图片来源:图片1:Robert Opaluch
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本文探讨了被动式太阳能和太阳能回火空间供暖在美国北部地区和都市区的可行性。我将通过观察美国北部22个大城市的气候数据来量化太阳能供暖潜力。这些城市的冬季气候不仅在温度范围上存在差异，而且在冬季日照量上也存在差异。冬季温度和云量是利用太阳能热量进行空间供暖的潜力和成本效益的主要决定因素。
本文还探讨了朝南的窗户和朝其他方向的窗户在太阳增益方面的差异。大多数消费者没有意识到窗户的朝向会在多大程度上影响光线和太阳热量的吸收。
被动式太阳能和太阳能回火建筑
35年前，我设计并建造了一个科罗拉多州经典的被动太阳能住宅．气候区的5号站点有5600个加热日数。
我的目标是建造一个节能的房屋，使用的材料的总成本不会超过典型的房屋建筑。通过朝南的大窗户获得的被动式太阳能提供了冬季空间的大部分供暖能源。该设计旨在大幅减少补充空间供暖，并将水电费降到最低。楼上的太阳能供暖房间只在最冷的夜晚(大约三分之一的仲冬夜晚)需要补充供暖。被动式太阳能获得热量几乎消除了对主楼层空间供暖的需求。与楼上不同的是，一楼铺有瓷砖的混凝土地板(具有大量的热质量)，以吸收热量，随后辐射出去，稳定内部温度波动。
这就提出了一个问题:在其他寒冷的北方气候条件下，被动式太阳能住宅是否能够成功建造，并且具有成本效益?这些气候条件比阳光充足但气候寒冷的落基山脉前山脉更具挑战性。对于一个经典的直接增益被动式太阳能设计，朝南的窗户墙与热质量搭配，答案似乎是“不”或“不容易”。例如，在新英格兰，连续五天阴天是很正常的。长时间的阴天会通过大窗户产生大量的热量损失，而获得的太阳热量很少。
即使不可能在其他气候条件下建造经典的被动式太阳能住宅，太阳能收益也可以用于大量的太阳能回火冬季住宅供暖。
美国北部都市区的冬季条件和太阳热量增加
表1列出了22个美国北部城市。这些城市在地理上分散，更多的城市位于东北部和五大湖地区。美国北部的大部分人口居住在这些大都市区或附近。
表1列出了各城市冬季气候统计数据
年采暖度日数(HDD)，是每个冬季所需采暖量的指标。温暖的HDD编号用棕色突出显示，寒冷的HDD编号用冰蓝色突出显示。
一月的平均气温(华氏度)是一年中最冷的月份。
冬季设计温度(°F)，或“最冷预期温度”。
北纬位置(赤道以北度数)。
一月的平均日照百分比(与阴天相反)。最高的百分比用绿色标出，最低的用红色和粉色标出。
一月，每平方英尺朝南窗户玻璃的平均日太阳热增益。
与丹佛相比，丹佛是榜单中太阳热量增加最多的城市。表中所列的城市是按照它们在仲冬季节获得的太阳热量降序排列的。
表1显示了采暖天数、冬季设计温度和一月份可利用阳光的平均百分比的巨大变化。最低的数字大约是最高的两倍。1月份，从朝南的窗户获得的太阳热量最高是最低的三倍。
一个有趣的结果是:当这些城市按照平均太阳热量增加来排序时，它们碰巧是按地理区域来排序的:
- 丹佛是一月份平均太阳热量增加最多的城市。
- 堪萨斯城(丹佛以东)，排名第二。
- 接下来的七个城市都位于东北部，沿大西洋海岸(普罗维登斯;哈特福德;波士顿;缅因州的波特兰。纽约市;费城;以及新罕布什尔州康科德(Concord)。
- 以下四个城市位于美国中北部和西部(明尼阿波利斯;盐湖城;北达科他州俾斯麦市;蒙大拿州比林斯)。
- 接下来是中西部和五大湖地区的六个城市(芝加哥;印第安纳波利斯;底特律;伯灵顿佛蒙特州;宾夕法尼亚州匹兹堡;纽约州布法罗)。
- 太平洋西北海岸的两个城市(波特兰，俄勒冈州;和西雅图)。
- 最后是阿拉斯加的安克雷奇，它位于太平洋北部海岸，是迄今为止太阳获得热量最少的地方。
这种地理顺序在图1中的地图中进行了说明。
图1描述了美国北部城市按太阳能加热潜力的分组，如表1所示。在建筑设计中应使用任何建筑地点的特定小气候，而不是在这张地图或表1中所示的粗略的太阳势能近似值。附录中引用的资源或其他互联网资源可能提供您所在位置或附近类似气候的气候数据。
从这个城市的平均冬季太阳热量增加潜力的排序，我们可以开始得出结论:
- 丹佛是冬季采光、利用太阳能热量为空间供暖和光伏发电的最佳地点。
- 堪萨斯城和东北海岸沿线的城市在冬季采光、空间供暖和光伏方面也很有前景。
- 阿拉斯加、太平洋西北部和中西部城市不适合依赖冬季太阳能供暖。
- 大水域以西的城市更有可能出现阴天天气。
接下来，我们需要更详细地探讨每个都会区太阳热量的增益和损失。
太阳热增益计算
在设计建筑物时，可以计算太阳能加热潜力。从窗户获得的太阳热量变化很大。如果窗户在仲冬季节得到阳光的直射，太阳能的热增益可能会为一个绝缘良好、密闭的建筑提供所需的大部分空间热能。太阳获得热量的一些重要因素是:
- 窗户玻璃的尺寸;
- 窗口的朝向或方向(例如，面向南、东、西或北);
- 太阳热增益系数(SHGC)，太阳增益潜力，通常为0.35至0.7，或35%至70%的高效新窗;和
- u系数(r值的倒数)，它衡量的是热量通过窗户散失到室外的速度。
表2显示了之前列出的城市每平方英尺窗户玻璃获得的太阳热量。
表2列出了美国北部22个城市的太阳能增益数据。
列1-3以与表1相同的顺序列出了相同的城市数据。
第3-6列分别列出了1月份每平方英尺玻璃的日太阳热量增加量，面向南、东、西和北的窗户(以及所有四个窗户的总和)。注意，朝东和朝西的玻璃提供了等量的太阳热量，但东方主要在上午获得，而西方主要在下午获得。
第7栏显示了来自朝南玻璃的太阳能获得总量的百分比。请注意，1月份所有城市的大部分太阳能收益都来自朝南的窗户。越向北，在隆冬期间，朝南的窗户相对于其他方向的增益百分比越大。
第8栏显示(红色负数)1月份每平方英尺玻璃的平均日热量损失(假设玻璃的等级为R-5或U=0.2，窗罩在夜间增加一些绝缘，达到U=0.15)。一扇新的、价格合理但绝缘良好的窗户(夜间使用蜂窝百叶窗)将达到与表中所列类似的价值。
第9列显示了朝南窗户每天的净热增益(即太阳热增益减去热损失)。
最后一列(#10)显示了与窗户玻璃的热增益相比，净热增益的百分比。这表明，尽管有损失，但从南窗获得的收益有很大一部分被保留了下来，除了阿拉斯加的安克雷奇。
请注意(在最后两列，#9和#10中)，丹佛的净太阳热量获得比列表中其他任何地方都要好。堪萨斯城和七个东北沿海城市在一月份的平均净太阳热量增加方面几乎一样好。在榜单底部，安克雷奇是唯一一个通过朝南窗户平均净热量损失的城市。一月份，安克雷奇所有窗户获得的太阳热量都非常少(热量损失非常大)，即使是朝南的窗户，热量损失也远远超过了收益。对于所有其他区域，通过朝南的窗户获得的太阳热量超过了通过玻璃损失的热量。
在第7栏“总收益的南方百分比”中，请注意，在列表中的每个城市中，朝南的窗户提供了大部分的太阳能收益。在一月份，朝南的窗户获得的太阳能总比东、西、北加起来还要多。朝南的窗户提供了59%至77%的总太阳能收益，尽管只占四扇相同尺寸窗户玻璃的25%。为了最大限度地提高冬季室内采光和太阳热量的吸收，朝南的窗户应该比朝其他方向的窗户大一些。
请注意，朝南的窗户通常获得的太阳热量(第3列)至少是损失的热量(第8列)的两倍。相反，朝东、向西和向北的窗户在1月份失去的热量(第8列)比获得的热量(第4或第5列)要多。丹佛除外。(在丹佛，朝东和朝西的窗户确实有25%的净太阳热量增加，这是正的，但只有朝南窗户75%的净太阳热量增加的三分之一。)
布法罗、匹兹堡和太平洋西北部的城市表现不如大多数其他城市。他们的净太阳吸热量只有丹佛的四分之一。美国中西部和中北部榜单上的其他城市获得的净太阳热量约为丹佛的一半。
太阳增益数据的假设与利用
为了模拟任何事物，你必须做出一些合理的假设。这里使用的窗户规格可能是典型的Pretty Good House设计，是相对高性能的窗户，但在负担得起的范围内。
只调查了22个城市，而且只在美国北部，加拿大或欧洲的可比数据并不容易获得，文章长度和可读表格大小的限制限制了所列出的城市。
窗户的朝向仅限于正南、东、西、北。通过使用网络资源计算其他方向窗户的太阳能增益，也可以进行类似的分析。
加热天数每年都不同，因此可能会找到其他HDD数字。电力成本也随着时间的推移而变化。但总的来说，如果改变值以反映其他信息源，将出现类似的总体模式，不太可能改变此建模工作的任何主要结论。对于您的特定建筑项目，窗户规格和气候数据比这里的概括更重要。
在建筑设计中利用窗户朝向的知识可以放大这些表中提到的效果
设计师和建筑商可以在朝南的窗户上使用更高的太阳热增益窗户，在朝北、向西和向东的窗户上使用更高的r值(低u系数)窗户，以进一步增加太阳热增益，减少整体热损失。在被动式太阳能和太阳能调节住宅中，通常有更多或更大的窗户朝南，较少或更小的窗户朝其他方向。
不同的窗口大小和数量可以增加或减少太阳能的收益和热量损失，从而影响整体能源性能。
利用太阳能热增益的便利性和价值
在某些气候条件下，最大化利用冬季太阳能比在其他气候条件下更容易。
太阳能供暖的成本效益也因地区而异。电力、天然气或其他加热燃料的成本会影响被动太阳能热增益在冬季空间供暖的使用。被动式太阳能热增益在电力或其他加热燃料成本较高的地区，或不太富裕的住户，或更关心可持续建筑的建筑师、业主或建筑商中更有价值。
绝缘和密封良好的节能住宅可能会使用电动微型热泵、电阻电热或辐射电热作为被动太阳能或太阳能回火空间加热的备份或替代品。高性能住宅中空间供暖所需的热量较少，使得昂贵或复杂的供暖系统不再具有成本效益或必要。因此，在下面的分析中，用电成本被用来计算太阳热增益的值。
表3显示了美国北部城市的太阳能净收益和太阳能收益的价值。
前六列列出了相同的22个美国城市和其他先前显示的数据，这些数据有助于确定太阳能热增益用于空间供暖的价值和易用性。
第7栏计算了每个城市利用窗户获得的太阳热量为建筑物供暖的容易程度。此太阳能增益指数使用南窗玻璃每平方英尺每天的净热量btu，并除以该位置的加热度天数。(结果还要乘以100，这样数字就转化为一个简单的个位数范围。)
净太阳能收益越大，冬季所需的供暖越少，该指数的得分就越高。
那些缺乏明显的净太阳热量增加，或者需要大量冬季供暖的地区，在这一指数上得分较低。
这个简单的计算提供了一个指标来评估位置，以方便使用被动式太阳能或太阳能回火冬季空间供暖。
第8列计算了一个指数，显示了一个地点获得太阳能热量的成本效益或价值。此太阳能价值指数使用南侧玻璃窗每平方英尺每天的净热量btu，并乘以加热度日数和电价。(结果还要除以1000万，这样数字就变成了个位数。)
太阳能的净收益越大，冬季所需的采暖量就越大，电价越高，该指数的得分就越高。
需要大量供暖、电价高、太阳能净收益好的地区得分更高。
如果一个地区不能产生大量的太阳能净收益，冬季供暖需求较少，或者对微裂热泵、电辐射供暖或电阻电供暖的电价低廉，则得分较低。高性能的家庭可能会使用这些空间加热设备，因为在绝缘良好、密封的家庭中需要较少的空间加热能源。
这个简单的计算为被动式太阳能或太阳能回火冬季空间供暖的价值或成本效益提供了一个衡量标准。
美国、加拿大、欧洲和其他地方的更多城市可以添加到这个列表中，以计算相对的太阳能加热便利性和价值。只有他们的(1)净朝南玻璃热增益;(2)冬季采暖度;和(3)电力成本，将需要创建一个更全面的清单。
美国北部22个城市的名单可以根据太阳能收益和太阳能供暖价值这两个指数重新排序。表4和表5显示了重新排序的列表。请注意，东北部沿海城市现在与丹佛和堪萨斯城一样，在太阳能获得热量的价值上排名很高(由于东北部的高电价)。同样，东北沿海城市利用太阳能获得的热量为冬季空间供暖看起来很有前景。除此之外，排序仍然与之前从南窗获得的太阳热量排序相似(表1至表3)。
太阳热量增加的季节变化
美国北部地区以冬季供暖为主(这意味着冬季供暖需要更多的能源，而夏季制冷则需要更少的能源)。因此，太阳热量增加的分析集中在美国北部22个地区最冷的月份(1月)。在12月和1月，正午时分太阳在地平线上的位置很低。因此，朝南的窗户比朝其他方向的窗户捕捉到更多的光线，从而产生更多的太阳热量。
然而，美国北部的许多地区会经历令人不适的炎热的夏天和寒冷的冬天。窗户散发的热量会导致过热。夏季(北半球6月至8月)的日照总量比冬季(12月至2月)要多。在选择窗户的位置、大小和性能特征之前，我们需要检查全年的太阳热量增加，而不仅仅是一月。
表6列出了罗德岛州普罗维登斯(东北沿海城市，看起来最有希望使用太阳能供暖)每天每平方英尺窗户玻璃的热量单位。
前五列列出了一年中的每个月，以及面向南、北、东或西的窗户玻璃每平方英尺的日太阳热增益，以及四个窗户方向的平均热增益。
表中最右边的第6列显示了一个朝南的窗口与三个朝北、朝东、朝西的窗口之和的收益百分比。
在表格的底部，是朝南、朝北、朝东和朝西窗户的年度收益总和。
表中数据表明:
- 从9月到4月，朝南的窗户能产生最自然的采光和太阳热量。采光和热量增加是可取的，特别是在美国北部寒冷的冬季取暖为主的气候
- 令人难以置信的是，在12月和1月，朝南的窗户获得的光和太阳热量大约是朝北窗户的15倍。
- 在12月和1月，朝南的窗户每平方英尺获得的光线和太阳热量是朝东或朝西窗户的3.5倍左右。
从黄色突出显示的单元中注意到:在冬季，从11月到2月，一个朝南的窗户产生的光和太阳热量比分别朝北、向东和向西的三个窗户产生的光和太阳热量的总和还要多。
从5月到8月，朝东或朝西的窗户产生的热量最多。在夏季的几个月里，热量的增加通常是不可取的，尤其是在美国东南部以降温为主的气候中
朝北的窗户在一年中每个月产生的自然采光和太阳能热量最少。在以降温为主的气候条件下，或者在美国任何地方的炎热夏季，北窗都是最理想的，但在美国北部寒冷和黑暗的冬季，就不是这样了。
罗德岛州的普罗维登斯在美国北部城市中并不独特。此前研究的22个美国北部地区都显示，朝南的窗户在冬季具有相同的优越能源性能。
1月份，在所有22个城市中，一个朝南的窗户产生的太阳热量比朝北、朝东、朝西的三个窗户产生的太阳热量还要多。朝南的窗户的优势范围从至少140%(印第安纳波利斯)和144%(丹佛)，到最极端的179%(西雅图)和338%(阿拉斯加极北的安克雷奇)。
考虑到窗户的热损失会产生更极端的结果，有利于朝南的玻璃。在表2中，注意到朝北的窗户总是BTU的净损失，因为在所有22个城市中，热损失超过了微薄的太阳能热收益。即使是朝东和朝西的窗户，损失的热量也超过了太阳热量的增加，丹佛除外。表4只看了太阳热量的增加，没有考虑损失。如果算上损失，朝南的窗户的优势就更大了。
定位和调整窗户，以提高家庭能源性能
由于在一月份，对于北纬地区的家庭来说，热量的增加是很理想的，因此，如果南侧的窗户在中午没有遮挡阳光，那么将窗户设在南侧比其他方向要有利得多。
在炎热的夏季，通过窗户获得的太阳热量通常是不可取的。尽管在12月和1月，朝南的窗户比其他方向的窗户有更高的太阳能增益，但由于太阳在正午位置的变化，夏季的情况发生了显著变化。在夏季的几个月里，太阳的路径发生了变化。在6月，中午太阳更接近头顶，因此南侧窗户获得的太阳热量要少得多。与此同时，由于六月左右(北半球)的太阳辐射量较大，通过朝东和朝西的窗户获得的太阳热量更大。在夏季的几个月里，直到8月底，朝东和朝西的窗户比朝南的窗户吸收更多的热量。朝西的窗户在下午(通常是一天中最热的时候)吸收热量，因此除非有良好的遮阳，否则朝西的窗户尤其不受欢迎。
请注意，表6中淡蓝色突出显示的值表明，在6月和7月，朝南的窗户比朝东或朝西的窗户获得的热量少。
下面的图2总结了关于太阳热增益的数据。这些信息有助于选择朝向不同方向的窗户的最佳方向和大小。
结论
- (1)为了利用冬季从窗户获得的太阳热量(并将夏季的热量减少到最低)，我们可以在冬季，当太阳在正午的地平线上出现较低时，建造一个有良好的朝南太阳能通道的建筑物。修改物业的景观，以优化冬季太阳热量的增加(并减少夏季太阳热量的增加)。
- (2)为了在冬季中期利用窗户吸收的太阳热量(并将夏季的热量吸收降至最低)，我们可以尽可能地在南纬15度以内设置更多更大的窗户，并尽量减少朝北和朝西(也许还有朝东)的墙壁上的玻璃。
- (3)总的来说，在美国几乎所有的气候条件下，通畅的朝南窗户在冬季获得的热量都大于损失的热量。
- (4)在冬季，朝南的窗户提供的光和太阳热量大约是朝北窗户的15倍。
- (5)在冬季中期，朝南的窗户比朝东和朝西的窗户能提供三倍以上的光线和太阳热量。
- (6)在夏季，朝南的窗户比朝西或朝东的窗户获得的不良太阳能要少。
- 朝东的窗户在清晨室内温度最低的时候提供阳光，因此它们比朝西的窗户更有用。在冬天的早晨，朝东的窗户对温暖寒冷的房子更有用，但很快就会被朝南的窗户带来的温暖所取代。
- (8)通畅的朝西窗户主要在下午产生热量。即使是在冬天的下午，下午也可能不需要额外的空间供暖。在夏天，下午的热量增加通常是不可取的。尽量把朝西的窗户设计得更小、更少。
- (9)根据当地气候进行设计，考虑冬季温度(加热日数和冬季设计温度)、云量(或1月份可利用阳光的平均百分比)和电力成本(或取暖燃料)。气候带温度很重要，可用的太阳能热收益和公用事业价格也很重要。
- (10)设计时计算太阳热增益，并与热损失进行比较。
- (11)调整窗户的位置、大小和玻璃选择(SHGC和u系数)，以优化冬夏季节的自然采光和太阳吸热。
- (12)考虑为朝向不同方向的窗户安装不同的玻璃。朝南的窗户采用较高的SHGC玻璃可以优化热量获得，朝西的窗户采用较低的SHGC玻璃。朝北和朝西的窗户采用较低u系数(较高r值)的玻璃往往具有较低的SHGC。
- (13)设计屋顶悬檐、露台或甲板覆盖物和景观，以在冬季保持阳光通畅，并在夏季为朝西和朝东的窗户遮阳。朝南的窗户在8月下旬也增加了太阳热量。
- (14)利用可持续的太阳能供暖来降低建筑的热负荷、公用事业账单和补充空间供暖系统。
- (15)在节能的高性能住宅中考虑成本较低的微型裂式热泵或更简单的电阻或辐射供暖，这些住宅的加热负荷要低得多。
- (16)减少在更大、更复杂的补充空间供暖系统上的支出，拨出资金用于更多的隔热、空气密封措施和更节能的门窗。重新分配成本将降低空间供暖系统的成本和复杂性，并可以使太阳能供暖提供更大比例的空间供暖。
- (17)城镇可以通过纳入分区法律和激励措施，为建筑用地提供朝南的太阳能接入，并保护现有建筑的太阳能接入，从而提高能源效率和公共健康。
附录:参考文献
以下网络资源对收集气候和太阳增益数据很有用。其他互联网数据源可能包含一些不同的数据，但数据的模式将导致类似的结论。
可持续设计克里斯托弗·格隆贝克。西雅图,华盛顿。
学位日．
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bob Opaluch在科罗拉多州设计并建造了一座被动式太阳能住宅，在马萨诸塞州翻修了两座住宅，并拥有多年的翻新、维护、维修和家具制造经验。他在罗德岛州普罗维登斯市的一个成人教育组织“终生学习合作”中开设了一门可持续建筑课程。鲍勃在布朗大学获得应用数学和哲学学位，在加州大学洛杉矶分校获得心理学学位。他做了五年的心理学教授，做了20年的软件和网站可用性设计工程师。
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25日评论
优秀的资源!
感谢Bob分享这篇非常详尽的文章!
我还想听听你们/GBA社区对热质量及其与太阳热增益关系的看法。据我所知，一些被动式房屋的建造者会倾倒8英寸厚的混凝土板，用于太阳能的热量分配。这真的有必要吗?这在多大程度上有帮助?有地板托梁/地板的房子应该选择瓷砖而不是木头吗?
一个简单的提示:对于热增益计算，您似乎假设SHGC为0.5。这对吗?(如果我忽略了这些假设，我很抱歉。)
热质量
里克,
谢谢你的意见。是的，分析假设所有窗口的SHGC=0.5，这在文章前面没有说明。较高的SGHC=0.7可用于朝南的玻璃，以增加太阳能收益，但仍能获得良好的热损失性能(例如，具有SHGC=的Cardinal LoE-180玻璃。69年,U = 26)。在美国销售的大多数窗户中空玻璃单元更接近SGHC=0.3，以避免夏季过多的太阳能收益。这对于被动式太阳能住宅来说并不适用。
热质量性能的建模似乎很难或近似。据我所知，在直接增益被动太阳能设计中，超过4英寸厚的平板厚度并不能让你获得更多的额外储热或抑制温度波动。被动式住宅以在厚板地板(8英寸到10英寸厚度可能很常见)下面有大量泡沫隔热材料而闻名，以保持在有限的热损失预算内。很好地绝缘热质量是很重要的，但是在被动式太阳能住宅中，被动式住宅的绝缘水平可能会过高。
木地板上的瓷砖地板不能提供太多的热质量(大约1/2英寸对4英寸厚板)，但比木地板多。因此，你可以有一个太阳能回火的室内，在木质框架结构上铺设瓷砖或木地板，但不是完全被动太阳能，除非你在其他地方也有其他显著的热质量。
[对于那些不熟悉术语的人…
—如果建筑物在冬季能提供足够多的太阳能热量，在阳光充足的日子里保持建筑物内部的温暖，那么它们就被认为是“太阳能调节”的。
“被动式太阳能”要求阳光照射在热质量上(例如，混凝土板地板、砖石墙、大型水容器)，以便大部分太阳能热量被储存在热质量中，以避免白天室内空气过热。当太阳不照耀时，热质量还会辐射储存的热量，以防止室内温度过低。)因此，如果设计得合理，热质量可以抑制太阳辐射带来的每日温度波动，使室内温度保持在10华氏度(5摄氏度)以内。
“主动太阳能”包括收集太阳能的热量，并通过泵或风扇将热空气或液体转移到某个存储位置，以便在需要时用于加热。
我计划在未来的博客中更多地介绍如何有效地设计被动式太阳能住宅。
罗伯特。
这是一个非常基本的问题，我承认我不知道答案。
当建筑师(是的，我曾经为客户做过)绘制南向窗户的日照图时，他们通常会根据夏季和冬季中午太阳的角度来决定遮阳的悬挑深度。但这个角度代表了一个短暂的时刻，太阳路径的大部分弧度，虽然仍然影响太阳的增益，但在中午两侧的时间段内要低得多。
是否有可能确定一个适当的夏季遮阳期，同时也允许冬季太阳能获得高峰?比方说，太阳在上午11点和下午1点的角度?在这段时间里，窗户是应该完全遮阳，还是只是在中午遮阳，两边各遮阳一部分?如何以一种比普通弧线图更复杂的方式优化这个底纹?
非常感谢楼主的分享
非常感谢你和我们分享这些。
很有帮助
谢谢你分享你的想法，鲍勃。很有帮助。我期待着阅读你未来的文章。
介绍屋顶悬垂和遮阳
以下是文章中没有包含的一些信息，可以为那些不熟悉Malcolm提出的主题的人提供背景信息。
—太阳的最高角度(北半球)在6月21日左右，中午太阳几乎在头顶上，只是稍微朝南方地平线。太阳从东方升起，越过头顶，然后在西方落下，很少有阳光直射到朝南的墙壁或窗户上。这对于朝南的窗户来说很好，因为在炎热的夏天，你不想让太阳直射在你的窗户上，导致太阳热量在你的房子内部增加。
中午太阳的最低角度是在12月21日左右，那时太阳在南方地平线上很低，即使是在中午。中午前后太阳更低。因此，在冬季，阳光会照在朝南的墙壁和窗户上。这对于朝南的窗户来说很好，因为在寒冷的冬天，你想要阳光照在你的窗户上，温暖你的房子内部(也提供采光)。
——从季节上看，冬季最冷的温度和夏季最热的温度，在路径和强度上滞后于太阳的季节变化。不幸的是，到8月下旬，仍然是炎热的夏季天气，但太阳的路径已经改变，在地平线上比6月21日低。你想给朝南的窗户遮阳，以避免太阳热量的增加。一种遮阳方法是让屋顶的悬垂突出到朝南的墙壁之上，以便在8月下旬给朝南的窗户投下阴影。不幸的是，不管这些屋顶悬空造成的阴影是什么，在4月21日(6月21日之前的两个月)和在4月21日之后的两个月(8月21日)造成的阴影一样多。因此，在春天和夏末，悬垂的屋顶会让房子更凉爽。但是没有什么是完美的，所以建筑师和建筑商可以设计屋顶悬垂来减少夏天的过热。
朝西和朝东的窗户的悬挑、遮阳和尺寸对于防止夏季过热是最重要的!早晨建筑物东侧的夏季强烈阳光，以及炎热的下午建筑物西侧的阳光，都大于照射在建筑物南侧的阳光。详见表6。
设计朝南的屋顶悬挑
马尔科姆,
首先，感谢您在GBA问答文章中分享许多有用的意见和想法。我们中的许多人都从彼此的经验和见解中受益匪浅。
我认为被动式太阳能的关键设计标准包括窗户的位置和大小，热质量，以及做足够的绝缘和空气密封，这样只有太阳能获得的热量才能提供大部分的家庭冬季空间供暖，同时避免夏季过热。对于朝南的窗户，设计悬垂以最大限度地提高冬季的太阳能收益，同时减少夏季的太阳能收益是有用的，但更多的是一个细节，而不是被动太阳能收益管理的主要贡献。我知道有些人不同意这种观点。
建筑场地景观和邻近建筑的遮阳分析是至关重要的。被动式太阳能建筑朝南的窗户需要在冬至上午9点或10点到下午2点或3点(此时太阳在地平线上较低)有良好的太阳能照射。这就是你在太阳正午前后对冬季太阳角度的观察最关键的地方。
就我个人而言，我认为我们应该关注更好的窗户遮阳方法，而不是屋顶悬垂。屋顶的悬挑可以遮阳窗户的顶部，但允许太阳能从底部获得。可调节的遮阳篷，窗帘，窗帘，外部百叶窗，甚至落叶树木，或其他遮阳方法，可以提供比固定屋顶悬挑更灵活和更完整的遮阳。它们可以在夏末炎热的天气里工作得很好，但在春天凉爽的日子里也不会遮挡阳光。因此，我建议在冬季设计悬挑，尽量减少遮阳，而不用太担心夏天(对于冬季为主的北方气候)。
正如你所指出的，为下面的窗户设计一个好的朝南的屋顶是一个复杂的问题。理想情况下，目标是不要挡住朝南窗户冬日的阳光。为了避免在12月21日中午遮阳，设计屋顶悬挑，导致在1月、2月和11月的中午，当你仍然想要阳光的时候，窗户顶部会有一些遮阳(尽管在上午10点或下午2点，你不会遮阳窗户顶部，因为那时太阳在地平线上的位置较低)。如果你设计的是最佳的冬季性能，那么在夏末你就会得到不受欢迎的太阳热量增加。
如果你要在窗户顶部画一条12月21日的遮阳线，然后从窗户底部画一条6月21日的遮阳线，交点可以用来设置屋顶悬垂的最低、最远的点。这将为太阳中午的日期提供理想的遮阳。但正如你所指出的，到8月底，或6月21日白天的早些时候或晚些时候，它不会像你想的那样给窗户遮阳。在1月、2月和11月，你更喜欢阳光充足的时候，它还能遮住一些窗户顶部。但这可能是一个很好的妥协。
屋顶的悬挑越大，做遮阳分析就越重要，因为阴影的大小有很大的不同。因此，对于传统的Cape风格的住宅来说，小的悬挑在任何季节都不会给窗户遮挡太多。将它们延伸到窗户的顶部会有效果，但不会延伸到窗户下面太远。在传统的南方种植园风格的房子里，有门廊和巨大的屋顶悬垂，你可以设计一个朝南的悬垂，在6月完全遮挡朝南的窗户，但在冬天却不会遮挡大部分窗户顶部。Cape风格的住宅出现在北方冬季为主的气候中并非偶然;南部种植园风格的房子，大窗户，大悬檐和宽门廊，在美国南部凉爽的气候中占主导地位。它们适合气候。
在冬天提升情绪
感谢所有精彩的细节和评论，以及你在这种高效家居设计方面的工作。
在冬天，当许多人发现天气暖和时很难出门时，让大量的阳光进入家中是一种提升情绪的方法。研究表明，当阳光进入房间时，学校里的孩子和工作中的成年人情绪更好，更能完成复杂的工作。
80年代末，我们在密歇根东南部自己设计建造了一座被动式太阳能房子。简单的2x6，外部1“铝皮聚碳酸酯泡沫，朝南后方有较大的窗户和门，其他墙壁上很少有窗户。我们在所有朝南的窗户和门上都有大约2英尺的悬垂，在这个纬度下工作得很好。但是，不要使用空调。我们发现最冷的日子是非常晴朗的，让大量的光和热进入，这与一些人所说的该地区的被动太阳能相反。在这些寒冷晴朗的日子里，炉子很少整天开着。有点像今天，11度，阳光明媚，室内舒适，高压系统在控制。
晚上我们在窗户上拉上严密的隔热帘，以减少热量损失。
我们在该地区的能源消耗几乎低于其他家庭，这主要是由于被动式太阳能设计，成本并不比传统的高。
当我们的城市、州和公用事业公司停止用太阳能税惩罚那些有太阳能电池板的人时，我们将在我们朝南的大屋顶上增加太阳能电池板。这似乎是灾难性的全球变暖的“该死的鱼雷，全速前进”。
黑暗的冬天会影响人的情绪
文斯,
完全同意。你的家和我设计建造的科罗拉多被动式太阳能房子在结构上看起来很相似。我也喜欢明亮的阳光和温暖的室内温度。(再加上低水电费和在停电情况下的弹性。)住在太阳能房里肯定能治愈冬季忧郁和季节性情绪失调(SAD)。我的姑奶奶过去和家人一起住在俄勒冈州，但在那里阴冷的冬天，她不得不搬到别处去住。
优化热增益
为了优化通过窗户获得的热量，高度隔热的百叶窗将改变所有的数字。5年多前，我在加拿大西部北纬51度的地方建造并安装了R20-30闭式百叶窗。这是一座超过1万平方英尺的大房子，有1300平方英尺的双层玻璃窗。这些电池板在冬天的夜晚关闭了15个小时，产生的差异远远大于热质量或太阳能增益。这是一个实验，5年后的今天，我可以说它超出了我的预期。
同样，三年前，由于对快门效果非常满意，我建造了一个“低质量、超级隔热的朝南太阳能门廊”。窗户面积为400平方英尺，秘诀是质量低。获得的太阳能不是储存在窗户附近，晚上就会损失掉，而是通过打开的门进入主楼。只有隔热门在晚上关闭，然后门廊与主要供暖建筑隔离。这也是非常有效的。我们想要保留我们的太阳热量，而不是通过同一扇窗户把它带进来。
罗伯特。
谢谢你的夸奖，也谢谢你的解释。我发现它既有趣又有用。值得记住的是，这些80年代早期的房子是我们今天进行如此富有成效的讨论的主要原因之一!
太阳能探路者
好文章!
对于那些试图确定方向、悬空大小和角度的人来说，最好的工具是太阳探路者(Solar Pathfinder)和许多类似的新应用程序，它们可以显示全年任何地点的所有角度和方位角。用于太阳能光伏安装为最bang for buck。
草图大师
我使用谷歌Sketchup，免费版本，在我即将建造的房子上粗略地建模阴影。你建造一个简单的房子，然后你可以设置你的纬度，然后选择日期/小时。它很整洁，因为你可以选择一个日期，然后把时间从上午移到下午，然后看着影子在房子里跳舞。
我的房子朝南45度，有一面大墙(38')，有4扇朝西南的大窗户和2扇朝东南的大窗户。36英寸的悬垂，9英尺的墙壁。12月21日没有遮阳。6月21日，清晨只能看到太阳直射，傍晚只能看到房子西北侧的窗户。南墙看到大约6英寸的阳光照射在每个窗口的底部。9月1日和3月1日的模型揭示了适度的暴露，因为太阳已经下降到足以抵消大部分的悬着效益。然而，一些有战略意义的落叶树和我几乎消除了我的夏季窗口阳光照射。我们的房子里有一些30英尺高的年轻枫树，非常适合移植到我们需要最大化冬季收益和减少夏季收益的确切位置。
太阳模拟器的运动
我用这个网站来分析我的网站。它是免费的，不需要下载。NAAP实验室太阳模拟器的运动
那么眩光呢?
获得免费的热量和阳光来改善情绪是很棒的。
但是，如何应对强光呢?除了注意你把家具放在哪里，还有什么别的吗?
例如，如果我的客厅/餐厅/厨房的开放空间占据了整个朝南的房子，我应该把电视放在哪里?不是说我白天看得多(或根本不看)，但还是:)
另外，例如，如果我要在白天吃早午餐/午餐，我应该把餐桌放在哪里?我们把它设计成东西方向，在南侧我们有一个2.5米宽的大门。冬天，坐在餐桌北侧的人眼睛里会有阳光吗?
回复Davor Radman
达沃,
你提出了一个重要的问题。我年纪大了，还记得上世纪七八十年代的被动式太阳能住宅。许多人都有眩光问题。太多朝南的玻璃会让房子在2月和3月非常不舒服。
请注意，页面顶部的照片显示的是1982年的被动式太阳能房屋。如果我没记错的话，这栋房子有室内遮阳帘或窗帘，许多朝南的窗户都使用了这些。我经常看到这种情况:首先，设计师设计了太多朝南的玻璃;然后，房主在室内安装了遮阳板，以减少眩光。
太阳能增益过热室内
请注意，本文并不提倡经典的被动式太阳能设计，尽管精心设计的被动式太阳能住宅在干燥寒冷的冬季气候中非常适用(但不适用于冬季多云的气候)。我将在下一篇文章中讨论被动式太阳能和其他家居设计问题。
这篇文章指出了在冬天使用朝南的窗户来捕捉热量(和自然光线)的重要性，同时在夏天(相对于朝西和朝东的窗户)也不会吸收那么多的热量。它量化了一些美国气候(而不是其他气候)如何利用太阳能热增益为空间供暖，或通过设计来管理太阳能热增益，经济有效地降低水电费。这些原则适用于所有类型的建筑，不幸的是，在细分设计、建筑设计和建筑朝向中可能会被忽略。我希望我们学会更好地管理太阳能，减少我们对辅助供暖和空调的依赖，减少对化石燃料的使用，并为那些负担不起的人减少公用事业成本。不仅仅是设计被动式太阳能或太阳能调节建筑。
我同意一些被动式太阳能住宅确实制造了朝南的玻璃幕墙，可能事先没有量化太阳热量的增加。缺乏足够的热质量也可能是一个常见问题(导致冬季内部温度大幅波动，即过热)。我敢打赌，隔热不足也是一个常见的问题，特别是对于作为夜间供暖系统的热质量而言。我们同意热量损失和太阳能收益计算应该做优化任何家庭设计。我看到很多例子，人们在没有事先“计算”的情况下尝试一些事情。过度的玻璃，绝缘不足，过大的暖通空调和使用库存住宅方案而不进行现场分析，似乎很常见。恕我直言，典型的美国隔热不足的家庭，使用超大的化石燃料加热和空调，是我们最需要关注的失败设计。我希望这篇文章能引导人们考虑量化任何类型的家庭的太阳能收益，而不仅仅是面向太阳能的设计。
眩光
在冬天中午前后，朝南的窗户，在白天晚些时候(特别是在夏天)，以及在夏天朝东的窗户，都可能会出现眩光问题。对于朝北的窗户来说，这不是问题，因为在一年中的任何时候，朝北的窗户几乎都不会受到阳光的直射。像大多数事情一样，一件好东西可能吃多了。采光好，太阳的热量在冬天很好，在炎热的夏天不太好。避免朝南的窗户，因为在极少数情况下，人们在不考虑太阳能增益或眩光影响的情况下建造窗户墙壁将是一个错误。朝西的窗户是一个更大的问题，在炎热的下午晚些时候需要某种遮阳。有很多方法可以提供遮阳，或者在朝西和朝东的窗户上使用低SHGC窗户，以避免夏季室内过热。
为了在被动式太阳能住宅中使用直接增益板(如图所示)来最佳地吸收太阳能热量，许多太阳能住宅设计师建议板地板是深色的。他们还建议天花板是白色的，这样可以将光线反射到地板上。从工程角度来看，这是有道理的，但对人类的感知来说却不是。我认为这些建议是错误的，因为深色地板和白色天花板和墙壁的强烈对比增加了眩光的感觉。照片中的家庭展示使用了陶瓷地砖，虽然颜色各异，但总体上是咖啡色。(如果有兴趣，可以看看GBA文章中的内景照片:
//www.slccoatings.com/homes/passive-solar-home-1980s
我把墙壁的颜色从米白色改成了咖啡色(这是我在室内设计课上的建议)。虽然眩光不是一个大问题，但均匀的内部颜色降低了颜色对比度，似乎确实减少了眩光的感觉。如果地板是深色的，房子的表现可能会好一点，但眩光可能会是一个更大的问题。
不确定我什么时候拍的照片，除了显示AM阴影，而且不是在冬天，因为落叶植物有叶子。在任何家庭中，朝南的窗户都不会在那个时候拉上窗帘，除非有人需要一个黑暗的室内环境，比如想要睡懒觉。我不记得在冬天用墨镜来减少强光或过热。这个房子有足够的，隔热良好的热质量瓷砖板地板，定量地设计，以抵消冬季的热量损失与太阳热量的增加。然而，在炎热的夏天，我确实遇到了从朝西的窗户获得太多太阳热量的问题。
在任何类型的家庭中，遮阳板、悬垂物或许多其他选择都可以用来减少太阳热量的增加，以减少交流电或不舒服的室内温度。使用窗帘并不是被动太阳能或其他类型的家庭的缺陷。
如果眩光是一个问题，你可以用薄窗帘或部分拉开的“从下往上，从上往下”的蜂窝窗帘来管理照明水平。然而，如果需要遮阳来减少冬季过热，那么向西或向南的窗户可能存在过度玻璃的设计错误。我做了热量损失，空气渗入，太阳能收益，以及每小时室内温度的计算(使用铅笔和纸，在家用电脑可用之前)。目前，有很多软件和顾问可以进行计算，或者自己用电子表格进行计算。对于任何房屋设计，热量损失、太阳能收益和其他分析都需要进行，以获得最佳结果，特别是考虑到建造房屋的高成本。“算算吧!”
定位家具
达沃,
我不太熟悉这些照明问题，所以希望有人能插话。
透过窗户的光线并不都是阳光直射。朝北的窗户就是一个很好的例子，因为除了六月左右的黎明和日落，朝北的窗户没有直接的光线。这些间接光线来自各个方向，包括朝南的窗户，尽管直射阳光要强烈得多。
在一个房间里，光线很可能来自不同方向的多个窗户。在冬天的中午，即使房间里只有一扇朝南的窗户，光线也会从窗台和地板上反射回来，使光线扩散，尤其是在房间的另一端。
在12月21日的太阳正午时分，从典型高度朝南的窗户中射出的光线会将大约13英尺的阳光直射到房屋内部。早几个小时或晚几个小时，光线可能会延伸得更远，但强度会降低。同样，它会反射地板和其他表面，使光线扩散。朝西或朝东的窗户也类似，只是在一天的晚些时候或早些时候不同。在表6中，注意夏季从朝西或朝东的窗户射进来的光线，与仲冬期间从朝南的窗户射进来的光线大致相同。
我认为如果你坐在阳光直射的地方，而不是在房间的另一端，眩光会是一个更大的问题。所以我不认为盯着房间对面的餐桌不是什么大问题。
如果你的电视屏幕在阳光直射下，就很难看到屏幕。如果电视机在同一面墙上，在仲冬的中午，靠近南窗，窗户发出的光可能会比你的电视或电脑屏幕亮得多。你可能看不清电视，还会感受到窗外的强光。(当然，你可以使用滤光帘或遮光帘来解决这个问题。)朝东或朝西的窗户也一样，分别在一天的早些时候或晚些时候。北窗几乎没有阳光直射，所以问题不大。
如果电视本身不在阳光直射的地方或附近，并且与接受阳光直射的窗户成90度角，应该没问题。需要避免阳光直射和电视屏幕的对比。在你的电视或电脑屏幕上可以看到窗户或物体在阳光直射下的反射(在你身后)。电视或电脑屏幕上的玻璃也可以是高反射的光滑玻璃，以获得最佳的视觉屏幕性能，或者可以是反射性较弱的玻璃，以减少对屏幕反射的干扰。
在早期，电脑屏幕有遮光罩，可以阻挡来自上方和侧面的光线。那些屏幕不是很亮。但如果你真的不想移动电视，又有眩光问题，除了窗帘或窗帘之外，你可以用其他方法来阻挡电视屏幕反射的光线，或在观看方向上与电视产生过多的眩光。你也可以增加你的屏幕的亮度，这是一些电脑屏幕自动做的(取决于环境光水平)。
希望这能有所帮助!
眩光
我们似乎没有强光的问题。我们有中深色木地板，油毡和瓷砖。我们的主要起居空间有白色的墙壁和平坦的白色天花板。我们没有宽敞的开放空间，不能在窗户和玻璃门附近放置家具。这可能有助于驱散强光。
我妻子的办公室很小，有很多朝南的玻璃，晴天就拉上窗帘。在一个阳光明媚的早晨，她总是第一个把它们拔起来，也许是因为家里的空间比较大。通常她，我和猫坐在太阳下，如果我们可以的话。
我对目前建造成本高昂的黑暗被动式房屋的小窗户不太确定，即使你能找到能做正确工作的人，但非常低的能源消耗是很棒的。也许我们不应该让完美成为美好的敌人。
对David Martin的回应
大卫,
你不应该寻找u系数高的窗口，而应该寻找u系数低的窗口。u因子越低，性能越好。[我注意到在我写了这个回复之后，你编辑了你的评论，把“高u值”改为“低u值”。这就说得通了。
顺便说一下，U-0.24的u因子并不坏。SHGC为0.39则被认为是低太阳能增益玻璃，而不是高太阳能增益玻璃。所以，如果你一心一意地想要高太阳能吸收的玻璃，你应该继续寻找。
有关更多信息，请参见所有关于玻璃的选择．
玻璃
我的房子南面有35年的自制固定玻璃窗需要更换。我在佛蒙特州当地的供应商没有找到低U值和高SHGC的玻璃。我应该对U为0.24和SHGC为0.39感到满意吗?如果没有，我怎样才能以合理的价格找到更好的替代品呢?
高SHGC玻璃
不幸的是，在美国，大多数销售的窗户SHGC都很低。加拿大公司可能是你最好的选择(例如，Thermotech, Accurate Dorwin, Inline)。
你可能会发现一个双层或三层的密封绝缘玻璃单元(IGU)，在任何一块窗格上都没有“热镜”低-e处理，或者很少有低-e处理，不会减少那么多的太阳能增益。氩气填充可以负担得起，并添加约R-1。
枢机玻璃为被动式太阳能应用制造LoE-180。但是我不相信他们会零售密封玻璃，只卖给窗户制造商。
http://www.cardinalcorp.com/products/coated-glass/loe-180-glass/
PPG工业公司生产两种SHGC值低/高的产品:Sungate 500和Sungate 100窗玻璃，SHGC值约为0.7。像卡地纳一样，PPG只生产窗户玻璃，我不认为将玻璃零售，只卖给窗户制造商。
http://www.vitrowindowglass.com/lowe_glass/sungate_500.aspx
你可能需要订购窗户，而不仅仅是密封的双层或三层igu。
自从我在20世纪80年代建造被动式太阳能房子以来，就没有低辐射的窗户可用。我使用了双层玻璃窗户和四个大型双层玻璃igu(用于现场建造固定窗户)。u因子= 0.5，即R-2，以今天的标准来看非常糟糕。我在晚上使用褶皱或蜂窝状遮阳帘，有时还会在下雪天使用隔热百叶窗来减少热量损失。你可能会找到或制作未经处理的三层玻璃单元，甚至尝试使用三层玻璃为自己的现场建造固定窗户，如果你正在寻找最终的廉价解决方案。在佛蒙特州，由于玻璃层之间的水分，你可能很难起雾。也许一些干燥剂包可以帮助减少起雾?
无论你找到什么igu可以零售，请与我们分享。
高SHGC选项
在科罗拉多，我发现Milgard和Pella有高SHGC，低E选项。
好文章!这是我读过的最好的一本。
很棒的文章. .
我的印象是，在冬天，朝南的超级隔热墙比被窗户取代的太阳能吸收潜力更有效。但这可能是因为我所在的位置有点多云艾奥瓦州艾奥瓦市第五区?
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