夏熱冬冷地區農宅被動式太陽能設計探討

鮮卓麟

【摘要】本文以湖北黃石地區某設計競賽項目為例，針對夏熱冬冷地區的氣候條件和農村住宅現狀，根據建筑節能的基本原理， 提出滿足居住環境熱濕質量條件的被動式太陽能技術。意圖展示先進適用的住宅設計理念和建筑技術，傳播中部地區住宅文化，從而提高生產效率和農村住房質量。

【關鍵詞】夏熱冬冷地區；農宅；被動式太陽能；節能

一、研究背景

長江流域屬于夏熱冬冷地區，由于夏季太陽輻射強烈，陽光直射到室內將嚴重影響建筑室內熱環境。城市住宅夏季需要降溫，而冬季需要采暖，由于空調設備的普及，能源消耗增大和城市熱環境惡化等后果也一一凸顯。夏熱冬冷地區建筑太陽能被動式設計對于建筑節能減排和優化人居環境等方面有重大意義，但涉及問題太多，要想面面俱到且深入透徹恐非本篇論文能夠實現。本文以湖北黃石地區某設計競賽為案例，針對該地區的氣候條件和住宅現狀，對其進行地域性的被動式太陽能設計，意圖提出滿足居住環境熱濕質量條件的建筑方式。

二、場地概況

黃石市地跨北緯29°30′～30°15′，東經114°31′～115°30′，位于中國湖北省東南部，長江中游南岸，是武漢經濟圈內重要城市。本項目位于黃石西塞山區中國住谷核心區內，緊鄰太白湖，占地面積約13.3公頃。本項目將在住宅公園中擇地建設，承擔農村住房展示、體驗、推廣等功能。目前，黃石地區電力資源充沛，鋼材、水泥、石膏、沙、石等材料資源豐富，可以建造鋼結構、鋼混結構、砌塊等形式農村住房。住宅公園給水、電市政管網均齊全，無集中燃氣管網，無集中排水管網。

三、項目簡介

本項目為典型單體居住建筑設計，每戶占地面積150平方米，農村住房為二層，以當地農村住房為原型，每戶均有自家小院，建筑面積200～250平方米，戶型設計以滿足日常生活使用為基礎，農村住房外觀色彩整體協調，與當地環境、特色建筑相呼應，體現本地區地域特征。

本項目試圖利用當地太陽能資源較豐富的特點，結合建筑設計及夏熱冬冷地區氣候特點，分析農村住房使用能耗及應用特點，因地制宜地應用太陽能系統，探索與被動式太陽能系統結合的農村住房建造方式，重點表達技術、產品與建筑結合的設計方法與建造方式。結合建筑方案的特點，通過對太陽能在建筑中的被動利用技術的合理選擇和應用，著重解決建筑冬季采暖、夏季降溫和空氣潮濕等問題。

四、關鍵問題

在中國5個建筑熱工設計分區中，夏熱冬冷地區是唯一對采暖與空調均有較長時間要求的地區。隨著人們經濟條件迅速改善，對生活質量的要求越來越高，伴隨著空調與暖氣進入家庭，能耗問題、污染問題、城市熱島問題迅速加劇。

由于歷史的原因，夏熱冬冷地區基本上沒有集中供暖系統，建筑圍護結構的保溫隔熱性能均不佳，圍護結構中透明部分（窗、玻璃幕墻、玻璃采光頂等）的問題尤其嚴重。目前家家戶戶采用獨立的雙制式空調，這種采暖、制冷模式極為浪費能源。

此外夏熱冬冷地區的另一大氣候特點就是空氣潮濕，以至于夏季悶熱而冬季濕冷。

因此如何處理夏季減少太陽輻射與冬季對太陽能需求這一矛盾，如何平衡保溫隔熱與通風除濕之間的關系，成為設計的兩大關鍵問題。

五、方案介紹

（一）綜合介紹

本文的基本目標是兼顧冬夏的可能性，在比較的基礎上尋找適合夏熱冬冷地區氣候特點的被動式太陽能裝置。基于對夏熱冬冷地區氣候的理解，本文認為，解決該問題的核心是設計應該具有動態調節的可能性。

如圖1所示，本方案在不同的部位采取了包括種植屋面、采光通風天井、陽光間、隔熱窗、底層架空、特朗勃墻等一攬子被動式太陽能設計技術，其中最核心的兩大部分為天井系統和陽光間系統。而它們的最終模型也集中體現了可變式的設計理念。

（二）陽光間系統

在夏季的能耗損失中，太陽輻射是其主要因素。因此，采取適當的遮陽措施，防止直射陽光的不利影響，將會大大降低建筑能耗。由于夏季陽光直射是造成室內得熱的主要途徑，除墻體外保溫和門窗節能之外，建筑外門窗遮陽也成為建筑節能的重要手段之一 。

如圖2所示，陽光間系統由導風窗、Low-E玻璃、蓄熱樓板、導風板、通風屋頂等部分組成。其工作原理如下：夏季白天導風窗開啟，空氣經由水池降溫，從導風窗進入陽光間。同時頂部導風板開啟，玻璃窗關閉，整個陽光間形成煙囪效應，將冷空氣由底部拔到頂部并排出，通過此過程帶走熱量；夏季夜晚，再將玻璃窗打開，以達到通風降溫的目的。冬季白天，底部導風窗、頂部導風板以及玻璃窗全部關閉，利用陽光間的溫室效應通過蓄熱樓板存儲熱量，并把熱量傳到室內。并且，在冬天夜晚，通過白天用蓄熱墻體存儲的熱量為室內傳熱。

（三）天井系統

如圖4所示，方案中設計了一個室內小天井系統，其頂部為玻璃板和可開閉式的遮陽百葉雙層屋頂，并在下方增加了一個可開啟的高側窗。其工作原理如下：在夏季，百葉關閉以阻擋過多的太陽輻射，同時高側窗開啟，形成煙囪拔風效應，以帶走室內熱量，并降低濕度；在冬季，高側窗關閉，避免熱量外流，減少室內熱損失，并且白天將遮陽百葉開啟，增加太陽輻射，夜晚將百葉關閉，鎖住室內熱量。

（四）其他被動式設計

遮陽設計

遮陽采用固定式遮陽，其出挑長度經過計算，采用秋分日的太陽高度角為基準，以使盡量避免夏季太陽直射，同時又不影響冬天的陽光。

通風屋頂

屋頂設計為通風屋頂，在檐口下方做成通風花格，以增強室內通風效果。

植物的利用

方案增加了對植物的靈活運用。如圖5所示，在一層臥室南向設計了一個植物網架，夏季可做遮陽，而冬季植物枯萎，可以使房間享受太陽照射。另外，利用同樣的原理，在西曬墻外部做了一個植物防曬金屬架。

總結：

本文認為，利用被動式太陽能設計可以改善室內微氣候環境，從而真正達到節能減排的目的。綜合考慮夏熱冬冷地區的氣候特點、材料的生態特性及耐候性、構件的成本及中國的國情，本文設計了一系列被動式太陽能技術以適合夏熱冬冷地區復雜的太陽能利用需求。這些“可調節附加構件”在解決建筑之舒適性及能耗問題的同時，也將對建筑的立面產生重要影響，從類型學角度看，這也是一個值得建筑師探討的領域。本文雖以農村住宅為研究對象，但其部分原理同樣適用于的公共建筑。

注：本文所有圖片均來源于作者自制。

參考文獻：

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