被動式太陽能技術在西北地區民居住宅中的應用探析

賀生云

摘 要：隨著我國經濟建設的不斷發展，人們在享受現代科技為人們帶了的福祉的同時也同樣面臨著環境污染以及能源枯竭的問題。因此，對綠色能源以及可再生能源的利用已經成為當今世界所關注焦點。本文對西北地區的氣候和民居住宅的特點進行了分析，探討了被動式太陽能技術在住宅中的應用問題，并對寧夏地區某住宅的被動式太陽能設計進行了具體介紹。

關鍵詞：被動式；太陽能；西北地區；住宅；應用

前 言

改革開放以來，我國的工業化得到了飛速的發展，諸如鋼鐵冶煉和煤炭發電等能源消耗極大的行業也給人們日常的生活帶來了嚴重的影響。對于能源的可持續利用、平衡經濟發展與環境保護之間的矛盾是當今我國面臨的一項重要的發展難題。對于建筑行業來講，如何降低建筑自身的能源消耗也是緩解經濟發展給環境造成壓力的一項重要措施，是一項綠色工程。對于建筑節能方面來講，國內外已經有很多相關的措施，其中太陽能建筑是比較傳統且應用十分成熟的一項措施。太陽能技術是一項綠色應用技術，他能夠對太陽能進行有效地收集和利用，這在一定程度上解決了傳統采暖手段自身耗能量巨大，且對環境造成污染的缺點，并且在經濟方面具有一定的優勢。

當今我國對于太陽能技術應用到建筑領域的理論基礎還比較薄弱，并且在實踐環節還大多處于初步實驗性階段。隨著我國城鎮化水平的不斷提高以及環境壓力的逐漸加大，太陽能技術這一綠色技術在建筑領域應用的呼聲也越來越高。其應用于建筑中主要有兩種形式，被動式太陽能技術和主動式太陽能技術。被動式太陽能技術主要通過對建筑物的朝向，自身結構以及建筑材料的選取利用來達到合理利用太陽能的目的。主動式太陽能技術主要指采用現代化設備對太陽能進行吸收利用，當今應用比較廣泛的太陽能熱水器就屬于主動式太陽能技術產品之一，本文主要針對被動式太陽能技術在建筑中的利用進行詳細探討。

1 被動式太陽能技術及設計因素

1.1 被動式太陽能技術

被動式太陽能技術主要采用以下幾種手段來使建筑合理的利用太陽能輻射，分別為對建筑朝向以及周邊建筑進行合理布置、建筑材料的合理選擇以及對外部形勢與內部結構的合理設計。住宅建筑通過合理利用被動式太陽能技術，從而使得其自身不需要其他設備就能達到有效采暖的作用。從對太陽能利用的形式上可以分為直接收益式、附加陽光間式、集熱蓄熱墻式以及組合式四種。

1.1.1 直接收益式

是被動式太陽能技術中最簡單的一種應用形式，它主要是針對普通建筑房屋，對于朝南方向且具有大面積玻璃的建筑房屋都可以采用這種形式。直接受益式的建筑房屋在冬季主要是充分利用太陽能，當太陽光透過玻璃照射到屋內之后，地板和墻壁會將大部分太陽光吸收轉換成熱能，剩下的一少部分由于反射作用被屋內其他家具等進行吸收從而達到是屋內溫度升高的效果。對于吸收的太陽能，其中一部分通過熱交換以及輻射的手段將熱量傳遞給空氣，另一部分被存儲到墻體以及地板內，當室內的溫度下降后再將這部分能量轉換成熱能以此達到減緩降溫的效果。因此，對于采用直接受益式的建筑房屋，首先需要具備良好的采光條件，并且室內采用儲熱性理想的建筑材料。房屋的門窗應當具有良好的密封性，并且具有門簾以及窗簾以此來降低熱量的損耗。

1.1.2 集熱儲熱墻式

集熱儲熱墻主要有兩部分組成，分別為朝南的重質墻體以及玻璃蓋板。在冬季，涂黑的重質墻體將太陽能進行有效吸收。并且墻體設有兩個風口從而使熱量通過風口傳遞給室內空氣，通過設置玻璃蓋板，使得墻體吸收的熱量不易向外散失，這樣可以有效提高對太陽能的利用率。然而這種墻體在夏季會使屋內的環境升高，不利于人們的居住。

因此對集熱儲熱墻體這種被動式通風方式，通過在玻璃蓋板上設置通風口來使熱量得到有效散失。另外，在玻璃蓋板上設置遮陽卷簾也是有效解決這一問題的辦法。集熱儲熱式墻體的原理圖如圖1所示。

1.1.3 附加陽光間式

就是在房屋的南側加一個玻璃溫室，他具有直接受益式以及集熱儲熱式兩種形式的優點。該種方式通過集熱儲熱墻將附加陽光間與房屋有效隔離，太陽光首先通過附加陽光間照射到集熱儲熱墻上，由于附加陽光間自身的溫室效應，使得附加陽光間內的溫度總是比外界的溫度高，從而使屋內的溫度保持在一個比較理想的水平。人們在冬季可以將門傳打開來使得附加陽光間溫度較高的空氣通過對流的方式來使室內溫度升高，當室內溫度不需要升高時可以將相應的門窗關閉。

組合式的被動式太陽能技術就是對上述三種形式的綜合利用，根據不同的地區以及不同溫度要求來進行合理的組合應用。

1.2 設計因素

采用被動式太陽能技術的住宅設計，為了使得采暖效率得到充分發揮，需要在建筑設計初期進行全面的分析考慮。具體講可以分為建筑周圍自然因素以及建筑自身因素這兩方面。

1.2.1 自然因素

對于自然因素來講，主要包括建筑朝向、日照情況等方面。在進行建筑設計時，需要對當地的季風情況以及相關氣候條件進行仔細調研分析，以此對建筑做出正確的設計規劃。為了使建筑能夠最大限度的接受太陽光的照射，建筑朝向一般采取正南方向，部分地區也可以采取正南偏東以及正南偏西15°的朝向角度，最大可偏30°角布置。并且建筑周邊要保持良好的通風狀態，這一方面可以使建筑在夏季能夠進行良好的通風，也可以使建筑在冬季對風寒進行有效遮擋。

建筑周邊還需要做好環境設計，主要以立體綠色化手段為主，可以增加適當的人工植被設計，從而有效的改善建筑周邊的氣候條件，使得夏季周邊環境不會過熱，在冬季也可以有效避風。在進行建筑設計時，還需要注意有效控制建筑間距，一旦建筑之間發生互相遮擋的情況，將會導致部分房屋無法接受太陽能的充分照射，尤其是在城鎮住宅中，這一點尤為明顯。

1.2.2 建筑自身因素

對于建筑自身來講，主要是要考慮其自身的內部結構，由于自然因素的影響，大部分建筑房屋都會出現北冷南暖的情況，需要根據這一特定對房屋內的各個房間進行合理設計。對采熱需求比較高的房間，需要設計在離集熱區域比較近的區域，對采熱要求不高的房間則最好安排在房屋內部的北側或者東西側。這種設計方式可以合理利用采暖熱量，提高采暖利用率。另外，在進行建筑設計時還需要考慮建筑自身的形體系數。對于高度已經固定的建筑來講，在采光能力相同的條件下，房屋的長寬相等會最大限度的節省能量。此外，住宅的表面積系數更能夠反應建筑的采光效果，表面積系數是指建筑南側墻體面積與整體面積的比值。

2 被動式太陽能技術在西北地區民居住宅中的設計

2.1 西北地區城鎮住宅特點

我國的西北地區從地理位置上講，主要包括了我國陜西、甘肅、青海以及寧夏和新疆五個區域。西北地區的氣候主要以溫帶大陸性氣候為主，其中青海和新疆兩個地區屬于高原氣候。這也造成了西北地區常年降水量比較少，一年內季節間的溫差比較大，并且每天的晝夜溫差也比較大。在每年的春季和冬季多出現風沙天氣，并且主要以偏北風居多。對于西北地區的城鎮住宅來講，由于現代建筑行業的設計水平的不斷提高，其在建筑周圍綠化程度大部分比較理想，并且建筑本身多采用磚混結構。西北地區的城鎮住宅特點主要是受其自身氣候特征的影響。房屋院落的封閉性比較強，住宅屋身比較矮，屋頂坡度低緩，還有相當多的建筑使用平頂。對處于偏僻的農村住宅來講，多采用土坯或者夯土墻的形式，木裝修比較簡單。有些地區還具有窯洞建筑，建筑風格質樸醇厚。

2.2 被動式太陽能建筑形式及在西北地區居民住宅的應用分析

西北地區對被動式太陽能的利用，主要考慮西北地區氣候因素的特點。由于西北地區常年溫差比較大，并且春季和冬季氣候寒冷，溫度低，在加上西北地區春季和夏季經常刮風，因此需要有極好的采光系統。西北地區日照時間長，太陽輻射強，年均太陽能日照輻射量在5000～6500MJ/m2·a，緊次于青藏高原，被動式太陽能技術應用的理想地區。西北地區夏季和秋季溫度比較高，且降雨量較少，在進行被動式太陽能設計時還需要考慮夏秋兩季的制冷需求。

在進行被動式太陽能設計時，首先建筑朝向盡可能為正南，以此保證采光時間。由于西北地區多高原地形，住宅需要選擇在地勢比較高的區域。對于西北地區常年刮西北方向的風這一因素，在進行建筑綠化時最好在建筑的西北方向多增加綠色樹木等，以此減少冬季西北風對房屋建筑熱量的消耗。另外，在建立防風屏障時，還可以利用西北地區的地形和周邊的建筑物來與綠色植被共同構建防風屏障。由于西北地區冬季和春季經常有風沙天氣出現，最好采用附加陽光間式的被動式采暖方式。附加陽光間式的采暖方式設置有一個附加間，可以有效的減少風沙對室內環境的影響，而且這種方式自身具有比較好的采暖效果，可以極大的滿足西北地區因春冬季寒冷而對采暖的需求。在采用被動式太陽能技術時，還需要設置足夠數量的蓄熱體。蓄熱體在被動式太陽能技術中起著非常關鍵的作用，如果蓄熱體的數量不夠，那么會直接影響被動式太陽能技術的使用效果，足夠數量的蓄熱體可以在夜間保持室內溫度使維持在比較恒定的水平。處于夏秋兩季對室內采光的要求，還需要設計適當的遮擋物，當室內不需要射入過多的太陽光時，可以通過遮擋物對太陽光進行遮擋。

3 被動式太陽能技術在寧夏城鎮農宅中的應用分析

對于寧夏城鎮被動式太陽能技術的應用實踐，我們選取了一個具體的項目實例來進行介紹，分析的目標項目是寧夏省銀川市的一處別墅項目，是一棟位于緩坡上的一個小區別墅住宅。該住宅的用地南北長度為15m，東西長度為16m。為了最大限度滿足該項目住宅冬季采暖需求以及盡量減少建筑成本，應用被動式太陽能技術對住宅進行設計。由于住宅建立在緩坡上，因此為該住宅設計了一個地下層且采用了下沉式的庭院，由于地下層周圍圖的恒溫作用使該層冬暖夏涼，在一定程度上節省了能源。被動式太陽能利用采取的主要措施有：

（1）雙層中空斜屋頂（以下均參見圖2所示）

在本項目中采用雙層中空斜屋頂的方式來使屋頂接受太陽光的照射面積達到最大，以此來接受最大的太陽能輻射。雙層中空式屋頂主要由三層組成，分別為上層的壓型鋼板瓦，為了更好地吸收太陽能，他被涂成了黑色，中層為空腔，最底層為木板，它主要起保溫的作用。在冬季和春季，上層的黑色鋼板瓦可以充分的發揮其吸熱作用，同時空腔內的空氣被加熱而上升，在屋頂的蓄熱空腔內，熱空氣被埋在墻體內的風管通過小功率的抽風機輸送到需要熱量的房間及地下室的卵石蓄熱床內。這些熱量可以從每個房間的地板上排出，加熱整個房間，也可以使卵石蓄熱床的卵石儲存大量的熱量。并且在住宅內部的每個房間個設計了一個閥門，使用者可以根據自身需求來調節閥門，以此來控制每個房間熱量的進出。在夏季時在蓄熱腔內設計了一個電動窗，由于屋內不需要熱量，可以打開電動窗，通過氣壓差將熱空氣排出到室外，同時這一過程還可以間接的將室內地板上的熱量帶走。

（2）在二樓窗戶處設置了一個附加陽光間，在二樓玻璃窗上設置了遮陽卷簾。可以使冬季采用附加陽光間進行采光，在夏季放下遮陽卷簾來避免室內溫度過高。在附加陽光間還設置了懸窗并在北墻上部設置了電動高窗，使得建筑在夏季產生一定的穿堂風。

（3）在地下室下面設置了蓄熱卵石床，寒冷的冬季卵石床可以儲存大量的熱量。當白天時，卵石床吸收熱量并儲存起來，當夜間時可以打開抽風機將熱量輸送到各個房間內。因為抽風機的工作功率很小，一般在十瓦以內，這比上千瓦的空調要節能很多。夏季，由于住宅北側的氣溫比較低，所以可以使用卵石床將涼爽的北部空氣傳遞給各個房間。

在本別墅住宅的西北側種植了一定數量的爬山虎，爬山虎在夏季可以為建筑遮擋曝曬，在冬季由于爬山虎葉落而不影響建筑采光。

4 結 論

根據上面的討論，我國西北部城鎮住宅宜采用附加陽光間并配合集熱墻的被動式太陽能技術，對于被動式太陽能技術來講，由于需要增加集熱裝置以及相關的配套設施，因此前期投資比較高。然而該技術能夠使建筑合理的利用太陽光能，使用戶減少了對電力等能量的消耗，因此經過長期的運行后其優勢會越來越明顯。隨我我國建筑領域相關技術的不斷發展成熟，被動式太陽能技術會發揮越來越大的作用。

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基金項目：國家科技支撐計劃研究項目（2013BAJ03B01）