我國被動式太陽能采暖技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

黨怡天

摘 要：本文首先分析了太陽能資源的適用背景及分布現(xiàn)狀，確定太陽能采暖的利用價(jià)值;然后介紹被動式太陽能技術(shù)的原理、適用范圍、經(jīng)濟(jì)適用性，并提出該技術(shù)面臨的問題，分析寧夏回族自治區(qū)農(nóng)宅和北京山地等案例;最后展望了該技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：被動式;太陽房采暖;建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU832.17文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0119-03

Application Status and Development Prospect of Passive Solar Heating Technology in China

DANG Yitian

（Department of Architecture， Shanghai Academy of Fine Arts， Shanghai University，Shanghai 200042）

Abstract： This paper first sorted out the background and distribution of solar energy resources， and determined the utilization value of solar heating. Then， the principle， scope of application and economic applicability of passive solar energy technology were introduced， and the problems faced by the technology were put forward， and the cases of rural houses in Ningxia and mountainous areas in Beijing were analyzed; Finally， the development prospect of this technology in China was prospected.

Keywords： passive;solar room heating;architectural design

近年來，我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加快，建筑業(yè)發(fā)展迅速，這增加了我國能源的消耗。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗結(jié)構(gòu)中有2/3的能源用于建筑采暖、制冷和熱水供應(yīng)。因此，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的一個有效途徑是充分利用太陽能進(jìn)行采暖、降溫和熱水供應(yīng)。

我國有豐富的太陽能資源，2/3以上地區(qū)的年太陽輻射量超過每平方米5 000 MJ[1]。受地理和氣候因素的影響，太陽能分布呈現(xiàn)出明顯的地域性。充分利用豐富的太陽能資源，解決其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響不能維持常量的問題，是利用太陽能實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵所在。

將太陽能技術(shù)運(yùn)用于當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)中，既能滿足建筑的能源需求，又能充分利用太陽能資源，加快太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，太陽能的有效利用還可以大大減少其他不可再生能源的浪費(fèi)，減少環(huán)境污染問題。因此，對被動式太陽能建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有十分重要的價(jià)值。

1 被動式太陽能采暖的原理

被動式太陽能建筑是利用太陽能提供的室內(nèi)熱能，不需要任何機(jī)械設(shè)備提供能源，僅僅依靠傳導(dǎo)、對流和輻射的自然熱傳遞。加上通過建筑物的布置、內(nèi)外構(gòu)造及材料選擇有效地采集、儲存和分配太陽能，提高建筑的溫度和光線，使建筑物具有溫暖明亮的環(huán)境。被動式太陽房采暖原理如圖1所示。該建筑是利用溫室效應(yīng)的原理來加熱房間的。玻璃具有能透過太陽輻射熱而不能透過紅外熱的特點(diǎn)。當(dāng)太陽輻射熱透過玻璃后，會被某種材料吸收，該材料輻射后的紅外熱就不能透過玻璃再返回到室外[2]。

2 國內(nèi)被動式太陽能采暖應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 適用范圍

謝琳娜利用建筑氣候設(shè)計(jì)原理，結(jié)合我國的太陽能資源分布情況，分析了不同氣候區(qū)室外氣候條件與熱舒適區(qū)關(guān)系，建立了不同氣候區(qū)被動式太陽能建筑設(shè)計(jì)的邊界條件[3]。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)被動太陽能的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮建筑朝向、體形和熱質(zhì)材質(zhì)等，以適應(yīng)不同的氣候條件。

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

與傳統(tǒng)的采暖供熱系統(tǒng)相比，太陽能采暖系統(tǒng)具有初期投資大、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。初期投資大是由于太陽能集熱系統(tǒng)增加，運(yùn)行費(fèi)用低是由于常規(guī)能源的消耗減少。

石金鳳以桃李坪村為例，運(yùn)用動態(tài)年計(jì)算費(fèi)用法分析了7種村鎮(zhèn)住宅建筑太陽能供熱系統(tǒng)利用方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[4]，結(jié)果如表1所示。

通過比較上述7種方案可以看出，對住宅進(jìn)行節(jié)能改造后，即使只是簡單的外保溫，每年的計(jì)算費(fèi)用也大幅度降低，在很大幅度上提升了經(jīng)濟(jì)性。

2.3 存在的問題

2.3.1 理論方面。陳其針提出，被動式太陽能建筑熱舒適性的計(jì)算、分析，從理論上來說是一個難題[5]。太陽能被動式供暖形式可以改善室內(nèi)熱舒適性，降低采暖能耗，但是太陽能受太陽輻射、室外溫度等不可控因素的影響較大，不穩(wěn)定的特點(diǎn)明顯。而且，建筑結(jié)構(gòu)的對流、輻射換熱、導(dǎo)熱等形式都呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，理論研究成為難題。

2.3.2 技術(shù)方面。從實(shí)際工程應(yīng)用可以看出，目前，我國已建成了多個單體建筑的太陽能供熱采暖工程，但太陽能區(qū)域供熱采暖工程還未應(yīng)用于實(shí)際生活中。太陽能采暖不適合集中供暖，只適合分戶單體供暖，這一問題還有待研究解決。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)方面。被動式太陽能建筑具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但相對于主動式太陽能建筑存在供熱效果較差、初期投資較高、太陽輻射熱不穩(wěn)定性等問題，群眾廣泛接受還需要一個過程。部分專家在計(jì)算過程中考慮到了初期投資的時(shí)間價(jià)值，對太陽能利用方案采用復(fù)利法的動態(tài)年計(jì)算費(fèi)用法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，但未考慮輔助能源初始價(jià)格的變化。

2.3.4 區(qū)域方面。受氣候影響，不同地區(qū)的太陽能輻射量也截然不同，太陽能富足地區(qū)可以在保證室內(nèi)熱舒適的同時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)“零采暖能耗”的目標(biāo);但太陽能不足的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的難度較大。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀荒茉丛O(shè)計(jì)太陽能被動式供暖系統(tǒng)仍是一個復(fù)雜的問題，而且在夏熱冬冷地區(qū)，太陽能在發(fā)展過程中仍有很多需要突破的地方，以應(yīng)對夏熱冬冷地區(qū)氣候的變化。

3 案例分析

3.1 寧夏回族自治區(qū)太陽能綠色低碳農(nóng)宅

示范建筑位于寧夏回族自治區(qū)銀川市平羅縣，建筑外觀如圖2和圖3所示，建筑設(shè)計(jì)采用主、被動太陽能供暖系統(tǒng)運(yùn)行方式。劉娟對房間供暖耗熱量和太陽能集熱器面積進(jìn)行計(jì)算，對示范農(nóng)宅溫度進(jìn)行測試及分析，對示范農(nóng)宅經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探討。結(jié)果表明，通過采用平板太陽能供暖系統(tǒng)，被動式太陽房、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫等節(jié)能技術(shù)不僅達(dá)到了供暖的目的，而且實(shí)現(xiàn)了低碳、舒適的效果。該建筑在改善農(nóng)村居住環(huán)境，提高居住舒適性、節(jié)能減排方面效果明顯，適宜持續(xù)發(fā)展[6]。

3.2 北京太陽能山地建筑

霍進(jìn)從建筑設(shè)計(jì)角度完善了不同類型山地太陽房的建造模式，提出了一種基于被動式山地住宅的太陽能水箱蓄熱系統(tǒng)，在北京山地基本可以實(shí)現(xiàn)太陽能獨(dú)立供暖，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到山地住宅方案設(shè)計(jì)中，對取暖效果進(jìn)行計(jì)算[7]。

4 國內(nèi)被動式太陽能采暖技術(shù)發(fā)展前景

當(dāng)前，我國農(nóng)村住宅相對分散、密度低，集中供暖模式投資大、維護(hù)水平高，因此，其不適用于農(nóng)村地區(qū)。而太陽能作為一種可再生的清潔能源，無須開采和輸運(yùn)，方便安全、價(jià)格低廉、環(huán)保，符合社會主義新農(nóng)村建設(shè)的要求?，F(xiàn)階段，我國被動式采暖系統(tǒng)仍有許多難以解決的問題，但基于國內(nèi)被動式太陽能采暖技術(shù)、實(shí)踐的整理、分析，可以認(rèn)定被動式太陽能采暖系統(tǒng)是一種理想化的節(jié)能建筑，相對于傳統(tǒng)被動式建筑，新型太陽能建筑能提高太陽能利用率，增強(qiáng)室內(nèi)熱舒適性。而且隨著社會的發(fā)展、技術(shù)的突破、政策的支持，相信太陽能建筑發(fā)展前景廣闊，是能源建設(shè)更好地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。蔡偉在《新農(nóng)村建設(shè)中太陽能采暖技術(shù)的應(yīng)用》一文中，分析了被動式太陽能采暖技術(shù)的效益問題[8]。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

以單個居民住宅采暖系統(tǒng)為例，在管路相同、供回水溫度相同的情況下，分別采用燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、低溫電熱膜輻射采暖、太陽能采暖進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，太陽能采暖費(fèi)用最低，優(yōu)勢明顯。

4.2 生態(tài)效益

從整體上講，被動式太陽能采暖可以和建筑合為一體，整體和諧，既不影響建筑美觀，又節(jié)省能源，符合功能化、美觀化和生態(tài)化的發(fā)展方向。從生態(tài)保護(hù)上來說，被動式太陽能采暖可節(jié)省大量化石能源，減少污染物，還可將農(nóng)村秸稈、樹枝等生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為商品資源，降低農(nóng)民用能支出，改善大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物再利用，為鄉(xiāng)村振興提供強(qiáng)有力的支持。

4.3 社會效益

作為新能源利用技術(shù)，被動式太陽能采暖有利于整體能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，其社會效益體現(xiàn)在環(huán)境保護(hù)、農(nóng)村生活條件改善以及對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動等方面。太陽能采暖可節(jié)省大量化石能源，降低農(nóng)民用能支出，減少污染，為可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。尤其是隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，常規(guī)能源價(jià)格定會不斷上漲，污染治理的成本也會大幅上升，被動式太陽能采暖技術(shù)應(yīng)用的社會效益將會更加凸顯。

5 結(jié)語

我國太陽能資源十分豐富，被動式太陽能采暖技術(shù)日臻成熟，在我國農(nóng)村建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。被動式太陽能采暖能降低農(nóng)村采暖負(fù)擔(dān)，潔凈、衛(wèi)生、安全，具有良好的舒適性和節(jié)能性，對我國經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能源建設(shè)具有積極的推動作用，在推進(jìn)鄉(xiāng)村振興中有較好的社會效益和推廣前景。將被動式太陽能技術(shù)應(yīng)用在解決住宅建筑采暖問題的同時(shí)，應(yīng)注重與建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合，通過建筑空間形體和建筑構(gòu)件的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，以滿足節(jié)能環(huán)保的要求，實(shí)現(xiàn)建筑形式的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]于濤，趙玉清，喬春珍，等.主被動結(jié)合式太陽房的研究現(xiàn)狀及展望[J].太陽能，2015（1）：66-70.

[2]鮑玲玲，李亞楠.我國太陽房采暖技術(shù)研究綜述[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2017（2）：15-22.

[3]謝琳娜.被動式太陽能建筑設(shè)計(jì)氣候分區(qū)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006：45.

[4]石金鳳.村鎮(zhèn)住宅建筑太陽能供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009：15.

[5]陳其針.被動式太陽能建筑結(jié)合相變墻體在沈陽地區(qū)的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010：6.

[6]劉娟，劉蕙蘭，張建中.寧夏太陽能綠色低碳農(nóng)宅的試驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào)，2014（8）：52-56，73.

[7]霍進(jìn).北京山地建筑太陽能直接利用的若干問題研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2013：4.

[8]蔡偉.新農(nóng)村建設(shè)中太陽能采暖技術(shù)的應(yīng)用[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007：10.