。通常這些地板和墻體的表面都會采用較深的顏色，主要是為了吸收更多的熱量。在晚上，當室內的溫度降低，存儲在這些熱質里的熱量就會通過對流和輻射釋放出來。

　　(圖二，被動式太陽能設計的五個部件)

　　收集器：太陽光進入建筑物內的大玻璃窗范圍。通常情況下，收集器需要在正南方向的30度范圍內，并且在采暖期中，每天的上午9點至下午3點，不能被其他建筑物和樹木遮擋。

　　吸收器：熱量存儲物體的深色表面。這些表面——墻體、地板、水容器——會設置在室內太陽光可直射的地方。太陽光撞擊這些物體的表面，并被其吸收。

　　熱質：熱質可存儲由太陽光產生的熱量。盡管吸收器和熱質通常可能是同一堵墻或者地板，但吸收器和熱質的不同在于：吸收器是外露的表面，而熱質則是表面下的材質，

　　熱量發散：熱量發散是指存儲在收集器和熱質中的太陽能熱量發散到室內。有效的被動式太陽能設計可以最大限度地使用3種熱量傳遞方式——傳導、對流和輻射。借助某些電子器械，如風扇等，可有助于室內熱量的流動。

　　熱量控制：屋頂挑檐可在夏天時有效調節收集器區域的遮陽面積。

　　一些建筑師和屋主會在屋內放置充滿水的容器，利用水來吸收和存儲太陽能熱量。相對于砌體材料而言，每立方英尺的水可吸收近2倍的熱量。與砌體材料不同的是，水是液體，沒有固定的形態。此外，儲水罐需要每年進行必要的維護。

　　被動式太陽能的總量取決于收集器面積和熱質的大小。收集器面積會決定可收集熱量的多少。熱質則決定可存儲的熱量多少。需要了解的是，熱質是決定室內溫度的重要性因素。熱質和收集器的大小比例根據氣候環境的不同而有所變化。

　　另一件需要注意的是，熱質需與外界溫度隔絕，否則熱質中的熱量會快速地流失，特別是當熱質直接與地面接觸，或者直接暴露在外界空氣中，特別是外界空氣的溫度低于熱質的理想溫度。

　　即便你的房屋僅有朝南的窗戶但是沒有熱質，你的房屋還是具備被動式太陽能設計的可能。為了有效地利用朝南窗戶，必須保持窗戶的干凈整潔，同時對其進行必要的改進，使其減少夜間的熱量損失，并且減少夏天時窗戶過熱。

　　非直接收益——特朗勃墻

　　一間非直接收益的被動式太陽能房屋在其朝南窗戶和室內間有熱質。運用特朗勃墻是最常用的非直接收益途徑。特朗勃墻是指在房屋的南面有一堵8-16英尺的砌體墻，厚約1英尺的單層或雙層玻璃安裝在墻體表面。太陽能熱量被墻體的深色表面吸收、并存儲在墻體的熱質中，這樣就可以在室內輻射熱量。

　　(圖三：特朗勃墻)

　　特朗勃墻在持續的幾個小時之內會向室內不間斷地發散或釋放熱量。太陽能熱量可在墻體內流動，大約會在午后傳遞到墻后。當室內溫度低于墻體表面溫度，熱量會向室內輻射和傳遞。比如說，熱量以每小時一英寸的速度在砌體墻體內移動。因此，中午時分被吸收在8英尺厚墻體內的熱量大約會在晚上8點時進入到室內。

　　單獨收益——陽光房

　　陽光房是有效的被動式太陽能設計。陽光房最簡單和最實用的設計是安裝大面積的窗戶墻，但是避免屋頂玻璃窗的使用。陽光房會由于大面積玻璃的使用，會快速得到和損失熱量。由于熱量損失和獲得而引起的溫度變化可通過熱質和低輻射玻璃窗調節。

　　熱質可以是地板、承重墻或者是水容器。室內熱量的發散可經由天花板、地板、門窗（詞條“門窗”由行業大百科提供）和風扇等。大多數屋主和建筑師會把陽光房和房屋主體分開，避免房屋主體的溫度受陽光房的溫度變化影響。

　　陽光房與“溫室”十分相似。但是溫室主要是用于種植培養植物，而陽光房則是提供熱量和增加房屋美感。很多溫室的設計，諸如屋頂和斜面的玻璃窗設計等，主要是為了滿足植物生長的需要，但卻不是理想的陽光房設計。

　　(圖四：陽光房)

　　(圖五：溫室)

　　如何設計以保證夏日中室內舒適度

　　在大多數氣候環境中，一間被動式太陽能房屋必須考慮到夏日中室內的舒適度。夏日中室外的熱量需要通過屋頂挑檐或其它房屋設計被擋在室外。挑檐的外形尺寸是很關鍵的，如果挑檐未能提供足夠的遮陽，室內的氣溫會快速升高。在設計挑檐的外形大小時，需要考慮到很多變量因素，如維度、氣候環境、太陽輻射透過率、照明度和窗戶大小類型等。因此，讓有經驗的太陽能設計師和建筑師來計算挑檐的外形尺寸，是非常重要的。

　　設計與成本

　　大多數被動式太陽能房屋的氣密性都非常良好。因此，這些房屋需要借助電子通風系統來維持室內良好的空氣質量。空氣全熱交換器可以很好的保留室內難得的太陽能熱量。空氣全熱交換器的工作原理是，室內外空氣交換時，交換器可吸收通向室外空氣的熱量，然后把熱量傳遞給通向室內的空氣。

　　對于很多設計師和建筑師而言，被動式太陽能技術還是比較新。因此，你可能需要額外支付費用以助他們了解這項新技術。但如果你能有幸遇到一位經驗豐富的太陽能設計師和建筑師，被動式太陽能房屋的成本有可能低于傳統房屋。【完】