被动式太阳能建筑设计研究 ——以托马斯·赫尔佐格青年教育学院宾馆设计为例

郭家怡

（武汉工程大学）

1 被动式太阳能建筑相关概述

1.1 太阳能建筑

太阳能在建筑中的应用主要包含采暖、采光、制冷以及为生活和生产供应热水。[1]太阳能建筑是一种利用太阳的辐射能量替代一些常规能源并使屋舍达到一定温度环境的建筑。[2]太阳能建筑根据其是否具有机械动力可分为主动式和被动式。

1.2 被动式太阳能建筑

被动式太阳能建筑通过合理安排建筑朝向、合理布置周边环境，配合窗户、墙壁、屋顶等建筑组成要素，选择合适的建筑材料和结构来解决建筑的采暖问题。可以在冬季收集、储存和分配太阳能热能；同时，还能遮挡夏季太阳辐射，消散室内热量，从而为建筑降温，达到冬暖夏凉的效果。

被动式太阳能建筑最基础的原理是，阳光通过建筑物朝南的玻璃进入室内，并通过砖、土坯、混凝土和水等高密度材料吸收太阳能，然后转化为热量。建筑的主要房间靠近南侧的集热表面和蓄热体布置，因此这些房间可以直接供热，无须管道和机械设备强制分配热空气。

被动式太阳能建筑是一种生态节能建筑的形式，也是一种具有广泛推广价值的建筑形式。

1.3 被动式太阳能建筑的基本类型

被动式太阳能建筑的类型很多，到目前为止还没有统一的分类标准。从太阳能的利用方式看可区分为：

1）直接受益式

直接受益式太阳能建筑是一种使阳光通过透明材料直接进入房间的采暖形式。房子的南立面安装了大面积的玻璃窗，阳光通过玻璃窗直接照射到房间的地板、墙壁、家具等围护结构表面，从而吸收大部分热量，使温度升高。围护结构内表面吸收的一部分太阳能以辐射和对流的形式在室内传播，使房间在夜间和阴天都能保持一定的温度水平。

这种太阳能建筑具有升温快、结构简单、建筑形式美观、热效率高、成本低、管理方便的优点。但是，如果设计不妥，容易导致室温每天波动大，舒适性差以及辅助能耗增加。直接受益式适用于气候温和的地区，适用于白天需要快速升温或仅用于白天的房间。

2）集热蓄热墙式

集热蓄热墙式是让建筑物的南部接收太阳能并通过蓄热墙为建筑物供热。朝阳墙将被制成厚实的实心墙，涂成黑色，外面是玻璃幕墙，在两者之间留出空气隔层。实墙上预留适当的采光区域，顶部和底部预留孔。白天，房间中的冷空气通过底部孔进入空气隔层，被加热后上升，然后通过顶部孔进入室内，形成对流循环，室内温度可以不断升高。在夏天，可以打开实墙和玻璃幕墙上的小窗户以进行通风和散热。

集热蓄热墙式被动式太阳能建筑，房间温度波动小，居住舒适，但集热效率低，通常与其他形式一起使用。但是，结构复杂，玻璃隔层容易积灰，不易清洗，影响集热效果，成本高，建筑外立面颜色较暗，形式美感较差，其推广有一定的局限性。

3）屋顶集热蓄热式

屋顶集热蓄热式即将屋顶用作间接供热的储热体，即采用塑料袋充水或相变蓄热材料。在屋顶上，用透明材料制作水袋或水池，并用可拆卸的隔热板覆盖。冬天，白天打开隔热板，阳光加热水，晚上关闭隔热板。水有很大的热容，在室内可以不断地散发热量。

该类太阳能建筑更适合在冬季采暖需求不高、夏季需要降温的情况下使用。但是，由于屋顶需要有较强的负荷能力，隔热板的操作也比较麻烦，目前在实际应用中较少见。

4）附加阳光间式

附加阳光间式是在建筑物的朝阳侧建造阳光间（或称温室），通过蓄热墙对建筑物进行供热。阳光间的围护结构全部或部分由玻璃等透光材料组成，透光面应装有隔热保温的窗帘、板。阳光间和房间之间的公共墙壁上有门和窗户。白天被阳光加热后，实墙蓄积了热量，热空气可以通过门窗进入房间。

与集热蓄热墙式对比，附加阳光间式的地板也作为储热体。阳光间不仅可以减少风沙的侵袭，还可以蓄热和隔热，作为日间休息场所和温室花房，便于与整个建筑融为一体。这种太阳能建筑形式适合民用住宅，是一种适合村镇地区建设的被动式太阳能建筑。

2 被动式太阳能建筑设计

2.1 建筑规划

通过良好的规划，将建筑的朝向、间距和建筑形态组合与场地的地形、阳光和风向相结合，这是被动使用太阳能的前提。冬季，太阳高度角较小，南垂直面能最长的时间受到太阳辐射，因此，南向是被动式太阳能建筑的最佳方向。并且在建筑规划时，建筑和栋房间应该留有足够的间距，在不影响场地利用效率的前提下，保证在冬季阳光不被遮挡。

2.2 建筑平面

建筑的平面布置直接影响其采光、采暖、通风、制冷空调的能耗大小。而被动式太阳能建筑，主要通过南向大片玻璃窗和阳光间来实现取暖。所以，从节能的角度考虑，被动式太阳能建筑的形体以接近正方体的矩形为宜，进深较小，宽面较大，使建筑可以最大化的获得阳光。且较小的进深便于组织内部的自然通风，而深度较大的房子，内部很难自然采光与通风。

2.3 空间布局

被动式太阳能建筑的主要采暖房间需要布置在靠近集热面和储热体的位置，而辅助和非采暖房间则布置在东西侧和北侧。为了充分利用太阳能，将经常使用的房间与不常使用的房间分开，并在南侧布置有较高采暖要求的功能性空间，例如卧室和客厅。厕所和厨房等布置在北侧，以减少室内热量散失，节约建筑能耗。

2.4 建筑组成要素

建筑组成要素主要包括:屋顶、墙、地板和窗等。

1）屋顶

屋顶是直接接受阳光照射时间最长的围护结构，它的隔热保温基本通过隔热材料的使用，以及屋顶的换气通风来实现。

2）墙

墙是建筑的一个主要围护结构，墙体不仅仅可以阻挡外来的热量进入建筑内，还可以同时贮存热量，供给人们使用。在被动式太阳能建筑中南面是集热面，热能从南向北流动。采用太阳能的集热墙、透射墙和透明材料隔热的墙，将太阳辐射集中起来传送到室内，起到集热蓄热的作用。北面则以实墙为主，防止屋内热量散失。

3）地板

在被动式太阳能建筑设计中，需要考虑地板的隔热及保温、地板的蓄热、地板下空间及通风等问题。

4）窗

玻璃窗等透明材质是被动式太阳能建筑接受太阳辐射的重要结构。南面在大面积的接受太阳能的同时，也要考虑夏季遮阳的问题。而非集热面的开窗，在满足采光要求的前提下，应限制窗的面积。

3 托马斯·赫尔佐格青年教育学院宾馆设计分析

托马斯·赫尔佐格（Thomas Herzog）于1996 年提出了将太阳能应用于城市建筑的构想，他被誉为太阳能建筑和建筑创新领域的先驱。通过在各类气候条件下开发建筑物的最佳外立面设计，并整合太阳能技术，大大减少了不可再生能源的使用，成功地将美学、技术和功能融糅到建筑物中。

在被动式太阳能利用方面，赫尔佐格已有较多成功的经验，下面以青年教育学院宾馆为例来进行分析。

3.1 项目概况

青年教育学院宾馆位于德国温德堡。德国处于欧洲中部，属于北温带气候，其纬度与中国的哈尔滨市相似，其气候条件与华北地区相似。温德伯格（Winterberg）是德国北莱茵威斯特法伦州的一个小镇。年平均温度为-1℃～27℃。

青年教育学院宾馆项目的所有者是德国温德堡的一座修道院，主教希望为青年教育中心设计与之配套的客房。

3.2 被动式太阳能建筑形式

青年教育学院宾馆采用的是集热蓄热墙式和附加阳光间式组合而成的被动式太阳能建筑形式。集热蓄热墙式的墙体热阻大，热稳定性好。但它也有集热效率低、无法进行调节、墙体空腔内容易积灰，难以清理、通透性差等缺点。赫尔佐格通过建筑材料的应用以及与其他被动式太阳能建筑形式的结合使用来解决了这些问题。

赫尔佐格与弗劳恩霍夫太阳能系统研究所合作，通过计算机模拟气候，开发并研究出了优化的墙体结构。并利用TIM（transparent insulation material）透明绝热材料使该建筑当室外温度仅为3℃时，外墙温度可以达到65℃，即使不打开暖气，室内温度也可以达到20℃。TIM 透明绝热材料（一种半透明的外墙保温材料）不仅可以最大限度地吸收太阳热量，冬季时还可以防止损失室内热量。蓄热墙体中有2cm 厚的空腔，可以促进空气流通，并散逸夏季过多的热量，使室温合适宜人。

附加阳光间式太阳能建筑形式在该建筑中表现为一个通高的温室空间。为了尽可能多地利用太阳能，赫尔佐格常常将建筑物内的阳光间设置在一个特殊的位置，或与其他使用功能结合来设计，以最大限度地利用资源和功能。并且，充分利用太阳能，在提供温室作用的同时，加强了室内的通风与采光（见图1）。

3.3 建筑规划

图1 通高的温室空间

青年教育学院宾馆的规划充分体现了被动式太阳能建筑的特点，即南向立面大面积的玻璃窗、房屋围护结构极好的保温性能。在外立面的设计中，建筑物的南侧是一片大的玻璃，用来最大限度地吸收阳光。但是为了防止夏天过热，同时在南侧还设置了一些遮阳卷帘。在北侧，以实墙为主，防止室内热量消散（见图2）。

图2 建筑南面

3.4 建筑平面

在建筑平面上，为了使建筑可以最大化的获得阳光，赫尔佐格将平面设计成为矩形，它的进深相对于面宽来说很小，较小的进深更利于组织内部的自然通风、采光。建筑物中几乎所有的纵墙都可以移动，这种设计使房屋使用者可以根据自己的需要安排内部空间，从而提供了极大的灵活性（见图3）。

图3 建筑效果图及平面图

3.5 空间布局

在空间布局中，赫尔佐格记录了每个空间的温度要求和使用时间，将经常使用的房间与偶尔使用的房间分隔开来，在南面安排了需要照明和供暖的经常使用的休息区客房；北面设有一些辅助性的用房，包括卫生间、储藏室等日常使用时间较短的空间，以节省建筑能耗。

4 结语

太阳能与建筑的完美结合反映了可持续发展的设计理念。中国是一个太阳能资源丰富的国家，面对能源的短缺和建筑的增加，发展被动式太阳能建筑具有重要意义。目前，发达国家的被动式太阳能技术已广泛应用于现有房屋的翻新中，并取得了良好的效果。被动式太阳能建筑在青年教育学院宾馆中的应用，不仅具有良好的生态和节能效果，而且适应性强，可以在我国灵活采用。它不仅可以用于新建筑，还可以用于旧建筑的重建，并且可以为中国被动式太阳能建筑的发展提供有意义的参考。