黃河三角洲地區(qū)農(nóng)村被動式太陽能住宅設(shè)計(jì)

張仁可 (貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院,貴州貴陽 558100)

黃河三角洲地區(qū)農(nóng)村被動式太陽能住宅設(shè)計(jì)

張仁可 (貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院,貴州貴陽 558100)

根據(jù)黃河三角洲地區(qū)濱州市農(nóng)村住宅的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了被動式太陽能住宅,具體分析了建筑物朝向和體型選擇問題,并闡述了被動式太陽房、太陽能炕以及室內(nèi)通風(fēng)、采光和遮陽的設(shè)計(jì)內(nèi)容,旨在為黃河三角洲地區(qū)農(nóng)村節(jié)能住宅的設(shè)計(jì)和建造提供參考。

黃河三角洲地區(qū);被動式太陽能住宅;節(jié)能建筑設(shè)計(jì)

目前,主動式太陽能住宅在我國一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)開始推廣使用,但主動式太陽能住宅造價(jià)比較昂貴,在我國經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)難以推廣[1]。與主動式太陽能住宅相比,被動式太陽能住宅依靠建筑本身來實(shí)現(xiàn)吸熱、蓄熱和放熱等功能,其工程造價(jià)較低且節(jié)能效果較好,容易讓農(nóng)民接受。山東省濱州市位于黃河三角洲地區(qū),東經(jīng)118.00°,北緯37.00°,年日照時(shí)數(shù)達(dá)2600～2800h,年累計(jì)太陽能輻照量達(dá)5852～6680MJ/m2,太陽能資源豐富,這為建造被動式太陽能住宅提供了有利條件。下面,筆者對黃河三角洲地區(qū)農(nóng)村被動式太陽能住宅設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 建筑物朝向選擇

建筑物朝向?qū)ζ洳晒夂凸?jié)能有很大影響。在選擇建筑物朝向時(shí),應(yīng)主要考慮以下2個(gè)方面:①冬季有部分陽光入射室內(nèi)并且可以避免冷風(fēng)侵襲;②夏季盡量避免太陽直射室內(nèi)并且可以使室內(nèi)有良好通風(fēng)效果。在黃河三角洲地區(qū)的濱州市,農(nóng)村住宅的南向墻面在冬季接收的太陽輻射熱最多,東南向和西南向次之,東、西向更少,而在北偏東或偏西30°朝向范圍內(nèi),則接收不到太陽輻射熱;在夏季,濱州市農(nóng)村住宅東、西墻面接收的太陽輻射熱最多,南向次之,北向最少。此外,在濱州地區(qū),冬季主導(dǎo)風(fēng)向以偏北風(fēng)為主,背風(fēng)面在南偏東60°到南偏西45°的范圍內(nèi)。通過上述綜合分析,認(rèn)為濱州市被動式太陽能住宅的適宜朝向?yàn)槟掀珫|60°～南偏西30°,不適宜朝向?yàn)楸逼珫|30°～北偏西60°。

2 建筑物體型選擇

建筑物的體型與節(jié)能有很大關(guān)系。建筑物的體型系數(shù)S,指建筑物接觸室外大氣的外表面積Fo與其所包圍體積Vo的比值,其計(jì)算公式如下[2]:

式中,S為體形系數(shù),m-1;h為層高,m;b為建筑物長度,m;l為建筑物寬度,m;n為層數(shù)。

由式(1)可見,建筑物的體形系數(shù)與建筑物的層數(shù)、層高以及建筑物的長度和寬度有關(guān)。研究表明,建筑物的體形系數(shù)每增大0.01,其耗熱量約增加2.5%。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制建筑物體形系數(shù),常見措施如下[3]:①將多住宅(2或3戶)單元聯(lián)排,并適當(dāng)加大建筑物的進(jìn)深(使建筑物的平面形式接近正方形),同樣可以減小建筑物的體型系數(shù)。同時(shí),結(jié)合人們對不同房間熱環(huán)境的需求,將熱環(huán)境質(zhì)量要求較低的房間,如住宅中的附屬用房(廚房、廁所、樓梯等)布置于冬季溫度相對較低的房屋北側(cè),而將熱環(huán)境質(zhì)量較好的向陽區(qū)域布置居室和客廳。②適當(dāng)增加建筑物的層數(shù)和層高。綜合考慮能耗及建造價(jià)格,農(nóng)村住宅以3.3m較為適宜。由于農(nóng)村家庭一般多代同堂,人口較多,為滿足居住需求,將住宅分為2層比較適宜。

3 被動式太陽房設(shè)計(jì)

在各種被動式太陽房中,附加陽光間式太陽房造價(jià)適中,施工較為簡單,后期維護(hù)較少,因而采用附加陽光間式比較合適(見圖1)。具體而言,在住宅南向客廳的外側(cè)布置陽光間,使其充當(dāng)主要房間與外界環(huán)境之間的溫度阻尼區(qū),這樣可以使主要房間外墻的傳熱損失減少40%～50%[4]。此外,可以在附加陽光間式太陽房內(nèi)放置一些適宜的盆栽花卉植物,既能改善室內(nèi)環(huán)境,又能提高空氣質(zhì)量。

圖1 節(jié)能住宅平面圖

4 太陽能炕設(shè)計(jì)

雖然傳統(tǒng)火炕在農(nóng)村比較盛行,但其存在很多缺陷,為此設(shè)計(jì)了太陽能炕(見圖2)。太陽能炕下部架空,可避免傳統(tǒng)火炕因直接落地而導(dǎo)致熱量傳遞到地面而散失。同時(shí),在其混凝土預(yù)制板上部設(shè)有聚苯乙烯保溫層和鋁箔反射層,這樣不但加強(qiáng)了太陽炕的保溫性能,而且使其熱量盡量向炕面方向輻射。此外,太陽炕下部的蓄熱材料可以在白天吸收太陽能并存儲起來,晚上再釋放出熱量給炕保溫,使其維持比較舒適的熱工環(huán)境。

圖2 太陽能炕結(jié)構(gòu)示意圖

5 室內(nèi)通風(fēng)、采光和遮陽設(shè)計(jì)

在豎向設(shè)計(jì)時(shí),為充分利用煙囪效應(yīng)形成自然風(fēng),在北向開敞樓梯間上方設(shè)置了拔風(fēng)煙囪,以便形成被動式負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。此外,還可以在拔風(fēng)煙囪底部設(shè)置可旋轉(zhuǎn)擋板,這樣可以合理控制室內(nèi)外氣流交換。在夏季,南向室外茂密的樹葉起遮陽作用,只有少量陽光進(jìn)入一層客廳。同時(shí),利用南向挑檐上可調(diào)節(jié)遮陽板對二層南向窗戶進(jìn)行遮陽保護(hù),從而可以有效降低室內(nèi)溫度。此外,可以同時(shí)開啟南向陽光間和北向樓梯間的窗戶,打開拔風(fēng)煙囪底部的可旋轉(zhuǎn)擋板,加速室內(nèi)熱氣流上升,從而形成穿堂風(fēng)。在此基礎(chǔ)上,打開地下通風(fēng)間層南北通風(fēng)口,當(dāng)溫度過高的室外氣流經(jīng)過地下蓄水池和通風(fēng)間層里鵝卵石時(shí),其熱能被吸收后,從而降低室內(nèi)溫度(見圖3)。在冬季,南向栽種的喬木全部落葉,加上人工修剪多余樹枝,同時(shí)將南向挑檐上的可調(diào)節(jié)遮陽板全部開啟,這樣可以使陽光充分進(jìn)入南向室內(nèi)。同時(shí),關(guān)閉南向陽光間式太陽房的玻璃,使陽光間不斷吸收熱量,一部分送入室內(nèi)保持較溫暖的室內(nèi)環(huán)境,一部分儲存到地下通風(fēng)間層的鵝卵石和蓄水池里,同時(shí)把地下通風(fēng)間層的南北通風(fēng)口全部關(guān)閉,這樣可以盡量使熱量不散失(見圖4)。

圖3 夏季采光、通風(fēng)圖

圖4 冬季采光圖

6 結(jié)語

目前,建筑節(jié)能問題已經(jīng)引起全社會的關(guān)注。就當(dāng)前我國農(nóng)村住宅而言,應(yīng)從切實(shí)節(jié)約能耗入手,采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法,使得建筑設(shè)計(jì)既符合建筑節(jié)能的理念,又符合所在地區(qū)的具體實(shí)際情況,最終建造出造價(jià)低廉、經(jīng)濟(jì)適用的農(nóng)村建筑節(jié)能住宅。

[1]李哲元.被動式太陽房熱工設(shè)計(jì)手冊[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.

[2]賈紅,趙鵬,劉曉云.關(guān)于住宅建筑體形系數(shù)的分析[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(2):148-150.

[3]任妍麗.對建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的認(rèn)識[J].山西建筑,2004,30(20):16-17.

[4]吳皓俊.寒冷地區(qū)農(nóng)村太陽能住宅研究[D].西安:西安科技大學(xué),2009.

[編輯]李啟棟

TU111.4

A

1673-1409(2014)19-0077-03

2014-02-25

張仁可(1988-),男,現(xiàn)主要從事土木工程專業(yè)的學(xué)習(xí)。