太陽能住宅設計圖解

江蘇省徐州市新型建筑技術應用中心 ■ 何水清

江蘇省徐州市墻改辦公室 ■ 何勁波

江蘇省新沂市規劃局 ■ 毛希元

一 太陽能與建筑一體化示范住宅(圖1)

圖1 太陽能與建筑一體化示范住宅

1兩坡頂設計

住宅屋頂設計中，采用氟塑琉璃瓦，該材料采用UPVG復合發泡板作基材，表面噴涂耐候氟碳漆制成，厚3cm，自重4kg/m2，色彩鮮艷，使用壽命達50年，避免了采用瀝青瓦時其質感、反光率與太陽能集熱真空管差異過大的問題。琉璃瓦波峰高60mm，可在每個波型瓦的凹槽內放置一只ˉ47mm或ˉ58mm的真空管，外觀結合自然。該住宅采用兩坡屋頂，可提供足夠的太陽能熱水，如圖2所示。

2玻璃瓦：太陽能建筑的新寵

玻璃瓦雖然不是太陽能核心技術，但卻是太陽能建筑的新寵。一幢300m2的二層別墅，其屋頂面積可達150m2，30?～45?的角度最適合接收太陽能輻射，這是“要陽光更要美麗”的創新。

圖2 住宅的兩坡屋頂設計

玻璃瓦使用5～6mm玻璃，加熱后，可彎成需要的瓦狀造型，同時進行鋼化處理，普通瓦直接釘在屋頂的掛瓦條上，而玻璃瓦打孔后固定在離屋頂木望板10～15cm的輕鋼掛瓦條上，在這個空間安裝太陽能真空管或板式太陽能集熱器，實現科技、藝術與經濟的結合(圖3、圖4)。

圖3 別墅屋頂鱗次櫛比的視覺效果最能給人以沖擊力

試驗發現，玻璃瓦屋頂對于太陽能真空管集熱器會有少量的遮擋，但這個空氣間層又形成一個溫室，可將太陽能真空管周圍工作環境溫度提高5～10℃(北京初冬季節)，總體上不影響集熱功能。安裝效果見圖5。

圖4 太陽能集熱器及窗口破壞屋頂鱗次櫛比的藝術效果

圖5 在屋頂瓦上安裝太陽能集熱器的效果

經濟性：玻璃瓦的造價比美國的“歐文斯·科寧”瀝青瓦高30%～40%。

檢修方式：在陣列的太陽能集熱真空接頭處設一排檢修槽，從屋頂下面檢修。

安全性：玻璃瓦打孔用不銹鋼螺絲與輕鋼掛瓦條連接，比水泥還牢固，鋼化玻璃可抗擊風壓和冰雹。

玻璃瓦的透光系數為0.8，但透光系數高并不意味著熱效率降低。

玻璃瓦采用低輻射玻璃制作，具有最大的日光透射率和最小的反射系數，可讓80%的可見光進入溫室間層被太陽能集熱器所吸收，同時又能將90%以上的產生溫室效應熱的長波保留在間層內，大大提高了太陽能的利用率，起到保溫的作用。

根據施工需要，將普通瓦屋頂結構與玻璃瓦屋頂結構進行比較，結果表明玻璃瓦屋頂結構外觀效果較好(圖6、圖7)。

圖6 普通瓦屋頂結構示意圖

圖7 玻璃瓦屋頂結構示意圖

二 別墅節能設計示例

北京某別墅太陽能冬季取暖設計中，要求在無人居住時保持10～12℃的值班溫度。

1利用大屋頂

設計中將毗鄰陽光間的功能移植到別墅的大屋頂上。為了增大屋頂陽光間的空間，將兩坡屋頂設計為45?，南側屋頂用雙層玻璃覆蓋，總采光面積約70m2。考慮到冬冷夏熱的季節特征，在雙層玻璃上面設置電動卷簾(圖8上部)。冬季有日照時，光敏電阻控制繼電器，由電機帶動蝸輪、蝸桿減速器將保溫卷簾卷起(圖8)；日落后光敏電阻釋放繼電器，將卷簾放下。

在屋頂陽光間內安裝溫度傳感器，陽光間溫度高于15℃時，通過軸流風機使陽光房內熱空氣與居室空氣循環，為居室增溫。

2利用別墅基礎

在別墅基礎內安裝一個可推拉的“抽屜”，內裝一組30支、長2m的太陽能真管集熱器(圖9下部)。

在冬季，白天以鏈條、鏈輪驅動，通過滑軌把真空管集熱器拉出來接收太陽光；夜間把“抽屜”關上。這樣即便太陽能真空管有滲漏，也不影響使用。這種設備可集中布置，便于管理維修。

圖8 節能別墅示意圖

圖9 保溫卷簾可實現自動控制

3使用高熱阻的建筑圍護結構

假設建筑物圍護結構有足夠的熱阻，室內熱量不能往外發散，那么一個100W的白熾燈泡產生的熱量就可使冬季室內溫度滿足人體舒適要求。這說明，提高圍護結構的總熱阻是留住太陽能的關鍵。在冬季，建筑通過圍護結構傳熱要經過室內表面吸熱、結構本身傳熱、建筑表面放熱三個過程(見圖10)。

(1) 建筑得熱部分

①通過立面和屋頂接收太陽輻射得熱。構件的外表面吸收太陽輻射并將其轉換成熱能， 通過熱傳導至構件的內表面，再經表面輻射及空氣對流換熱將熱量傳入室內。

圖10 建筑中的熱平衡原理

②通過窗的太陽輻射得熱。主要為直接通過玻璃的輻射。

③居住者的人體散熱。

④電燈和其他電氣設備散熱。

⑤采暖設備散熱。

(2) 建筑的失熱部分

①通過外圍護結構的傳導和對流輻射向室外散熱；

②空氣滲透和通風帶走熱量；

③地面傳熱；

④室內水分蒸發，水蒸氣排出室外帶走熱量(潛熱)；

⑤制冷設備吸熱。

三 庭院式太陽能住宅設計

1中庭和內庭為太陽能提供集熱空間

這套住宅最大的特點是有一個中庭院和前庭院，這是吸取太陽能的空間。每戶內庭院40～50m2，可種植果蔬或攀緣、觀賞植物，既可在冬季獲得更多的太陽能，也使家庭生活空間更加豐富多彩，見圖11。“四維空間”即在長、寬、高的三維空間軸外，又加了一條時間軸。運用“四維空間”的理念進行節能設計，可使建筑物在使用周期內獲得更多的日照、風、雨等自然資源。圖12介紹的利用中庭獲得太陽能的住宅設計，適用于多層住宅。

該住宅符合中小城市節能節地的要求，可根據需要建成4～6聯排，減小建筑體形系數，減少外墻散熱。當采用聯排設計時，為了避免遮擋陽光，戶與戶之間3m以下的圍墻采用實心墻體，3m以上部分則用鋼結構分割。這樣既可滿足日照和18～20m的視距需求，建筑容積率也可達1.0，見圖13。

圖11 布局精致的內庭院成為現代住宅又一道風景線

圖12 住宅中庭

圖13 太陽能低密度聯排住宅，容積率可達1.0

該住宅可使用砌體結構，也可現澆。客廳和臥室屋面為坡屋頂，給太陽能熱水器預留空間，也可做成露臺、花架。住宅立面使用剁石勒腳、面磚裝飾，局部鑲嵌蘑菇石，陽臺使用金屬欄桿和安全玻璃欄板，可與聯排別墅相媲美。建筑內還設計了放置玻璃鋼桿件和集熱棚膜的專用儲藏間，如圖14所示。同時還可通過改變總體布置和立面材料色彩，營造豐富的建筑形態。完美的設計，使太陽能住宅更時尚。

2可開啟、閉合的頂蓋

在建筑物的中庭上通過張拉的鋼索，形成一個可移動的頂蓋，五扇可收放的保溫卷簾組成一個天幕，像一個巨大的照相機快門。在冬季白天，快門型的保溫卷簾全部打開，吸收太陽能；夜間關閉卷簾，并向卷簾內充氣，通過卷簾內200mm厚的空氣間層實現保溫。充氣保溫技術既解決了單屋卷簾的保溫問題，又解決自重和收放的問題，如圖15、圖16所示。

圖15 中庭保溫膜結構關閉后的效果

圖16 中庭保溫膜打開后可吸收利用太陽能

目前帶有中庭形式的建筑越來越多，封閉型的中庭一般使用玻璃頂蓋，其最大問題在于保溫隔熱性能，如果在外面加上一套像農業種植大棚似的卷簾式保溫層，則保溫隔熱效果將得到改善。開啟型的中庭，在膜工程結構基礎上，通過卷簾技術實現節能效果，還能用于大跨工程。應用中膜的厚度在0.5～1.0mm之間，質量輕，在?20～60℃范圍內可重復收卷上千次而不破壞其氣密性。當兩層膜結構充滿空氣后，通過20mm厚的空氣間層減少傳熱，增加卷簾后，可提高中庭溫度、減少建筑外圍結構的氣流速度，實現保溫與節能。

四 在黑夜釋放——建筑移動保溫

留住陽光是人類的夢想，該建筑的主體設計引入時空概念，運用設計手法，在三維空間上加載了時間，形成具有時空概念的四維空間。

1建筑移動的保溫

如圖17所示，某會所正立面像一個背風向陽的港灣。如圖18所示，建筑面積約2000m2，橢圓型的建筑四周安排不同使用要求的房間。如圖19所示，建筑的一層是連通的，二層、三層只在朝南的方向安排了房間。建筑圍合成的中庭頂部不封閉，內部有樹木、景觀山水。

圖17 某會所正立面像一個背風向陽的港灣

圖18 某會所一層平面圖

圖19 某會所剖面圖

圖20 移動式保溫結構

2卷簾式玻璃幕墻保溫

隨著人們生活水平的提高，室內舒適不僅對溫度、濕度提出了要求，還要減少窗戶洞口的冷風輻射。為了減少該建筑大面積玻璃幕墻的冷輻射，給玻璃幕墻增加了移動保溫。雖然玻璃幕墻的形式很多，結構復雜，但移動保溫結構放置在幕墻內部，不受結構限制，可防止對流傳熱、冷風滲透、輻射傳熱。卷簾一年四季都能使用，冬季使用提高室內溫度，夏季使用節省空調耗電。移動或保溫結構安裝在幕墻內側(圖20)，無論是拉桿式、自平衡索桁架式、平行架式、立桿式均可適用。

用太陽能加熱是最安全的加熱措施，如圖21。雖然透明膜形式的大棚效率不如全玻璃真空管，但初期成本較低。如果在其表面加上覆蓋，每天可增溫數攝氏度。

圖21 充氣膜結構用于太陽能集熱

五 要通風又要節能

建筑雖然強調圍護結構的保溫性，但室內居住的人需要呼吸新鮮空氣。怎樣才能在獲得新鮮空氣的同時又降低能耗呢？這里介紹一種別墅建筑增加新風系統的方法，可實現去濕、除塵、排CO2、節電四大改良。

既有建筑增加新風措施如圖22所示。安裝空調的服務人員用水鉆在墻上打上兩個直徑5～6cm的孔，裝上1臺用于電腦主機散熱的12V小型軸流風機，就可將一臺1000～2000元的普通空調升級為帶有新風系統的高品質舒適型空調，從而減少“軍團菌”降低上呼吸道感染等空調病的發生率，還能節能20%～30%。安裝12V軸流風機(如圖23中軸流風機、電源變壓器)，所有成本不過100元。

圖22 軸流風機安裝方法

圖23 12V直流風機耗電量不到1W

新建建筑通過通風管道增加新風措施，可一次為多個房間送風及排風(圖24)。

圖24 新建建筑通過通風管道一次為多個房間送風及排風

因為冷空氣比熱空氣密度大，開啟空調后，室內底部會形成“冷池”。冷空氣被人體、家用電器、墻外輻射加熱后，在房間頂部形成“悶頂”。開啟風機后，安裝在上面的風扇向室外排出濁氣。由于負壓作用，下面的氣孔向室外送新風，當室外新鮮空氣被下面的風機吹入室內后，與室內底部的“冷池”空氣混合，經人體呼吸利用后，從上面的排風扇排出。這種機械對流換氣與開窗通風相比，可以在去濕、除塵、排CO2三個方面改善室內空氣質量，并能節省電費，延長空調使用壽命，集四大功效于一身。

功效一：排濕

夏季，人通過呼吸和無感排汗，每小時排出100～200g水分。實踐證明，人體最適應的相對濕度是50%～60%，室內的空氣濕度又會影響人體的蒸發散熱。如果濕度高于70%，汗液就不容易蒸發，令人感到不適。即使在悶熱的天氣，室外的空氣濕度也低于室內，通過軸流風機排風，每換氣1m3，相當于帶走5～10g水，對排濕非常有利。

功效二：排污、除菌

開窗通風的目的是換氣。在室內，房間的死角最容易產生病毒、病菌，當人們入廁、洗浴時，會使一些霧化的病毒微滴懸浮在空氣中，水溝、地漏也會滋生病菌泛臭味，衛生間與廚房的公共垂直風道也常常串味。安裝機械通風有利于空氣流通。

機械強制通風優于開窗通風，這種新風換氣功能是空調過濾器無法實現的。空調的進風口都裝有一個網狀過濾器，這種地方會積聚一些粉塵，成為霉菌、病菌的溫床。如果家用空調未裝靜電、超聲波及納米類催化除菌系統，換氣通風則更為重要。

功效三：排除室內C O2

CO2氣體濃度超標時，人會頭痛、頭暈、思維遲鈍。人體呼吸每小時約需要新鮮空氣30m3，經檢測部門規定，室內舒適性空調每小時應換氣3～4次，即考慮到了人體呼吸對新鮮空氣的要求。

功效四：節電，延長空調使用壽命

空調開啟后，室內外溫差在5～10℃。開窗時，室內冷空氣以兩種方式損失，一是室內外溫差及壓差形成的對流，另一種形式是輻射作用。如果是開窗通風，溫度低的新鮮空氣與污濁空氣同時被置換，增加制冷機的負荷。而利用“冷池”原理應用分層交換，在不開窗的情況下，置換掉熱空氣，則大大節能，同時減少空調運轉時間。

以前空調使用不普及，建筑節能只是粗放型，房屋建造時沒有考慮進風口與出風口這樣的細節，只有一個大窗戶，把采光與通風模糊處理。在節能與可持續發展理念指導下，太陽能建筑越來越多地將自然通風與機械通風相結合，以此改善室內環境質量并節約能源。