新疆地區(qū)被動(dòng)式太陽房應(yīng)用前景分析

黃春成 王明康 吳曉丹

（1.重慶悅來投資集團(tuán)有限公司，重慶 400000；2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832061）

全球氣候變化已然成為人類需要面對(duì)的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，在降低溫室氣體CO2的排放量，應(yīng)對(duì)全球氣候變化的問題上各國(guó)人民已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。在2020 年9 月的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，我國(guó)宣布將采取更強(qiáng)有力的舉措，目標(biāo)是在2030 年之前CO2排放量達(dá)到最大值，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。被動(dòng)式太陽房是一種不消耗常規(guī)能源，直接利用太陽能的建筑。應(yīng)用這種節(jié)能建筑能夠有效降低能源消耗，減少CO2的排放，順應(yīng)碳中和發(fā)展理念。新疆地區(qū)獨(dú)特的氣候條件為該地區(qū)推廣應(yīng)用被動(dòng)式太陽房奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但被動(dòng)式太陽房普遍存在夏季室內(nèi)溫度過高的問題，這一問題能否順利解決決定著被動(dòng)式太陽房在新疆地區(qū)能否大量的推廣應(yīng)用。本文將對(duì)被動(dòng)式太陽房進(jìn)行介紹，并對(duì)其在新疆地區(qū)的應(yīng)用前景進(jìn)行分析，為今后被動(dòng)式太陽房在該地區(qū)的推廣應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 被動(dòng)式太陽房技術(shù)

1.1 被動(dòng)式太陽房的概念

太陽房有兩種類型：被動(dòng)式太陽房和主動(dòng)式太陽房。被動(dòng)式太陽房的采暖降溫不通過主動(dòng)式太陽房所需的輔助設(shè)備（如太陽能集熱器、熱交換設(shè)備、管道、風(fēng)機(jī)等）來完成，而是通過合理調(diào)整建筑物朝向，適當(dāng)添加圍護(hù)結(jié)構(gòu)，合理布置周圍環(huán)境，巧妙處理內(nèi)部空間和外部形體來實(shí)現(xiàn)的。被動(dòng)式太陽房因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本較低，投資回收期較短的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

1.2 被動(dòng)式太陽房的分類

從太陽能的利用角度來分，被動(dòng)式太陽房主要分為以下四種典型型式：直接受益式、集熱蓄熱墻式（Trombe 墻）、附加陽光間式、組合式。各形式被動(dòng)式太陽房見圖1。

圖1 各形式被動(dòng)式太陽房

1.2.1 直接受益式

直接受益式被動(dòng)式太陽房是各類太陽房中與普通住宅差別最小的一種，其工作原理為使太陽光透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、家具等吸收太陽輻射進(jìn)行蓄熱，在夜間，這些儲(chǔ)存的熱量被釋放出來，用以維持室內(nèi)溫度。這類太陽房升溫快，具有簡(jiǎn)單的構(gòu)造以及較為美觀的建筑形式，熱效率較高，造價(jià)低，易于管理。但其也存在室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，熱舒適性差，夜間熱損失明顯，需要各種輔助設(shè)備能耗較多的缺點(diǎn)。因此，這類太陽房適宜建于氣候比較溫和的地區(qū)。

1.2.2 集熱蓄熱墻式

集熱蓄熱墻式被動(dòng)式太陽房在我國(guó)得到了大面積應(yīng)用與深入的研究。這種太陽房的集熱蓄熱墻系統(tǒng)是由表面被涂黑的重質(zhì)墻體和與墻體相隔一定距離的玻璃蓋板組成[2]。該系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示：冬季白天，集熱蓄熱墻的上、下通風(fēng)口均處于打開的狀態(tài)，室內(nèi)溫度較低的空氣通過墻體下通風(fēng)口進(jìn)入墻體與玻璃蓋板間的空氣間層，通過對(duì)流傳熱，加熱密度降低，上升通過上通風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，形成空氣熱循環(huán)，從而達(dá)到供暖的效果。同時(shí)，太陽光透過玻璃蓋板被重質(zhì)墻體吸收并儲(chǔ)存起來[3]；夜間，空氣間層處于不工作狀態(tài)，墻體上、下通風(fēng)口處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)室內(nèi)溫度依靠重質(zhì)墻體向外輻射白天吸收的熱量來保持。夏季白天，利用集熱蓄熱墻進(jìn)行被動(dòng)式通風(fēng)，即集熱蓄熱墻吸收太陽輻射，空氣間層的空氣被加熱，密度降低，與室外空氣產(chǎn)生密度差，從而通過玻璃蓋板上側(cè)窗口排出，形成“太陽能煙囪”?！疤柲軣焽琛睆?qiáng)化通風(fēng)，驅(qū)動(dòng)空氣間層的空氣流動(dòng)，引導(dǎo)空氣從室內(nèi)流進(jìn)空氣間層加熱排出，而相對(duì)較冷的空氣從開啟的窗戶進(jìn)入室內(nèi)，補(bǔ)充新鮮空氣的同時(shí)降低室內(nèi)溫度，達(dá)到降溫的效果；夜間，引入室外冷空氣進(jìn)入室內(nèi)，降低室內(nèi)溫度并對(duì)集熱蓄熱墻進(jìn)行降溫，同時(shí)墻體進(jìn)行蓄冷，承擔(dān)白天的部分冷負(fù)荷，起到一定的降溫作用。這種被動(dòng)式太陽房施工方便，后期維護(hù)簡(jiǎn)單，在我國(guó)寒冷地區(qū)的廣大村鎮(zhèn)住宅中廣泛應(yīng)用[4]。

圖2 集熱蓄熱墻式太陽房運(yùn)行原理

1.2.3 附加陽光間式

附加陽光間式被動(dòng)式太陽房是一種集直接受益式和集熱蓄熱墻式于一體的太陽房形式。其工作原理為：一部分陽光透過玻璃窗照射在房間內(nèi)，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；一部分被陽光間的地面和集熱蓄熱墻吸收，熱量通過熱空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)，達(dá)到供暖效果。陽光間不僅有減少風(fēng)沙侵入、集熱保溫等功能，而且白天還可以作為人們休息和活動(dòng)場(chǎng)所，很容易和整個(gè)建筑融為一體，因而適用于民用住宅[5]。這種類型的太陽房是一種適合村鎮(zhèn)地區(qū)建設(shè)的被動(dòng)式太陽房，但由于其投資相對(duì)較高，不易采取保溫措施，因而宜用于一些有條件的起居室門廳、公共建筑的大廳等房間，不宜大面積采用。

1.2.4 組合式

上述三種被動(dòng)式太陽房均有其優(yōu)點(diǎn)與不足，均能夠不同程度的改善房間的舒適性。在建筑設(shè)計(jì)過程中，為了達(dá)到更好的保溫隔熱的效果，通常把兩個(gè)或兩個(gè)以上的被動(dòng)式太陽房形式進(jìn)行組合使用來達(dá)到更好保溫隔熱的效果，這種被動(dòng)式太陽房被稱為組合式。不同的采暖方式結(jié)合使用，形成互補(bǔ)且更有效的被動(dòng)式太陽房形式。

2 新疆地區(qū)被動(dòng)式太陽房技術(shù)應(yīng)用前景

2.1 新疆地區(qū)發(fā)展被動(dòng)式太陽房的優(yōu)勢(shì)

2.1.1 新疆地區(qū)的太陽能資源

新疆是我國(guó)擁有太陽能資源最為豐富的省區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新疆日照的時(shí)數(shù)可以達(dá)到2550h∕r～3500h∕r，日照的百分率在60%～80%之間，全年輻射總計(jì)可達(dá)5430MJ∕m～6670MJ∕m2[6]，與同緯度的我國(guó)其他地區(qū)相比，平均要高出10%～15%，與長(zhǎng)江中下游地區(qū)相比，高出15%～25%，比青藏高原略低，排名位居全國(guó)第二，這使得新疆地區(qū)應(yīng)用被動(dòng)式太陽房技術(shù)擁有得天獨(dú)厚的條件。

2.1.2 新疆地區(qū)被動(dòng)式太陽房應(yīng)用前景

新疆地處亞歐大陸中心，總面積達(dá)到163.1585 萬km2，是我國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū)，該地區(qū)的常住農(nóng)村人口所占全區(qū)常住人口比重較大，約占總?cè)丝诘?0.62%[7]。這些人口所住的農(nóng)宅位于城市周圍，分布較散，無法實(shí)現(xiàn)集中供暖，且新疆地區(qū)冬季寒冷而漫長(zhǎng)，一般于十月中旬開始供暖，次年四月中旬停止供暖，供暖期長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月之久。對(duì)于沒有集中供暖的農(nóng)村來說，人們冬季取暖只能依靠燃燒煤和秸稈取暖，這種采暖方式不僅很難滿足居民對(duì)住宅熱舒適性的要求，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，在新疆地區(qū)推廣被動(dòng)式太陽房有很大的必要性。并且這些住宅多為1-2層的獨(dú)立住宅，適合采用被動(dòng)式太陽房。

2.2 新疆地區(qū)發(fā)展被動(dòng)式太陽房存在的問題

相對(duì)于我國(guó)其他地區(qū)，新疆地區(qū)被動(dòng)式太陽房的研究起步較晚，雖然現(xiàn)在已有較為成熟的技術(shù)理論，但應(yīng)用面積仍然很少，究其原因有：造價(jià)相對(duì)于普通房屋高，人們很難接受；缺乏完整的設(shè)計(jì)規(guī)范等。最主要原因是被動(dòng)式太陽房存在夏季室內(nèi)溫度過高的問題，這個(gè)問題在新疆地區(qū)，特別是南疆地區(qū)的被動(dòng)式太陽房中尤為突出，這一問題的存在嚴(yán)重阻礙了被動(dòng)式太陽房在新疆地區(qū)的推廣應(yīng)用。

針對(duì)太陽房夏季室內(nèi)溫度過高的問題，相關(guān)研究人員做了大量的研究：徐鑫等以2棟不同構(gòu)造的被動(dòng)式太陽房為對(duì)象，對(duì)四種不同的降溫方式進(jìn)行研究，結(jié)果表明熱壓通風(fēng)結(jié)合夜間通風(fēng)的降溫模式，基本實(shí)現(xiàn)夏季降溫目標(biāo)[8]。針對(duì)新疆農(nóng)村地區(qū)特點(diǎn)，姜曙光等提出一種耦合地下室的被動(dòng)式太陽房[9]，有效緩解了室內(nèi)溫度過高的問題。同時(shí)，一部分學(xué)者開始研究遮陽對(duì)室內(nèi)降溫的影響，這種方法的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了房屋的熱舒適性。

3 結(jié)語

應(yīng)用被動(dòng)式太陽房可以在減少能源消耗、降低污染氣體排放量的同時(shí)，更加容易為人們提供較為舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，同時(shí)被動(dòng)式太陽房的發(fā)展順應(yīng)時(shí)代的要求。新疆地區(qū)因其自然環(huán)境因素而適宜發(fā)展并推廣被動(dòng)式太陽房技術(shù)，并且新疆地區(qū)也有發(fā)展被動(dòng)式太陽房的必要性。但因被動(dòng)式太陽房夏季室內(nèi)溫度過高的問題在新疆地區(qū)尤為突出，影響被動(dòng)式太陽房在新疆地區(qū)的推廣，因此在推廣被動(dòng)式太陽房的同時(shí)應(yīng)加深對(duì)降溫措施的研究，以實(shí)現(xiàn)人們對(duì)冬暖夏涼建筑的期望。本文對(duì)被動(dòng)式太陽房進(jìn)行了介紹，并就被動(dòng)式太陽房在新疆地區(qū)的發(fā)展進(jìn)行了分析，希望能夠?qū)窈蟊粍?dòng)式太陽房的研究，以及其在新疆地區(qū)的推廣提供便利。