被动式加热与冷却设计

调节建筑温度，并不一定要依靠空调和暖气。事实上，人类历史上大部分时期，建筑师都在因地制宜、因气候制宜，利用自然规律设计出适应环境本身的空间，让建筑通过结构、朝向、材料等“被动手段”来改善室内环境，这就是“被动式设计”。

其核心理念就是：冬天让建筑尽可能多地吸收、储存太阳能（如通过向南的大窗、蓄热墙体、紧凑体型、良好保温等），减少热量损失；夏天则通过遮阳、通风、热质量调节等方式，将多余的热量尽快排出，实现降温。这种方式无需复杂设备和能源消耗，就能提升居住舒适度。

中国许多传统民居就是被动式设计的典范。如北京四合院里厚重的墙体和合理的院落布局，既能在白天吸热、夜间缓释，维持温度稳定，还能防风御寒；福建土楼则以厚墙蓄热、天井形成自然通风，即使盛夏楼内也能清凉。这些案例体现了因地制宜、就势取材的建筑智慧。

不过，被动式设计也有适用范围：它在中小型居住建筑、学校、小型办公楼等外表面积较大、核心区易接触外界的建筑中，效果显著。但对于超高层、大型商业综合体或对温湿度极为严格的特殊场所（如医院手术室、精密实验室），主动空调系统依然不可替代。被动式设计最适合建筑外表面积与内部空间比例较大的中小型建筑。对于超高层或大跨度建筑，核心区域难以与外部环境直接交互，被动策略作用有限。

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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。

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。

1. 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。

2. 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。

3. 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，其核心做法如下表所示：

这种系统的墙体从吸收热量到内表面温度升高通常需4～8小时，体现出其“储热-延时释放”的典型特性。这类设计尤其适合对眩光有严格要求，且夜间供热需求较为集中的场景。

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，以下总结了主要的设计要点：

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自然通风冷却系统

在没有空调的年代，人们巧妙地运用自然通风来提升室内舒适度。自然通风不仅能带走热量，还能降低湿度、驱散污浊空气。即使温度降幅有限，但空气流动也会增强人体的凉爽感。驱动自然通风的动力主要有两种：

穿堂风与横向通风

穿堂风是最直观、常见的通风形式：迎风面开窗形成正压、背风面开窗形成负压，空气穿过室内流通。其效果受进风口、出风口的位置、大小和室内空间开敞程度影响显著。

福建土楼案例

现代建筑设计实现穿堂风时需关注：

• 建筑平面进深：单面自然通风的有效进深 ≈ 房间净高的2~2.5倍，对流通风可达5倍
• 层高3米时，穿堂风依赖进深宜≤15米
• 进风窗面积应为地板面积的5%~10%，出风窗面积应等于或大于进风口
• 室内空间宜开敞，减少隔墙和家具阻碍气流

图示表明，“良好对流条件”下（进出风口合理、空间开敞）通风能力更高；在“有阻碍”时提升有限。提升开窗面积对通风的好处在于初期见效快，面积达到一定程度后，通风量提升趋于平缓，此时室外风速和空间布局成为瓶颈。

设计要点一览

烟囱效应与竖向通风

烟囱效应以热空气上升为基础。建筑顶部设排风口、底部设进风口时，升温后的空气自然上升排出，新鲜空气补充进来，形成竖向气流。

现代表现：
比如某五层办公楼内，中庭自一层贯通屋顶，顶部带可开启天窗。夏季，各层热空气汇入中庭，随温差驱动力上升并从顶端排出，无需用电驱动。实测显示，若室内外温差达5°C、中庭高15m，可实现2~3倍体积的每小时换气量，满足日通风需求。

烟囱效应的驱动力主要与以下因素有关：

竖井的高度最好为所服务空间的三分之一至二分之一，且越高效果越佳。出风口面积应大于或等于进风口面积，避免出现瓶颈影响通风效率。进风口应设置在最低处，出风口位于最高点，两者高度差越大越有利于增强烟囱效应。同时，应避免横向强风直接吹入进风口，否则可能导致气流倒灌现象。

通风设计参数参考

不同类型建筑的通风参数设计如下：

上述开窗面积为夏季参考值，宜根据当地风速调整。夏季平均风速< 2m/s时应增加窗户面积，>4m/s时可适当减少，但不能低于最低采光要求。自然通风的最大秘诀在于顺应自然——设计初期即应研究主导风向、风速的季节与昼夜变化等，合理安排朝向、体型和通风开口。

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热质量冷却系统

热质量，即材料对热量的储存能力。砖石、混凝土、土等重质材料升降温缓慢，在昼夜温差大的地方，恰恰可用来平抑室内波动，改善舒适性。

热质量的工作原理

以一堵厚混凝土墙体为例：

• 白天外热时，墙体自外表面吸热，热量缓慢向内传递。
• 傍晚墙体内表面才升温，此时室外气温已下降。
• 夜间，墙体释放白天储热，减小室内峰值温度。

结合夜间通风：
夜间引入室外冷空气流经墙体、楼板等，可主动带走热量，为次日储热腾出“空间”。这种策略在西北干旱地区尤其有效。

热质量调控空间温度举例

传统建筑中的热质量应用

• 黄土高原窑洞
  四周厚土（数米），比热大、变温慢。夏天地表高达40°C，洞内仍常年20°C左右；冬天地表零下，洞内维持在10°C以上，得益于土体“蓄冷/蓄热”缓冲与深层土壤热量交换。

• 藏族石砌民居
  墙体厚度达600~800mm，采用本地块石。高原昼夜温差极大（白天25°C，夜间5°C），石墙白天慢慢升温，夜间才释放热量，极大削减了室温的剧烈波动，即使不能达到理想温度，也能避免极端冷热。

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：

从图中可以看出，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。

热质量体必须与室内空气充分接触才能发挥作用。在设计时要避免在蓄热墙面或地面上大面积铺设保温材料。如果一定要使用地毯或木地板，应尽量减少覆盖面积，或者考虑在其他位置补充蓄热质量。

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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

上方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。

性能预期与辅助系统

被动式设计系统在绝大多数情况下难以完全取代主动式供暖和制冷，尤其在严寒或炎热的极端气候下，仍需借助辅助设备以保证室内舒适。但在气候较为温和、或温度要求不高的建筑中，被动设计可以满足主要需求，仅在极端天气下需要少量补充。总体而言，被动式策略主要用于降低能耗、减轻主动系统负荷，为提升整体能效和舒适性打下基础。

设计合理时，被动式太阳能加热系统可覆盖30%~60%的供暖负荷（视气候与保温性能而定），如北京地区高性能住宅应用直接受益式太阳能加热，冬季辅助供暖能耗可降低约40%；而在长江流域夏热冬冷区，结合自然通风与热质量调节，夏季空调能耗可减少50%以上，春秋甚至可完全不用空调。

因此，建议采用“被动优先、主动辅助”的设计思路：先利用被动措施尽量降低需求，再为剩余负荷配置高效设备。从而兼顾环境、经济及用户舒适多重目标。

被动式设计融合了科学与艺术，要求设计师既具备气候、物理与舒适性等基础知识，也能将原理转化为空间和构造细节。希望本文能帮助你在今后的实践中，充分利用被动式技术，让建筑空间与自然和谐协作，实现舒适与节能的双赢。