How to Implement Passive Solar Design in Your Architecture Projects
太陽距離我們有些遙遠，距離大約為1.5億公裡，但是它對我們的影響卻非常大。人們喜歡陽光，而建築師則喜歡充滿陽光的空間。
就定義而言，被動式太陽能量是「利用自然策略而獲得的能量的收集與分配」。應用被動式太陽能源體系的簡單概念與過程通過最為環保且可持續的方式為建築帶來了熱量、光照、機械動力、電力體系等等。
在文章中，小編會為大家帶來應用被動式太陽體系的設計指南。
太陽
被動式太陽能源以太陽為基礎。太陽的熱輻射來到地面，其熱量會被吸收、傳播。透明的材質能夠傳遞最多的太陽輻射，而半透明材料既能傳播太陽輻射，同時也能進行散射。
但是並非所有的材料都能吸收陽光。例如，相比起啞光表面，拋光表面就會很大程度地反射光線，而相比起淺色的表面，深色表面能夠吸收更多的熱量。另外，有的表面既能夠傳遞熱量也能夠儲存熱量，這便能產生「溫室效應」。這個體系將太陽的熱量儲存起來，然後保存，但這並不是讓其冷卻的系統，如果需要冷卻，則需要將熱量吸收。
什麼是被動式系統？
被動式系統是指「通過非機械且自然的方式來收集與傳送能量」。諸如混凝土、磚石、水牆、屋頂池塘都是非常常見的儲存方式。被動式系統包含有三種類型，即直接受益、間接受益，和單獨受益。直接受益是指陽光直射在其表面之上，例如南向的玻璃立面，然後從中獲得光與熱量；間接受益則是指陽光照射在另一個表面之上，然後這個表面將其吸收，並轉換成熱能，最後再輸送到空間之中。舉例來說便是，磚石牆體吸收陽光，然後將熱量送到建築內部，「溫室」便是直接受益和間接受益的結合使用，它們既需要直接吸收陽光熱量，同時也需要將熱量輸送到其他空間之中。最後，單獨受益是「自然收集體系迴路」，其中需要使用替代性材料來收集能量。這些材料一般是熱儲蓄裝置、金屬面板收集器、水、空氣、巖石等等。當容器之中的水經過陽光直射而升溫，然後就會產生電流，於是水平面會上升來到儲蓄裝置的頂部。
Schoolgarden「De Buitenkans」動物園藝學院｜Schoolgarden 「De Buitenkans」 . Image Courtesy of RO&AD Architecten
設計被動式太陽能策略（以下策略為北半球適應性策略）
1、太陽的位置：太陽的位置對於太陽能量的吸收非常重要，因此項目的設計之時需要在冬季和夏季都充分利用其地理上的優勢。
2、結構設計：項目的整體形態和朝向也決定了其空間的太陽能量吸收程度。一般來說，東西向軸線越長，建築的南面越能在冬天吸收能量。
3、注意建築的北面：由於太陽無法在北側進行照射，因此建築師可以縮短這一側的長度，減少北側牆體的裸露部分。另外，在其相鄰的牆體上應用淺色材質可以讓陽光折射到北側牆體之上。
美國Kraemer放射腫瘤科中心｜Kraemer Radiation Oncology Center. Image Bruce Damonte
4、適當分配室內房間：可以在建築的東南面、南面、西南面放置利用率較高的房間，保證熱量與光照的最大化利用。諸如走廊與公共設施等熱量、照明需求量低的房間，則可以放置在北側。
5、窗戶位置：可以將大型開窗放在建築的南側，讓陽光最大程度地進入室內。北側牆體的窗戶可以小一些，因為這個方向能夠獲得的熱量不多。
陽光房｜Sunlight House. Image Adam Mork
6、隱蔽的入口：防止冬季冷空氣通過入口進入室內，因此建築入口的朝向應儘量避開風向，也可以應用擋風的設施。
7、材料的選擇：如果每種材料都應用，那麼能量消耗也不低。下表說明了每種材料的能量吸收率。
各種材料的熱容量｜Heat Capacity for Various Materials. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book
8、系統選擇：每個項目都有不同的設計需求，因此每個項目也需要應用不同的體系。某些被動式策略對於某些項目來說並不實用，例如在周圍都是高層建築的項目中應用大面積玻璃幕牆，就這種情況而言，建築師可以充分利用屋頂體系。
9、玻璃立面或太陽窗戶：南向玻璃立面和大型開窗能夠吸收大量陽光。因此建議，在寒冷氣候中，每平方英尺的空間可以對應0.19與0.38平方英尺的南向玻璃窗戶。而在溫暖氣候中，每平方英尺的空間可以對應0.11至0.25平方英尺的南向開窗。
三層玻璃立面｜Triple-Glass Facade. Image Adrien Buchet
10、天窗：有時無法在立面設置開窗，這就是就需要應用天窗，讓陽光從天空直接進入室內。
新墨西哥聖菲Karen Terry住宅剖面｜Karen Terry House Section, Santa Fe, New Mexico. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book
Courtesy of Taisei Design
11、磚石蓄熱：牆體的建議厚度至少為4英寸，這樣能有效的減少室內的溫度波動。淺色的室內色調、深色地面、小型開窗，這些都能夠使得陽光在空間中有效地擴散。
12、室內水牆：在建築內使用水牆時，應儘量保證牆體在上午11點至下午3點能夠接收到陽光，同時使用較深的顏色來促進熱量的吸收。
13、保溫牆體：這類似於溫室，保溫牆體是在建築的向陽一側應用外部保溫層，這能夠讓建築在白天保溫，而在夜間釋放熱量。這些牆體一般由磚石和玻璃建造而成，通過牆體玻璃層和開口來供熱。
集熱牆剖面｜Trombe Wall Section. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book
14、牆體尺寸：應當適當地調整牆體的尺寸，儘量在冬季的時候多儲存能量。那麼建議，在寒冷氣候中，每平方英尺的空間對應0.43和1平方英尺的南向雙層玻璃蓄熱牆體，在溫暖的氣候，每平方英尺的空間對應0.22至0.6平方英尺的保溫牆體，其中如果是水牆，建議尺寸則為0.16至0.43平方英尺。
詳細信息：牆體的厚度、材質、色彩、完成面都能夠影響隔熱的效率。為了將效益最大化，因此可以在面向太陽的一側選用深色的材料，同時在牆體的頂部和側面增加通風孔洞來提升其整體的性能，另外再在通風孔洞上增加鉸接面板來避免反向氣流的出現。
15、相鄰溫室：如果要使用「相鄰溫室」的概念會有些複雜，因為進入建築的能量會通過一個結構體系，因此需要正確地計算溫室的尺寸。那麼建議，在寒冷的氣候中，每平方英尺的建築面積可以對應0.65或1.5平方英尺的南向雙玻璃開窗面積。而在溫暖氣候中，每平方英尺的建築面積可以對應0.33至0.9平方英尺的玻璃開窗面積。
Maison + Agence. Image Philippe Ruault
16、獨立溫室：由於溫室對於玻璃或其他半透明材質的依賴程度較強，這樣太陽才能輻射整個空間，但是，溫室的北側所接收到的陽光會比其他部分要少一些。因此最好延長東西向軸線，然後在北側應用淺色材料，從而反射太陽光。
詳細信息：為了減少溫室內溫度的波動，可以使用內部水牆、巖石存儲系統、實心磚石結構。
17、屋頂池塘：屋頂池塘的面積決定了加熱或冷卻系統是否高效，其中材料組成、隔離層類型的選用都很重要。下表對比了池塘的定量，這些數值決定了池塘的特性。
材料能量｜Material Energy. Image Courtesy of The Passive Solar Energy Book
詳細信息：屋頂池塘需要注意一些細節，因為建築的結構和屋面對其來說非常重要。建築的屋面必須有防水層和混凝土面板，這樣才能吸收增多的能量。池塘的深度大約為6至12英寸，由深色的防水容器和透明的頂蓋構成，這樣可以讓陽光直接照射在水面之中。保溫面板儘量大一些，並且應用反射材料，這樣能夠減少漏水的風險，提高整體效率。
Active Open Loop System. Image via Wikimedia Commons
18、移動式隔絕層：玻璃或半透明材料能夠將熱量吸收並傳輸送空間內部，但是由於同樣的原因，夜晚的時候一些熱輻射能量便會丟失。因此通過可移動的隔絕體可以減少夜間熱量的損失。
19、反射鏡面：有時候，大型玻璃立面不在設計的範圍之內，這也是額外的反射鏡面能夠增加進入空間內部熱量的原因。因此建議，針對垂直玻璃，可以使用寬度一致、而高度為玻璃開口一至兩倍的水平反射鏡面。對於南面傾斜的天窗而言，可以設置角度大約為100度的天窗開口，其中反射鏡面的尺寸與天窗尺寸相等。
20、遮光：控制進入空間內部的太陽光線也非常重要，因為有的房間並不需要過多的光照。因此建議，可以在玻璃上方設置水平懸挑構件來進行南向玻璃窗的遮擋，控制其長度為南部一側高度的四分之一，其高度是北側的一半。
德國被動式房屋「Bruck」｜Passive House Bruck／Peter Ruge Architects. Image Jan Siefke
21、外部隔熱：如果外部牆體具有保溫功能，那麼可以將隔熱面板放在外部一側，減少熱量的損失。
小貼士
多雲日儲存：多雲地區需要多應用一些被動式太陽能體系。可以適當地增加建築南面的玻璃面積，應用大面積的水牆和較厚一些的熱牆體，這樣能夠吸收更多的陽光熱量。
夏天冷卻：被動式太陽能體系主要強調的是冬季保溫與光線的重要意義，因此有時會忽略夏天的空間冷卻功能。因此屋面的顏色可以淺一些，並且在夜間進行自然通風，在白天儘量將建築封閉，這些措施都能夠有效地進行降溫。
陽光雨房｜Sun Rain Room. Image Edmund Sumner
工具：一些工具與應用程式都能夠有效地計算進入空間的熱量，熱量柱狀圖有效研究了海拔、方位角度、天空、太陽位置、太陽軌道、月亮軌道、緯度，以及磁場的變化。諸如太陽輻射計算器和遮光罩等其他工具也能夠進行相關的計算。
註：所有的建議都來源於《被動式太陽能》一書，作者為Edward Mazria