被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)在西北地區(qū)民居住宅中的應(yīng)用探析

賀生云

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代科技為人們帶了的福祉的同時(shí)也同樣面臨著環(huán)境污染以及能源枯竭的問(wèn)題。因此，對(duì)綠色能源以及可再生能源的利用已經(jīng)成為當(dāng)今世界所關(guān)注焦點(diǎn)。本文對(duì)西北地區(qū)的氣候和民居住宅的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)在住宅中的應(yīng)用問(wèn)題，并對(duì)寧夏地區(qū)某住宅的被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體介紹。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)式；太陽(yáng)能；西北地區(qū)；住宅；應(yīng)用

前 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化得到了飛速的發(fā)展，諸如鋼鐵冶煉和煤炭發(fā)電等能源消耗極大的行業(yè)也給人們?nèi)粘５纳顜?lái)了嚴(yán)重的影響。對(duì)于能源的可持續(xù)利用、平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾是當(dāng)今我國(guó)面臨的一項(xiàng)重要的發(fā)展難題。對(duì)于建筑行業(yè)來(lái)講，如何降低建筑自身的能源消耗也是緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展給環(huán)境造成壓力的一項(xiàng)重要措施，是一項(xiàng)綠色工程。對(duì)于建筑節(jié)能方面來(lái)講，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多相關(guān)的措施，其中太陽(yáng)能建筑是比較傳統(tǒng)且應(yīng)用十分成熟的一項(xiàng)措施。太陽(yáng)能技術(shù)是一項(xiàng)綠色應(yīng)用技術(shù)，他能夠?qū)μ?yáng)能進(jìn)行有效地收集和利用，這在一定程度上解決了傳統(tǒng)采暖手段自身耗能量巨大，且對(duì)環(huán)境造成污染的缺點(diǎn)，并且在經(jīng)濟(jì)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)今我國(guó)對(duì)于太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用到建筑領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)還比較薄弱，并且在實(shí)踐環(huán)節(jié)還大多處于初步實(shí)驗(yàn)性階段。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高以及環(huán)境壓力的逐漸加大，太陽(yáng)能技術(shù)這一綠色技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的呼聲也越來(lái)越高。其應(yīng)用于建筑中主要有兩種形式，被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)和主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)。被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)主要通過(guò)對(duì)建筑物的朝向，自身結(jié)構(gòu)以及建筑材料的選取利用來(lái)達(dá)到合理利用太陽(yáng)能的目的。主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)主要指采用現(xiàn)代化設(shè)備對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行吸收利用，當(dāng)今應(yīng)用比較廣泛的太陽(yáng)能熱水器就屬于主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)產(chǎn)品之一，本文主要針對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)在建筑中的利用進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)及設(shè)計(jì)因素

1.1 被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)

被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)主要采用以下幾種手段來(lái)使建筑合理的利用太陽(yáng)能輻射，分別為對(duì)建筑朝向以及周邊建筑進(jìn)行合理布置、建筑材料的合理選擇以及對(duì)外部形勢(shì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。住宅建筑通過(guò)合理利用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)，從而使得其自身不需要其他設(shè)備就能達(dá)到有效采暖的作用。從對(duì)太陽(yáng)能利用的形式上可以分為直接收益式、附加陽(yáng)光間式、集熱蓄熱墻式以及組合式四種。

1.1.1 直接收益式

是被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)中最簡(jiǎn)單的一種應(yīng)用形式，它主要是針對(duì)普通建筑房屋，對(duì)于朝南方向且具有大面積玻璃的建筑房屋都可以采用這種形式。直接受益式的建筑房屋在冬季主要是充分利用太陽(yáng)能，當(dāng)太陽(yáng)光透過(guò)玻璃照射到屋內(nèi)之后，地板和墻壁會(huì)將大部分太陽(yáng)光吸收轉(zhuǎn)換成熱能，剩下的一少部分由于反射作用被屋內(nèi)其他家具等進(jìn)行吸收從而達(dá)到是屋內(nèi)溫度升高的效果。對(duì)于吸收的太陽(yáng)能，其中一部分通過(guò)熱交換以及輻射的手段將熱量傳遞給空氣，另一部分被存儲(chǔ)到墻體以及地板內(nèi)，當(dāng)室內(nèi)的溫度下降后再將這部分能量轉(zhuǎn)換成熱能以此達(dá)到減緩降溫的效果。因此，對(duì)于采用直接受益式的建筑房屋，首先需要具備良好的采光條件，并且室內(nèi)采用儲(chǔ)熱性理想的建筑材料。房屋的門(mén)窗應(yīng)當(dāng)具有良好的密封性，并且具有門(mén)簾以及窗簾以此來(lái)降低熱量的損耗。

1.1.2 集熱儲(chǔ)熱墻式

集熱儲(chǔ)熱墻主要有兩部分組成，分別為朝南的重質(zhì)墻體以及玻璃蓋板。在冬季，涂黑的重質(zhì)墻體將太陽(yáng)能進(jìn)行有效吸收。并且墻體設(shè)有兩個(gè)風(fēng)口從而使熱量通過(guò)風(fēng)口傳遞給室內(nèi)空氣，通過(guò)設(shè)置玻璃蓋板，使得墻體吸收的熱量不易向外散失，這樣可以有效提高對(duì)太陽(yáng)能的利用率。然而這種墻體在夏季會(huì)使屋內(nèi)的環(huán)境升高，不利于人們的居住。

因此對(duì)集熱儲(chǔ)熱墻體這種被動(dòng)式通風(fēng)方式，通過(guò)在玻璃蓋板上設(shè)置通風(fēng)口來(lái)使熱量得到有效散失。另外，在玻璃蓋板上設(shè)置遮陽(yáng)卷簾也是有效解決這一問(wèn)題的辦法。集熱儲(chǔ)熱式墻體的原理圖如圖1所示。

1.1.3 附加陽(yáng)光間式

就是在房屋的南側(cè)加一個(gè)玻璃溫室，他具有直接受益式以及集熱儲(chǔ)熱式兩種形式的優(yōu)點(diǎn)。該種方式通過(guò)集熱儲(chǔ)熱墻將附加陽(yáng)光間與房屋有效隔離，太陽(yáng)光首先通過(guò)附加陽(yáng)光間照射到集熱儲(chǔ)熱墻上，由于附加陽(yáng)光間自身的溫室效應(yīng)，使得附加陽(yáng)光間內(nèi)的溫度總是比外界的溫度高，從而使屋內(nèi)的溫度保持在一個(gè)比較理想的水平。人們?cè)诙究梢詫㈤T(mén)傳打開(kāi)來(lái)使得附加陽(yáng)光間溫度較高的空氣通過(guò)對(duì)流的方式來(lái)使室內(nèi)溫度升高，當(dāng)室內(nèi)溫度不需要升高時(shí)可以將相應(yīng)的門(mén)窗關(guān)閉。

組合式的被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)就是對(duì)上述三種形式的綜合利用，根據(jù)不同的地區(qū)以及不同溫度要求來(lái)進(jìn)行合理的組合應(yīng)用。

1.2 設(shè)計(jì)因素

采用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)的住宅設(shè)計(jì)，為了使得采暖效率得到充分發(fā)揮，需要在建筑設(shè)計(jì)初期進(jìn)行全面的分析考慮。具體講可以分為建筑周?chē)匀灰蛩匾约敖ㄖ陨硪蛩剡@兩方面。

1.2.1 自然因素

對(duì)于自然因素來(lái)講，主要包括建筑朝向、日照情況等方面。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)當(dāng)?shù)氐募撅L(fēng)情況以及相關(guān)氣候條件進(jìn)行仔細(xì)調(diào)研分析，以此對(duì)建筑做出正確的設(shè)計(jì)規(guī)劃。為了使建筑能夠最大限度的接受太陽(yáng)光的照射，建筑朝向一般采取正南方向，部分地區(qū)也可以采取正南偏東以及正南偏西15°的朝向角度，最大可偏30°角布置。并且建筑周邊要保持良好的通風(fēng)狀態(tài)，這一方面可以使建筑在夏季能夠進(jìn)行良好的通風(fēng)，也可以使建筑在冬季對(duì)風(fēng)寒進(jìn)行有效遮擋。

建筑周邊還需要做好環(huán)境設(shè)計(jì)，主要以立體綠色化手段為主，可以增加適當(dāng)?shù)娜斯ぶ脖辉O(shè)計(jì)，從而有效的改善建筑周邊的氣候條件，使得夏季周邊環(huán)境不會(huì)過(guò)熱，在冬季也可以有效避風(fēng)。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，還需要注意有效控制建筑間距，一旦建筑之間發(fā)生互相遮擋的情況，將會(huì)導(dǎo)致部分房屋無(wú)法接受太陽(yáng)能的充分照射，尤其是在城鎮(zhèn)住宅中，這一點(diǎn)尤為明顯。

1.2.2 建筑自身因素

對(duì)于建筑自身來(lái)講，主要是要考慮其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于自然因素的影響，大部分建筑房屋都會(huì)出現(xiàn)北冷南暖的情況，需要根據(jù)這一特定對(duì)房屋內(nèi)的各個(gè)房間進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。對(duì)采熱需求比較高的房間，需要設(shè)計(jì)在離集熱區(qū)域比較近的區(qū)域，對(duì)采熱要求不高的房間則最好安排在房屋內(nèi)部的北側(cè)或者東西側(cè)。這種設(shè)計(jì)方式可以合理利用采暖熱量，提高采暖利用率。另外，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮建筑自身的形體系數(shù)。對(duì)于高度已經(jīng)固定的建筑來(lái)講，在采光能力相同的條件下，房屋的長(zhǎng)寬相等會(huì)最大限度的節(jié)省能量。此外，住宅的表面積系數(shù)更能夠反應(yīng)建筑的采光效果，表面積系數(shù)是指建筑南側(cè)墻體面積與整體面積的比值。

2 被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)在西北地區(qū)民居住宅中的設(shè)計(jì)

2.1 西北地區(qū)城鎮(zhèn)住宅特點(diǎn)

我國(guó)的西北地區(qū)從地理位置上講，主要包括了我國(guó)陜西、甘肅、青海以及寧夏和新疆五個(gè)區(qū)域。西北地區(qū)的氣候主要以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?，其中青海和新疆兩個(gè)地區(qū)屬于高原氣候。這也造成了西北地區(qū)常年降水量比較少，一年內(nèi)季節(jié)間的溫差比較大，并且每天的晝夜溫差也比較大。在每年的春季和冬季多出現(xiàn)風(fēng)沙天氣，并且主要以偏北風(fēng)居多。對(duì)于西北地區(qū)的城鎮(zhèn)住宅來(lái)講，由于現(xiàn)代建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)水平的不斷提高，其在建筑周?chē)G化程度大部分比較理想，并且建筑本身多采用磚混結(jié)構(gòu)。西北地區(qū)的城鎮(zhèn)住宅特點(diǎn)主要是受其自身氣候特征的影響。房屋院落的封閉性比較強(qiáng)，住宅屋身比較矮，屋頂坡度低緩，還有相當(dāng)多的建筑使用平頂。對(duì)處于偏僻的農(nóng)村住宅來(lái)講，多采用土坯或者夯土墻的形式，木裝修比較簡(jiǎn)單。有些地區(qū)還具有窯洞建筑，建筑風(fēng)格質(zhì)樸醇厚。

2.2 被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑形式及在西北地區(qū)居民住宅的應(yīng)用分析

西北地區(qū)對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)能的利用，主要考慮西北地區(qū)氣候因素的特點(diǎn)。由于西北地區(qū)常年溫差比較大，并且春季和冬季氣候寒冷，溫度低，在加上西北地區(qū)春季和夏季經(jīng)常刮風(fēng)，因此需要有極好的采光系統(tǒng)。西北地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年均太陽(yáng)能日照輻射量在5000～6500MJ/m2·a，緊次于青藏高原，被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用的理想地區(qū)。西北地區(qū)夏季和秋季溫度比較高，且降雨量較少，在進(jìn)行被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮夏秋兩季的制冷需求。

在進(jìn)行被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)時(shí)，首先建筑朝向盡可能為正南，以此保證采光時(shí)間。由于西北地區(qū)多高原地形，住宅需要選擇在地勢(shì)比較高的區(qū)域。對(duì)于西北地區(qū)常年刮西北方向的風(fēng)這一因素，在進(jìn)行建筑綠化時(shí)最好在建筑的西北方向多增加綠色樹(shù)木等，以此減少冬季西北風(fēng)對(duì)房屋建筑熱量的消耗。另外，在建立防風(fēng)屏障時(shí)，還可以利用西北地區(qū)的地形和周邊的建筑物來(lái)與綠色植被共同構(gòu)建防風(fēng)屏障。由于西北地區(qū)冬季和春季經(jīng)常有風(fēng)沙天氣出現(xiàn)，最好采用附加陽(yáng)光間式的被動(dòng)式采暖方式。附加陽(yáng)光間式的采暖方式設(shè)置有一個(gè)附加間，可以有效的減少風(fēng)沙對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，而且這種方式自身具有比較好的采暖效果，可以極大的滿足西北地區(qū)因春冬季寒冷而對(duì)采暖的需求。在采用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)時(shí)，還需要設(shè)置足夠數(shù)量的蓄熱體。蓄熱體在被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)中起著非常關(guān)鍵的作用，如果蓄熱體的數(shù)量不夠，那么會(huì)直接影響被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)的使用效果，足夠數(shù)量的蓄熱體可以在夜間保持室內(nèi)溫度使維持在比較恒定的水平。處于夏秋兩季對(duì)室內(nèi)采光的要求，還需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼趽跷?，?dāng)室內(nèi)不需要射入過(guò)多的太陽(yáng)光時(shí)，可以通過(guò)遮擋物對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行遮擋。

3 被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)在寧夏城鎮(zhèn)農(nóng)宅中的應(yīng)用分析

對(duì)于寧夏城鎮(zhèn)被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，我們選取了一個(gè)具體的項(xiàng)目實(shí)例來(lái)進(jìn)行介紹，分析的目標(biāo)項(xiàng)目是寧夏省銀川市的一處別墅項(xiàng)目，是一棟位于緩坡上的一個(gè)小區(qū)別墅住宅。該住宅的用地南北長(zhǎng)度為15m，東西長(zhǎng)度為16m。為了最大限度滿足該項(xiàng)目住宅冬季采暖需求以及盡量減少建筑成本，應(yīng)用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)對(duì)住宅進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于住宅建立在緩坡上，因此為該住宅設(shè)計(jì)了一個(gè)地下層且采用了下沉式的庭院，由于地下層周?chē)鷪D的恒溫作用使該層冬暖夏涼，在一定程度上節(jié)省了能源。被動(dòng)式太陽(yáng)能利用采取的主要措施有：

（1）雙層中空斜屋頂（以下均參見(jiàn)圖2所示）

在本項(xiàng)目中采用雙層中空斜屋頂?shù)姆绞絹?lái)使屋頂接受太陽(yáng)光的照射面積達(dá)到最大，以此來(lái)接受最大的太陽(yáng)能輻射。雙層中空式屋頂主要由三層組成，分別為上層的壓型鋼板瓦，為了更好地吸收太陽(yáng)能，他被涂成了黑色，中層為空腔，最底層為木板，它主要起保溫的作用。在冬季和春季，上層的黑色鋼板瓦可以充分的發(fā)揮其吸熱作用，同時(shí)空腔內(nèi)的空氣被加熱而上升，在屋頂?shù)男顭峥涨粌?nèi)，熱空氣被埋在墻體內(nèi)的風(fēng)管通過(guò)小功率的抽風(fēng)機(jī)輸送到需要熱量的房間及地下室的卵石蓄熱床內(nèi)。這些熱量可以從每個(gè)房間的地板上排出，加熱整個(gè)房間，也可以使卵石蓄熱床的卵石儲(chǔ)存大量的熱量。并且在住宅內(nèi)部的每個(gè)房間個(gè)設(shè)計(jì)了一個(gè)閥門(mén)，使用者可以根據(jù)自身需求來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)，以此來(lái)控制每個(gè)房間熱量的進(jìn)出。在夏季時(shí)在蓄熱腔內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)電動(dòng)窗，由于屋內(nèi)不需要熱量，可以打開(kāi)電動(dòng)窗，通過(guò)氣壓差將熱空氣排出到室外，同時(shí)這一過(guò)程還可以間接的將室內(nèi)地板上的熱量帶走。

（2）在二樓窗戶處設(shè)置了一個(gè)附加陽(yáng)光間，在二樓玻璃窗上設(shè)置了遮陽(yáng)卷簾?？梢允苟静捎酶郊雨?yáng)光間進(jìn)行采光，在夏季放下遮陽(yáng)卷簾來(lái)避免室內(nèi)溫度過(guò)高。在附加陽(yáng)光間還設(shè)置了懸窗并在北墻上部設(shè)置了電動(dòng)高窗，使得建筑在夏季產(chǎn)生一定的穿堂風(fēng)。

（3）在地下室下面設(shè)置了蓄熱卵石床，寒冷的冬季卵石床可以儲(chǔ)存大量的熱量。當(dāng)白天時(shí)，卵石床吸收熱量并儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)夜間時(shí)可以打開(kāi)抽風(fēng)機(jī)將熱量輸送到各個(gè)房間內(nèi)。因?yàn)槌轱L(fēng)機(jī)的工作功率很小，一般在十瓦以內(nèi)，這比上千瓦的空調(diào)要節(jié)能很多。夏季，由于住宅北側(cè)的氣溫比較低，所以可以使用卵石床將涼爽的北部空氣傳遞給各個(gè)房間。

在本別墅住宅的西北側(cè)種植了一定數(shù)量的爬山虎，爬山虎在夏季可以為建筑遮擋曝曬，在冬季由于爬山虎葉落而不影響建筑采光。

4 結(jié) 論

根據(jù)上面的討論，我國(guó)西北部城鎮(zhèn)住宅宜采用附加陽(yáng)光間并配合集熱墻的被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)，對(duì)于被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)來(lái)講，由于需要增加集熱裝置以及相關(guān)的配套設(shè)施，因此前期投資比較高。然而該技術(shù)能夠使建筑合理的利用太陽(yáng)光能，使用戶減少了對(duì)電力等能量的消耗，因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行后其優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。隨我我國(guó)建筑領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]胡邵學(xué)，黃柯，宋海林.“生態(tài)辦公建筑的有效實(shí)踐——清華大學(xué)設(shè)計(jì)中心綜合樓評(píng)價(jià)”[J].建筑學(xué)報(bào)，2004.

[2]蔡君馥等《住宅節(jié)能設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[3]仲耀壽，張磊.陽(yáng)光與低碳生活：2011臺(tái)達(dá)杯國(guó)際太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品集[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]喜文華.被動(dòng)太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)與建造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，1.

[5]丹尼爾·D·希拉（作者），薛一冰（譯者）.太陽(yáng)能建筑：被動(dòng)式采暖和降溫[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2008，9.

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃研究項(xiàng)目（2013BAJ03B01）