被动式加热与冷却设计

建筑的温度控制并不一定需要依赖空调和暖气。在人类历史的大部分时间里，建筑师们通过巧妙地利用自然规律，让建筑本身成为调节室内环境的工具。这种设计思路，我们称之为被动式设计。

被动式设计的核心理念是让建筑像一个聪明的“过滤器”，在冬天尽可能多地吸收太阳的热量并保存起来，在夏天则通过自然通风和遮阳将热量排出。这种设计不需要复杂的机械设备，不消耗化石能源，却能为居住者创造相对舒适的室内环境。

在北京的四合院中，厚重的墙体在白天吸收热量，到了夜晚缓慢释放，使室内温度保持相对稳定。在福建的土楼中，厚达一米多的土墙加上中间的天井，形成了自然的空气循环系统，即使在炎热的夏天，楼内也能保持相对凉爽。这些传统建筑中蕴含的智慧，正是被动式设计的生动案例。

当然，被动式设计也有其适用范围。对于中小型建筑，特别是住宅、学校、小型办公楼等建筑类型，被动式设计往往能发挥显著作用。但对于大型商业综合体或者对温湿度有严格要求的特殊建筑（如医院手术室、精密仪器实验室），传统的主动式空调系统仍然是更合适的选择。

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中国气候特征与设计策略

中国幅员辽阔，气候类型复杂多样。从建筑热工设计的角度，我们通常将全国划分为五个主要气候区，分别是严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区。每个气候区的温度、湿度、日照条件都不相同，因此需要采用不同的被动式设计策略。

严寒与寒冷地区的设计要点

在东北、内蒙古以及华北北部这些严寒和寒冷地区，冬季漫长而寒冷，室外温度常常低至零下二十度甚至更低。在这样的气候条件下，建筑设计的首要任务是保温和获取热量。

传统的东北民居通常坐北朝南，南向开大窗以便冬季采光和得热，北侧则很少开窗，甚至完全封闭。这种布局不是偶然形成的，而是经过几代人实践总结出来的经验。冬季的太阳虽然不如夏季强烈，但在晴朗的日子里，阳光透过南窗照射进来，仍能为室内带来可观的热量。如果在室内使用砖墙、混凝土地面等蓄热性能好的材料，这些材料会在白天吸收太阳辐射的热量，到了夜晚再缓慢释放，从而平衡昼夜温差。

北京的传统四合院是另一个典型案例。四合院的院墙不仅围合出私密的空间，更重要的是能够阻挡冬季凛冽的西北风。院落中的空间在冬天能够形成相对静止的空气层，减少了建筑表面的对流换热，降低了热量损失。正房通常布置在北侧，面向阳光充足的南方，而厨房、储藏室等辅助用房则布置在北侧或西侧，起到缓冲作用。

在设计这类地区的建筑时，需要特别注意以下几个方面。建筑的体型应当相对紧凑，减少外墙面积与建筑体积的比值，这样可以降低热量散失的速度。外墙、屋顶需要设置足够厚度的保温层，窗户应选用多层中空玻璃，并在夜间通过窗帘或保温板进一步减少热量流失。建筑朝向应尽量接近正南，允许的偏差范围在15度以内，这样才能最大限度地利用冬季的太阳辐射。

夏热冬冷与夏热冬暖地区的应对

长江流域的夏热冬冷地区以及华南沿海的夏热冬暖地区，面临着完全不同的挑战。这些地区的夏季炎热潮湿，室外温度常常超过35度，相对湿度可达80%以上。在这种气候条件下，如何通过自然通风带走室内的热量和湿气，成为设计的关键。

福建的土楼是应对这种气候的经典范例。土楼的外墙厚达一米以上，这种厚重的墙体具有极强的蓄热能力，能够延缓外界热量向室内传递的速度。更巧妙的是，土楼中央往往设有天井，形成了竖向的通风通道。当夏季炎热的空气进入楼内后，受热上升从天井排出，同时从底层的门窗吸入相对凉爽的空气，形成持续的空气循环。这种自然通风不需要任何动力，仅依靠空气的热压差就能实现。

岭南地区的传统民居则充分利用了穿堂风。建筑通常进深不大，前后开窗，使得夏季的东南风能够畅通无阻地穿过室内。同时，建筑外部常常设置深远的出檐和遮阳廊，既能遮挡炎热的夏季阳光，又不会影响冬季较低角度的阳光进入室内。这种设计充分考虑了太阳高度角的季节性变化。

在这些地区设计建筑时，通风是首要考虑的因素。建筑应当顺应夏季主导风向布置，通常是东南或正南方向。窗户的位置和大小要经过仔细计算，确保能够形成有效的空气流动路径。对于多层建筑，可以考虑设置中庭或通风井，利用烟囱效应增强竖向通风。遮阳措施必不可少，无论是水平遮阳板、垂直遮阳翅还是活动外遮阳，都要根据窗户朝向和太阳轨迹精心设计。

气候区设计策略对照

下表总结了不同气候区在被动式设计中需要重点关注的策略：

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被动式太阳能加热系统

太阳是地球上最慷慨的能量来源。在冬季晴朗的日子里，照射到建筑南向窗户上的太阳辐射强度可以达到每平方米600到800瓦，相当于一个小型电暖器的功率。如果能够有效地收集、储存和分配这些热量，就能显著减少建筑的供暖能耗。

被动式太阳能加热的基本原理并不复杂。阳光透过玻璃窗进入室内，被墙壁、地面等表面吸收后转化为热能。由于玻璃对长波辐射（即热辐射）有阻挡作用，热量不容易散失出去，这就是我们常说的“温室效应”。关键在于如何设计建筑的朝向、窗户大小、以及室内的热质量，使这个过程更加高效。

直接受益式太阳能加热

直接受益式是最简单也是最常见的被动式太阳能加热方式。在这种设计中，阳光直接照射到居住空间内部，室内的地面、墙壁等构件既是受热面，也是蓄热体。

以北方农村的一栋住宅为例。这栋房子坐北朝南，南侧开了三扇大窗，窗墙比（窗户面积与墙体面积的比值）约为0.35。室内的地面采用了150毫米厚的混凝土，南墙内侧使用了200毫米厚的砖墙。在冬季晴朗的日子里，从上午9点到下午4点，阳光持续照射进室内，混凝土地面和砖墙不断吸收热量，表面温度可以升高10度以上。到了傍晚和夜间，太阳落山后，这些被加热的质量体开始向室内空气释放热量，使得室温下降的速度大大减缓。

下图展示了在典型冬日，使用被动式太阳能加热的建筑与普通建筑的室内温度变化对比：

从图中可以清楚地看到，被动式太阳能建筑的室内温度波动更小，日间最高温度更高，夜间最低温度也明显高于普通建筑。这种温度的提升和稳定，直接转化为供暖能耗的降低。

直接受益式系统的优点是构造简单，不需要额外增加设备，只需在设计阶段合理布置即可。居住者能够直接感受到温暖的阳光，这种与自然的联系本身也具有心理上的积极意义。但这种系统也有其局限性。强烈的阳光会造成眩光，使得某些区域难以正常使用。阳光中的紫外线会使家具、地板等材料褪色老化。更重要的是，南向的大窗在夜间会成为热量流失的通道，因此必须配合使用保温窗帘或活动保温板。

附加阳光间系统

附加阳光间是将太阳能收集功能与日常生活空间适度分离的一种设计策略。在建筑南侧附加一个玻璃封闭的空间，可以是温室、玻璃走廊或封闭阳台，这个空间白天吸收大量太阳辐射，空气温度显著升高，然后通过门窗或通风口将热空气传递到相邻的主要居住空间。

北京某生态社区的联排住宅就采用了这种设计。每户南侧都设置了一个约10平方米的玻璃阳光间，高度两层贯通。阳光间与室内之间有可开启的窗户。在冬季，阳光间的温度在中午可以达到25度甚至更高，这时打开窗户，温暖的空气自然流入室内。到了傍晚，关闭连通窗，让阳光间自行降温，这样可以避免夜间从这个大玻璃空间向外散失过多热量。

阳光间系统的一个重要优势是热量收集与生活空间的分离。眩光、紫外线老化等问题主要集中在阳光间内，不会影响主要居住空间的舒适性。而且，阳光间本身可以作为一个过渡空间使用，放置绿植或作为休闲区域。当然，这种系统的热效率通常不如直接受益式，因为热量传递过程中存在损失。而且，阳光间的温度波动很大，夏天可能过热，冬天夜间会很冷，因此这个空间本身不适合作为长期的居住场所。

特朗布墙系统

特朗布墙是一种更为特殊的被动式太阳能加热技术。在南向窗户的内侧设置一堵厚重的墙体，通常厚度在200到400毫米之间，墙体外表面涂成深色以便吸收太阳辐射。阳光透过玻璃窗照射到墙面上，墙体被加热，然后通过热传导将热量缓慢传递到墙体背面的室内空间。

在某现代绿色建筑示范项目中，设计师使用了300毫米厚的混凝土特朗布墙。墙体下部和上部各设置了通风口，可以通过开关调节。当需要快速加热时，打开通风口，冷空气从下部进入墙体与玻璃之间的空腔，被加热后从上部流入室内，形成热空气循环。当不需要快速加热时，关闭通风口，让墙体缓慢地通过热传导释放热量。

特朗布墙的最大优点是能够有效隔绝眩光和紫外线辐射，同时提供延时的供热效果。墙体从吸收热量到内表面温度升高通常需要4到8小时，这意味着白天吸收的热量会在傍晚和前半夜释放，正好满足了供暖的时间需求。但这种系统也占用了相当大的空间，墙体会阻挡视线，使得南向窗户无法用于采光和眺望，这在一定程度上降低了空间的使用品质。

太阳能得热与朝向的关系

建筑朝向对太阳能得热的影响是决定性的。在北纬40度左右的地区（如北京），冬季正南向立面接收到的太阳辐射量是东西向立面的2到3倍。下图展示了不同朝向窗户在冬季典型日的总得热量：

下图展示了冬季晴天条件下，窗户朝向偏离正南方向时单位面积日总得热量的变化规律：

从图中可以看出，当朝向偏离正南方向15度以内时，得热量的损失还比较小，仍在可接受范围内。但一旦偏离角度超过30度，得热量就会下降到正南向的80%以下。当偏离45度时，得热量已经不足正南向的60%。因此，在进行被动式太阳能建筑设计时，必须优先确保主要受热面尽可能接近正南朝向。

设计要点总结

被动式太阳能加热系统的设计涉及多个相互关联的参数，下表总结了主要的设计要点：

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自然通风冷却系统

在没有空调的时代，人们就懂得利用自然风来降低室内温度。自然通风不仅能够带走室内的热量，还能降低空气湿度，驱散污浊空气，即使室内温度不能降到很低，流动的空气也能让人体感觉更加凉爽。自然通风的驱动力来自两个方面：一是风压，即室外风吹向建筑时产生的压力差；二是热压，即由于室内外或室内不同高度之间的温度差导致的空气密度差异。

穿堂风与横向通风

穿堂风是最直观、也是最常见的自然通风形式。当室外有风吹来时，建筑迎风面形成正压区，背风面形成负压区。如果在这两个区域都开设窗户，空气就会从迎风面进入，穿过室内空间，从背风面流出。这种通风方式的效果直接取决于进风口和出风口的位置、大小，以及室内空间的开敞程度。

福建土楼虽然外观封闭，但内部的房间通常都有面向内院和面向外侧的窗户。夏季主导风向为东南风，通过内外侧窗户的配合，可以形成穿过房间的气流。更妙的是，土楼的环形布局使得无论风从哪个方向吹来，总有部分房间能够形成有效的穿堂风。这种布局对风向的适应性很强。

在现代建筑设计中，穿堂风的实现需要注意以下几点。建筑的平面进深不宜过大，通常单面自然通风的有效进深为房间净高的2到2.5倍，对流通风的有效进深可以达到5倍房间净高。这意味着，对于层高3米的房间，如果要依靠穿堂风，进深最好不超过15米。窗户的有效开启面积要足够大，一般来说，进风窗的面积应该占到房间地板面积的5%到10%，出风窗的面积应该等于或大于进风窗。室内的空间布局要尽量开敞，避免过多的隔墙和家具阻碍气流。

下图展示了不同开窗面积与自然通风效果的关系：

图中的"良好对流条件"指的是进出风口布置合理，室内空间开敞的情况；“一般对流条件”则是存在一定阻碍，但仍能形成气流的情况。可以看到，随着开窗面积的增加，通风量逐渐增大，但增长速度逐渐放缓。当开窗面积达到一定值后，继续增加面积对通风效果的提升已经不明显，这时通风能力的瓶颈在于室外风速和室内空间布局，而不是窗户面积。

烟囱效应与竖向通风

烟囱效应利用的是热空气上升的自然规律。当室内空气被加热后，密度降低，在浮力的作用下向上运动。如果在建筑的高处设置出风口，这些热空气就会排出室外，同时从建筑低处的进风口吸入新鲜空气，形成竖向的空气循环。

现代办公楼中的中庭设计常常利用这个原理。在一栋五层高的办公楼中，中央设置了一个从一层贯通到屋顶的中庭，中庭顶部设有可开启的天窗。夏季，各层办公室的热空气通过面向中庭的门窗进入中庭，在中庭内上升，最后从顶部天窗排出。这个过程不需要机械动力，完全依靠温度差产生的压力差来驱动。测试表明，在室内外温度相差5度、中庭高度15米的情况下，每小时的换气量可以达到建筑体积的2到3倍，足以满足日常的通风需求。

烟囱效应的强弱取决于两个关键因素：竖井的高度和温度差。高度越大，冷热空气柱产生的压力差就越大。温度差越大，空气密度差异越明显，驱动力也越强。这也解释了为什么烟囱效应在高层建筑中更为显著，在夏季炎热的日子里效果更好。

在设计利用烟囱效应的建筑时，需要注意几个要点。竖井的高度最好是服务空间高度的三分之一到一半以上，这样才能为各层提供足够的驱动力。出风口的面积要足够大，不能成为气流的瓶颈，一般来说，出风口面积应该不小于进风口面积。进风口应布置在较低的位置，出风口布置在最高处，两者之间的高度差越大越好。需要注意避免强烈的横向风直接吹向出风口，否则可能产生负面效果，甚至导致气流倒灌。

通风设计参数参考

针对不同规模的建筑，下表给出了自然通风设计的参考参数：

表中的开窗面积是针对夏季主要通风季节给出的推荐值。在实际设计中，还需要根据当地的风速条件进行调整。如果当地夏季平均风速较低（低于2米/秒），应适当增加开窗面积；如果风速较高（高于4米/秒），可以适当减小开窗面积，但要注意不能小于最低采光要求。

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热质量冷却系统

热质量是指材料储存热量的能力。砖石、混凝土、土等重质材料具有很大的热质量，它们升温和降温的速度都很慢。在昼夜温差较大的气候条件下，可以利用这个特性来平抑室内温度的波动，这就是热质量冷却系统的基本思路。

热质量的工作原理

例如，一块厚重的混凝土墙体，白天室外温度升高，墙体开始从外表面吸收热量，但由于混凝土导热系数不高，热量向内部传递的速度很慢。等到墙体内表面温度明显升高时，往往已经到了傍晚，这时室外温度开始下降。到了夜间，墙体反而成为热源，向室内空气释放白天储存的热量，但因为总体温度波动被削减，室内温度峰值得以降低。

如果在夜间引入凉爽的室外空气，让这些冷空气流过白天被加热的墙体、楼板等构件，就能主动带走储存的热量，为第二天的热量储存腾出“空间”。这种结合了热质量和夜间通风的策略，在西北干旱地区特别有效。

传统建筑中的热质量应用

西北黄土高原的窑洞是利用热质量的杰作。窑洞开凿在黄土层中，周围是厚达数米的土体。土的比热容很大，温度变化极其缓慢。夏季地表温度可能高达40度，但窑洞内部温度长期保持在20度左右。冬季地表温度降到零下，窑洞内部依然能维持在10度以上。这种稳定性来自巨大的土体质量和与深层土壤的热量交换。

藏族传统民居的石砌墙体也体现了类似的智慧。墙体厚度往往达到600到800毫米，使用的是当地的块石。高原地区昼夜温差极大，夏季白天可能有25度，夜间却会降到5度。厚重的石墙在白天缓慢升温，到了夜间开始释放热量，使得室内温度波动大大减小，虽然无法让室内达到理想温度，但至少避免了极端的冷热变化。

现代建筑中的热质量设计

在现代建筑中应用热质量技术时，关键是确定合适的热质量配置。热质量太小，储热能力不足，温度波动依然很大；热质量太大，则反应过于迟缓，无法及时响应气候变化，而且会增加建筑自重和造价。

对于夏热冬冷地区的住宅建筑，比较合适的配置是：内墙使用150到200毫米厚的砖墙或混凝土墙，楼板使用100到150毫米厚的现浇混凝土楼板，有条件的话可以在南墙内侧增加一道200毫米厚的蓄热墙。这些蓄热体的表面不能覆盖厚的保温材料，如厚地毯、墙纸等，否则会阻断其与室内空气的热交换。

下图对比了轻质建筑和重质建筑在典型夏日的室内温度波动：

从图中可以明显看出，轻质建筑的室内温度紧跟室外温度变化，波动幅度大。重质建筑的室内温度曲线则要平缓得多，峰值温度更低，而且峰值出现的时间有明显延迟。这种延迟效应意味着室内最热的时刻不是在下午三点室外最热的时候，而是在傍晚六点左右，这时室外温度已经开始下降，可以通过开窗通风快速降温。

材料选择与配置

不同的材料具有不同的蓄热性能。下表列出了常用建筑材料的热质量特性：

从表中可以看出，水的单位体积蓄热能力最强，是混凝土的近两倍。在一些实验性的被动式建筑中，设计师会使用水墙（一排排灌满水的塑料桶或金属容器）作为蓄热体。但水墙的建造和维护比较复杂，在常规建筑中还是以混凝土和砖石为主。

加气混凝土虽然是常用的墙体材料，但由于密度低，蓄热能力很差，不适合作为热质量体。如果外墙使用加气混凝土砌块以满足保温要求，那么应该在内墙和楼板上增加蓄热质量，以补偿外墙蓄热能力的不足。

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实用设计指南

在前面的介绍中，我们分别讨论了被动式太阳能加热、自然通风冷却和热质量调节等技术。但在实际设计中，这些技术往往需要结合使用，而且要根据具体的气候条件、建筑类型和使用需求进行调整。本节提供一些快速参考信息，帮助你在设计初期做出合理的判断。

气候分区设计要点速查

这个表格给出的是一般性建议，具体设计时还需要考虑建筑的具体功能、朝向条件、周边环境等因素。窗墙比是指某一朝向的窗户总面积与该朝向墙体总面积的比值，这个比值既影响冬季得热，也影响夏季防热，还涉及到自然采光和通风，因此是被动式设计中最关键的参数之一。

设计中的常见误区

在被动式设计的实践中，一些常见的误区会导致系统性能大打折扣，甚至产生负面效果。

1. 认为南向窗户越大越好。虽然南向窗户有利于冬季采光和得热，但如果没有配套的夏季遮阳措施，大窗会在夏季带来严重的过热问题。而且，过大的窗户会增加夜间的热损失，反而得不偿失。合理的做法是根据前面表格中的窗墙比建议，确定一个适中的窗户面积，然后通过精心设计遮阳板的尺寸和角度，实现冬季不遮挡、夏季全遮挡。

2. 忽视保温层的位置。在使用热质量技术时，保温层必须设置在蓄热体的外侧，而不是内侧。这个原则看似简单，却常常被忽视。如果把保温层放在内侧，就相当于把蓄热体与室内空间隔离开，蓄热体再厚也无法发挥作用。正确的做法是，外墙采用外保温系统，让墙体的结构层暴露在室内一侧；楼板不做吊顶或使用透气的轻质吊顶，让混凝土板直接与室内空气接触。

3. 照搬传统形式而不理解其背后的原理。虽然传统建筑中蕴含了丰富的被动式设计智慧，但这些智慧是在特定的气候条件、材料条件和生活方式下形成的。如果只是模仿表面形式而不分析其工作原理，往往无法达到预期效果。比如，传统的深出檐在南方炎热地区是为了遮挡高角度的夏季阳光，如果把这个形式用在北方寒冷地区，就会阻挡宝贵的冬季阳光。因此，在借鉴传统经验时，要着重理解“为什么这样做”，而不是简单地复制“做成什么样子”。

性能预期与辅助系统

需要明确的是，被动式设计系统并不能在所有情况下都完全取代主动式的供暖和制冷系统。在气候条件较为温和的地区，或者对室内温度要求不太严格的建筑类型中，被动式系统可能满足绝大部分需求，只在极端天气时需要少量辅助。但在严寒地区的冬季或炎热地区的盛夏，被动式系统更多是起到减轻负荷的作用，显著降低能耗，但仍需要辅助的供暖或制冷设备来保证舒适性。

一般来说，设计良好的被动式太阳能加热系统可以承担建筑总供暖负荷的30%到60%，具体比例取决于气候条件和建筑保温性能。在北京地区的一栋保温良好的住宅中，如果采用了直接受益式太阳能加热，整个冬季的辅助供暖能耗可以降低40%左右。在长江流域的夏热冬冷地区，自然通风和热质量调节相结合，可以使夏季空调能耗降低50%以上，在春秋两季甚至可以完全不使用空调。

因此，合理的设计思路是将被动式策略作为基础，尽可能减少建筑的能耗需求，然后为剩余的负荷配置高效的主动式设备。这种“被动优先，主动辅助”的原则，既能获得环境效益和经济效益，也能保证使用者的舒适性不受影响。

被动式设计是一门兼顾科学和艺术的学问。它要求设计师深入理解气候规律、建筑物理和人体舒适性的基本原理，同时也需要创造性地将这些原理转化为空间形式和构造细节。希望通过本文的介绍，你对被动式加热与冷却设计有了初步的认识，能够在今后的设计实践中，让建筑更多地与自然环境协作，创造出既舒适又节能的空间。