被動式太陽能房屋基本設(shè)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(jīng)由設(shè)計來達(dá)到冬天收集、儲存和發(fā)散太陽熱量，夏天熱量的功效。這種設(shè)計被稱為被動式太陽能設(shè)計，與主動式太陽能采暖系統(tǒng)不同，被動式太陽能設(shè)計并不涉及任何機(jī)械及電力裝置，如電泵、風(fēng)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(shè)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(qū)流向低溫區(qū)，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(yè)大百科提供）通過傳導(dǎo)、對流（詞條“對流”由行業(yè)大百科提供）和輻射三種熱量運(yùn)動原理來在建筑物內(nèi)發(fā)散熱量。

　　傳導(dǎo)是指熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象。

　　對流可發(fā)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(yùn)輸?shù)浇ㄖ�物�?nèi)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(shè)計主要有兩種輻射方式：太陽能輻射和紅外輻射。當(dāng)輻射撞擊到物體表面，根據(jù)物體的特性，輻射將被吸收、反射或傳輸。

　　根據(jù)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(nèi)部，當(dāng)高溫表面向低溫表面輻射熱量時，通常會發(fā)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(jīng)由玻璃傳遞、房屋吸收后，會以紅外輻射的方式在內(nèi)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(nèi)。這樣，玻璃會阻止太陽能熱量進(jìn)入室內(nèi)。

　　熱容(thermal capacitance)表示材料存儲熱量的能力，而熱質(zhì)(thermal mass)表示存儲熱量的材料。通過改變自身的溫度，熱質(zhì)可存儲熱量。熱質(zhì)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(zhì)，如混凝土、石塊、磚塊和瓷磚。水也有成功運(yùn)用的經(jīng)驗。

　　被動式太陽能設(shè)計的基本技術(shù)

　　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(yè)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(tǒng)房屋的不同在于設(shè)計的不同。被動式太陽能房屋的設(shè)計，關(guān)鍵在于如何最大限度地運(yùn)用當(dāng)?shù)貧夂颉ＴO(shè)計的關(guān)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(zhì)、遮陽措施和輔助熱。

　　被動式太陽能設(shè)計技術(shù)可以很方便地應(yīng)用于新建筑中，然而，需要對已有建筑進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑觳拍苁占�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(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛟O(shè)計房屋，是所有被動式太陽能設(shè)計技術(shù)的關(guān)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(zhì)(thermal mass)、熱量發(fā)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(shè)計技術(shù)。太陽光經(jīng)由收集器進(jìn)入室內(nèi)——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(dāng)室內(nèi)的溫度降低，存儲在這些熱質(zhì)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(shè)計的五個部件)

　　收集器：太陽光進(jìn)入建筑物內(nèi)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(nèi)，并且在采暖期中，每天的上午9點(diǎn)至下午3點(diǎn)，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(shè)置在室內(nèi)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(zhì)：熱質(zhì)可存儲由太陽光產(chǎn)生的熱量。盡管吸收器和熱質(zhì)通常可能是同一堵墻或者地板，但吸收器和熱質(zhì)的不同在于：吸收器是外露的表面，而熱質(zhì)則是表面下的材質(zhì)，

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

　　熱量控制：屋頂挑檐可在夏天時有效調(diào)節(jié)收集器區(qū)域的遮陽面積。

　　一些建筑師和屋主會在屋內(nèi)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(tài)。此外，儲水罐需要每年進(jìn)行必要的維護(hù)。

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

　　另一件需要注意的是，熱質(zhì)需與外界溫度隔絕，否則熱質(zhì)中的熱量會快速地流失，特別是當(dāng)熱質(zhì)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(zhì)的理想溫度。

　　即便你的房屋僅有朝南的窗戶但是沒有熱質(zhì)，你的房屋還是具備被動式太陽能設(shè)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(jìn)行必要的改進(jìn)，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(nèi)間有熱質(zhì)。運(yùn)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(zhì)中，這樣就可以在室內(nèi)輻射熱量。

　　(圖三：特朗勃墻)

　　特朗勃墻在持續(xù)的幾個小時之內(nèi)會向室內(nèi)不間斷地發(fā)散或釋放熱量。太陽能熱量可在墻體內(nèi)流動，大約會在午后傳遞到墻后。當(dāng)室內(nèi)溫度低于墻體表面溫度，熱量會向室內(nèi)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(nèi)移動。因此，中午時分被吸收在8英尺厚墻體內(nèi)的熱量大約會在晚上8點(diǎn)時進(jìn)入到室內(nèi)。

　　單獨(dú)收益——陽光房

　　陽光房是有效的被動式太陽能設(shè)計。陽光房最簡單和最實(shí)用的設(shè)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(zhì)和低輻射玻璃窗調(diào)節(jié)。

　　熱質(zhì)可以是地板、承重墻或者是水容器。室內(nèi)熱量的發(fā)散可經(jīng)由天花板、地板、門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）和風(fēng)扇等。大多數(shù)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(yǎng)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(shè)計，諸如屋頂和斜面的玻璃窗設(shè)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(shè)計。

　　(圖四：陽光房)

　　(圖五：溫室)

　　如何設(shè)計以保證夏日中室內(nèi)舒適度

　　在大多數(shù)氣候環(huán)境中，一間被動式太陽能房屋必須考慮到夏日中室內(nèi)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(shè)計被擋在室外。挑檐的外形尺寸是很關(guān)鍵的，如果挑檐未能提供足夠的遮陽，室內(nèi)的氣溫會快速升高。在設(shè)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(huán)境、太陽輻射透過率、照明度和窗戶大小類型等。因此，讓有經(jīng)驗的太陽能設(shè)計師和建筑師來計算挑檐的外形尺寸，是非常重要的。

　　設(shè)計與成本

　　大多數(shù)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(fēng)系統(tǒng)來維持室內(nèi)良好的空氣質(zhì)量。空氣全熱交換器可以很好的保留室內(nèi)難得的太陽能熱量。空氣全熱交換器的工作原理是，室內(nèi)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(nèi)的空氣。

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