我國被動式太陽能采暖技術的應用現狀及發展前景

黨怡天

摘 要：本文首先分析了太陽能資源的適用背景及分布現狀，確定太陽能采暖的利用價值;然后介紹被動式太陽能技術的原理、適用范圍、經濟適用性，并提出該技術面臨的問題，分析寧夏回族自治區農宅和北京山地等案例;最后展望了該技術在國內的發展前景。

關鍵詞：被動式;太陽房采暖;建筑設計

中圖分類號：TU832.17文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0119-03

Application Status and Development Prospect of Passive Solar Heating Technology in China

DANG Yitian

（Department of Architecture， Shanghai Academy of Fine Arts， Shanghai University，Shanghai 200042）

Abstract： This paper first sorted out the background and distribution of solar energy resources， and determined the utilization value of solar heating. Then， the principle， scope of application and economic applicability of passive solar energy technology were introduced， and the problems faced by the technology were put forward， and the cases of rural houses in Ningxia and mountainous areas in Beijing were analyzed; Finally， the development prospect of this technology in China was prospected.

Keywords： passive;solar room heating;architectural design

近年來，我國工業化和城市化進程不斷加快，建筑業發展迅速，這增加了我國能源的消耗。相關數據顯示，建筑能耗結構中有2/3的能源用于建筑采暖、制冷和熱水供應。因此，實現建筑節能的一個有效途徑是充分利用太陽能進行采暖、降溫和熱水供應。

我國有豐富的太陽能資源，2/3以上地區的年太陽輻射量超過每平方米5 000 MJ[1]。受地理和氣候因素的影響，太陽能分布呈現出明顯的地域性。充分利用豐富的太陽能資源，解決其強度受各種因素（季節、地點、氣候等）的影響不能維持常量的問題，是利用太陽能實現建筑節能的關鍵所在。

將太陽能技術運用于當前建筑設計中，既能滿足建筑的能源需求，又能充分利用太陽能資源，加快太陽能產業的發展。此外，太陽能的有效利用還可以大大減少其他不可再生能源的浪費，減少環境污染問題。因此，對被動式太陽能建筑的設計進行研究具有十分重要的價值。

1 被動式太陽能采暖的原理

被動式太陽能建筑是利用太陽能提供的室內熱能，不需要任何機械設備提供能源，僅僅依靠傳導、對流和輻射的自然熱傳遞。加上通過建筑物的布置、內外構造及材料選擇有效地采集、儲存和分配太陽能，提高建筑的溫度和光線，使建筑物具有溫暖明亮的環境。被動式太陽房采暖原理如圖1所示。該建筑是利用溫室效應的原理來加熱房間的。玻璃具有能透過太陽輻射熱而不能透過紅外熱的特點。當太陽輻射熱透過玻璃后，會被某種材料吸收，該材料輻射后的紅外熱就不能透過玻璃再返回到室外[2]。

2 國內被動式太陽能采暖應用現狀

2.1 適用范圍

謝琳娜利用建筑氣候設計原理，結合我國的太陽能資源分布情況，分析了不同氣候區室外氣候條件與熱舒適區關系，建立了不同氣候區被動式太陽能建筑設計的邊界條件[3]。同時，強調被動太陽能的設計應著重考慮建筑朝向、體形和熱質材質等，以適應不同的氣候條件。

2.2 經濟可行性

與傳統的采暖供熱系統相比，太陽能采暖系統具有初期投資大、運行費用低等特點。初期投資大是由于太陽能集熱系統增加，運行費用低是由于常規能源的消耗減少。

石金鳳以桃李坪村為例，運用動態年計算費用法分析了7種村鎮住宅建筑太陽能供熱系統利用方案的技術經濟性[4]，結果如表1所示。

通過比較上述7種方案可以看出，對住宅進行節能改造后，即使只是簡單的外保溫，每年的計算費用也大幅度降低，在很大幅度上提升了經濟性。

2.3 存在的問題

2.3.1 理論方面。陳其針提出，被動式太陽能建筑熱舒適性的計算、分析，從理論上來說是一個難題[5]。太陽能被動式供暖形式可以改善室內熱舒適性，降低采暖能耗，但是太陽能受太陽輻射、室外溫度等不可控因素的影響較大，不穩定的特點明顯。而且，建筑結構的對流、輻射換熱、導熱等形式都呈現出不穩定性，理論研究成為難題。

2.3.2 技術方面。從實際工程應用可以看出，目前，我國已建成了多個單體建筑的太陽能供熱采暖工程，但太陽能區域供熱采暖工程還未應用于實際生活中。太陽能采暖不適合集中供暖，只適合分戶單體供暖，這一問題還有待研究解決。

2.3.3 經濟方面。被動式太陽能建筑具有節能、經濟實用性強的特點，但相對于主動式太陽能建筑存在供熱效果較差、初期投資較高、太陽輻射熱不穩定性等問題，群眾廣泛接受還需要一個過程。部分專家在計算過程中考慮到了初期投資的時間價值，對太陽能利用方案采用復利法的動態年計算費用法進行技術經濟分析，但未考慮輔助能源初始價格的變化。

2.3.4 區域方面。受氣候影響，不同地區的太陽能輻射量也截然不同，太陽能富足地區可以在保證室內熱舒適的同時，基本實現“零采暖能耗”的目標;但太陽能不足的地區，實現這一目標的難度較大。結合當地氣候和自然能源設計太陽能被動式供暖系統仍是一個復雜的問題，而且在夏熱冬冷地區，太陽能在發展過程中仍有很多需要突破的地方，以應對夏熱冬冷地區氣候的變化。

3 案例分析

3.1 寧夏回族自治區太陽能綠色低碳農宅

示范建筑位于寧夏回族自治區銀川市平羅縣，建筑外觀如圖2和圖3所示，建筑設計采用主、被動太陽能供暖系統運行方式。劉娟對房間供暖耗熱量和太陽能集熱器面積進行計算，對示范農宅溫度進行測試及分析，對示范農宅經濟性進行探討。結果表明，通過采用平板太陽能供暖系統，被動式太陽房、圍護結構保溫等節能技術不僅達到了供暖的目的，而且實現了低碳、舒適的效果。該建筑在改善農村居住環境，提高居住舒適性、節能減排方面效果明顯，適宜持續發展[6]。

3.2 北京太陽能山地建筑

霍進從建筑設計角度完善了不同類型山地太陽房的建造模式，提出了一種基于被動式山地住宅的太陽能水箱蓄熱系統，在北京山地基本可以實現太陽能獨立供暖，并將該系統應用到山地住宅方案設計中，對取暖效果進行計算[7]。

4 國內被動式太陽能采暖技術發展前景

當前，我國農村住宅相對分散、密度低，集中供暖模式投資大、維護水平高，因此，其不適用于農村地區。而太陽能作為一種可再生的清潔能源，無須開采和輸運，方便安全、價格低廉、環保，符合社會主義新農村建設的要求。現階段，我國被動式采暖系統仍有許多難以解決的問題，但基于國內被動式太陽能采暖技術、實踐的整理、分析，可以認定被動式太陽能采暖系統是一種理想化的節能建筑，相對于傳統被動式建筑，新型太陽能建筑能提高太陽能利用率，增強室內熱舒適性。而且隨著社會的發展、技術的突破、政策的支持，相信太陽能建筑發展前景廣闊，是能源建設更好地實現可持續發展的重要組成部分。蔡偉在《新農村建設中太陽能采暖技術的應用》一文中，分析了被動式太陽能采暖技術的效益問題[8]。

4.1 經濟效益

以單個居民住宅采暖系統為例，在管路相同、供回水溫度相同的情況下，分別采用燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、低溫電熱膜輻射采暖、太陽能采暖進行比較分析。結果表明，太陽能采暖費用最低，優勢明顯。

4.2 生態效益

從整體上講，被動式太陽能采暖可以和建筑合為一體，整體和諧，既不影響建筑美觀，又節省能源，符合功能化、美觀化和生態化的發展方向。從生態保護上來說，被動式太陽能采暖可節省大量化石能源，減少污染物，還可將農村秸稈、樹枝等生物質能轉化為商品資源，降低農民用能支出，改善大氣環境，實現農業廢棄物再利用，為鄉村振興提供強有力的支持。

4.3 社會效益

作為新能源利用技術，被動式太陽能采暖有利于整體能源結構調整，其社會效益體現在環境保護、農村生活條件改善以及對農村經濟發展的帶動等方面。太陽能采暖可節省大量化石能源，降低農民用能支出，減少污染，為可持續發展提供強有力的支持。尤其是隨著經濟社會的發展，常規能源價格定會不斷上漲，污染治理的成本也會大幅上升，被動式太陽能采暖技術應用的社會效益將會更加凸顯。

5 結語

我國太陽能資源十分豐富，被動式太陽能采暖技術日臻成熟，在我國農村建設中具有廣闊的應用前景。被動式太陽能采暖能降低農村采暖負擔，潔凈、衛生、安全，具有良好的舒適性和節能性，對我國經濟、環境和能源建設具有積極的推動作用，在推進鄉村振興中有較好的社會效益和推廣前景。將被動式太陽能技術應用在解決住宅建筑采暖問題的同時，應注重與建筑設計的結合，通過建筑空間形體和建筑構件的創造性設計，以滿足節能環保的要求，實現建筑形式的創新。

參考文獻：

[1]于濤，趙玉清，喬春珍，等.主被動結合式太陽房的研究現狀及展望[J].太陽能，2015（1）：66-70.

[2]鮑玲玲，李亞楠.我國太陽房采暖技術研究綜述[J].潔凈與空調技術，2017（2）：15-22.

[3]謝琳娜.被動式太陽能建筑設計氣候分區研究[D].西安：西安建筑科技大學，2006：45.

[4]石金鳳.村鎮住宅建筑太陽能供熱系統技術經濟分析[D].西安：西安建筑科技大學，2009：15.

[5]陳其針.被動式太陽能建筑結合相變墻體在沈陽地區的應用研究[D].重慶：重慶大學，2010：6.

[6]劉娟，劉蕙蘭，張建中.寧夏太陽能綠色低碳農宅的試驗研究[J].暖通空調，2014（8）：52-56，73.

[7]霍進.北京山地建筑太陽能直接利用的若干問題研究[D].北京：北方工業大學，2013：4.

[8]蔡偉.新農村建設中太陽能采暖技術的應用[D].合肥：安徽農業科學，2007：10.