太陽(yáng)能住宅設(shè)計(jì)圖解

江蘇省徐州市新型建筑技術(shù)應(yīng)用中心 ■ 何水清

江蘇省徐州市墻改辦公室 ■ 何勁波

江蘇省新沂市規(guī)劃局 ■ 毛希元

一 太陽(yáng)能與建筑一體化示范住宅(圖1)

圖1 太陽(yáng)能與建筑一體化示范住宅

1兩坡頂設(shè)計(jì)

住宅屋頂設(shè)計(jì)中，采用氟塑琉璃瓦，該材料采用UPVG復(fù)合發(fā)泡板作基材，表面噴涂耐候氟碳漆制成，厚3cm，自重4kg/m2，色彩鮮艷，使用壽命達(dá)50年，避免了采用瀝青瓦時(shí)其質(zhì)感、反光率與太陽(yáng)能集熱真空管差異過(guò)大的問(wèn)題。琉璃瓦波峰高60mm，可在每個(gè)波型瓦的凹槽內(nèi)放置一只ˉ47mm或ˉ58mm的真空管，外觀結(jié)合自然。該住宅采用兩坡屋頂，可提供足夠的太陽(yáng)能熱水，如圖2所示。

2玻璃瓦：太陽(yáng)能建筑的新寵

玻璃瓦雖然不是太陽(yáng)能核心技術(shù)，但卻是太陽(yáng)能建筑的新寵。一幢300m2的二層別墅，其屋頂面積可達(dá)150m2，30?～45?的角度最適合接收太陽(yáng)能輻射，這是“要陽(yáng)光更要美麗”的創(chuàng)新。

圖2 住宅的兩坡屋頂設(shè)計(jì)

玻璃瓦使用5～6mm玻璃，加熱后，可彎成需要的瓦狀造型，同時(shí)進(jìn)行鋼化處理，普通瓦直接釘在屋頂?shù)膾焱邨l上，而玻璃瓦打孔后固定在離屋頂木望板10～15cm的輕鋼掛瓦條上，在這個(gè)空間安裝太陽(yáng)能真空管或板式太陽(yáng)能集熱器，實(shí)現(xiàn)科技、藝術(shù)與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合(圖3、圖4)。

圖3 別墅屋頂鱗次櫛比的視覺(jué)效果最能給人以沖擊力

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玻璃瓦屋頂對(duì)于太陽(yáng)能真空管集熱器會(huì)有少量的遮擋，但這個(gè)空氣間層又形成一個(gè)溫室，可將太陽(yáng)能真空管周圍工作環(huán)境溫度提高5～10℃(北京初冬季節(jié))，總體上不影響集熱功能。安裝效果見圖5。

圖4 太陽(yáng)能集熱器及窗口破壞屋頂鱗次櫛比的藝術(shù)效果

圖5 在屋頂瓦上安裝太陽(yáng)能集熱器的效果

經(jīng)濟(jì)性：玻璃瓦的造價(jià)比美國(guó)的“歐文斯·科寧”瀝青瓦高30%～40%。

檢修方式：在陣列的太陽(yáng)能集熱真空接頭處設(shè)一排檢修槽，從屋頂下面檢修。

安全性：玻璃瓦打孔用不銹鋼螺絲與輕鋼掛瓦條連接，比水泥還牢固，鋼化玻璃可抗擊風(fēng)壓和冰雹。

玻璃瓦的透光系數(shù)為0.8，但透光系數(shù)高并不意味著熱效率降低。

玻璃瓦采用低輻射玻璃制作，具有最大的日光透射率和最小的反射系數(shù)，可讓80%的可見光進(jìn)入溫室間層被太陽(yáng)能集熱器所吸收，同時(shí)又能將90%以上的產(chǎn)生溫室效應(yīng)熱的長(zhǎng)波保留在間層內(nèi)，大大提高了太陽(yáng)能的利用率，起到保溫的作用。

根據(jù)施工需要，將普通瓦屋頂結(jié)構(gòu)與玻璃瓦屋頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果表明玻璃瓦屋頂結(jié)構(gòu)外觀效果較好(圖6、圖7)。

圖6 普通瓦屋頂結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 玻璃瓦屋頂結(jié)構(gòu)示意圖

二 別墅節(jié)能設(shè)計(jì)示例

北京某別墅太陽(yáng)能冬季取暖設(shè)計(jì)中，要求在無(wú)人居住時(shí)保持10～12℃的值班溫度。

1利用大屋頂

設(shè)計(jì)中將毗鄰陽(yáng)光間的功能移植到別墅的大屋頂上。為了增大屋頂陽(yáng)光間的空間，將兩坡屋頂設(shè)計(jì)為45?，南側(cè)屋頂用雙層玻璃覆蓋，總采光面積約70m2?？紤]到冬冷夏熱的季節(jié)特征，在雙層玻璃上面設(shè)置電動(dòng)卷簾(圖8上部)。冬季有日照時(shí)，光敏電阻控制繼電器，由電機(jī)帶動(dòng)蝸輪、蝸桿減速器將保溫卷簾卷起(圖8)；日落后光敏電阻釋放繼電器，將卷簾放下。

在屋頂陽(yáng)光間內(nèi)安裝溫度傳感器，陽(yáng)光間溫度高于15℃時(shí)，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)使陽(yáng)光房?jī)?nèi)熱空氣與居室空氣循環(huán)，為居室增溫。

2利用別墅基礎(chǔ)

在別墅基礎(chǔ)內(nèi)安裝一個(gè)可推拉的“抽屜”，內(nèi)裝一組30支、長(zhǎng)2m的太陽(yáng)能真管集熱器(圖9下部)。

在冬季，白天以鏈條、鏈輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)滑軌把真空管集熱器拉出來(lái)接收太陽(yáng)光；夜間把“抽屜”關(guān)上。這樣即便太陽(yáng)能真空管有滲漏，也不影響使用。這種設(shè)備可集中布置，便于管理維修。

圖8 節(jié)能別墅示意圖

圖9 保溫卷簾可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制

3使用高熱阻的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

假設(shè)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的熱阻，室內(nèi)熱量不能往外發(fā)散，那么一個(gè)100W的白熾燈泡產(chǎn)生的熱量就可使冬季室內(nèi)溫度滿足人體舒適要求。這說(shuō)明，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱阻是留住太陽(yáng)能的關(guān)鍵。在冬季，建筑通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱要經(jīng)過(guò)室內(nèi)表面吸熱、結(jié)構(gòu)本身傳熱、建筑表面放熱三個(gè)過(guò)程(見圖10)。

(1) 建筑得熱部分

①通過(guò)立面和屋頂接收太陽(yáng)輻射得熱。構(gòu)件的外表面吸收太陽(yáng)輻射并將其轉(zhuǎn)換成熱能， 通過(guò)熱傳導(dǎo)至構(gòu)件的內(nèi)表面，再經(jīng)表面輻射及空氣對(duì)流換熱將熱量傳入室內(nèi)。

圖10 建筑中的熱平衡原理

②通過(guò)窗的太陽(yáng)輻射得熱。主要為直接通過(guò)玻璃的輻射。

③居住者的人體散熱。

④電燈和其他電氣設(shè)備散熱。

⑤采暖設(shè)備散熱。

(2) 建筑的失熱部分

①通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)和對(duì)流輻射向室外散熱；

②空氣滲透和通風(fēng)帶走熱量；

③地面?zhèn)鳠幔?/p>

④室內(nèi)水分蒸發(fā)，水蒸氣排出室外帶走熱量(潛熱)；

⑤制冷設(shè)備吸熱。

三 庭院式太陽(yáng)能住宅設(shè)計(jì)

1中庭和內(nèi)庭為太陽(yáng)能提供集熱空間

這套住宅最大的特點(diǎn)是有一個(gè)中庭院和前庭院，這是吸取太陽(yáng)能的空間。每戶內(nèi)庭院40～50m2，可種植果蔬或攀緣、觀賞植物，既可在冬季獲得更多的太陽(yáng)能，也使家庭生活空間更加豐富多彩，見圖11?！八木S空間”即在長(zhǎng)、寬、高的三維空間軸外，又加了一條時(shí)間軸。運(yùn)用“四維空間”的理念進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，可使建筑物在使用周期內(nèi)獲得更多的日照、風(fēng)、雨等自然資源。圖12介紹的利用中庭獲得太陽(yáng)能的住宅設(shè)計(jì)，適用于多層住宅。

該住宅符合中小城市節(jié)能節(jié)地的要求，可根據(jù)需要建成4～6聯(lián)排，減小建筑體形系數(shù)，減少外墻散熱。當(dāng)采用聯(lián)排設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免遮擋陽(yáng)光，戶與戶之間3m以下的圍墻采用實(shí)心墻體，3m以上部分則用鋼結(jié)構(gòu)分割。這樣既可滿足日照和18～20m的視距需求，建筑容積率也可達(dá)1.0，見圖13。

圖11 布局精致的內(nèi)庭院成為現(xiàn)代住宅又一道風(fēng)景線

圖12 住宅中庭

圖13 太陽(yáng)能低密度聯(lián)排住宅，容積率可達(dá)1.0

該住宅可使用砌體結(jié)構(gòu)，也可現(xiàn)澆。客廳和臥室屋面為坡屋頂，給太陽(yáng)能熱水器預(yù)留空間，也可做成露臺(tái)、花架。住宅立面使用剁石勒腳、面磚裝飾，局部鑲嵌蘑菇石，陽(yáng)臺(tái)使用金屬欄桿和安全玻璃欄板，可與聯(lián)排別墅相媲美。建筑內(nèi)還設(shè)計(jì)了放置玻璃鋼桿件和集熱棚膜的專用儲(chǔ)藏間，如圖14所示。同時(shí)還可通過(guò)改變總體布置和立面材料色彩，營(yíng)造豐富的建筑形態(tài)。完美的設(shè)計(jì)，使太陽(yáng)能住宅更時(shí)尚。

2可開啟、閉合的頂蓋

在建筑物的中庭上通過(guò)張拉的鋼索，形成一個(gè)可移動(dòng)的頂蓋，五扇可收放的保溫卷簾組成一個(gè)天幕，像一個(gè)巨大的照相機(jī)快門。在冬季白天，快門型的保溫卷簾全部打開，吸收太陽(yáng)能；夜間關(guān)閉卷簾，并向卷簾內(nèi)充氣，通過(guò)卷簾內(nèi)200mm厚的空氣間層實(shí)現(xiàn)保溫。充氣保溫技術(shù)既解決了單屋卷簾的保溫問(wèn)題，又解決自重和收放的問(wèn)題，如圖15、圖16所示。

圖15 中庭保溫膜結(jié)構(gòu)關(guān)閉后的效果

圖16 中庭保溫膜打開后可吸收利用太陽(yáng)能

目前帶有中庭形式的建筑越來(lái)越多，封閉型的中庭一般使用玻璃頂蓋，其最大問(wèn)題在于保溫隔熱性能，如果在外面加上一套像農(nóng)業(yè)種植大棚似的卷簾式保溫層，則保溫隔熱效果將得到改善。開啟型的中庭，在膜工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)卷簾技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，還能用于大跨工程。應(yīng)用中膜的厚度在0.5～1.0mm之間，質(zhì)量輕，在?20～60℃范圍內(nèi)可重復(fù)收卷上千次而不破壞其氣密性。當(dāng)兩層膜結(jié)構(gòu)充滿空氣后，通過(guò)20mm厚的空氣間層減少傳熱，增加卷簾后，可提高中庭溫度、減少建筑外圍結(jié)構(gòu)的氣流速度，實(shí)現(xiàn)保溫與節(jié)能。

四 在黑夜釋放——建筑移動(dòng)保溫

留住陽(yáng)光是人類的夢(mèng)想，該建筑的主體設(shè)計(jì)引入時(shí)空概念，運(yùn)用設(shè)計(jì)手法，在三維空間上加載了時(shí)間，形成具有時(shí)空概念的四維空間。

1建筑移動(dòng)的保溫

如圖17所示，某會(huì)所正立面像一個(gè)背風(fēng)向陽(yáng)的港灣。如圖18所示，建筑面積約2000m2，橢圓型的建筑四周安排不同使用要求的房間。如圖19所示，建筑的一層是連通的，二層、三層只在朝南的方向安排了房間。建筑圍合成的中庭頂部不封閉，內(nèi)部有樹木、景觀山水。

圖17 某會(huì)所正立面像一個(gè)背風(fēng)向陽(yáng)的港灣

圖18 某會(huì)所一層平面圖

圖19 某會(huì)所剖面圖

圖20 移動(dòng)式保溫結(jié)構(gòu)

2卷簾式玻璃幕墻保溫

隨著人們生活水平的提高，室內(nèi)舒適不僅對(duì)溫度、濕度提出了要求，還要減少窗戶洞口的冷風(fēng)輻射。為了減少該建筑大面積玻璃幕墻的冷輻射，給玻璃幕墻增加了移動(dòng)保溫。雖然玻璃幕墻的形式很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但移動(dòng)保溫結(jié)構(gòu)放置在幕墻內(nèi)部，不受結(jié)構(gòu)限制，可防止對(duì)流傳熱、冷風(fēng)滲透、輻射傳熱。卷簾一年四季都能使用，冬季使用提高室內(nèi)溫度，夏季使用節(jié)省空調(diào)耗電。移動(dòng)或保溫結(jié)構(gòu)安裝在幕墻內(nèi)側(cè)(圖20)，無(wú)論是拉桿式、自平衡索桁架式、平行架式、立桿式均可適用。

用太陽(yáng)能加熱是最安全的加熱措施，如圖21。雖然透明膜形式的大棚效率不如全玻璃真空管，但初期成本較低。如果在其表面加上覆蓋，每天可增溫?cái)?shù)攝氏度。

圖21 充氣膜結(jié)構(gòu)用于太陽(yáng)能集熱

五 要通風(fēng)又要節(jié)能

建筑雖然強(qiáng)調(diào)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性，但室內(nèi)居住的人需要呼吸新鮮空氣。怎樣才能在獲得新鮮空氣的同時(shí)又降低能耗呢？這里介紹一種別墅建筑增加新風(fēng)系統(tǒng)的方法，可實(shí)現(xiàn)去濕、除塵、排CO2、節(jié)電四大改良。

既有建筑增加新風(fēng)措施如圖22所示。安裝空調(diào)的服務(wù)人員用水鉆在墻上打上兩個(gè)直徑5～6cm的孔，裝上1臺(tái)用于電腦主機(jī)散熱的12V小型軸流風(fēng)機(jī)，就可將一臺(tái)1000～2000元的普通空調(diào)升級(jí)為帶有新風(fēng)系統(tǒng)的高品質(zhì)舒適型空調(diào)，從而減少“軍團(tuán)菌”降低上呼吸道感染等空調(diào)病的發(fā)生率，還能節(jié)能20%～30%。安裝12V軸流風(fēng)機(jī)(如圖23中軸流風(fēng)機(jī)、電源變壓器)，所有成本不過(guò)100元。

圖22 軸流風(fēng)機(jī)安裝方法

圖23 12V直流風(fēng)機(jī)耗電量不到1W

新建建筑通過(guò)通風(fēng)管道增加新風(fēng)措施，可一次為多個(gè)房間送風(fēng)及排風(fēng)(圖24)。

圖24 新建建筑通過(guò)通風(fēng)管道一次為多個(gè)房間送風(fēng)及排風(fēng)

因?yàn)槔淇諝獗葻峥諝饷芏却?，開啟空調(diào)后，室內(nèi)底部會(huì)形成“冷池”。冷空氣被人體、家用電器、墻外輻射加熱后，在房間頂部形成“悶頂”。開啟風(fēng)機(jī)后，安裝在上面的風(fēng)扇向室外排出濁氣。由于負(fù)壓作用，下面的氣孔向室外送新風(fēng)，當(dāng)室外新鮮空氣被下面的風(fēng)機(jī)吹入室內(nèi)后，與室內(nèi)底部的“冷池”空氣混合，經(jīng)人體呼吸利用后，從上面的排風(fēng)扇排出。這種機(jī)械對(duì)流換氣與開窗通風(fēng)相比，可以在去濕、除塵、排CO2三個(gè)方面改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，并能節(jié)省電費(fèi)，延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命，集四大功效于一身。

功效一：排濕

夏季，人通過(guò)呼吸和無(wú)感排汗，每小時(shí)排出100～200g水分。實(shí)踐證明，人體最適應(yīng)的相對(duì)濕度是50%～60%，室內(nèi)的空氣濕度又會(huì)影響人體的蒸發(fā)散熱。如果濕度高于70%，汗液就不容易蒸發(fā)，令人感到不適。即使在悶熱的天氣，室外的空氣濕度也低于室內(nèi)，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)排風(fēng)，每換氣1m3，相當(dāng)于帶走5～10g水，對(duì)排濕非常有利。

功效二：排污、除菌

開窗通風(fēng)的目的是換氣。在室內(nèi)，房間的死角最容易產(chǎn)生病毒、病菌，當(dāng)人們?nèi)霂?、洗浴時(shí)，會(huì)使一些霧化的病毒微滴懸浮在空氣中，水溝、地漏也會(huì)滋生病菌泛臭味，衛(wèi)生間與廚房的公共垂直風(fēng)道也常常串味。安裝機(jī)械通風(fēng)有利于空氣流通。

機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)優(yōu)于開窗通風(fēng)，這種新風(fēng)換氣功能是空調(diào)過(guò)濾器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的?？照{(diào)的進(jìn)風(fēng)口都裝有一個(gè)網(wǎng)狀過(guò)濾器，這種地方會(huì)積聚一些粉塵，成為霉菌、病菌的溫床。如果家用空調(diào)未裝靜電、超聲波及納米類催化除菌系統(tǒng)，換氣通風(fēng)則更為重要。

功效三：排除室內(nèi)C O2

CO2氣體濃度超標(biāo)時(shí)，人會(huì)頭痛、頭暈、思維遲鈍。人體呼吸每小時(shí)約需要新鮮空氣30m3，經(jīng)檢測(cè)部門規(guī)定，室內(nèi)舒適性空調(diào)每小時(shí)應(yīng)換氣3～4次，即考慮到了人體呼吸對(duì)新鮮空氣的要求。

功效四：節(jié)電，延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命

空調(diào)開啟后，室內(nèi)外溫差在5～10℃。開窗時(shí)，室內(nèi)冷空氣以兩種方式損失，一是室內(nèi)外溫差及壓差形成的對(duì)流，另一種形式是輻射作用。如果是開窗通風(fēng)，溫度低的新鮮空氣與污濁空氣同時(shí)被置換，增加制冷機(jī)的負(fù)荷。而利用“冷池”原理應(yīng)用分層交換，在不開窗的情況下，置換掉熱空氣，則大大節(jié)能，同時(shí)減少空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

以前空調(diào)使用不普及，建筑節(jié)能只是粗放型，房屋建造時(shí)沒(méi)有考慮進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口這樣的細(xì)節(jié)，只有一個(gè)大窗戶，把采光與通風(fēng)模糊處理。在節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，太陽(yáng)能建筑越來(lái)越多地將自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合，以此改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量并節(jié)約能源。