太陽能建筑在高原地區(qū)的實踐

中國建筑設(shè)計院有限公司 ■ 魯永飛鞠曉磊 鄭晶茹

太陽能建筑在高原地區(qū)的實踐

中國建筑設(shè)計院有限公司 ■ 魯永飛*鞠曉磊 鄭晶茹

青藏高原地區(qū)氣候惡劣、常規(guī)能源匱乏，但太陽能資源豐富。當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民住宅建設(shè)水平較低，居住舒適度較差，通過太陽能建筑在高原地區(qū)的實踐，在改善居住環(huán)境的同時考慮了經(jīng)濟(jì)性。本文從住宅的布局設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計、被動太陽能技術(shù)設(shè)計等方面，總結(jié)了適用于高寒地區(qū)農(nóng)村的太陽能建筑技術(shù)。

太陽能建筑；被動技術(shù)；陽光房；高原地區(qū)

1　項目背景

2015年，國際太陽能學(xué)會和中國可再生能源學(xué)會針對青海地區(qū)，主辦了以“陽光與美麗鄉(xiāng)村”為主題的國際太陽能建筑設(shè)計競賽，甄選了3個獲獎方案，在日月山下兔爾干村進(jìn)行實地建設(shè)，用于民宿。設(shè)計方案集成多種太陽能建筑技術(shù)，充分利用了當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源及當(dāng)?shù)夭牧?，較好地解決了常規(guī)能源匱乏和居住舒適度差的問題。

2　建設(shè)方案

2.1戶型A

該方案采用兩重院落的形式來組織空間，平面布局緊湊合理，整體造型有利于夏季通風(fēng)和冬季防寒；充分結(jié)合青海高原地區(qū)冬季寒冷的氣候特點和農(nóng)牧民的生活方式，利用當(dāng)?shù)鼐哂忻褡逄厣牟牧?，如厚重的夯土墻等，有利于保溫和隔熱；采用低成本技術(shù)策略，實現(xiàn)了低投入、高效率。戶型A模型圖如圖1所示。

圖1　戶型A模型圖

2.1.1形體與分區(qū)

戶型A的結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。為最大量的接收陽光，建筑采用了退臺式的形體設(shè)計，南側(cè)建筑為單層，北側(cè)建筑為二層，中間設(shè)置庭院，南側(cè)建筑自帶封閉的小庭院。退臺式的設(shè)計避免了建筑的前后遮擋，保證每個居住房間都有充足的日照。整個院落采用了當(dāng)?shù)氐那f廓形式，封閉厚重的夯土墻能夠有效抵擋寒風(fēng)，與充足的陽光一起營造庭院內(nèi)舒適的活動場所。

圖2　戶型A 結(jié)構(gòu)平面圖(單位：mm)

2.1.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑外墻采用當(dāng)?shù)氐纳敛牧希瑝w厚度可達(dá)500 mm，外窗采用70系列的鋁塑復(fù)合節(jié)能窗。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較小，且具有良好的熱惰性和蓄熱性能，溫度波動小。建設(shè)方對墻體生土材料進(jìn)行了優(yōu)化，在夯土中加入了石灰、枯草，提高了墻體的強(qiáng)度。

圖3　夯土外墻

2.1.3陽光房中庭+光伏發(fā)電系統(tǒng)

南側(cè)客房的小庭院及建筑中間的大庭院均采用了陽光房技術(shù)，并設(shè)置了保溫卷簾。如圖4所示，陽光房能夠保證冬季白天陽光進(jìn)入每個主要生活房間，并聚集大量熱量存儲在墻體及地面中。冬季夜晚，中間庭院的陽光房保溫卷簾放下，減少庭院內(nèi)熱量的散失。相對室外較溫暖的陽光房中庭，保溫卷簾充當(dāng)室內(nèi)房間的熱緩沖層，減少室內(nèi)熱量散失。在中庭陽光房頂部靠近建筑側(cè)安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，提供生活用電。夏季太陽高度角變高，光伏組件還可充當(dāng)遮陽構(gòu)件，阻止陽光射入室內(nèi)。

圖4　陽光房冬季運行原理示意圖

2.1.4空氣集熱器

建筑在北側(cè)屋頂?shù)钠脚_為空氣集熱器預(yù)留了空間，充分利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源?？諝饧療崞髦苯永锰柲芗訜峥諝?，既可為室內(nèi)供暖，也可經(jīng)過換熱生產(chǎn)熱水，避免了熱水采暖的結(jié)冰、腐蝕、結(jié)垢、承壓等問題。相比太陽能熱水采暖，太陽能空氣采暖更適用于青海地區(qū)。

2.2戶型B

該方案采用細(xì)長的院落組織空間，使主要房間的光照最佳。多個住宅聯(lián)排布置，形成了抵御惡劣環(huán)境的屏障。院落的單元組織形式，使客房既保證了私密性，又有聯(lián)系，實現(xiàn)了功能合理分區(qū)，并使客廳和客房都獲得了最佳朝向。戶型B模型圖如圖5所示。

圖5　戶型B模型圖

2.2.1建筑形體

戶型B結(jié)構(gòu)平面圖如圖6所示。該方案以青海地區(qū)傳統(tǒng)莊窠為原型，采用大進(jìn)深的兩進(jìn)院落布局，院落的設(shè)置避免了建筑前后遮擋，使得客廳和每個臥室都有充足的日照。多個戶型采用聯(lián)排的布置方式，減小了整個建筑的體形系數(shù)，降低了熱量流失。

圖6　戶型B結(jié)構(gòu)平面圖(單位：mm)

2.2.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)

該方案墻體采用復(fù)合保溫鋼筋焊接網(wǎng)架混凝土剪力墻(簡稱CL體系)，墻體構(gòu)造如圖7所示。CL體系屬于整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系，整體性良好、穩(wěn)定性高。澆筑時一種保溫層包裹在承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部，具有良好的熱工性能。保溫結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了與承重結(jié)構(gòu)同壽命，增加了保溫的使用年限，減少了后期維修量。

圖7　CL體系墻體構(gòu)造

2.2.3被動太陽能技術(shù)

如圖8所示，南側(cè)客廳外設(shè)陽光房為室內(nèi)進(jìn)行供暖；中部庭院上空全覆蓋陽光房，一方面為庭院相鄰的房間供暖，另一方面在夜間充當(dāng)熱緩沖層，減少室內(nèi)熱量散失。在陽光房立面設(shè)置了可開啟外窗，頂部設(shè)置可收起的遮陽百葉。在夏季時打開陽光房外窗，并將百葉放下，防止熱量聚集。

圖8　陽光房的熱量循環(huán)及夏季遮陽通風(fēng)原理圖

2.3戶型C

2.3.1建筑形體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)

該方案采用三合院的布局方式，客房與客廳圍繞內(nèi)庭院布置，布局緊湊，體形系數(shù)較小。此外，中庭形成良好的風(fēng)環(huán)境，為冬日提供舒適的室外活動場所。該方案采用傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)，并在外墻設(shè)置外保溫系統(tǒng)，建造方法簡便，易于推廣。戶型C模型圖如圖9所示。

圖9　戶型C模型圖

2.3.2陽光房與直接受益窗

圖10為戶型C結(jié)構(gòu)平面圖。該方案除在庭院頂部設(shè)置玻璃頂形成陽光房中庭外，首層南向臥室外設(shè)置小庭院，也用作陽光房。3個陽光房白天為室內(nèi)提供熱量，并營造舒適的室外環(huán)境；夜間充當(dāng)主要客房的熱緩沖層，減少熱損失。

圖10　戶型C結(jié)構(gòu)平面圖(單位：mm)

此外，主要房間采用了直接受益窗技術(shù)，通過計算適當(dāng)加大外窗面積，采用熱工性能良好的三玻中空玻璃，并設(shè)置保溫窗簾。白天使室內(nèi)接收更多的陽光，將熱量存儲在地板中，夜間地板存儲的熱量開始釋放，作為常規(guī)采暖的輔助熱源。由于保溫窗簾與中空玻璃良好的熱工性能，能夠有效減小熱量損失，降低采暖能耗。

2.4方案效果

3個方案的設(shè)計結(jié)合了青海地區(qū)的氣候特征，從形體布局、建筑保溫、太陽能技術(shù)3個層面進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(效果圖如圖11所示)，形成了具有濃厚地域特色的太陽能建筑，在青海地區(qū)的美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中起到了示范作用。

圖11　兔爾干村整體效果圖

3　技術(shù)總結(jié)

綜合以上3個方案的設(shè)計經(jīng)驗，在高原地區(qū)推廣太陽能建筑時，應(yīng)從3個層面進(jìn)行考慮：

1)建筑設(shè)計應(yīng)有良好的建筑形體和平面布局。在青海地區(qū)宜優(yōu)先采用院落的方式來組織空間，一方面能夠最大量地引入陽光，增加得熱；另一方面能夠有效抵擋冬季寒風(fēng)，降低熱損失。

2)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有熱工性能良好的保溫體系，減少建筑的熱損失。對于貧困地區(qū)，可采用優(yōu)化的生土結(jié)構(gòu)，可就地取材，既能滿足保溫要求，未來拆除后也不會對環(huán)境造成破壞。也可選用CL體系、外墻外保溫體系等保溫技術(shù)。

3)在良好的建筑形體布局與良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的前提下，優(yōu)先采用陽光房技術(shù)、直接受益窗技術(shù)，這兩種技術(shù)均屬于被動式技術(shù)，成本較低，性能較好。當(dāng)被動技術(shù)無法滿足要求時，可采用太陽能空氣采暖技術(shù)，由于青海地區(qū)采暖周期長，非采暖季的維護(hù)問題較少，太陽能空氣采暖非常適合在青海地區(qū)推廣。

2016-09-14

“陽光與美麗鄉(xiāng)村”2015年臺達(dá)杯國際太陽能建筑設(shè)計競賽獲獎作品示范（2015-NN-E04）

魯永飛(1983—)，男，碩士，主要從事太陽能技術(shù)在建筑中應(yīng)用方面的研究。luyf@cadg.cn