建筑学是一个跨学科领域，它整合了各个领域的原理以确保结构的正常运行。它与其所处的环境（包括环境）有着内在的联系。传统的设计原则旨在提高建筑物的生物气候性能。然而，当前的环境危机凸显了被动设计策略的必要性，即利用自然条件来调节建筑物的温度和能源消耗。问题是被动设计策略能否有效减少人类碳足迹。
全球能源需求和电力消耗的快速增长需要转向可持续发展和碳中和。变电站作为电网的重要组成部分，由于缺乏节能设计而消耗大量能源。用电量的扩大导致变电站众多，耗能因素多样。借鉴使用高效隔热、低传热窗和清洁能源进行温度控制的被动式建筑的经验，提出了一种被动式节能创新。被动式设计可以大幅降低各种气候和建筑类型下的能源消耗。在变电站的背景下，实施无源设计原则对于减少碳排放和提高能源效率至关重要。
什么是被动设计策略？
利用自然环境来减少对人工或机械气候控制的需求被称为被动设计策略。这意味着通过优化建筑物的布局、材料、开口和方向来充分利用自然成分，最终提高环境舒适度。当这些技术得到广泛应用时，单个建筑物变得更加生态友好，并且其总体能源使用量大幅减少。
环境、能源使用和公共健康都受到建筑施工和基础设施开发运营的重大影响。AEC 行业在全球资源枯竭和污染水平上升方面发挥着重要作用。根据《建筑 2030》最近的一项研究，全球每年 40% 的温室气体排放是由建筑环境产生的。这一令人担忧的统计数据表明，除了对环境影响较小的主动设计技术之外，建筑师和工程师迫切需要创造性的设计解决方案。在这种情况下，被动设计策略会很有帮助。
被动设计的一些好处
01节能
被动式设计策略可以帮助减少建筑物高达 70% 的能源消耗。这可以显着减少温室气体排放。例如，美国能源部的一项研究发现，德国的被动式住宅比典型的新住宅消耗的能源少70%。
02舒适与健康
被动式设计策略有助于创造舒适健康的室内环境。自然光和通风有助于减轻压力并提高生产力。例如，加州大学伯克利分校的一项研究发现，在有自然光的教室里的学生比在没有自然光的教室里的学生在测试中表现更好。通过提供自然光、促进自然通风和减少室内空气污染，被动设计技术可以增强健康和福祉。
03成本
从长远来看，被动设计策略可以节省能源成本。它们还可以降低初始建筑成本，因为它们通常比传统建筑方法需要更少的材料和劳动力。例如，国家可再生能源实验室的一项研究发现，被动式房屋的建造成本通常比传统房屋高 10-15%。尽管如此，它们每年仍可为房主节省高达 10,000 美元的能源成本。
04辅助功能
被动设计技术可以通过降低对机械系统的依赖来最大限度地降低原始建筑成本和持续运营成本，从而为更广泛的个人以更便宜的成本开发可持续建筑提供了可能性。
05可持续性
被动式设计是一种可持续的建筑设计方法，有助于减少建筑对环境的影响。它基于生物气候建筑原理，利用自然条件来调节建筑物的温度和能源使用。例如，落基山研究所的一项研究发现，被动式房屋可以减少建筑物高达 80% 的碳足迹。
如何利用被动设计来减少碳足迹
1- 方向
结构在其场地上与太阳和风有关的定位称为定向，它是一种被动设计概念。正确朝向的建筑物可以受益于被动式太阳能建筑，它可以最大限度地减少阳光直射并最大限度地提高自然通风，从而降低能源成本并提高室内舒适度。通过将建筑物定位为在冬季尽可能多地接受阳光照射，在夏季尽可能少地接受阳光照射，可以降低对供暖和制冷系统的要求并提高室内舒适度。同样， 通过调整建筑物的方向以利用盛行风，在不使用机械通风系统的情况下产生合适的室内气候是可行的。
2-窗户
选择在冬季允许光线进入并在夏季允许通风的孔径是被动设计的基本原则之一。值得注意的是，建筑行业对二氧化碳排放量有很大贡献，其中大量排放来自其原材料的制造。任何对地球环境产生影响的事物，无论是生物体还是无生命物体，都具有在其整个生命周期中测量的“碳足迹”。
3- 绝缘（保温隔热）
通过隔热改善建筑物的热围护结构可以最大限度地减少夏季的热量增加和冬季的热量损失。绝缘是一种被动设计方法。这降低了加热和冷却所需的能量，同时保持舒适的室内氛围。可以在建筑物的地板、墙壁、屋顶和 窗户上添加隔热材料 ，以减少热传递。三种最流行的隔热材料是泡沫、纤维素和玻璃纤维。当地温度、建筑物类型以及所需的能源效率水平都会影响所需隔热材料的类型和厚度。
4- 材料
除了集中于我们对建筑区域的利用和占用的生物气候方法之外，大量的温室气体排放与建筑材料的制造有关。例如，在钢铁和水泥的生产中会燃烧化石燃料。因此，必须优先考虑研发项目，以生产钢铁和水泥等大宗商品的可再生和可持续替代品。作为建筑系统的重要组成部分，绿色屋顶与被动式设计完美融合。此外，通过利用废物作为主要原材料并保证其可回收性，建筑材料更接近其自然生命周期，其中包括尊重环境的处置。建筑中使用的大量材料的生产和加工不仅对环境产生负面影响，而且常常没有带来任何好处。其相关学科的研究需要提供更加 生态友好的 方法和材料。减轻对地球的环境影响应包括使用预制构件、重新利用废料和寻找当地资源等策略。
5-自然通风
自然空气冷却可以通过交叉通风被动实现。为了最大限度地发挥这一策略，建筑物的布局应考虑当地的变量，例如在闷热的夏季利用盛行的风流。此外，靠近天花板的精心布置的孔口可作为较高区域附近积聚的热空气的通风口，从而降低室内温度。日晒或暴露在阳光下的概念是相似的。它需要调整建筑物的方向，以便阳光直射进入，尤其是在冬天等凉爽的月份。考虑阳光对建筑材料的影响也很重要。这些物质应该能够在白天收集热量，并在夜间以符合预期效果的方式逐渐释放热量或促进这些热交换。
6- 绿色建筑
绿色建筑具有许多优点，包括增强隔热和热效率、减少雨水径流、增加生物多样性和改善空气质量。绿色屋顶通常由安装在建筑物屋顶结构顶部的一层生长介质和植被组成。它们的复杂程度各不相同，从简单的屋顶花园到具有各种植物类型、土壤层和排水系统的广泛的绿色屋顶。绿墙，也称为垂直花园，具有类似的用途，但集成到建筑立面中。它们可以使用不同的方法进行设计，例如模块化系统和独立元素，并且可以根据建筑物的具体要求和位置种植各种植被。在绿色屋顶和墙壁的设计中，重要的考虑因素包括：植被的选择和数量、生长介质的选择、实施充足的排水和灌溉系统。
正确的设计和持续的维护对于确保这些功能的长期功能和可持续性至关重要。
结论
尽管被动设计有很多好处，但它可能无法处理项目的所有问题。尽管经常强调最大化立面设计和方向，但由于附近结构和市政规则的限制，新建筑项目的最佳位置有时可能是可能的。此外，随着全球气温上升更快，经典的无源设计解决方案的效果也会降低。随着气候条件变得更加不可预测和不稳定，极端天气带来的问题有时只能通过被动设计来充分解决。因此，研究考虑环境并减少人类对环境影响的设计和施工策略至关重要。这需要评估所使用的能源，提高建筑性能，并将整个项目范围内的所有这些组件整合在一起。
