早在20世纪70年代,被动式太阳能设计是寒冷气候设计师和建筑商必不可少的第一步。被动式太阳能(不要与被动式房屋混淆,后者是沃尔夫冈·费斯特在20世纪90年代提出的超绝缘标准)被认为比需要泵、风扇和电子控制的复杂的主动太阳能方案有明显的优势。如今,被动式太阳能原理仍然指导着许多设计师。
然而,在20世纪70年代末和80年代初,超级绝缘的倡导者开始质疑被动式太阳能原理的合法性。虽然我现在站在超级隔热人群的一边,但被动式太阳能方法的某些方面——强调谨慎的太阳朝向,对房屋南侧适当的屋顶悬垂的关注,以及对朝南窗户而不是朝北窗户的偏好——似乎已经嵌入了我的DNA中。
![悬挑的设计——朝南的悬挑足够宽,既能挡住夏天的骄阳,又能让冬天的低角度阳光穿透建筑,这是有意义的。它确实有助于防止夏季过热,并在冬季带来受欢迎的日光。然而,由于太阳在上午和下午的角度较低,悬垂并不能遮挡所有的夏日阳光。](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2016/09/13154417/021262086-Overhang-700x706.jpg)
然而,最近,我开始怀疑这些设计原则是否有任何技术上的理由。它们能节约能源吗,还是我只是在拖着我那嬉皮士过去的顽固遗产?让我们重新审视这五个被动式太阳能原理。
- 房子的长轴应该朝东西方向。
根据传统的被动式太阳能智慧,明智的设计师仔细研究场地,寻找一个向南暴露良好的小丘,并试图在东西方向对齐房屋的长尺寸,以便房屋的南侧(大多数窗户所在的地方)拥有比东西侧更大的面积。
然而,能源建模软件和经验表明,东西朝向不会节省任何能源。热损失在各个方向均匀发生,尤其是在夜间。额外的朝南玻璃在晴天收集热量,但在阴天比隔热墙损失热量的速度更快。也就是说,房子的长轴可能仍然应该向东向西——至少在场地允许遵循原则的地方——因为这种方法可以让更多的房间在白天得到阳光。如果你生活在寒冷的气候,冬天的阳光是令人愉快的。东西朝向也为光伏阵列优化了屋顶。
- 人们花大部分时间的房间应该在房子的南侧,而杂物间、浴室、壁橱、楼梯和走廊应该在北侧。
我们无法想象为什么这个原则会节省能源,但它仍然是一个好主意,因为同样的原因,它是有意义的房子的长轴东西向。(如果你生活在混合气候或炎热的气候中,太阳是压迫你的,阴影是你的朋友,这个原则可以忽略。)不过,要小心眩光;被动式太阳能房屋有过多的朝南玻璃,在冬天的下午阳光充足,居住者经常逃到黑暗的北角。
- 房子的南侧应该有很多额外的玻璃,而房子的北侧应该很少或没有玻璃。
Gary Proskiw在2010年发表的论文《确定负担得起的净零能耗住房解决方案》首次动摇了我对大量朝南玻璃的需求的信念。普罗斯基发现,窗户太贵了,朝南的窗户收集的热量的价值与它们的成本不符,花在额外的朝南窗户上的钱应该更好地投资于其他节能措施。Proskiw表示,朝南的玻璃“应该限制在满足建筑功能和美学需求的范围内。”这个建议让人解脱。它让设计师能够在不涉及任何技术或功能问题的情况下考虑美学问题,这几乎总是一件好事。
此外,朝北开窗户不是个好主意的观点有些言过其实。如果你的网站有一个美妙的北视图,当然你想包括朝北的窗户。你甚至可能希望你的客厅或餐厅朝北。也就是说,我设计过的每栋房子,南向的玻璃窗都比北向的玻璃窗多,因为我喜欢欢快、阳光充足的房间。
- 房屋南侧的屋顶悬垂应该延伸到足够远的地方,以便在夏至期间为南侧的窗户遮阳,同时在冬至期间让阳光照进来。
这个想法并没有错,但是要设计出一个完美的悬挑是不可能的。最好的情况是,设计师可以设计出一个几乎可以工作的悬挑,但不完全可以。太阳很狡猾。在三月,太阳的热量可能是受欢迎的,而在九月,太阳的热量可能是不受欢迎的,所以它沿着同样的路径穿过天空。此外,阳光在上午10点和下午2点偷偷溜进来,顽固地破坏了悬挑的意图。
所以耸耸肩,接受这个领域的不完美是可以的,尤其是如果你接受约瑟夫·里斯蒂布雷克的建议,加入低shgc的行列(见“选择太阳能增益最小的窗户”)。
- 房子应该包括额外的内部热质量,以吸收在阳光明媚的日子里从窗户进来的一些热量。
热质量对我来说从来没有什么意义。热质量是昂贵的。热质量使重塑变得复杂。由于热量的获得和损失缓慢,热质量使房屋对天气的突然变化没有反应——有时当居住者想要取暖时使房屋保持寒冷,有时当居住者想要降温时使房屋保持炎热。在寒冷的气候中,热质量可能会影响居住者的舒适度,因为它有助于节省能源。
即使是辐射地板的设计师,他们中的许多人在过去几十年里对热质量大加赞赏,也大多接受了新的共识,即低质量的地板比高质量的地板更容易控制,而且居住者的舒适度更高。
研究人员杰弗里·克里斯蒂安和布鲁斯·威尔科克斯发现,拥有高质量外墙的热气候房屋,与同等隔热水平的低质量木结构房屋相比,需要更少的空调能源。请记住,通过安装额外的隔热材料,可以以较低的成本获得热质量的许多好处。
被动式太阳能建筑从来没有那么好。冬天的早晨很冷,晴朗的下午很热。但是,大多数太阳能爱好者对“免费供热”的想法感到非常兴奋,以至于我们接受了不舒服的条件,把它作为我们正在创造的勇敢的太阳能新未来的必要组成部分。
虽然大面积朝南的玻璃有助于在阳光明媚的日子里为房屋供暖,但太阳能的热量增益并不总是在需要热量的时候出现。大多数时候,被动式太阳能住宅的太阳能热量要么太多,要么太少,所以大部分都被浪费了。现在的房子比以前隔热效果更好,密闭性也更好。与20世纪70年代建造的房屋相比,它们需要更少的能源来供暖和制冷。然而,这些改进也使大量朝南玻璃的房屋更容易过热,因此避免过多的玻璃区域比以往任何时候都更重要。当然,大面积朝南的玻璃在夜晚和阴天比隔热墙损失的热量要多得多。
最后,在一个现代的、设计良好的房子里,空间供暖所需的能源占房子能源预算的比例比过去要小。在许多低能耗的家庭中,家庭热水比空间供暖需要更多的能源。投资光伏阵列比投资朝南的窗户产生更多有用的能源。
“一个能源宅男的沉思”展示了Martin Holladay每周博客的精华GreenBuilding Advisor.com在那里,他为住宅设计师和建筑商提供有关能源问题的常识性建议。因为他的数据驱动的结论通常落在最低规范遵守和遵守被动式房屋标准的极端之间,所以他们经常引起争议。
绿色建筑顾问是为设计师,工程师,建筑商和业主谁打造节能和环保的家园。
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谢谢你带来的讨论,一些非常成熟的神话的太阳能房屋设计。作为一名工业工程师和金融学位持有者,我欣赏你在许多问题上非常勇敢的方法。:)
我父亲住在科罗拉多州西南部消极供暖房屋,他设计并建造,结果是舒适明亮的生活空间在夏季和冬季,不过因为他是在山上他能够利用凉爽的夜晚,即使在夏天,谨慎地打开所有的窗户晚上降温厚厚的adobe内墙然后关闭他们白天,热质量保持冷却直到下午5点,一些居住者不会这样做,从而失去热质量的影响。
@Martin,我同意今天的超规范住宅,被动式太阳能设计的好处更少。然而,这并不一定会增加成本。你提出了一个有效的观点,即质量通常不具有成本效益。然而,一个低负荷的家并不需要太多的质量。
朝南的步行式地下室将在楼板中有足够的质量。平板级也是如此。完全低于地面的地下室更具挑战性,需要窗户井和一些方法来遮挡南面的玻璃,使其不受夏季阳光的照射。我建议客户不要使用爬行空间基础,以避免额外的成本和封装的复杂性,因为这会增加可用的生活空间。我也建议不要建高质量的地上墙。他们工作得很好,但正如你所说,同样的性能可以用更少的传统结构来实现。
当我们承认像图中这样的房屋并不代表21世纪的被动式太阳能设计时,你反对被动式太阳能的大多数论点都站不住脚。特别是,低负荷家庭通常不需要*任何*额外的南窗。此外,中增益溅射涂层IG单元(例如,Cardinal 180)的SHGC值在40到40之间,u因子与性能最好的传统IG单元相似,因此在热损失方面不再受到打击。但有时需要额外的跑腿工作来获取这些涂层。
有利的朝向、房间布局和工程悬垂仍然是被动式太阳能设计的关键要素。
你写道:“……因为早晨和下午太阳的角度较低,所以悬挑不能挡住夏日的阳光。”
在夏天,太阳在东西向轴线以北升起和落下,所以当太阳照亮南立面时,它太高了,无法绕过设计合理的悬挑。相反,太阳在冬天从东西向南升起/落下,所以朝南的窗户整天都被照亮。也就是说,由于温暖的天气滞后于太阳的几何形状,窗帘是必不可少的设计元素,通常需要在夏末或初秋,这取决于纬度。
如你所知,我专门为低负荷房屋设计机械和外壳。你可能不知道的是,在过去的10年里,我一半以上的项目都是被动式太阳能设计——包括我之前在夏洛特(夏洛特)的住宅。http://veryuniquehome.com)和我在亚利桑那州东南部高沙漠的下一个家,下个月将破土动工。
如果做得好,被动式太阳能设计是显而易见的。唯一的问题是为什么不呢?
大卫·巴特勒,建筑系统工程师
亚利桑那州磨刀石
有兴趣的人可以看看这篇关于被动式太阳能设计和低负荷被动式太阳能住宅地板辐射热优缺点的深入讨论:http://homeperformanceforum.org/discussion/11469
马丁,谢谢你这篇坦率而深刻的文章。在我看来,被动式太阳能原理并不是坏的,也不是不必要的——这是一个平衡的问题,就像所有的事情一样。在我的被动式房屋设计中,太阳能增益、遮阳和热质量都在建筑性能中发挥着重要作用,但在任何方面走极端都是有问题的。在冬天获得一些太阳能并没有什么错(而且一切都是对的)——即使在北加州,它们也感觉很棒。同样,热质量也有助于稳定建筑的内部条件,既可以吸收额外的太阳能,又可以在炎热的夏季开门(或不开门)时保持凉爽的温度。我知道有很多性能更高的建筑商已经开始使用双层干墙,作为一种降低成本的有效手段,将热质量提高到有益的程度。我在我所在地区看到的被动式房屋建筑性能的最大问题是,轻质建筑在响应瞬时能量收益和损失时摆动太快。我非常喜欢用这种技术在一定程度上提高热质量,我喜欢被动式房屋能源建模工具,它使我能够找到围护结构测量、性能、舒适度和成本的最佳平衡。
沿着这条线,我想说几乎所有的建筑(除了那些完全阴暗的建筑)都是被动式太阳能建筑——它们要么是好的被动式太阳能建筑(在需要的程度上接受太阳能,在不需要的时候阻挡太阳能),要么是坏的被动式太阳能建筑。一个低shgc窗户和遮阳差的建筑仍然会过热,在冬天几乎没有好处,采光也受到影响。太阳是一种强大的能源!