在被動式太陽能建築設計中，窗戶、牆壁和地板的作用是收集、儲存、反射和分配太陽能，在冬天以熱的形式，在夏天排出太陽熱。這被稱為被動式太陽能設計，因為與主動式太陽能加熱系統不同，它不涉及機械和電氣設備的使用。[ 1 ]
設計被動式太陽能建築的關鍵是最好地利用當地氣候進行準確的場地分析。要考慮的因素包括窗戶的位置和尺寸、玻璃類型、隔熱、熱品質和遮陽。[ 2 ]被動式太陽能設計技術最容易應用於新建築，但現有建築可以進行改造或「改造」。
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被動能量增益
被動式太陽能技術使用陽光，無需主動式機械系統（與使用集熱器的主動式太陽能相反）。此類技術將陽光轉化為可用熱量（水、空氣和熱品質），引起空氣運動用於通風或未來使用，而幾乎不使用其他能源。一個常見的例子是建築物赤道一側的日光浴室。被動冷卻是利用類似的設計原理來降低夏季冷卻需求。
一些被動系統使用少量的常規能源來控制阻尼器、百葉窗、夜間隔熱和其他增強太陽能收集、儲存和使用的裝置，並減少不必要的熱傳遞。
被動式太陽能技術包括用於空間加熱的直接和間接太陽能增益、基於熱虹吸管的太陽能熱水系統、使用熱質量和相變材料來減緩室內空氣溫度波動、太陽能炊具、用於增強自然通風的太陽能煙囪以及大地庇護。
更廣泛地說，太陽能技術包括太陽能爐，但這通常需要一些外部能量來對準其聚光鏡或接收器，並且歷史上尚未證明其廣泛使用的實用性或成本效益。隨著時間的推移，「低級」能源需求（例如空間加熱和水加熱）已被證明是被動利用太陽能的更好應用。
作為一門科學
被動式太陽能建築設計的科學基礎是結合了氣候學、熱力學（特別是傳熱：傳導（熱）、對流和電磁輻射）、流體力學/自然對流（空氣和水的被動運動，無需使用電力、風扇或泵），以及基於熱指數、濕度學和焓控制的人類熱舒適度，用於人類或動物居住的建築物、日光浴室、日光浴室和種植植物的溫室。
具體注意事項分為：建築物的場地、位置和太陽方向、當地太陽路徑、主要日照水平（緯度/陽光/雲/降水）、設計和施工品質/材料、窗戶的位置/尺寸/類型和牆壁，以及將太陽能儲存熱質量與熱容量結合。
雖然這些考慮因素可能針對任何建築，但實現理想的最佳化成本/性能解決方案需要對這些科學原理進行仔細、全面的系統整合 工程。透過電腦建模的現代改進（例如美國能源部的綜合性「Energy Plus」[ 3 ] 建築能源模擬軟體）以及應用數十年的經驗教訓（自20 世紀 70 年代能源危機以來）可以實現顯著的節能和減少環境污染。[ 4 ]事實上，被動式太陽能設計功能（例如溫室/日光浴室/日光浴室）可以以較低的單位空間成本極大地提高房屋的宜居性、日光、景觀和價值。
自 1970 年代 70 年代能源危機以來，人們對被動式太陽能建築設計有了許多了解。許多不科學的、基於直覺的昂貴的建築實驗都試圖實現零能耗——徹底消除供暖和製冷能源費用，但都以失敗告終。
被動式太陽能建築施工可能並不困難或昂貴（使用現成的現有材料和技術），但科學的被動式太陽能建築設計是一項不平凡的工程工作，需要對以前的反直覺經驗教訓進行大量研究，並且輸入、評估和迭代優化模擬輸入和輸出的時間。
最有用的施工後評估工具之一是使用數位熱成像相機進行熱成像，進行正式的定量科學能源審計。熱成像可用於記錄熱性能較差的區域，例如在寒冷的冬夜或炎熱的夏日，屋頂斜角玻璃或天窗的負面熱影響。
過去三十年所吸收的科學經驗已被納入複雜的綜合建築能源模擬電腦軟體系統（如美國能源部 Energy Plus）。
對於新手來說，科學的被動式太陽能建築設計和定量成本效益 產品優化並不容易。複雜程度導致了持續的糟糕建築，以及許多基於直覺的、不科學的建築實驗，這些實驗讓設計師失望，並將很大一部分建築預算浪費在不適當的想法上。[ 5 ]
科學設計和工程的經濟動機是重要的。如果從 1980 年開始將其全面應用於新建築建設（根據 1970 年代的經驗教訓），美國今天每年可以在昂貴的能源和相關污染方面節省超過 2.5 億美元。[ 5 ]
自 1979 年以來，被動式太陽能建築設計一直是教育機構實驗和世界各國政府（包括美國能源部）及其數十年來支持的能源研究科學家實現零能耗的關鍵要素。具有成本效益 的概念驗證是幾十年前建立的，但建築、建築業和業主決策的文化變革非常緩慢且困難。[ 5 ]
一些建築學院正在增設建築科學和建築技術等新科目，未來的目標是教授上述科學和能源工程原理。[需要引用]
被動式設計中的太陽路徑
同時實現這些目標的能力從根本上取決於太陽全天路徑的季節變化。
這是由於地球自轉軸相對於其軌道傾斜的結果。對於任何給定的緯度來說，太陽路徑都是唯一的。
在北半球非熱帶緯度距赤道超過 23.5 度的地區：
在南半球則相反，但無論您位於哪個半球，太陽都會從東方升起並從西方落下。
在赤道溫度低於23.5度的地區，太陽正午時的太陽位置會在一年中從北向南擺動，然後來回擺動。[ 7 ]
在距離北極或南極不到 23.5 度的地區，夏季時太陽會在天空中劃出一個完整的圓圈而不會落下，而六個月後的隆冬期間，它永遠不會出現在地平線上方。[ 8 ]
冬季和夏季太陽正午時太陽高度角 47 度的差異構成了被動式太陽能設計的基礎。這些資訊與當地氣候數據（度日）加熱和冷卻要求相結合，以確定一年中什麼時候太陽增益將有利於熱舒適度，以及什麼時候應該用遮陽來遮擋。透過策略性地放置玻璃和遮陽裝置等物品，可以全年控制進入建築物的太陽能增益百分比。
一個被動式太陽路徑設計問題是，儘管太陽在至日之前六週和之後六週處於相同的相對位置，但由於地球 熱質量
房間的精心佈置完善了被動式太陽能設計。對於住宅的一個常見建議是將起居區面向太陽正午，而睡眠區則位於對面。[ 9 ]日光儀是建築師和設計師用來幫助模擬太陽路徑效果的傳統可移動照明設備。在現代，3D電腦圖形可以直觀地模擬這些數據，並計算效能預測。[ 4 ]
被動式太陽能傳熱原理
個人熱舒適度是個人健康因素（醫學、心理、社會和情境）、環境空氣溫度、平均輻射溫度、空氣運動（風寒、湍流）和相對濕度（影響人體蒸發冷卻）的函數。建築物中的熱傳遞透過屋頂、牆壁、地板和窗戶的對流、傳導和熱輻射進行。 [ 10 ]
對流傳熱
對流熱傳遞可能是有益的，也可能是有害的。由於防風雨/擋風雨條/防風性能不佳而導致的不受控制的空氣滲透可能導致冬季熱量損失高達 40%；[ 11 ]然而，當室外空氣具有舒適的溫度和相對濕度時，策略性地放置可操作的窗戶或通風口可以增強對流、交叉通風和夏季冷卻。[ 12 ]過濾能量回收通風系統可用於消除未經過濾的通風空氣中不良的濕度、灰塵、花粉和微生物。
自然對流導致暖空氣上升和冷空氣下降，從而導致熱量不均勻分層。這可能會導致上部和下部空調空間的溫度發生不舒服的變化，作為排出熱空氣的方法，或被設計為自然對流氣流迴路，以實現被動式太陽能熱量分佈和溫度均衡。人體透過排汗和蒸發自然冷卻可以透過風扇的自然或強制對流空氣運動來促進，但吊扇會擾亂房間頂部的分層隔熱空氣層，並加速從熱閣樓或通過附近窗戶的熱傳遞。此外，高相對濕度會抑制人類的蒸發冷卻。
輻射傳熱
傳熱的主要來源是輻射能，主要來源是太陽。太陽輻射主要透過屋頂和窗戶（但也透過牆壁）發生。熱輻射從較溫暖的表面移動到較冷的表面。屋頂接收到房屋的大部分太陽輻射。除了輻射屏障之外，涼爽的屋頂或綠色屋頂可以幫助防止閣樓變得比夏季室外空氣峰值溫度更熱[ 13 ]（請參閱反照率、吸收率、發射率和反射率）。
窗戶是熱輻射的現成且可預測的場所。[ 14 ] 輻射產生的能量可以在白天進入窗戶，並在夜間從同一窗戶流出。輻射利用光子透過真空或半透明介質傳輸電磁波。即使在寒冷晴朗的日子裡，太陽得熱也可能很大。透過窗戶獲得的太陽熱量可以透過隔熱玻璃、遮陽和方向來減少。與屋頂和牆壁相比，窗戶尤其難以隔熱。透過窗簾及其周圍的對流熱傳遞也會降低其隔熱性能。[ 14 ]當遮陽窗戶時，外部遮陽比內部窗簾更能有效地減少熱量增益。[ 14 ]
西方和東方的陽光可以提供溫暖和照明，但如果不遮陽，夏季容易過熱。相較之下，正午的低太陽在冬季容易吸收光線和溫暖，但在夏季可以透過適當長度的懸挑或傾斜的百葉窗以及在秋季落葉的夏季遮蔭樹輕鬆遮陽。接收到的輻射熱量的多寡與位置的緯度、海拔、雲量以及季節/每小時的入射角有關（請參閱太陽路徑和蘭伯特餘弦定律）。
另一個被動式太陽能設計原理是，熱能可以儲存在某些建築材料中，並在熱量增益減輕以穩定晝夜（白天/夜間）溫度變化時再次釋放。對於新手設計師來說，熱力學原理的複雜相互作用可能是違反直覺的。精確的電腦建模有助於避免昂貴的施工實驗。
設計期間具體場地的考慮
溫帶氣候下住宅建築的設計元素
- 房間類型、內門和牆壁以及房屋內設備的放置。
- 將建築物朝向赤道（或向東傾斜幾度以捕捉早晨的陽光）[ 9 ]
- 沿東西軸線延伸建築尺寸
- 窗戶尺寸足夠大，可以在冬天面對正午的陽光，在夏天可以遮陽。
- 盡量減少其他側的窗戶，尤其是西側的窗戶[ 14 ]
- 建立尺寸正確、特定緯度的屋頂懸挑，[ 15 ]或遮陽元件（灌木、樹木、格子、柵欄、百葉窗等）[ 16 ]
- 使用適當數量和類型的隔熱材料，包括輻射屏障和整體隔熱材料，以最大限度地減少季節性過多的熱量增加或損失
- 在冬季利用熱質量儲存多餘的太陽能（然後在夜間重新輻射） [ 17 ]
面向赤道的玻璃的精確數量和熱質量應基於仔細考慮緯度、海拔、氣候條件和加熱/冷卻度日要求。
可能降低熱性能的因素：
- 偏離理想方位和南北/東/西縱橫比
- 玻璃面積過多（「過度玻璃」）會導致過熱（也會導致軟家具眩光和褪色）以及環境氣溫下降時的熱損失
- 在白天的太陽能增益和夜間的熱損失不易控制的地方安裝玻璃，例如朝西、有角度的玻璃、天窗[ 18 ]
- 非隔熱或無保護玻璃造成的熱損失
- 在陽光增益較高的季節期間缺乏足夠的遮陽（尤其是在西牆上）
- 錯誤地應用熱質量來調節每日溫度變化
- 開放式樓梯導致暖空氣上升時上下樓層之間的暖空氣分佈不均
- 建築表面積與體積之比較高，例如轉角過多
- 耐候性不足導致空氣滲透率高
- 炎熱季節缺乏輻射屏障或安裝不正確。 （另請參閱涼爽屋頂和綠色屋頂）
- 與主要傳熱模式不符的隔熱材料（例如不良的對流/傳導/輻射傳熱）
被動式太陽能加熱的效率與經濟性
從技術上來說，PSH 是非常有效率的。直接增益系統可以利用（即轉化為「有用」熱量）照射到孔徑或收集器的太陽輻射能量的 65-70%。
被動式太陽能比例 (PSF) 是 PSH 滿足的所需熱負荷的百分比，因此代表供熱成本的潛在降低。 RETScreen International 報告 PSF 為 20-50%。在永續發展領域，即使節省 15% 的能源也被認為是實質的。
其他來源報告了以下 PSF：
- 對於普通系統，為 5–25%
- “高度優化”系統為 40%
- 對於「非常激烈」的系統，高達 75%
在美國西南部等有利的氣候條件下，高度優化的系統可以超過 75% PSF。[ 19 ]
欲了解更多信息，請參閱太陽能空氣熱
主要被動式太陽能建築配置
有三種不同的被動式太陽能配置，[ 20 ]以及這些基本配置的至少一種值得注意的混合：
- 直接太陽能係統
- 間接太陽能係統
- 混合直接/間接太陽能係統
- 孤立的太陽能係統
直接太陽能係統
在直接增益被動式太陽能係統中，室內空間可作為太陽能收集器、吸熱器和分配系統。北半球的朝南玻璃（南半球朝北）允許太陽能進入建築物內部，直接加熱（輻射能吸收）或間接加熱（透過對流）建築物中的熱質量，例如混凝土或磚石地板和牆壁。作為熱品質的地板和牆壁被納入建築物的功能部分，並調節白天的加熱強度。晚上，加熱的熱質量將熱量輻射到室內空間。[ 20 ]
在寒冷的氣候下，陽光照射的建築是直接增益被動式太陽能配置的最基本類型，只需增加（稍微）朝南的玻璃面積，而不增加額外的熱質量。它是一種直接增益系統，其中建築圍護結構隔熱良好，在東西方向上拉長，大部分（約 80% 或更多）窗戶位於南側。除了建築物中已有的熱質量（即僅框架、牆板等）外，它幾乎沒有增加任何熱質量。在陽光照射的建築中，朝南的窗戶面積應限制在總建築面積的5%至7%左右，陽光充足的情況下應減少，以防止過熱。只有增加更多的熱質量，才能包括額外的朝南玻璃。該系統節省的能源有限，且陽光調節的成本非常低。[ 20 ]
在真正的直接增益被動式太陽能係統中，需要足夠的熱質量來防止室內空氣出現較大的溫度波動；與陽光照射的建築物相比，需要更多的熱質。熱品質不足或設計不當可能導致建築物內部過熱。地板、牆壁和天花板的大約二分之一到三分之二的內部表面積必須由蓄熱材料建造。蓄熱材料可以是混凝土、土磚、磚、水等。地板和牆壁的熱質應在功能和美觀的情況下盡可能保持裸露；熱質需要暴露在陽光直射下。應避免鋪滿地毯、大地毯、寬大的家具和大型壁掛。
通常，對於大約每 1 ft 2的朝南玻璃，需要大約 5 至 10 ft 3的熱質量（每 5 至 10 m 2 1 m 3）。當考慮到最小到平均的牆壁和地板覆蓋物以及家具時，這通常相當於每 ft 2約 5 至 10 ft 2 （每 m 2 5 至 10 m 2）朝南玻璃，取決於陽光是否照射直接表面。最簡單的經驗法則是熱質量區域的面積應為直接增益集熱器（玻璃）區域表面積的 5 至 10 倍。[ 20 ]
固體熱質量（例如混凝土、磚石、石頭等）應相對較薄，厚度不超過約 4 英吋（100 毫米）。具有大面積暴露區域的熱質量和一天中至少部分時間（最少 2 小時）處於陽光直射的熱質量性能最佳。應在陽光直射的熱質量元件的表面上使用具有高吸收率的中等到深色的顏色。不與陽光接觸的熱質可以是任何顏色。輕質元素（例如乾牆和天花板）可以是任何顏色。在黑暗、陰天和夜間時段，用緊密配合的可移動隔熱板覆蓋玻璃窗將大大提高直接增益系統的性能。由於自然對流換熱，塑膠或金屬容器內的水和置於陽光直射下的水比固體物質加熱得更快、更均勻。對流過程還可以防止表面溫度變得過於極端，就像深色固體塊表面接受陽光直射時有時會出現的情況一樣。
根據氣候和足夠的熱質量，直接增益系統中朝南的玻璃面積應限制在建築面積的 10% 至 20% 左右（例如，100 英尺2 的建築面積應使用 10 至 20 英尺2的玻璃） 。這應基於淨玻璃或玻璃面積。請注意，大多數窗戶的淨玻璃面積佔整個窗戶單位面積的 75% 至 85%。超過這個水平，織物可能會出現過熱、眩光和褪色的問題。[ 20 ]
間接太陽能係統
在間接增益被動式太陽能係統中，熱質量（混凝土、磚石或水）直接位於朝南玻璃後面和加熱的室內空間前面，因此沒有直接加熱。質量的位置阻止陽光進入室內空間，也會阻礙透過玻璃的視線。間接增益系統有兩種類型：蓄熱牆系統和屋頂水池系統。[ 20 ]
蓄熱（Trombe）牆
在儲熱牆系統中，通常稱為特朗伯牆，一面巨大的牆位於朝南的玻璃正後方，它吸收太陽能並在夜間有選擇地將其釋放到建築物內部。牆可以用現澆混凝土、磚塊、土坯、石頭或實心（或填充）混凝土塊建造。陽光透過玻璃進入，立即被牆體表面吸收，並被存放或透過材料體傳導到內部空間。當太陽能進入熱質量和窗戶區域之間的空間時，熱質量無法吸收太陽能。此空間的空氣溫度很容易超過 120 °F (49 °C)。透過在牆壁頂部安裝散熱通風口，可以將熱空氣引入牆後的內部空間。這種牆壁系統最初由其發明者愛德華·莫爾斯 (Edward Morse) 於 1881 年提出並獲得專利。該系統有時以 Felix Trombe 的名字命名，他是一位法國工程師，他於 20 世紀 60 年代在法國比利牛斯山脈使用這種設計建造了幾座房屋。
蓄熱牆通常由4 至16 英吋（100 至400 毫米）厚的磚石牆組成，磚石牆塗有深色吸熱飾面（或選擇性表面），並覆蓋有單層或雙層高透射率玻璃。玻璃通常放置在距離牆壁3 ⁄ 4英吋到 2 英吋的位置，以形成一個小的空間。在某些設計中，質量塊位於距離玻璃 1 至 2 英尺（0.6 m）處，但該空間仍然無法使用。熱質量的表面吸收照射到它的太陽輻射並將其儲存起來以供夜間使用。與直接增益系統不同，蓄熱牆系統提供被動式太陽能加熱，不會產生過多的窗戶面積和室內空間眩光。然而，利用景觀和採光的能力被消除了。如果牆內部不向室內空間開放，特朗伯牆的性能就會降低。安裝在牆壁內表面的家具、書架和壁櫃會降低其性能。
經典的特朗伯牆，通常也稱為通風蓄熱牆，在體牆的天花板和地板附近設有可操作的通風口，允許室內空氣通過自然對流流過它們。當太陽輻射加熱玻璃和牆壁之間的空氣時，空氣開始上升。空氣被吸入下部通風口，然後進入玻璃和牆壁之間的空間，被太陽輻射加熱，溫度升高並導致溫度上升，然後通過頂部（天花板）通風口返回室內空間。這使得牆壁可以直接將熱空氣引入空間；通常溫度約為 90 °F (32 °C)。
如果通風口在夜間（或陰天）打開，就會發生對流氣流逆轉，透過將熱量散發到室外而浪費熱量。通風口必須在夜間關閉，以便來自儲藏牆內表面的輻射熱加熱室內空間。一般來說，在不需要吸熱的夏季月份，通風口也會關閉。夏季時，可打開安裝在牆頂的外部排氣口，將空氣排放到室外。這種通風使得系統在白天充當太陽能煙囪，推動空氣穿過建築物。
事實證明，向內部通風的蓄熱牆有些無效，主要是因為它們在溫和天氣和夏季的白天傳遞了過多的熱量；它們只是過熱並造成舒適度問題。大多數太陽能專家建議蓄熱牆不應向內部通風。
Trombe 牆系統有多種變體。不通風的蓄熱牆（技術上不是特朗伯牆）在外表面捕獲太陽能，加熱並將熱量傳導到內表面，並在當天晚些時候從內牆表面輻射到室內空間。水牆使用一種熱質量，由用作熱質量的水箱或水管組成。
典型的不通風蓄熱牆由朝南的磚石或混凝土牆組成，外表面有深色吸熱材料，並飾有單層或雙層玻璃。高透射玻璃最大限度地提高了牆體的太陽能增益。玻璃放置在距離牆壁3 ⁄ 4至 6 英吋（20 至 150 毫米）的位置，以形成一個小空間。玻璃框架通常是金屬（例如鋁），因為乙烯基會軟化，而木材在牆內玻璃後面可能存在的 180 °F (82 °C) 溫度下會變得超級乾燥。陽光穿過玻璃的熱量被深色表面吸收，儲存在牆壁中，並透過磚石慢慢向內傳導。作為建築細節，壓花玻璃可以在不犧牲陽光穿透率的情況下限制牆壁的外部可見度。
水牆使用盛有水的容器來取代固體質量牆。水牆通常比固體質量牆的效率稍高，因為由於液態水中受熱時會產生對流，它們可以更有效地吸收熱量。這些電流導致快速混合，並且比固體質量牆提供的熱量更快地傳遞到建築物中。
外壁和內壁表面之間的溫度變化驅動熱量通過體壁。然而，在建築物內部，白天的熱量增益被延遲，只有在晚上因為太陽落山而需要時才在熱質量的內表面獲得。時滯是指陽光第一次照射到牆壁和熱量進入建築物內部之間的時間差。時滯取決於壁所用材料的類型和壁厚；厚度越大，時滯越大。熱質量的時滯特性與溫度波動的抑制相結合，允許使用不同的白天太陽能作為更均勻的夜間熱源。出於自然採光或美觀原因，可以將窗戶放置在牆上，但這往往會稍微降低效率。
蓄熱牆的厚度對於磚應約為10 至14 英吋（250 至350 毫米），對於混凝土應約為12 至18 英吋（300 至450 毫米），對於土/土坯應約為8 至12 英吋（200至300 毫米） ，以及至少 6 英吋（150 毫米）的水。這些厚度延遲了熱量的移動，使得室內表面溫度在傍晚時分達到峰值。熱量大約需要 8 到 10 小時才能到達建築物內部（熱量以每小時約一英寸的速度穿過混凝土牆）。內牆飾面（例如，幹牆）和熱質量牆之間的良好熱連接對於最大化向內部空間的熱傳遞是必要的。
雖然蓄熱牆的位置可以最大限度地減少室內空間白天過熱的情況，但隔熱良好的建築物應限制在每 ft 2受熱地板面積約 0.2 至 0.3 ft 2的熱質量牆壁表面（0.2 至 0.3 m 2每平方公尺建築面積），取決於氣候。水牆每 ft 2（每 m 2 0.15 至 0.2 m 2）建築面積 應有約 0.15 至 0.2 ft 2的水牆表面。
熱質牆最適合日間（晝夜）溫度波動較大的陽光明媚的冬季氣候（例如西南、山區西側）。它們在多雲或極冷氣候或晝夜溫差不大的氣候下表現不佳。在陰天和寒冷的氣候下，夜間通過牆壁熱質量的熱損失仍然很大；牆壁在不到一天的時間內失去儲存的熱量，然後洩漏熱量，這大大提高了備用暖氣的需求。在長時間陰天和夜間，用緊密配合的可移動隔熱板覆蓋玻璃窗將可提高蓄熱系統的性能。
蓄熱牆的主要缺點是熱量散失到外部。在大多數氣候下，雙層玻璃（玻璃或任何塑膠）對於減少熱量損失是必要的。在溫和的氣候下，單層玻璃是可以接受的。應用於蓄熱牆外表面的選擇性表面（高吸收/低發射表面）可透過減少透過玻璃輻射回的紅外線能量來提高性能；通常，它無需日常安裝和拆卸絕緣板即可實現類似的性能改進。選擇性表面由黏在牆壁外表面上的一片金屬箔組成。它吸收太陽光譜可見部分的幾乎所有輻射，並在紅外線範圍內發射很少的輻射。高吸收率將光在牆壁表面轉化為熱量，低發射率可防止熱量輻射回玻璃。[ 20 ]
屋頂池塘系統
屋頂池塘 被動式太陽能係統，有時稱為太陽能屋頂，通常在沙漠環境中使用屋頂上儲存的水來調節內部的冷熱溫度。它通常由平屋頂上裝有 6 至 12 英寸（150 至 300 毫米）水的容器構成。水儲存在大塑膠袋或玻璃纖維容器中，以最大限度地提高輻射排放並最大限度地減少蒸發。它可以不上釉，也可以用玻璃覆蓋。太陽輻射加熱水，水充當儲熱介質。在夜間或陰天時，貨櫃可以用隔熱板覆蓋。屋頂水池下方的室內空間由上方屋頂水池蓄水池發出的熱能加熱。這些系統需要良好的排水系統、可移動隔熱層和增強的結構系統，以支撐 35 至 70 lb/ft 2（1.7 至 3.3 kN/m 2）的靜態負載。
根據白天陽光的入射角，屋頂池塘僅在炎熱至溫帶氣候的低緯度和中緯度地區對加熱有效。屋頂水池系統在炎熱、低濕度的氣候下冷卻效果較好。目前已建成的太陽能屋頂並不多，關於蓄熱屋頂的設計、成本、性能和施工細節的資訊也有限。[ 20 ]
混合直接/間接太陽能係統
Kachadorian 證明，將 Trombe 牆水平放置而不是垂直放置，可以克服蓄熱牆的缺點。[ 21 ]如果蓄熱體被建造為通風混凝土板地板而不是牆壁，它不會阻擋陽光進入家中（特朗伯牆最明顯的缺點），但它仍然可以透過雙層玻璃暴露在直射陽光下。 -面向赤道的玻璃窗，夜間可以透過熱百葉窗或遮陽簾進一步隔熱。[ 22 ]特朗伯牆在白天熱量捕獲方面存在的問題延遲被消除，因為熱量不必穿過牆壁到達內部空氣空間：其中一些熱量立即從地板反射或重新輻射。如果樓板具有像特朗伯牆那樣的空氣通道，則該空氣通道在南北方向上穿過它，並通過北牆和南牆內的混凝土樓板地板排放到室內空氣空間，那麼穿過樓板的劇烈空氣熱虹吸仍然會發生就像垂直的特朗伯牆一樣，將滯留的熱量分佈到整個房屋（並在夏季通過相反的過程冷卻房屋）。
通風水平板的建造成本比垂直特朗伯牆便宜，因為它構成了房屋的基礎，而這對任何建築物來說都是必要的開支。地面板基礎是一種常見的、易於理解且具有成本效益的建築組件（僅通過包含一層混凝土磚空氣通道進行了輕微修改），而不是一種奇異的特朗布牆結構。這種熱品質太陽能建築的唯一缺點是沒有地下室，就像任何平板式設計一樣。
Kachadorian地板設計是一種直接增益被動式太陽能係統，但其熱質量也可充當間接加熱（或冷卻）元件，在夜間釋放熱量。它是一種交替循環混合能源系統，就像混合動力電動車一樣。
孤立的太陽能係統
在隔離增益被動式太陽能係統中，組件（例如集熱器和蓄熱器）與建築物的室內區域隔離。[ 20 ]
附加陽光空間，有時也稱為太陽能房間或日光浴室，是一種隔離增益太陽能係統，具有玻璃內部空間或房間，是建築物的一部分或附屬於建築物，但可以與主要佔用區域完全隔離。它的功能就像一個附加溫室，結合了直接增益和間接增益系統特性。陽光空間可能被稱為溫室，看起來像溫室，但溫室的設計目的是種植植物，而陽光空間的設計目的是為建築物提供熱量和美觀。陽光空間是非常受歡迎的被動設計元素，因為它們擴大了建築物的居住面積，並提供了種植植物和其他植被的空間。然而，在溫和和寒冷的氣候下，需要補充空間供暖，以防止植物在極冷的天氣下結冰。
附加陽光空間的朝南玻璃可以像直接增益系統一樣收集太陽能。最簡單的陽光空間設計是安裝沒有頂部玻璃的垂直窗戶。陽光空間由於其豐富的玻璃窗可能會經歷高熱量增益和高熱量損失。儘管水平和傾斜的玻璃在冬天會收集更多的熱量，但為了防止夏季過熱，它會被最小化。儘管頂部玻璃窗美觀，但隔熱屋頂可提供更好的熱性能。天窗可用於提供一些採光潛力。垂直玻璃可以在冬季太陽角度較低時最大限度地提高熱量增益，並在夏季產生較少的熱量增益。垂直玻璃更便宜，更容易安裝和隔熱，並且不易出現洩漏、起霧、破裂和其他玻璃故障。如果提供夏季遮陽，垂直玻璃窗和一些傾斜玻璃窗的組合是可以接受的。精心設計的懸挑可能足以在夏季為玻璃遮陽。
由熱量損失和熱量增加引起的溫度變化可以透過熱質量和低發射率窗口來緩和。熱質可以包括磚石地板、房屋邊界的磚石牆或水容器。建築物的熱量分配可以透過天花板和地板的通風口、窗戶、門或風扇來完成。在常見的設計中，位於與居住空間相鄰的陽光空間背面的熱質量牆將起到間接增益熱質牆的作用。進入太陽空間的太陽能被保留在熱質量中。太陽熱量透過陽光空間後部的共享質量牆和通風口（如不通風的蓄熱牆）或透過牆壁上的開口傳導到建築物中，這些開口允許氣流從陽光空間流向室內空間（就像通風的蓄熱牆）。
在寒冷氣候下，應使用雙層玻璃來減少透過玻璃到外部的傳導損失。夜間熱量損失雖然在冬季很嚴重，但在陽光空間中並不像直接增益系統那麼重要，因為陽光空間可以與建築物的其他部分隔離。在溫帶和寒冷氣候下，夜間將陽光空間與建築物熱隔離非常重要。建築物和附屬陽光空間之間的大玻璃板、法式門或滑動玻璃門將保持開放的感覺，而不會產生與開放空間相關的熱量損失。
具有磚石熱牆的陽光空間每 ft 2被加熱的地板面積需要大約 0.3 ft 2的熱質量牆壁表面（每 m 2地板面積 0.3 m 2），具體取決於氣候。壁厚應與蓄熱牆相似。如果在陽光空間和起居空間之間使用水牆，則每 ft 2被加熱的地板面積約 0.20 ft 2的熱質量牆表面（每 m 2地板面積0.2 m 2 ）是合適的。在大多數氣候下，夏季需要通風系統以防止過熱。一般來說，如果沒有針對夏季過熱採取特殊預防措施，例如使用熱反射玻璃和提供夏季遮陽系統區域，則不應在陽光空間中使用巨大的頭頂（水平）和東西向玻璃區域。
熱質量的內表面顏色應為深色。可以使用可移動的隔熱材料（例如窗簾、遮陽簾、百葉窗）來幫助在太陽落山後和陰天期間將暖空氣捕獲在陽光空間中。在極熱的天氣關閉時，窗簾可以幫助防止陽光空間過熱。
為了最大限度地提高舒適度和效率，非玻璃陽光空間的牆壁、天花板和地基應具有良好的隔熱性能。基礎牆或板的周邊應與霜凍線或板週邊隔離。在溫帶或寒冷氣候下，陽光空間的東牆和西牆應隔熱（無玻璃）。
額外措施
應採取措施減少夜間熱量損失，例如窗簾或可移動的窗戶隔熱層。
蓄熱
太陽並不是時時刻刻都照耀著。當太陽無法加熱建築物時， 蓄熱或熱質量可以使建築物保持溫暖。
在日間太陽能房屋中，儲存時間設計為一天或幾天。通常的方法是定制熱質。這包括特朗伯牆、通風混凝土地板、[ 23 ]蓄水池、水牆或屋頂池塘。[ 24 ]也可以直接使用地球本身的熱質量，或透過堆積或使用夯土作為結構介質將其納入結構中。[ 25 ]
在亞北極地區或長期沒有太陽能增益的地區（例如數週的凍霧），專門建造的熱質非常昂貴。唐·史蒂芬斯（Don Stephens）開創了一項實驗技術，利用地面作為足夠大的熱質量來儲存年熱量。他的設計在房屋下方 3 m 處運行一個獨立的熱虹吸管，並用 6 m 的防水裙邊對地面進行絕緣。[ 26 ]
絕緣
隔熱或超級隔熱（類型、位置和數量）可減少不必要的熱量洩漏。[ 10 ]一些被動式建築其實是用隔熱材料建造的。
特殊玻璃系統和窗簾
透過隔熱（例如雙層玻璃）、光譜選擇性玻璃（低輻射）或可移動窗戶隔熱（窗被、雙折內部隔熱百葉窗、遮陽簾等），可以顯著增強直接太陽能增益系統的有效性。 [ 22 ]
一般來說，面向赤道的窗戶不應使用抑制陽光增益的玻璃塗層。
德國 被動式房屋標準中廣泛使用了超隔熱窗戶。不同光譜選擇性窗戶塗層的選擇取決於設計位置的 加熱天數與冷卻天數的比率。
玻璃選擇
面向赤道的玻璃
垂直赤道玻璃的要求與建築物的其他三個側面不同。反射窗戶塗層和多層玻璃會減少有用的太陽能增益。然而，直接增益系統更依賴雙層或三層玻璃，甚至在較高地理緯度的四層玻璃來減少熱量損失。間接增益和隔離增益配置可能仍然能夠僅使用單層玻璃有效地發揮作用。然而，最佳的成本效益解決方案取決於位置和系統。
屋頂角玻璃和天窗
天窗讓刺眼的直射陽光和眩光[ 27 ]水平（平屋頂）或以與屋頂坡度相同的角度傾斜。在某些情況下，水平天窗與反射鏡一起使用，以增加太陽輻射的強度（和刺眼的眩光），這取決於屋頂的入射角。當冬季太陽在地平線上較低時，大部分太陽輻射會從屋頂斜角玻璃反射（早上和下午的入射角幾乎平行於屋頂斜角玻璃）。當夏季陽光很高時，它幾乎垂直於屋頂角度的玻璃，在一年中的錯誤時間最大化太陽能增益，並且就像一個太陽能熔爐。天窗應被覆蓋並隔熱良好，以減少寒冷冬夜的 自然對流（暖空氣上升）熱量損失，以及溫泉/夏季/秋季期間強烈的太陽熱增益。
建築物面向赤道的一側在北半球為南，在南半球為北。遠離赤道的屋頂上的天窗主要提供間接照明，除了夏季太陽可能從建築物的非赤道一側升起（在某些緯度）。朝東屋頂上的天窗在夏季早晨提供最大的直射光和太陽熱增益。朝西的天窗在一天中最熱的時候提供午後的陽光和熱量。
有些天窗採用昂貴的玻璃，部分減少了夏季太陽得熱，同時仍允許一些可見光穿透。然而，如果可見光可以穿過它，那麼一些輻射熱增益也可以穿過它（它們都是電磁輻射波）。
您可以透過在落葉（落葉）樹木的樹蔭下安裝天窗，或在天窗的內部或外部添加可移動的隔熱不透明窗戶覆蓋物，部分減少一些不必要的屋頂傾斜玻璃夏季太陽熱量的增加冰壩，縮短屋頂壽命，並為害蟲進入閣樓提供更容易的路徑。天窗上的樹葉和樹枝不美觀，難以清潔，並且會增加暴風雨中玻璃破損的風險。
僅採用垂直玻璃的「鋸齒屋頂玻璃」可以將被動式太陽能建築設計的一些優點帶入商業或工業建築的核心，而不需要任何屋頂角度玻璃或天窗。
天窗提供日光。在大多數應用程式中，它們提供的唯一視圖本質上是直接的。絕緣良好的燈管可以將日光帶入北方的房間，而無需使用天窗。被動式太陽能溫室為建築物的赤道一側提供了充足的日光。
紅外線熱成像彩色熱成像相機（用於正式能源審計）可以快速記錄屋頂斜角玻璃或天窗在寒冷冬夜或炎熱夏日的負面熱影響。
美國能源部表示：“垂直玻璃窗是陽光空間的最佳選擇。” [ 28 ]不建議屋頂斜角玻璃和側壁玻璃用於被動式太陽能陽光空間。
美國能源部解釋了屋頂斜角玻璃的缺點：玻璃和塑膠的結構強度很低。垂直安裝時，玻璃（或塑膠）承受自身重量，因為只有一小部分區域（玻璃的頂部邊緣）受到重力作用。然而，當玻璃偏離垂直軸時，玻璃的更大面積（現在是傾斜的橫截面）必須承受重力。玻璃也很脆；它在斷裂之前不會彎曲太多。為了解決這個問題，通常必須增加玻璃的厚度或增加支撐玻璃的結構支撐的數量。兩者都會增加整體成本，而後者會減少進入太陽空間的太陽能增益。
傾斜玻璃的另一個常見問題是其暴露在天氣下的時間增加。在強烈的陽光下，屋頂斜角玻璃很難保持良好的密封。冰雹、雨夾雪、雪和風可能會導致材料失效。為了居住者的安全，監管機構通常要求傾斜玻璃由安全玻璃、夾層玻璃或其組合製成，這會減少太陽能增益的潛力。奧蘭多機場皇冠假日酒店陽光空間的大部分屋頂斜角玻璃在一場暴風雨中被摧毀。屋頂傾斜玻璃會增加建築成本，並可能增加保險費。垂直玻璃比屋頂斜角玻璃更不易受到天氣損壞。
在夏季，甚至在溫和陽光明媚的冬日，很難控制帶有傾斜玻璃的陽光空間的太陽熱量增益。在需要空調的氣候下， 天窗是零能耗建築被動式太陽能冷卻的對立面。
入射輻射角
透過玻璃的太陽能增益量也受到入射太陽輻射角度的影響。與垂直線成 45 度角照射到單片玻璃的陽光大部分會被透射（反射率小於 10% ），而對於與垂直線成70 度角照射的陽光，超過20% 的光會被反射，而在70 度以上，反射的百分比急遽上升。[ 29 ]
所有這些因素都可以使用照相測光計和日光儀或光具座進行更精確的建模，它們可以根據入射角量化反射率與透射率的比率。
或者，被動式太陽能電腦軟體可以確定太陽路徑以及冷熱度日對能源性能的影響。
可操作的遮陽和隔熱裝置
面向赤道的玻璃過多的設計可能會導致冬季、春季或秋季的日間供暖過多，一年中某些時間的居住空間明亮得令人不舒服，以及冬夜和夏季的傳熱過多。
雖然夏至前後6週太陽處於同一高度，但夏至前後的暖氣和冷氣需求卻有顯著差異。地球表面的熱量儲存會導致「熱滯後」。變化的雲量影響太陽能增益潛力。這意味著特定緯度的固定窗戶懸垂雖然很重要，但並不是完整的季節性太陽能增益控制解決方案。
控制機制（例如手動或電動內部隔熱窗簾、百葉窗、外部捲簾或可伸縮遮陽篷）可以補償熱滯後或雲層造成的差異，並幫助控制每日/每小時的太陽能增益需求變化。
監控溫度、陽光、一天中的時間和房間佔用情況的家庭自動化系統可以精確控制電動窗戶遮陽和隔熱設備。
外部顏色反射 – 吸收
可以選擇材料和顏色來反射或吸收太陽熱能。使用電磁輻射顏色的資訊來確定其反射或吸收的熱輻射特性可以幫助做出選擇。[ 30 ]
在冬季白天較短的寒冷氣候下，當雪覆蓋地面時，利用面向赤道的窗戶的直接增益系統實際上可能表現得更好，因為反射陽光和直射陽光都會進入房屋並被捕獲為熱量。[ 31 ]
景觀美化和花園
用於仔細選擇被動式太陽能的節能景觀材料包括硬景觀建築材料和“軟景觀”植物。使用景觀設計原則來選擇樹木、樹籬和帶有藤蔓的棚架特徵；所有這些都可以用來創造夏季遮陽。對於冬季太陽能增益，最好使用在秋季落葉的落葉植物，這樣可以全年獲得被動太陽能效益。非落葉常綠灌木和樹木可以作為防風林，在不同的高度和距離上，提供保護和庇護，抵禦冬季風寒。使用「成熟大小合適」的本地物種和耐旱植物進行旱作、滴灌、覆蓋和有機園藝實踐，減少或消除了對能源和水密集型灌溉、燃氣驅動花園設備的需求，並減少了垃圾填埋場廢棄物腳印。太陽能景觀照明和噴泉泵，以及帶太陽能熱水器的有頂游泳池和小型游泳池可以減少此類設施的影響。
其他被動式太陽能原理
被動式太陽能照明
被動式太陽能照明技術增強了室內自然照明的利用，從而減少了對人工照明系統的依賴。
這可以透過仔細的建築設計、方向和窗戶部分的放置來收集光線來實現。其他創意的解決方案包括使用反射表面讓日光進入建築物內部。窗戶部分的尺寸應足夠大，為了避免過度照明，可以用遮陽板、遮陽篷、適當放置的樹木、玻璃塗層和其他被動和主動裝置進行遮擋。[ 32 ]
許多窗戶系統的另一個主要問題是它們可能是過度熱增益或熱損失的潛在脆弱點。雖然高位安裝的天窗和傳統的天窗可以將日光引入建築物朝向不良的部分，但不必要的熱傳遞可能難以控制。[ 33 ] [ 34 ]因此，減少人工照明所節省的能源通常足以抵消運行HVAC系統以維持熱舒適度所需的能源。
可以採用各種方法來解決這個問題，包括但不限於窗簾、隔熱玻璃和新型材料，例如氣凝膠半透明隔熱材料、嵌入牆壁或屋頂的光纖，或橡樹嶺國家實驗室的混合太陽能照明。
來自主動和被動採光收集器的反射元件，例如燈架、淺色牆壁和地板顏色、鏡面牆部分、帶有上部玻璃面板的內牆以及透明或半透明玻璃鉸鏈門和滑動玻璃門，可吸收捕獲的光線並被動反射它更裡面。光線可以來自被動式窗戶或天窗和太陽能燈管，也可以來自主動日光光源。在日本傳統建築中，帶有半透明和紙屏風的Shoji滑動門是一個原創先例。國際風格、現代主義和中世紀現代 建築是這種被動滲透和反映在工業、商業和住宅應用中的較早創新者。
被動式太陽能熱水器
利用太陽能熱能來加熱家庭用水的方法有很多。不同的主動式和被動式太陽能熱水技術對特定地點的經濟成本效益分析有不同的影響。
基本的被動式太陽能熱水加熱不涉及泵浦或任何電氣設備。在沒有長時間零度以下或多雲天氣條件的氣候中，它非常具有成本效益。[ 35 ]其他主動式太陽能熱水技術等可能較適合某些地點。
可以擁有主動式太陽能熱水，它也能夠「離網」並且符合永續發展的條件。這是透過使用光伏電池來完成的，光伏電池利用太陽的能量為泵浦提供動力。[ 36 ]
與歐洲被動式房屋標準對比
德國被動式房屋（德語為Passivhaus ）研究所所倡導的方法在歐洲的勢頭日益強勁。這種方法不是僅僅依靠傳統的被動式太陽能設計技術，而是尋求利用所有被動熱源，最大限度地減少能源使用，並強調需要透過對細節的細緻關注來加強高水平的隔熱，以解決熱橋和冷空氣滲透。大多數按照被動式房屋標準建造的建築物還配備了主動熱回收通風裝置，帶有或不帶有小型（通常為 1 kW）集成加熱組件。
被動式房屋建築的能源設計是使用基於電子表格的建模工具（稱為被動式房屋規劃包（PHPP））開發的，該工具會定期更新。目前版本是 PHPP 9.6 (2018)。當一棟建築符合一定標準時，即可被認證為“被動式房屋”，最重要的是房屋的年比熱需求不應超過15kWh/m 2 a。
與零供熱建築的比較
隨著超低 U 值玻璃技術的進步，人們提議建造基於被動式房屋的（近）零供暖建築，以取代歐盟明顯失敗的近零能耗建築。零供熱建築減少了被動式太陽能設計，使建築對傳統建築設計更加開放。零供熱房屋年比熱需求不應超過3 kWh/m 2 a。零供熱建築的設計和操作更簡單。例如：零暖氣房屋無需調節遮陽。
設計工具
傳統上，日光儀用於模擬一年中任何一天的任何時間照射在模型建築上的太陽的高度和方位角。在現代，電腦程式可以對這種現象進行建模，並整合當地的氣候數據（包括遮蔽和物理障礙等場地影響）來預測特定建築設計在一年內的太陽能增益潛力。基於GPS的智慧型手機應用程式現在可以在手持設備上以低廉的價格完成此操作。這些設計工具使被動式太陽能設計師能夠在施工前評估當地條件、設計元素和方向。能源性能優化通常需要迭代細化設計和評估流程。不存在一種「一刀切」的通用被動式太陽能建築設計，可以在所有地點正常運作。
應用程式層級
許多郊區獨立住宅可以在不明顯改變其外觀、舒適度或可用性的情況下實現暖氣費用的減少。[ 37 ]這是透過良好的選址和窗戶定位、少量的熱品質、良好但傳統的隔熱、防風雨以及偶爾的補充熱源（例如連接到（太陽能）熱水器的中央散熱器）來完成的。白天，陽光可能照射到牆壁上，並提高其熱品質的溫度。然後，這將在晚上將熱量輻射到建築物中。外部遮陽或輻射屏障加氣隙可用於減少不必要的夏季太陽能增益。
「被動式太陽能」方法的延伸，用於季節性太陽能捕獲以及熱量和冷卻的儲存。這些設計試圖捕捉暖季的太陽熱量，並將其傳送到季節性熱庫，以便在幾個月後的冷季期間使用（「年化被動式太陽能」）。增加的儲存。傳聞表明它們可能有效，但尚未進行正式研究來證明其優越性。這種方法還可以將降溫帶入暖季。範例：
「純被動式」太陽能加熱房屋沒有機械爐裝置，而是依靠從陽光中捕獲的能量，僅透過燈、電腦和其他特定任務設備（例如那些用於特定任務的設備）發出的「附帶」熱能進行補充。使用自然對流氣流（而不是風扇等機械裝置）來循環空氣是相關的，儘管嚴格來說不是太陽能設計。被動式太陽能建築設計有時使用有限的電氣和機械控制來操作阻尼器、絕緣百葉窗、遮陽篷、遮陽篷或反射器。一些系統使用小風扇或太陽能加熱煙囪來改善對流氣流。分析這些系統的合理方法是測量它們的性能係數。熱泵每提供 4 J 能量，可能會使用 1 J 能量，使 COP 為 4。
被動式太陽能建築設計通常是具有成本效益的零能耗建築的基本要素。[ 38 ] [ 39 ]雖然ZEB採用多種被動式太陽能建築設計理念，但ZEB通常不是純粹被動式的，它具有主動式機械可再生能源發電系統，例如：風力渦輪機、光伏發電、微水力、地熱能和其他新興替代能源來源。被動式太陽能以及其他被動式策略也是被動生存性的核心建築設計策略。 [ 40 ]
摩天大樓的被動式太陽能設計
最近人們對利用摩天大樓的大量表面積來提高其整體能源效率產生了興趣。由於摩天大樓在城市環境中越來越普遍，但需要大量能源才能運行，因此採用被動式太陽能設計技術有可能節省大量能源。一項研究[ 41 ]分析了倫敦擬建的22 Bishopsgate塔樓，發現理論上可以透過間接太陽能增益、旋轉建築物以實現最佳通風和日光穿透、使用高熱能來實現能源需求減少 35%使用大量地板材料來減少建築物內部的溫度波動，並使用雙層或三層玻璃低輻射率窗玻璃來獲得直接的太陽能。間接太陽能增益技術包括透過改變牆壁厚度（20 至 30 公分）來調節牆壁熱流、在室外空間使用玻璃窗以防止熱量損失、將 15-20% 的建築面積用於蓄熱，以及實施Trombe牆壁吸收進入空間的熱量。懸挑用於在夏季阻擋陽光直射，並在冬季允許陽光直射，並在熱牆和玻璃之間插入熱反射百葉窗，以限制夏季的熱量積聚。
另一項研究[ 42 ]分析了香港高層建築外部的雙綠皮立面（DGSF）。研究人員發現，這種綠色立面或覆蓋外牆的植被可以大大抑制空調的使用，抑制率高達 80%。
在氣候較為溫和的地區，玻璃窗、調整窗牆比、遮陽和屋頂策略等策略可以節省 30% 至 60% 的大量能源。[ 43 ]
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—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37