嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑太陽能技術(shù)應(yīng)用研究

趙 暉

（長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計學(xué)院，長春130021）

1 概述

我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，在全國大部分地區(qū)利用太陽能都是適宜的。據(jù)相關(guān)資料記載，每年獲得太陽能約為3.6×1 022J，大約相當(dāng)于1.2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，太陽能年平均輻射在2／3國土面積的總量在5.9×106kJ／m2以上，且絕大部分采暖地區(qū)均分布在長日照區(qū)域內(nèi)。豐富的資源為我國進(jìn)行太陽能的開發(fā)利用提供了良好的條件［1］。長春地區(qū)地處東經(jīng)124°18′～127°02′，北緯43°05′～45°15′。全年日照時數(shù)約2 800h左右，輻射量可達(dá)5 000～5 900MJ／m2，屬于太陽能利用中等偏上的地區(qū)，應(yīng)用前景十分的廣闊。

太陽能作為一種清潔能源具有其他常規(guī)能源所無法比擬的優(yōu)勢：首先，是太陽能的廣泛性，太陽輻射到處皆是，可算是取之不盡、用之不竭的綠色能源，人們只要一次投資建設(shè)好之后，平時維護(hù)費用遠(yuǎn)比其他能源小。其次，是太陽能的持久性，太陽能是人類可以加以利用的最豐富的綠色能源。據(jù)估算，太陽的壽命約600億a，而地球壽命約為50億a，因此，可以說太陽能是用之不竭的，相對于只有數(shù)千年文明史的人類社會和更短時間人類使用礦物燃料的歷史，太陽能利用更具永恒性。第三，是太陽能的生態(tài)清潔性，以太陽能為能源，無噪聲，沒有廢氣、廢渣、廢水排出，不會產(chǎn)生有害物質(zhì)。

2 太陽能建筑設(shè)計

太陽能建筑，可理解為太陽能技術(shù)和建筑的結(jié)合，或在建筑上應(yīng)用太陽能技術(shù)。它不僅是一項應(yīng)對全球能源危機(jī)和環(huán)境問題的建筑節(jié)能應(yīng)用技術(shù)，將逐步發(fā)展成為一個新的與建筑完美結(jié)合的獨特的技術(shù)形式和建筑風(fēng)格的類型。新世紀(jì)的建筑設(shè)計將不再只考慮功能和形式，如何保存建筑物的能源和實現(xiàn)技術(shù)的有效性及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展將成為重要的問題。人類在早期發(fā)展階段的太陽能建筑，主要考慮的是如何隱蔽太陽能構(gòu)件，減弱太陽能構(gòu)件對建筑實體的影響。伴隨著太陽能建筑設(shè)計的發(fā)展，建筑師已逐步把太陽能構(gòu)件作為建筑的一個不可分割的整體來考慮問題，從建筑空間整體上提升建筑審美情趣，逐步拓寬了原有的單一的建設(shè)思想。把太陽能構(gòu)件的設(shè)計作為建筑技術(shù)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，并最終實現(xiàn)“一個不可分割的整體”的空間效果。

目前，我國的太陽能節(jié)能建筑的發(fā)展仍處在初始和探索階段，特定的國情限定我們?nèi)匀徊扇鹘y(tǒng)節(jié)能建筑設(shè)計的做法，既主要集中在實用功能和經(jīng)濟(jì)上，然后考慮“可能情況下的美觀”。在這種情況下中國的太陽能建筑設(shè)計的結(jié)果是往往并不注重太陽能技術(shù)在建筑產(chǎn)品上的具體形式。例如：被動式太陽房采暖技術(shù)很早在我國的居住建筑設(shè)計中得以應(yīng)用推廣，特別是在20世紀(jì)70年代和80年代，解決農(nóng)村住宅的采暖問題中起到了積極的作用。然而，太陽房的設(shè)計，以務(wù)實的原則為主，形式的創(chuàng)新元素相對有限。接下來，中國太陽能熱水器的應(yīng)用發(fā)展迅速，同時帶來了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，而且太陽能熱水器的技術(shù)水平也一直處于世界領(lǐng)先水平。然而，太陽能熱水器的產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品更新?lián)Q代并不涉及建筑設(shè)計人員，建筑師對太陽能產(chǎn)品的設(shè)計和安裝并不了解。

因此，我們要清醒地認(rèn)識到所謂的太陽能技術(shù)建筑一體化并非建筑與太陽能產(chǎn)品的簡單加法，而是通過太陽能技術(shù)在建筑上的應(yīng)用研究，以建筑技術(shù)集成的方法整合一個全新的現(xiàn)代節(jié)能建筑類型。太陽能應(yīng)用技術(shù)應(yīng)包括在整個建筑設(shè)計過程中，從而達(dá)到建筑設(shè)計美觀、實用、經(jīng)濟(jì)的要求。

3 主動式太陽能技術(shù)和集合多層住宅設(shè)計

與人們?nèi)粘＞幼』顒佑嘘P(guān)的太陽能應(yīng)用系統(tǒng)主要有太陽能熱水系統(tǒng)，太陽能采暖系統(tǒng)，太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)。針對不同的功能要求，系統(tǒng)的組成也不同。主動太陽能系統(tǒng)的共同特點是都需要通過太陽能集熱器發(fā)揮作用。在這里，我們首先對有關(guān)的太陽能系統(tǒng)加以介紹。

首選的太陽能制冷系統(tǒng)應(yīng)是經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的設(shè)備被動散熱方案，國外較成熟的設(shè)計方案都是采用被動散熱方式獲得適宜的室內(nèi)溫、濕度，但運(yùn)營技術(shù)要求相對較高，以目前我國現(xiàn)有的設(shè)備方案，完全依賴被動方案，很難達(dá)到舒適的溫、濕度的要求。在系統(tǒng)中增加機(jī)械通風(fēng)設(shè)施、被動降溫設(shè)備及太陽能熱泵空調(diào)制冷等手段，都是切實可行的研究途徑，下面針對太陽能熱泵空調(diào)制冷系統(tǒng)的相關(guān)要求加以研究介紹。

太陽能空調(diào)的工作原理是指通過熱泵原理實現(xiàn)空調(diào)制冷效果的過程，與熱泵供熱相比，系統(tǒng)需要增加熱交換器、冷水儲備箱和冷卻終端系統(tǒng)。其降溫過程主要是利用制冷劑的揮發(fā)吸收熱量，降低溫度，經(jīng)管道傳輸?shù)嚼鋮s終端系統(tǒng)，采取冷水線圈輻射或冷風(fēng)的方式降低室內(nèi)溫度。系統(tǒng)運(yùn)行過程應(yīng)注意要設(shè)立獨立的冷空氣除濕設(shè)備，通過輔助風(fēng)扇除濕處理后再送入室內(nèi)，避免出現(xiàn)采用簡單結(jié)構(gòu)的輻射地板方案中的地板結(jié)露現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的空調(diào)相比，太陽能空調(diào)具有2大優(yōu)勢：首先是季節(jié)適應(yīng)性好，僅在夏季高溫及強(qiáng)太陽輻射下發(fā)揮作用，其冷卻能力隨太陽輻射強(qiáng)度的增加而提高，充分滿足夏季制冷的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)備多以氟利昂為制冷劑，對大氣環(huán)境的破壞較大，因此太陽能空調(diào)對環(huán)境的保護(hù)意義深遠(yuǎn)。同時，太陽能空調(diào)系統(tǒng)還可以兼具其他的功能，冬季采暖、夏季空氣冷卻，更可以提供全年的生活用熱水等。目前，太陽能集熱設(shè)備采用平板式的熱管集熱器較多，應(yīng)用在居住建筑上，集熱能力受到的限制較大，考慮采用曲面、更有效的集熱方案是進(jìn)一步研發(fā)的重點方向。建筑設(shè)計中應(yīng)充分考慮儲熱罐（儲水箱）的位置及荷載要求，盡可能縮短傳輸線路，降低損耗。

太陽能系統(tǒng)的儲熱罐盡可能布置在室內(nèi)，如：廚房、衛(wèi)生間、儲藏室、陽臺、閣樓、樓梯間或獨立的設(shè)備間。集中儲熱系統(tǒng)體積相對較大，可考慮設(shè)置在地下室或獨立的設(shè)備用房內(nèi)，空間上要滿足設(shè)備的正常運(yùn)行，方便操作及設(shè)備維護(hù)，設(shè)備上方要預(yù)留不小于500mm的維修空間。

考慮到太陽輻射的間歇性，確保日常生活供水（熱水、冷卻）的連續(xù)性，建筑平面布局中應(yīng)增設(shè)輔助熱源設(shè)備的位置，從而保證太陽能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。輔助熱源設(shè)備應(yīng)靠近水箱（儲熱罐），可布置在同一設(shè)備用房內(nèi)，方便操作、維護(hù)。輔助熱源可采用天然氣、石油、煤炭或電鍋爐。天然氣相對經(jīng)濟(jì)性較好，電能方便、快捷、清潔，尤其在夜間采用電能的方式，適應(yīng)性會更好。

4 嚴(yán)寒地區(qū)多層住宅太陽能設(shè)計方案

該方案選址在長春地區(qū)，為監(jiān)測方便，設(shè)計條件盡可能簡單。

環(huán)境和氣候條件：當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?.8℃，采暖室外設(shè)計溫度為－15℃，采暖期室內(nèi)設(shè)計溫度18℃，室外空調(diào)設(shè)計溫度33.2℃，夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃，主導(dǎo)風(fēng)向為北向（或偏北）。

分析：依據(jù)前述設(shè)定條件推測，冬季利用太陽能供暖（前期可作為輔助供暖方式）系統(tǒng)是本研究的重點研究方向。夏季利用主導(dǎo)風(fēng)向可作為空氣冷卻手段之一。

太陽能系統(tǒng)的要求：系統(tǒng)的設(shè)定兼顧主動式與被動式太陽能系統(tǒng)，解決日常生活中的冬季采暖、夏季的制冷及生活用熱水的需求，可適當(dāng)考慮光伏發(fā)電作為輔助動力系統(tǒng)使用。

分析：長春地區(qū)冬季的氣候比較寒冷，需要選擇高效能的太陽能能源加熱裝置，該裝置可在非采暖期提供充足的生活用熱水，溫度調(diào)節(jié)可采用縱向通風(fēng)組織設(shè)計（或采用太陽能空調(diào)系統(tǒng)兼顧供暖和生活用熱水的加熱要求）。

平面布局設(shè)計：設(shè)定建筑類型為六層集合住宅，一梯二戶，南向坡屋頂（利于太陽能集熱板的安裝）。起居室、主臥室南向布置，廚房、衛(wèi)生間等輔助用房北向布置，其他條件可根據(jù)居住方式的要求，從利于太陽能系統(tǒng)作用發(fā)揮的角度自行組織。

分析：該建筑類型為目前長春地區(qū)最常見的住宅類型，經(jīng)比對分析會發(fā)現(xiàn)，采用該設(shè)計方案的建筑屋頂面積不足采暖面積的1／5，除去無法使用的北向屋面及必要的維護(hù)面積，可利用面積可能只占到1／8～1／10，完全依靠太陽能系統(tǒng)解決冬季供暖的要求比較困難，因此，本研究的目標(biāo)定為該地區(qū)的冬季采暖仍以傳統(tǒng)的集中供熱為主，太陽能系統(tǒng)供熱作為輔助采暖熱源占集中供熱的10%～20%。

水源條件：以目前常用的集中供水位主。

輔助熱源條件：以完善的市政公用設(shè)施為主，燃?xì)饣螂娏l件充足。

分析：穩(wěn)定的輔助熱源供應(yīng)，應(yīng)可提供經(jīng)濟(jì)的天然氣、方便的電力資源作為系統(tǒng)正常運(yùn)行的前期保證。

冷／熱存儲條件：應(yīng)有一個足夠大的水池，作為季節(jié)變換中的存儲設(shè)備。

分析：交叉蓄熱存儲設(shè)備可有效地解決冬、夏季節(jié)家庭用熱的沖突，同時還可以平衡太陽能發(fā)熱的季節(jié)性變換要求。

功能：根據(jù)該地區(qū)冬季采暖和生活熱水要求，夏季空調(diào)制冷的需要，主系統(tǒng)采用“主動太陽能加熱＋通風(fēng)降溫”的組合。

效率：從效率的角度來看，主系統(tǒng)首選的方案應(yīng)為“太陽能熱泵供熱＋垂直通風(fēng)組織”或“太陽能空調(diào)”。

價格：經(jīng)濟(jì)上暫不做嚴(yán)格限制。

系統(tǒng)的配套要求：在嚴(yán)寒的冬季采暖期，依靠屋頂太陽能蓄熱作為輔助采暖熱源還難以滿足冬季居住舒適性的要求，應(yīng)根據(jù)實際情況增設(shè)陽光房、直接受益窗及被動式太陽能集熱器等。

屋頂?shù)囊螅何蓓斁哂辛己玫娜照帐翘柲芟到y(tǒng)運(yùn)行的首要條件，因此，在進(jìn)行住區(qū)規(guī)劃時要保證建筑屋頂獲得充足日照。同時，要考慮足夠的承載要求，滿足太陽能系統(tǒng)的設(shè)備安裝。

作為建筑第五立面的屋面是在太陽能技術(shù)推廣進(jìn)程中不可或缺的重要位置，把建筑屋面作為集熱部件，有其特有的優(yōu)勢，對建筑立面的影響小；不受朝向影響，接收太陽輻射的條件好；系統(tǒng)可以緊貼屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)安裝，減少風(fēng)力的不利影響；并且，建筑構(gòu)件化的集熱器完全可替代傳統(tǒng)保溫層覆蓋屋面。工程實踐中可以將建筑坡屋面與太陽能集熱器構(gòu)件一體化，在屋面做好防水處理的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)集熱器與屋面共用的防水保溫層，太陽能集熱部件放置在保溫層上方，在集熱器頂部架設(shè)復(fù)合采光保溫蓋板，可根據(jù)需求提供采暖或熱水［1］。與屋面一體化的整體集熱器設(shè)計由于綜合利用材料，不但降低單位面積上的太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)施的價格，節(jié)約了成本，同時也更加有效地發(fā)揮了屋面的復(fù)合功能。

南向墻面的要求：眾所周知，居住建筑的外墻是與太陽光接觸面積最大的外表面，為了盡可能地利用墻面收集太陽能，需要建筑設(shè)計人員在太陽能建筑設(shè)計中，合理利用各種墻體構(gòu)造和材料，包括集熱蓄熱墻、透明絕熱材料以及附加于墻面的集熱器等等。傳統(tǒng)的太陽能集熱墻為了提高太陽能的吸收率，常常將外墻表面涂成黑色。吸收率提高的同時卻會影響到建筑的觀賞性，特別是大面積使用時會對居住者的心理造成壓抑感，不利于太陽能技術(shù)的推廣。如果設(shè)計人員根據(jù)實際情況，嘗試選用別的顏色與黑色或其他深色搭配使用來豐富建筑立面，雖然犧牲了部分太陽熱能的吸收，卻能營造出活潑適宜的建筑環(huán)境。例如：采用深紅色的集熱器，既可以使建筑立面十分鮮明，引人注目，又可以吸收足夠的能量。除了利用集熱墻收集太陽能外，對于集熱器來說，也可以建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，作為附屬構(gòu)件依附于外墻表面，并可賦予其建筑功能。目前由科研人員設(shè)計的太陽能保溫墻板，就是將固定安裝有熱反射板的墻體構(gòu)件，按建筑要求依次排列對接，可根據(jù)墻體不同的安裝部位采用熱反射板與墻體不同的安裝角度。經(jīng)密集排列的熱反射板把太陽光聚焦到導(dǎo)熱管上，再通過導(dǎo)熱管將所接收的熱量傳遞進(jìn)室內(nèi)。為增加墻體強(qiáng)度，墻體內(nèi)采用固定支架［3］。這樣的保溫墻板應(yīng)用在長春地區(qū)的居住建筑上，既能滿足保溫要求，又可以在立面上形成一定的韻律，而成為良好的美學(xué)元素，是一項值得推廣的技術(shù)。

東、西向墻面的要求：盡管東、西墻面也會接收太陽輻射，但一般不做為太陽能利用的重點考慮，可根據(jù)實際情況，在西向位置布置太陽能集熱設(shè)備，既可以吸收太陽能，還可以解決“西曬”的問題。

其他部分的設(shè)計要求：可在建筑內(nèi)部布置垂直通風(fēng)管道，做縱向通風(fēng)組織。

5 結(jié)語

伴隨著日本核泄漏事件對全球生態(tài)危機(jī)的逐步顯現(xiàn)，人們對于太陽能利用的意識也得到了進(jìn)一步的提升。有關(guān)太陽能利用的宣傳、教育與討論，已不僅局限于專業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)，大眾媒體也經(jīng)常以系列或醒目的報道在傳播。同時我國政府也相繼出臺了相關(guān)配套政策，一方面對太陽能的一體化設(shè)計的科研單位提供研發(fā)資金，另一面，能源價格政策做相應(yīng)調(diào)整，有針對性地提高傳統(tǒng)能源的價格，使得利用可再生能源成為被充分重視的項目。我國城市建筑中的太陽能利用一體化設(shè)計，還正處于發(fā)展階段。隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，建筑能源消耗將對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響，關(guān)注熱點應(yīng)由分散的小型建筑向城市大規(guī)模和大范圍的建筑群體轉(zhuǎn)移。由于國外利用太陽能的居住建筑大多數(shù)為獨立或聯(lián)排式小住宅，對我國并不完全適合發(fā)達(dá)國家可供借鑒的一體化設(shè)計方案；同時，有關(guān)技術(shù)及設(shè)備的投資也很高［4］。我國目前市住宅建設(shè)的主流是多高層集合住宅，因此，研究和推廣符合我國國情的一體化設(shè)計方案，尤其是被動式太陽能居住建筑勢在必行，這就對建筑師提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。

美國科學(xué)家預(yù)言：太陽能將在未來的20a內(nèi)，成為價格最低廉、功效最佳的替代新綠色能源。目前，“太陽能建筑一體化”已成為太陽能界和建筑界的響亮口號［5］。盡管面臨著太陽能能量密度低，而且它因時而變、因地而異等問題，但相信在不久的將來，太陽能光伏建筑一體化將賦予建筑新的屬性，為未來的房地產(chǎn)業(yè)開辟新的天地［4］。本課題著重研究長春城市多層和高層節(jié)能建筑利用太陽能的有關(guān)技術(shù)，并在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，繪制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖紙及制定施工及驗收規(guī)范，并通過實踐進(jìn)行改進(jìn)；要積極推廣示范性建筑、試驗小區(qū)，因地制宜地為各個不同地區(qū)建立太陽能建筑樣板工程，使太陽能技術(shù)在居住建筑上的推廣應(yīng)用能夠健康發(fā)展下去。

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［2］郭創(chuàng)，梅勝，楊晚生.太陽能熱利用在建筑中的設(shè)計要點［J］.價值工程，2010（14）：89－90.

［3］郄昭昭.太陽能建筑一體化設(shè)計［D］.石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2007：30－35.

［4］左海敏.高層居住區(qū)太陽能與建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，36（12）：234－236.

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