被動式太陽能技術在建筑設計實踐中的應用探索

鐘汀林

（四川省明杰建筑設計有限責任公司　四川　成都　610000）

被動式太陽能技術在建筑設計實踐中的應用探索

鐘汀林

（四川省明杰建筑設計有限責任公司四川成都610000）

我們希望該項目能夠成為一個貫徹國家綠色可持續發展的大方針的綠色節能的標桿性建筑。同時，也希望她成為一個散發著強烈民族氣息的、適應當地氣候環境的、現代的地域性建筑。

被動式太陽能技術；主動式太陽能技術；地域性建筑

1　被動式太陽能技術簡介

一般在利用太陽能的建筑中，太陽能利用分為兩種方式：①主動式太陽能技術；②被動式太陽能技術。主動式太陽能技術，是指利用機械裝置來收集、儲藏、分配和控制太陽能熱量的方法，如常見的太陽能光電板式發電機、太陽能熱水器等。所謂被動式太陽能技術與主動式太陽能技術正好相反，無需其他機械裝置提供能源，依靠系統自身的傳導、對流和輻射等自然熱轉換的過程，實現對太陽能的收集、儲藏、分配和控制。由于是被動式的，其初始投資和運營成本更低，也更符合綠色設計。

對于被動式太陽能技術來說，它需要兩方面的元素構成：①利用朝陽方向的透明材料（玻璃或塑料等）或是深色材料來收集太陽能（比如溫室和陽光房）。②收集、儲存和分配太陽能熱量的蓄熱體能夠最大限度的接收太陽能。

圖1　被動式太陽能建筑示例

2　建筑設計實踐中的應用

在2013年，我和助手有幸承接了一項很有意義的項目——甘孜縣援藏干部人才生活中心項目。承接項目后，我們馬上對項目的基本情況進行深入地了解和分析：

2.1項目地理位置、氣候條件

該項目位于甘孜州甘孜縣，康北地區腹心地帶，隸屬于四川省管轄。甘孜縣是一座多山的縣城，屬高原河谷氣候，寒冷干燥，澄徹晴朗，地勢開闊，日照長，輻射強，年日照時數達2640h。在這樣的氣候條件下，建筑非常適合采用被動式太陽能技術。

2.2用地現狀和周邊概況

場地周邊場地為不規則的刀把形，用地面積為5303.90m2。場地周邊都是1～2層的小房子。項目場地東面通過一7m左右巷道與城市道路相連。場地南側有個次入口通向其他場地外小巷道。場地東半部地勢平坦，但西半部比東半部矮大約4m左右，在中部有陡坡銜接消化東西高差。場地的南面可以遠眺壯麗的雪山。

圖2

2.3建設方設計要求

本項目主要用于為援藏干部人才提供一個生活和工作的場所，其功能類似招待所。建筑面積約5944.68m2。包括約100套的住房。并包含廚房，餐廳，會議室，圖書室和活動室等公共配套設施。

分析完項目情況后，我們從以下幾點著手展開我們的設計。

2.3.1設計目標

我們希望該項目能夠成為一個貫徹國家綠色可持續發展的大方針的綠色節能的標桿性建筑。同時，也希望她成為一個散發著強烈民族氣息的、適應當地氣候環境的、現代的地域性建筑。

2.3.2設計策略

根據當地氣候狀況制定以“被動式太陽能利用”為主，以“主動式太陽能利用”為輔的節能設計策略，以實現高舒適、低能耗的設計目標。根據基地景觀資源和現狀地形合理設計，提升建筑品質的同時，盡量節約造價。

2.3.3建筑總體布局

設計從被動式太陽能建筑設計要求出發。放棄常見的“內走廊雙面布房”的建筑布局。客房設計采用“北側走廊南側單面布房”的布局方式。所有的房間都朝南，使絕大多數的客房都能充分享受到被動式太陽能技術的利益。本項目共有兩棟南北向一字形客房樓，采用南低（3層）北高（6層）的布局方式。既可以充分利用太陽能以達到節約能源可持續發展的目標。又可以讓更多的客房朝向雪山美景。（見圖3～4）

2.3.4建筑單體設計

設計緊扣被動式太陽能建筑技術，并使之成為本設計最大的亮點。

圖3　項目鳥瞰效果圖

圖4　項目總平面圖

我們將“被動式太陽房”（《被動式太陽能建筑技術規范》（JGJ/T267-2012）中所提的概念）的模型引入到我們的居住單元的設計中來。“被動式太陽房”常用的形式有三種：直接受益式、集熱墻式和附加日光間式。三種太陽房中，直接受益式太陽房集熱效率最高，但晝夜溫度變化幅度也較大。三種太陽房可以綜合利用，形成組合式太陽房。這是將太陽能用于采暖的最簡單的也最有效的一種形式。在日照條件優越的地區，只要對房間外圍護結構加以改善，被動太陽房的采暖效果是非常好的。

本設計，主要采用“附加日光間”的形式。“附加日光間”指的是直接獲得太陽輻射能量的空間，類似南向封閉陽臺。白天，由于日光間直接得到太陽的照射和加熱，所以它在晝間可快速升溫，即使室外零下十余度，日光間也可以升溫到二十多度。它可以供給房間以太陽熱能。另外，當日光間內空氣溫度大于相鄰的房間溫度時，通過開門（或窗或墻上的通風孔）將日光間的熱量通過對流傳入相鄰的房間。到夜間，通過關閉日光間的外窗，并拉上保溫窗簾，減少日光間的熱量流失。因此，日光間又可以作為一個減少房間熱損失的緩沖區，使建筑物與日光間相鄰的部分獲得一個比較溫和室內環境。（原理如圖5）

圖5　被動式太陽能建筑采暖原理圖

我們的建筑單體內外設計就是圍繞“附加日光間”這一被動式太陽能技術模型展開，詳細設計展開如下：

（1）建筑的公共和輔助功能用房置于底層和半地下層。客房主要在二層以上，以利于太陽能的利用。除了采用“北側走廊南側單面布房”的客房布局方式。在客房內部的設計上，我們依然緊扣被動式太陽能建筑技術。我們采用“附加日光間+蓄熱墻體”的被動式太陽能技術。客房的南向陽臺盡量開大面積的高透光的玻璃窗，作為“日光間”。在引入太陽能的同時，又將南向的壯麗的雪山美景引到房間中來。

（2）建筑的外圍護結構為：外墻為200厚頁巖空心磚，采用外保溫形式，保溫層用30厚酚醛保溫板；屋面保溫層用30厚酚醛保溫板；客房陽光間采用塑鋼高透光（保證引入太陽能的效果）雙層中空玻璃窗（保證保溫效果）。

（3）在建筑外部造型設計中，我們延續傳統藏式建筑的精髓，同時表達本建筑強烈的現代感與時代氣息。我們使項目既能融入當地獨特的建筑環境，又能展現全新的民族風格。同時，我們還引入太陽能熱水采暖系統（主動式太陽能相關技術），并將其作為設計和造型的一個重要元素融入到我們的設計中來：除了南向大玻璃的陽光間（被動式太陽能技術）外，我們在屋頂設計了平板式太陽能熱水器，并將這一設施結合建筑的特色造型一體化設計。

2.3.5被動式太陽能建筑成效的模擬計算結果和結論：

11～3月份甘孜地區南垂直面總日射輻照量的平均值：15024.5kJ/（m2·d）。

玻璃窗有效面積系數按0.6計算；

玻璃窗透過系數：0.588；

玻璃窗透過和吸收總得熱率：0.677；

玻璃反射系數：0.1；

房間內墻面、頂棚反射系數：0.52；

地面反射系數：0.27。

計算結果是：該房間窗戶尺寸為1.2×1.2=1.44m2。

通過窗玻璃后被集熱系統吸收的總日射輻照量為：3588kJ/ d·m2×1.44=5167kJ/d·m2。

已經計算出的外圍護結構傳熱量是630W，相當于54432kJ/d。

由此可見，此房間的南窗面積大于2m2，并且能耗控制冷風滲透量的前提下，太陽能已足以維持房間日常的采暖要求。采用被動式太陽能設計策略后，在冬季不采暖的情況下可以提高室內的溫度3～7℃。

2.3.6太陽能熱水采暖系統成效分析

太陽能熱水采暖系統一般由太陽能集熱器、蓄熱水箱、輔助熱源、房間散熱設施、循環水泵和管道組成。考慮高原地區氣候特點，考慮采用太陽能平板式集熱器，與建筑屋頂造型一體化設計，可以避免熱水器的低溫環境下的凍結、爆管等問題，維護簡單，性能穩定，可以供應大部分的生活熱水。

3　小結

被動式太陽能技術的原理并不復雜，也不是高科技。它與我們建筑設計的聯系是密不可分的。在方案設計之初就需要把這門技術融入到建筑設計中去，并在設計中始終貫徹被動式太陽能技術的原理和原則。被動式太陽能技術的應用將使我們的居住環境大大改善，并達到建筑節能減排的目的。在全球環境污染和能源短缺的情況下，這種綠色建筑設計的思想應該成為建筑設計師及整個社會奉行的準則。

[1]《被動式太陽能建筑技術規范》（JGJ/T267-2012）.

[2]張磊，鞠曉磊，曾雁.《被動式太陽能建筑技術規范》解讀[J].建設科技，2012（5）：51～54，57.

[3]李江南.被動式太陽能建筑設計[J].太陽能，2009（10）：43～45.

TU18

A

1673-0038（2015）10-0019-02

2015-2-18

鐘汀林（1981-），男，建筑師（中級），本科，主要從事建筑設計工作。