被動式太陽能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用探討

文/楊茜、雷言清 沈陽聯(lián)保中心第四代建辦公室 遼寧沈陽 110000

1、引言

太陽能是已知最便宜、最廉價、最廣泛最原始的能源，它潔凈、豐富而且公平地分散在全世界各地，世界上任何地區(qū)都可以自由地開發(fā)利用太陽能。我國幅員遼闊，大部分地區(qū)太陽能資源豐富，按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區(qū)(圖1)。充分利用太陽能，合理地利用太陽能資源，可以減低建筑對能源的消耗，減少環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時也可以提高人們的住用、辦公條件。

圖1 太陽能資源在全國的分布圖

2、被動式太陽能建筑概念及意義

被動式太陽能建筑主要通過建筑物的布置，內(nèi)外造型、構(gòu)造及材料選擇有效的采集、儲存和分配太陽能，使建筑物具有溫暖明亮的環(huán)境。較之主動式太陽能建筑，被動式太陽能建筑基本不用采取特別的設(shè)施設(shè)備就能達(dá)到節(jié)約能源，改善住用環(huán)境的目的，因而其更具有生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益，同時技術(shù)上也更加便于推廣應(yīng)用，特別適合于太陽能豐富的地區(qū)。

3、被動式太陽能在建筑中應(yīng)用的設(shè)計(jì)研究

從大的方面，建筑可以分為臨時性建筑和永久性建筑兩類，對于被動式太陽能的利用來說，不同的建筑類別要有與之相適應(yīng)的策略，故以下針對暫時性建筑和永久性建筑兩類進(jìn)行探討。

3.1 暫時性建筑被動式太陽能的利用

暫時性建筑使用年限相對不長，故對其投資不應(yīng)過大，避免造成資源的閑置與浪費(fèi)。所以，在暫時性的建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先考慮采用直接受益式的被動式太陽能的形式，利用南窗直接接受太陽能輻射供熱。這種類型是被動式太陽能采暖方式中最簡單的一種，特點(diǎn)是讓陽光直接加熱采暖房間，把房間本身當(dāng)成一個包括有太陽能集熱器、蓄熱器和分配器的集合體，這類太陽房供熱效率較高，缺點(diǎn)是晚上降溫快，室內(nèi)溫度波動較大。

首先，確定朝向與日照間距，為了合理而充分地利用太陽熱資源，在采暖季節(jié)里，需要建筑盡可能多地接受到太陽輻射，而在夏季，為避免室內(nèi)過熱，又應(yīng)盡量減少太陽光直射室內(nèi)。其次，需要確定房間的溫度分區(qū)，將主要功能空間設(shè)置在南面或東南面，把熱環(huán)境要求不高或使用不頻繁的房間布置在較難獲得太陽能的位置，并且適當(dāng)減少開窗面積。同時，要確定南向房間的進(jìn)深，為提高太陽能供暖效率，房間進(jìn)深不宜過大，通常小于層高的1.5倍為宜，這樣可以保證房間正面接受太陽能面積與房間面積之比大于30%，以保證太陽能供暖效率。另外，要根據(jù)氣候條件精心設(shè)計(jì)窗地比及玻璃的層數(shù)，太陽房南向的窗戶既是得熱的主要構(gòu)件，又是熱損失較大的部位，在太陽能透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)的同時，窗戶也會向室外散發(fā)熱量，要根據(jù)氣候條件區(qū)別對待。最后，可以設(shè)置臨時性陽光間，其構(gòu)造做法簡單，在建筑南向墻外面，先用木枋搭建簡易的框架，在其上覆蓋塑料布，側(cè)面留門，這樣，冬季不僅可以減少冷風(fēng)滲透，在室內(nèi)外形成一個溫度的過渡空間，還可以利用太陽能產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，提高室內(nèi)溫度，在夏季來臨的時候，可以將塑料布去掉，不影響夏季通風(fēng)。

綜上所述，對于暫時性建筑被動式太陽能的設(shè)計(jì)主要采用直接受益的方式，首先保證建筑充足的光照，然后根據(jù)建筑功能對溫度的需求進(jìn)行分區(qū)，進(jìn)而確定房間進(jìn)深和窗戶尺寸、層數(shù)，如果需要可以搭建臨時性的陽光間。

3.2 永久性建筑被動式太陽能的利用

永久性建筑的被動式太陽能利用，對朝向、間距、窗戶等的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與暫時性營房相同，在此不再重復(fù)。在此重點(diǎn)探討適合永久建筑被動式太陽能的技術(shù)手段。

3.2.1 集熱墻體的利用

首先，確定集熱墻通風(fēng)口及空氣夾層尺寸。集熱蓄熱墻是否設(shè)置通風(fēng)口，對其集熱效率有很大的影響，設(shè)置了通風(fēng)口的集熱效率比無通風(fēng)口時高得多。對于寒冷地區(qū)，采用有風(fēng)口的集熱蓄熱墻，其集熱效率高，補(bǔ)熱量少，可更多地節(jié)能。根據(jù)空氣流動的附壁效應(yīng)，風(fēng)口的位置應(yīng)緊貼天棚和地面設(shè)置。為防止夜間熱空氣倒流，可在上下風(fēng)口處裝上活動塑料薄膜，當(dāng)空氣倒流時，可自動關(guān)閉。

其次，確定集熱蓄熱墻墻體材料及厚度。集熱蓄熱墻的材料應(yīng)具有較大的體積熱容量及導(dǎo)熱系數(shù)。由于材料的比熱容差別不大，因此材料的體積熱容量就與材料的密度有關(guān)。密度大的重型材料，其體積熱容量也愈大，這樣墻體就應(yīng)采用重型導(dǎo)熱大的材料。建筑上常用的磚墻、砼墻、土坯墻等都適宜做集熱蓄熱墻。其厚度推薦采用以下值：磚墻：240mm-370mm；砼墻：300mm-400mm；土坯墻：200mm-300mm。

再者，根據(jù)建筑所處區(qū)域氣候特征，選集熱墻玻璃罩蓋層數(shù)與墻體外表涂層。溫暖地區(qū)可采用單層，較寒冷地區(qū)則采用雙層。墻體外表面涂層應(yīng)采用對太陽輻射吸收系數(shù)高的深色無光涂層。黑色表面吸收率為95% ，深藍(lán)色為85%，墨綠色脂肪漆的吸收率為93%。

3.2.2 陽光間及對流環(huán)路集熱的利用

陽光間是一種有效的被動式太陽能利用方式，得到廣泛的應(yīng)用。單純作為集熱部件的陽光間進(jìn)深不宜大于0.6m，兼作使用空間時可按需要加大，但不宜超過1.4m。陽光間和相鄰房間之間公共墻上的門窗開孔率不宜小于公共墻總面積的12%，通常的開孔率是25%-50%。陽光間透光面傾角以90o為最佳，透光面積采取建筑結(jié)構(gòu)允許條件下的最大值。

對流環(huán)路式被動太陽能建筑是在南向外墻面上加一層金屬板(鐵皮、鋁皮)和保溫材料，金屬板表面涂成黑色或其他深色，作為吸熱體吸收太陽輻射熱，金屬板做成平板型或折板型以增加吸收面積。金屬板外覆蓋玻璃罩蓋，墻上、下側(cè)開有通風(fēng)孔。被加熱后的夾層空氣與房間空氣之間的對流(經(jīng)上下風(fēng)口)把熱量傳給房間，達(dá)到采暖的目的。由于金屬板吸熱后升溫快，夾層空氣相應(yīng)也很快升溫，而且夾層空氣溫度高于集熱蓄熱墻式的夾層空氣溫度。所以對于在早上需要盡快提高房間溫度的場合，如辦公樓比較適用。

3.2.3 屋頂池室太陽房的利用

屋頂池式太陽房兼有冬季采暖和夏季降溫兩種功能，適合冬季不屬寒冷，而夏季較熱的地區(qū)。用裝滿水的密封塑料袋作為儲熱體，置于屋頂頂棚之上，其上設(shè)置可水平推拉開閉的保溫蓋板。冬季白天晴天時，將保溫板敞開，讓水袋充分吸收太陽輻射熱，水袋所儲熱量，通過輻射和對流傳至下面房間。夜間則關(guān)閉保溫板，阻止向外的熱損失。夏季保溫蓋板啟閉情況則與冬季相反。保溫蓋板還可根據(jù)房間溫度、水袋內(nèi)水溫和太陽輻照度，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)啟閉（圖2）。

被動式永久性建筑利用太陽能的方式很多（集熱蓄熱墻式、陽光間、對流環(huán)路、屋頂集熱蓄熱式等），每種都有其特點(diǎn)的適用范圍，所以要根據(jù)實(shí)際情況選擇其中的一種或幾種，然后進(jìn)行整體組合設(shè)計(jì)。

結(jié)語：

被動式太陽能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用，能夠有效降低建筑使用全周期內(nèi)的能量消耗，因此大力推廣該項(xiàng)技術(shù)，使之廣泛應(yīng)用于各類建筑中，有著深遠(yuǎn)的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，同時也可提高人們的住用環(huán)境，有利于人們的身心健康。