传统建筑为抵御气候和季节变化带来的温度影响，在供暖和制冷方面消耗大量能源。但只需一些基本的思考和规划，再结合这10种 被动式太阳能建筑设计技术，就能大幅降低这些能源成本。以下是4个关键理念：
1. 优化空间布局
不恰当（左）和恰当（右）的炎热气候聚落空间布局。照搬其他气候区的网格布局以及建筑间距过大，既不能提供遮阴，也无法阻挡风。非网格的有机布局能够提供遮阴，也可经过设计以阻挡风，避免风道效应带来的问题。图片来源：作者。
右图：高纬度地区住宅区布局示例，每处住宅既有私密性，又拥有朝向赤道的一面和屋顶，以最大限度地利用太阳能。灰色圆圈代表树木，灰线代表树篱（优先采用）或围栏。图片来源：作者。
2. 优化建筑形态和布局
对于被动式低碳建筑而言，较低的表面积与体积比（S/V）最为理想。这一比值是建筑外表面积与内部体积之比。
紧凑度 C = 体积 / 表面积
建筑规模也是一个因素：形态相同的小建筑，其S/V比会高于较大的建筑。U值、换气率和朝向相同，但S/V比和/或规模不同的建筑，供暖需求可能存在显著差异。这带来以下影响：
小型独立建筑应采用非常紧凑的形态（正方形接近理想的最优形态——圆形）；
较大的建筑可以采用更复杂的几何形态；
S/V比较高时，需要增加保温层，才能达到相同的U值/R值。
在温带地区，目标S/V比应≤ 0.7m²/m³。
形态系数
可用楼面面积F与地上围护结构面积E之比更有参考价值，因为它更有利于楼层间高度需求较低的建筑。
形态系数 = F/E
形态越紧凑，该比值越高，效果越好。就供暖负荷而言，大型建筑（例如，12层、172,800 ft2）的形态效率远高于小型建筑或大型高跨建筑（但制冷方面并非如此，情况恰好相反）。
这一指标可用于比较建筑形态相对于可用楼面面积的效率。设计小型被动房时，将热损失形态系数≤3作为有用的基准指导值。这样也能减少所需资源和成本。大多数建筑用途需要的是楼面面积，而非体积。该指标不包括与地面接触的面积，但包括屋顶。
形态较复杂的建筑也可能有更高比例的热桥，且遮阴系数会增大，这些因素还会对年度能量平衡产生额外影响。
随着建筑规模增大，在给定楼面面积下，形态对总能耗的影响会减小。除了提供更大的设计灵活性，这也使设计者能够采用采光和自然通风制冷策略来降低能源需求，因为这些策略要求建筑有一个相对狭窄的尺寸（45至60ft（14–18m））。
示例：
对于一栋20,000 ft2（1800 m2）的小型办公楼，适合自然通风和采光的狭长双层形态，其形态系数比可能为0.88，而进深较大的方形平面则为1.02。若前者要达到与后者相同的围护结构热损失系数，其围护结构的整体平均R值需提高1.02/0.88 = 16%。这需要显著提高不透明墙体面积的R值、减少窗户面积，或采用更昂贵的窗户。
S/V比增加10%（中间的建筑），就需要比左侧形态良好的建筑多加20mm保温层，才能达到相同的保温水平。右侧建筑（S/V比高出20%）则需要额外增加40mm保温层。
根据气候确定住宅的最佳房间布局。
3. 根据纬度调整住宅形态和房间布局
纬度高于25°时：朝阳面玻璃窗面积应至少比东、西墙窗户面积总和大50%。建筑长轴应沿东西方向，偏离正东西向不得超过15度。夏至正午，朝阳面玻璃窗至少90%应完全遮阴（可用遮阳篷、挑檐、种植植物）；冬至正午则不应遮阴。如果是住宅，房间平面布局应将主要起居室设在朝赤道一侧，将杂用房、较少使用的房间以及车库（如有）设在北侧。晨间使用的房间通常是卧室。背向赤道的一侧应尽量少设窗，窗户也应尽可能小，在满足采光的同时尽量减少热损失。这面墙还应具有较高的热惰性，和/或在外侧做保温，以将热量留在建筑内。
纬度低于25°，或地形显著影响日照条件时，情况应当相反。例如，卧室需要晨间光照。整栋建筑都需要采取措施，避免低角度阳光带来的热量。
在25°左右时，可根据当地条件灵活调整。在这些中纬度地区，建筑的不同部分可能在冬夏两季交替使用：朝赤道的房间会变得过热，因此夏季会改用背向赤道一侧的房间（上方左侧平面图未显示）。
表：根据当地气候，建筑形态有不同要求：
气候 要素与要求 目的 温暖潮湿 建筑进深最小化以利通风 西向墙面最小化以减少得热 南、北墙面最大化以减少得热 表面积最大化以利夜间散热 窗墙面积最大化以利通风 复合气候 控制建筑进深以满足热容量需求 西墙最小化以减少得热 朝赤道墙面有限，以利通风并获得部分冬季供暖 中等窗墙面积以实现可控通风 炎热干燥 朝赤道墙面和西墙最小化以减少得热 表面积最小化以减少得热和热损失 建筑进深最大化以增加热容量 窗墙面积/窗户尺寸最小化，以控制通风、得热和采光 地中海气候 西墙最小化以减少夏季得热 朝赤道墙面面积适中，以便冬季获得热量 表面积适中，以控制得热 窗户尺寸小到中等，以减少得热但允许冬季采光 凉爽温带 表面积最小化以减少热损失 极向墙面和西墙面积适中，以获得热量 屋顶面积最小化以减少热损失 大面积窗墙，以获得热量和采光 赤道高地 南、北墙面最大化以减少得热 西向墙面最大化以减少得热 建筑进深适中以增加热容量 表面积最小化以减少热损失和得热
4. 优化屋顶形状和朝向
在炎热气候区，拱形屋顶和穹顶通过自然对流散热的能力强于平屋顶。它们能提供更高的热稳定性，并降低白天温度。最佳朝向应使拱顶冬季接收最大日照，夏季接收最少日照。
拱形屋顶沿南北轴向布置更利于冬季供暖，夏季接收的直接太阳辐射最少；沿东西轴向布置则会最大限度地增加夏季供暖，早晚接收的辐照量最多。下表以纬度30°的地点为例总结了结果。
表：拱顶朝向对季节性直接太阳辐射的影响。[i] CSR = 截面比，即拱顶垂直高度与水平宽度之比。
朝向 季节 直接太阳辐射损失（%） CSR1 = 0.5 CSR1 = 0.8 CSR1 = 1 CSR1 = 1.25 CSR1 = 2 东西向 夏季 12.4 20.1 23.9 29 37.8 冬季 9.8 17 19.6 23.2 30.4 南北向 夏季 17 28.6 35.1 42.1 56.4 冬季 6.3 7.1 8 8.9 10.7 东北—西南向 夏季 14.7 23.9 29.3 34.8 45.6 冬季 8.9 13.4 16 18.8 24.1 西北—东南向 夏季 14.7 23.9 29.3 34.8 45.6 冬季 8.9 13.4 16 18.8 24.1
拱顶朝向对季节性接收直接太阳辐射的影响。
本文由 可持续城市联盟协作发布。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：David Thorpe 是可持续城市联盟的特别顾问
图片：2014年10月28日傍晚，车辆行驶在新德里康诺特广场。路透社/Anindito Mukherjee
