浅谈被动式太阳能技术在建筑设计中的应用
【摘 要】 本文对两个案例（一个竞赛方案一个建成案例）进行研究，通过对其周围环境、遮阳、通风以及能量储存和应用等方面的分析，探讨了从设计本身出发的低成本太阳能技术在实践中应用的可能，旨在使其方法和理念得到更加广泛的应用和革新。
【关键词】 低成本 被动式太阳能技术 微环境 太阳能储存利用
1.引言
自上世纪九十年代开始中国的经济迅猛发展，也带来了中国建筑业的繁荣，发展的速度和取得的成绩都令世人瞩目。然而在发展的背后建筑能耗问题也日益凸显，于是随着技术水平的提高和人们意识的进步，利用可再生能源提高建筑能效的研究与实践已逐步展开。如何将太阳能利用技术与中国当前国情下的建筑建设完美结合，创造低碳和谐的人居环境，走可持续发展的建造方式，，已经成为当前建筑业的焦点，建筑节能已经成为社会的广泛共识。
我国拥有丰富的太阳能资源，年日照在2200h以上的地区占国土面积的2/3以上，属于太阳能资源丰富的国家之一。这也是允许我们大力发展建筑太阳能技术的大前提。近几年政府也在大力促进建筑太阳能技术的发展和应用。而鉴于我国的基本国情和当今建筑业的发展形势，被动式太阳能建筑技术是目前的最优选择。
2.概念阐述
所谓被动式太阳能技术就是充分利用建筑本身的自然潜能，对建筑周围环境、遮阳、通风，以及能量储存中体现太阳能的被动利用。建筑的布局和形态，建造材料、使用人群，以及建筑的绿化和环境就组成了一个建筑的生态系统，它同时也会受到系统外的诸如城市的经济、地理以及太阳光环境等因素的影响，从建造开始到拆除的全过程就是这个系统的生命周期。运用这样的观点来进行建筑设计，建筑就不再是孤立的体量，它有生长的过程，有决定建筑个性的外部环境，有系统内各要素的相互作用和同级系统间的影响。这一观念的转变，让建筑的设计过程变得生动起来，建筑方案的生成过程转化为寻求影响系统各个要素间动态平衡的过程。这种理念是太阳能应用在技术层面之上带给我们对于建筑设计的进一步思考。下面也将通过对两个案例的分析来具体探讨这些问题。
3.案例分析
3.1第一个案例是2011台达杯国际太阳能竞赛的第一名作品“垂直村落”，本案选址在江苏省南部的吴江市，全市境内河道纵横，是一个名副其实的“江南水乡”。方案在做相应的施工调整后将在明年建造出来。
方案首先是从两个问题开始的:1)建筑如何反应水乡肌理2)怎样将太阳能技术结合到建筑中去而不仅仅作为一种建筑的技术手段存在，而是成为设计本身的一个决定性因素。方案将太阳能热水器与遮阳部件结合，形成上下波浪式的立面，从而既获得了富有表现力的立面形式，也将太阳能技术的应用生动的结合了进去。在这样一个大的构思之下，方案有逐步在几个方面实现了太阳能技术与建筑的结合。
设计概念及效果图
a能量流动改善室内温度
这种波浪形的“太阳能表皮”斜墙形成了向阳面与遮阳面，向阳面温度高而遮阳面温度相对较低，这样就使的在整个建筑表面形成了热量流动。夏天，向阳面上的孔洞阀门打开，抽风机停止工作，只在南立面形成热量流动，带走室内热量。冬天，向阳面上孔洞阀门关闭，抽风机开始工作，将南向受到太阳照射而形成的热空气运输到北向的房间，而将冷空气送至南立面进行加热，如此形成热量循环，提高室内的温度。
热循环系统设计
b太阳能热水器的一体化应用
方案致力于提高单位面积的太阳能热水器的得热量。首先将太阳能热水器管安置于立面，使每户都能有独立的热水供应，也便于管理和维修。其次安置在向阳面上的集热器合理的调整其角度，以获得更多的太阳光照射。然后热水器、百叶以及白色的墙体共同营造了赋予江南水乡意境的建筑形象
c建筑微环境的设计
基于建筑本身所处的地理环境，并向传统民居学习，将水引入建筑环境，在优化建筑意境的同时改善建筑的微环境，实现怡人的居住空间。在实际的利用中，配合一层的下沉架空推拉门一起发挥作用。在冬天关闭推拉门，一层的下沉架空形成冷气槽，便于保温。夏天，打开推拉门，形成穿堂风，风经过水面的冷却吹入建筑，便于建筑内部温度的降低。同时这条河也是作为建筑雨水收集系统的储水处。
d遮阳设计
为应对建筑的西晒问题，建筑的西面结合卧室阳台设计了一个金属的框架，上面种植攀爬植物，在夏天枝叶繁茂，可以有效的阻隔西晒的阳光，而到冬天，又可以让阳光射入室内，增加室内的温度。而屋顶也做了种植屋面和植物构架来应对夏日的暴晒。
立面遮阳
总体看来整个项目的技术应用于建筑本身的设计紧密的结合到了一起，不仅实现了建筑的美观实用，也创造了宜人的居住环境。方案带给我们的启发是对低成本的被动式太阳能技术的创造式应用和实践。技术并不一定要是最先进的，我们用最合适的技术手段，结合经济条件和当地的自然环境来思考和创作建筑不失为当下一个很好的选择。
3.2第二个案例是绵阳的一座小学，它作为四川灾后重建的一个示范性工程项目而广受瞩目。因为是一个实际建成的项目所以有许多可以借鉴和研究的价值。工程设计立足灾区重建实际，充分考虑当地的自然环境和气候条件，将节能和低碳运营的可持续发展理念融入到建筑设计中。从总体布局、建筑形式、建筑细部、节点构造以及建筑设备等方面全面贯彻被动为主，主动为辅的建筑设计理念，为孩子们创造一个良好的学习环境。
设计采取由场地到建筑、由整体到局部的设计手法，结合绵阳地区夏季闷热、冬季潮湿的气候特点以及学校教育建筑的使用特点确定了夏季以通风、隔热、遮阳、隔潮为主冬季以集热、保温、通风为主的被动技术的总体策略，并通过从整体到细节的一系列逐步深入的设计实现。
a群体风环境组织
依据当地的主导风向和风速，以及通过实验对其风环境的模拟，通过建筑空间的围合于开放，营造出有利于夏季自然通风、冬季阻挡冷风的校园风环境。
鸟瞰及建成效果
b生态湿地与生活污水处理
利用地形南高北低的特征，将教学楼、宿舍楼产生的污水无动力引流至基地西南角的生态湿地附近。通过人工湿地生态处理技术对污水进行处理。
污水处理流程
c建筑通风设计
教学楼采用单廊式平面以更好的利用自然通风。顶层结合屋面造型设置天窗加强通风，改善夏季湿热问题。办公区则设置了强化的太阳能烟筒，利用热压通风原理提高室内通风能力。
建筑通风效果示意
d建筑采光设计
教学楼南侧外窗上部采用反射板与遮阳板合并设置的方法，用遮阳板结合屋檐形成完整的遮阳体系，充分利用不同季节太阳高度角的差别发挥作用，达到夏季遮阳、冬季透光的效果。
建筑隔潮及采光
e附属主动式太阳能技术结合应用
主要是设置集中的浴室和水房，采用太阳能集中热水系统为学生和教工提供生活和饮用热水。
整个方案均采用了低成本的建筑节能技术，同时也是在对建筑本身的特点以及环境特点作出分析后采用了多方面的技术手段，共同提高建筑建成环境的质量和运行效率。
4.分析总结
经过以上的一个概念方案和一个建成案例的分析，不难看出低成本的被动式节能技术的几个关注点，现总结如下：
a 建筑周边环境改善
节能首先就要从建筑的环境开始，建筑用地最好是南向且建筑物间有充分的间距；周围植树要根据不同的位置选用不同的树种，比如南侧适宜种植落叶树，夏季可以遮阳，冬季则不妨碍接受太阳辐射热。除此之外还可以通过保留自然水域面积，增加植被绿化，减少硬化地面，形成小区微气候。
b 遮阳设计
主要是为夏季减轻外墙、屋面所吸收的阳光辐射热，减少阳光直接辐射屋顶、墙、窗、及透过窗户进入室内，可采用外廊、阳台、挑檐、遮阳板、热反射窗帘、绿色植物等遮阳设施。遮阳主要有固定机构遮阳、可动机构遮阳以及种植墙面遮阳。要根据不同的实际条件选择最合适的方式来达到阻隔太阳辐射的效果。
c 利用太阳热力改善室内环境
在建筑实践中主要是通过自然通风来改善室内环境，而自然通风是风压和热压作用的结果。而利用太阳的热能来作用于热压从而实现建筑的室内通风下面就以开放空间和垂直空间为例说明。
开放空间—建筑中常见的中庭就属于典型的开放空间，一方面是出于采光的考虑，另外一个方面可利用建筑中庭内的热压形成自然通风。在冬季，中庭可以作为一个封闭的大暖房，成为建筑内部环境的热缓冲空间，起到保温节能的作用。春秋季节则是一个大的开敞空间，顶部可设天窗，以促进室内良好的自然通风。在夏季则可以结合中庭南部和顶部设置遮阳板以遮蔽阳光。
垂直空间—因为建筑顶部的气流和建筑底部的气流存在差距，就像第二个案例中的太阳能烟筒一样，主要是通过通高的竖向空间起到“拔风”的效果，利用热压差使室内外产生循环，有效改善建筑物内的微气候环境。
d 被动式太阳能储存利用
被动式太阳能得热系统的特点是将建筑的全部或者一部分既作为集热器又作为储热器和散热器，以间接方式采集太阳能。主要有以下几点方式：
1.直接收益式
即白天阳光通过较大面积的南向玻璃窗进入室内，使室内得到太阳辐射，一部分热量以辐射、对流的方式在室内传递，一部分导入蓄热体，然后夜晚逐步释放热量。适合于白天要求升温较快，夜晚较少使用的房间。
2.集热蓄热墙式
主要是指利用南向垂直集热蓄热墙吸收太阳能，再通过传导、辐射及对流把热量送至室内。采用此技术的房间温度波动较小，居住舒适，但效率较低，需要与其他形式配合使用。
3.附加阳光间
本质上是集热蓄热墙系统的一种发展，将玻璃与墙之间的空气夹层加宽，形成一个可以使用的房间--附加阳光间。这样就综合了直接收益式和集热蓄热墙系统的特点，提高了效率和使用效果。
4.蓄热屋顶
其类似蓄热墙，其集热和蓄热功能均由屋顶浅池完成。集热后热量通过天花板向下传递使房间变暖。夏季热量则经过天花板向上传递，从而使住宅降温。
5.结语：住宅节能是当前建筑领域的研究热点之一，高效绿色的节能技术是今后建筑发展的必要条件和制约因素。而对于正处于发展进程中的中国，从建筑设计的角度出发，实现低成
本的建筑节能，具有非常现实的意义。因此，我们建筑学的学生应该主动培养意识，多多结合实际进行设计和探究，为建筑节能事业尽自己的一份力量。
【参考文献】
[1]王立雄.《建筑节能》 M.北京：中国建筑工业出版社，2007年5月
[2]胡邵学，黄柯，宋海林.“生态办公建筑的有效实践--清华大学设计中心综合楼评价”[J.].建筑学报2004
[3]蔡君馥等.《住宅节能设计》 M.北京：中国建筑工业出版社，1999年
[4]仲耀寿，张磊.《阳光与低碳生活:2011台达杯国际太阳能建筑设计竞赛获奖作品集》 M.北京：中国建筑工业出版社，2011年
[5]喜文华.《被动太阳房的设计与建造》 M.北京：化学工业出版社，2007年1月
[6]丹尼尔·D·希拉(作者), 薛一冰 (译者).《太阳能建筑:被动式采暖和降温》 M.北京：建筑工业出版社，2008年9月
浅谈被动式太阳能技术在建筑设计中的应用
【摘 要】 本文对两个案例（一个竞赛方案一个建成案例）进行研究，通过对其周围环境、遮阳、通风以及能量储存和应用等方面的分析，探讨了从设计本身出发的低成本太阳能技术在实践中应用的可能，旨在使其方法和理念得到更加广泛的应用和革新。
【关键词】 低成本 被动式太阳能技术 微环境 太阳能储存利用
1.引言
自上世纪九十年代开始中国的经济迅猛发展，也带来了中国建筑业的繁荣，发展的速度和取得的成绩都令世人瞩目。然而在发展的背后建筑能耗问题也日益凸显，于是随着技术水平的提高和人们意识的进步，利用可再生能源提高建筑能效的研究与实践已逐步展开。如何将太阳能利用技术与中国当前国情下的建筑建设完美结合，创造低碳和谐的人居环境，走可持续发展的建造方式，，已经成为当前建筑业的焦点，建筑节能已经成为社会的广泛共识。
我国拥有丰富的太阳能资源，年日照在2200h以上的地区占国土面积的2/3以上，属于太阳能资源丰富的国家之一。这也是允许我们大力发展建筑太阳能技术的大前提。近几年政府也在大力促进建筑太阳能技术的发展和应用。而鉴于我国的基本国情和当今建筑业的发展形势，被动式太阳能建筑技术是目前的最优选择。
2.概念阐述
所谓被动式太阳能技术就是充分利用建筑本身的自然潜能，对建筑周围环境、遮阳、通风，以及能量储存中体现太阳能的被动利用。建筑的布局和形态，建造材料、使用人群，以及建筑的绿化和环境就组成了一个建筑的生态系统，它同时也会受到系统外的诸如城市的经济、地理以及太阳光环境等因素的影响，从建造开始到拆除的全过程就是这个系统的生命周期。运用这样的观点来进行建筑设计，建筑就不再是孤立的体量，它有生长的过程，有决定建筑个性的外部环境，有系统内各要素的相互作用和同级系统间的影响。这一观念的转变，让建筑的设计过程变得生动起来，建筑方案的生成过程转化为寻求影响系统各个要素间动态平衡的过程。这种理念是太阳能应用在技术层面之上带给我们对于建筑设计的进一步思考。下面也将通过对两个案例的分析来具体探讨这些问题。
3.案例分析
3.1第一个案例是2011台达杯国际太阳能竞赛的第一名作品“垂直村落”，本案选址在江苏省南部的吴江市，全市境内河道纵横，是一个名副其实的“江南水乡”。方案在做相应的施工调整后将在明年建造出来。
方案首先是从两个问题开始的:1)建筑如何反应水乡肌理2)怎样将太阳能技术结合到建筑中去而不仅仅作为一种建筑的技术手段存在，而是成为设计本身的一个决定性因素。方案将太阳能热水器与遮阳部件结合，形成上下波浪式的立面，从而既获得了富有表现力的立面形式，也将太阳能技术的应用生动的结合了进去。在这样一个大的构思之下，方案有逐步在几个方面实现了太阳能技术与建筑的结合。
设计概念及效果图
a能量流动改善室内温度
这种波浪形的“太阳能表皮”斜墙形成了向阳面与遮阳面，向阳面温度高而遮阳面温度相对较低，这样就使的在整个建筑表面形成了热量流动。夏天，向阳面上的孔洞阀门打开，抽风机停止工作，只在南立面形成热量流动，带走室内热量。冬天，向阳面上孔洞阀门关闭，抽风机开始工作，将南向受到太阳照射而形成的热空气运输到北向的房间，而将冷空气送至南立面进行加热，如此形成热量循环，提高室内的温度。
热循环系统设计
b太阳能热水器的一体化应用
方案致力于提高单位面积的太阳能热水器的得热量。首先将太阳能热水器管安置于立面，使每户都能有独立的热水供应，也便于管理和维修。其次安置在向阳面上的集热器合理的调整其角度，以获得更多的太阳光照射。然后热水器、百叶以及白色的墙体共同营造了赋予江南水乡意境的建筑形象
c建筑微环境的设计
基于建筑本身所处的地理环境，并向传统民居学习，将水引入建筑环境，在优化建筑意境的同时改善建筑的微环境，实现怡人的居住空间。在实际的利用中，配合一层的下沉架空推拉门一起发挥作用。在冬天关闭推拉门，一层的下沉架空形成冷气槽，便于保温。夏天，打开推拉门，形成穿堂风，风经过水面的冷却吹入建筑，便于建筑内部温度的降低。同时这条河也是作为建筑雨水收集系统的储水处。
d遮阳设计
为应对建筑的西晒问题，建筑的西面结合卧室阳台设计了一个金属的框架，上面种植攀爬植物，在夏天枝叶繁茂，可以有效的阻隔西晒的阳光，而到冬天，又可以让阳光射入室内，增加室内的温度。而屋顶也做了种植屋面和植物构架来应对夏日的暴晒。
立面遮阳
总体看来整个项目的技术应用于建筑本身的设计紧密的结合到了一起，不仅实现了建筑的美观实用，也创造了宜人的居住环境。方案带给我们的启发是对低成本的被动式太阳能技术的创造式应用和实践。技术并不一定要是最先进的，我们用最合适的技术手段，结合经济条件和当地的自然环境来思考和创作建筑不失为当下一个很好的选择。
3.2第二个案例是绵阳的一座小学，它作为四川灾后重建的一个示范性工程项目而广受瞩目。因为是一个实际建成的项目所以有许多可以借鉴和研究的价值。工程设计立足灾区重建实际，充分考虑当地的自然环境和气候条件，将节能和低碳运营的可持续发展理念融入到建筑设计中。从总体布局、建筑形式、建筑细部、节点构造以及建筑设备等方面全面贯彻被动为主，主动为辅的建筑设计理念，为孩子们创造一个良好的学习环境。
设计采取由场地到建筑、由整体到局部的设计手法，结合绵阳地区夏季闷热、冬季潮湿的气候特点以及学校教育建筑的使用特点确定了夏季以通风、隔热、遮阳、隔潮为主冬季以集热、保温、通风为主的被动技术的总体策略，并通过从整体到细节的一系列逐步深入的设计实现。
a群体风环境组织
依据当地的主导风向和风速，以及通过实验对其风环境的模拟，通过建筑空间的围合于开放，营造出有利于夏季自然通风、冬季阻挡冷风的校园风环境。
鸟瞰及建成效果
b生态湿地与生活污水处理
利用地形南高北低的特征，将教学楼、宿舍楼产生的污水无动力引流至基地西南角的生态湿地附近。通过人工湿地生态处理技术对污水进行处理。
污水处理流程
c建筑通风设计
教学楼采用单廊式平面以更好的利用自然通风。顶层结合屋面造型设置天窗加强通风，改善夏季湿热问题。办公区则设置了强化的太阳能烟筒，利用热压通风原理提高室内通风能力。
建筑通风效果示意
d建筑采光设计
教学楼南侧外窗上部采用反射板与遮阳板合并设置的方法，用遮阳板结合屋檐形成完整的遮阳体系，充分利用不同季节太阳高度角的差别发挥作用，达到夏季遮阳、冬季透光的效果。
建筑隔潮及采光
e附属主动式太阳能技术结合应用
主要是设置集中的浴室和水房，采用太阳能集中热水系统为学生和教工提供生活和饮用热水。
整个方案均采用了低成本的建筑节能技术，同时也是在对建筑本身的特点以及环境特点作出分析后采用了多方面的技术手段，共同提高建筑建成环境的质量和运行效率。
4.分析总结
经过以上的一个概念方案和一个建成案例的分析，不难看出低成本的被动式节能技术的几个关注点，现总结如下：
a 建筑周边环境改善
节能首先就要从建筑的环境开始，建筑用地最好是南向且建筑物间有充分的间距；周围植树要根据不同的位置选用不同的树种，比如南侧适宜种植落叶树，夏季可以遮阳，冬季则不妨碍接受太阳辐射热。除此之外还可以通过保留自然水域面积，增加植被绿化，减少硬化地面，形成小区微气候。
b 遮阳设计
主要是为夏季减轻外墙、屋面所吸收的阳光辐射热，减少阳光直接辐射屋顶、墙、窗、及透过窗户进入室内，可采用外廊、阳台、挑檐、遮阳板、热反射窗帘、绿色植物等遮阳设施。遮阳主要有固定机构遮阳、可动机构遮阳以及种植墙面遮阳。要根据不同的实际条件选择最合适的方式来达到阻隔太阳辐射的效果。
c 利用太阳热力改善室内环境
在建筑实践中主要是通过自然通风来改善室内环境，而自然通风是风压和热压作用的结果。而利用太阳的热能来作用于热压从而实现建筑的室内通风下面就以开放空间和垂直空间为例说明。
开放空间—建筑中常见的中庭就属于典型的开放空间，一方面是出于采光的考虑，另外一个方面可利用建筑中庭内的热压形成自然通风。在冬季，中庭可以作为一个封闭的大暖房，成为建筑内部环境的热缓冲空间，起到保温节能的作用。春秋季节则是一个大的开敞空间，顶部可设天窗，以促进室内良好的自然通风。在夏季则可以结合中庭南部和顶部设置遮阳板以遮蔽阳光。
垂直空间—因为建筑顶部的气流和建筑底部的气流存在差距，就像第二个案例中的太阳能烟筒一样，主要是通过通高的竖向空间起到“拔风”的效果，利用热压差使室内外产生循环，有效改善建筑物内的微气候环境。
d 被动式太阳能储存利用
被动式太阳能得热系统的特点是将建筑的全部或者一部分既作为集热器又作为储热器和散热器，以间接方式采集太阳能。主要有以下几点方式：
1.直接收益式
即白天阳光通过较大面积的南向玻璃窗进入室内，使室内得到太阳辐射，一部分热量以辐射、对流的方式在室内传递，一部分导入蓄热体，然后夜晚逐步释放热量。适合于白天要求升温较快，夜晚较少使用的房间。
2.集热蓄热墙式
主要是指利用南向垂直集热蓄热墙吸收太阳能，再通过传导、辐射及对流把热量送至室内。采用此技术的房间温度波动较小，居住舒适，但效率较低，需要与其他形式配合使用。
3.附加阳光间
本质上是集热蓄热墙系统的一种发展，将玻璃与墙之间的空气夹层加宽，形成一个可以使用的房间--附加阳光间。这样就综合了直接收益式和集热蓄热墙系统的特点，提高了效率和使用效果。
4.蓄热屋顶
其类似蓄热墙，其集热和蓄热功能均由屋顶浅池完成。集热后热量通过天花板向下传递使房间变暖。夏季热量则经过天花板向上传递，从而使住宅降温。
5.结语：住宅节能是当前建筑领域的研究热点之一，高效绿色的节能技术是今后建筑发展的必要条件和制约因素。而对于正处于发展进程中的中国，从建筑设计的角度出发，实现低成
本的建筑节能，具有非常现实的意义。因此，我们建筑学的学生应该主动培养意识，多多结合实际进行设计和探究，为建筑节能事业尽自己的一份力量。
【参考文献】
[1]王立雄.《建筑节能》 M.北京：中国建筑工业出版社，2007年5月
[2]胡邵学，黄柯，宋海林.“生态办公建筑的有效实践--清华大学设计中心综合楼评价”[J.].建筑学报2004
[3]蔡君馥等.《住宅节能设计》 M.北京：中国建筑工业出版社，1999年
[4]仲耀寿，张磊.《阳光与低碳生活:2011台达杯国际太阳能建筑设计竞赛获奖作品集》 M.北京：中国建筑工业出版社，2011年
[5]喜文华.《被动太阳房的设计与建造》 M.北京：化学工业出版社，2007年1月
[6]丹尼尔·D·希拉(作者), 薛一冰 (译者).《太阳能建筑:被动式采暖和降温》 M.北京：建筑工业出版社，2008年9月