新疆地區被動式太陽房應用前景分析

黃春成 王明康 吳曉丹

（1.重慶悅來投資集團有限公司，重慶 400000；2.石河子大學水利建筑工程學院，新疆維吾爾自治區 石河子 832061）

全球氣候變化已然成為人類需要面對的最嚴峻的挑戰之一，在降低溫室氣體CO2的排放量，應對全球氣候變化的問題上各國人民已經達成共識。在2020 年9 月的聯合國大會上，我國宣布將采取更強有力的舉措，目標是在2030 年之前CO2排放量達到最大值，在2060 年前實現碳中和[1]。被動式太陽房是一種不消耗常規能源，直接利用太陽能的建筑。應用這種節能建筑能夠有效降低能源消耗，減少CO2的排放，順應碳中和發展理念。新疆地區獨特的氣候條件為該地區推廣應用被動式太陽房奠定了堅實的基礎，但被動式太陽房普遍存在夏季室內溫度過高的問題，這一問題能否順利解決決定著被動式太陽房在新疆地區能否大量的推廣應用。本文將對被動式太陽房進行介紹，并對其在新疆地區的應用前景進行分析，為今后被動式太陽房在該地區的推廣應用提供有價值的參考。

1 被動式太陽房技術

1.1 被動式太陽房的概念

太陽房有兩種類型：被動式太陽房和主動式太陽房。被動式太陽房的采暖降溫不通過主動式太陽房所需的輔助設備（如太陽能集熱器、熱交換設備、管道、風機等）來完成，而是通過合理調整建筑物朝向，適當添加圍護結構，合理布置周圍環境，巧妙處理內部空間和外部形體來實現的。被動式太陽房因其結構簡單，投資成本較低，投資回收期較短的特點而被廣泛應用。

1.2 被動式太陽房的分類

從太陽能的利用角度來分，被動式太陽房主要分為以下四種典型型式：直接受益式、集熱蓄熱墻式（Trombe 墻）、附加陽光間式、組合式。各形式被動式太陽房見圖1。

圖1 各形式被動式太陽房

1.2.1 直接受益式

直接受益式被動式太陽房是各類太陽房中與普通住宅差別最小的一種，其工作原理為使太陽光透過玻璃進入室內，圍護結構、家具等吸收太陽輻射進行蓄熱，在夜間，這些儲存的熱量被釋放出來，用以維持室內溫度。這類太陽房升溫快，具有簡單的構造以及較為美觀的建筑形式，熱效率較高，造價低，易于管理。但其也存在室內溫度波動較大，熱舒適性差，夜間熱損失明顯，需要各種輔助設備能耗較多的缺點。因此，這類太陽房適宜建于氣候比較溫和的地區。

1.2.2 集熱蓄熱墻式

集熱蓄熱墻式被動式太陽房在我國得到了大面積應用與深入的研究。這種太陽房的集熱蓄熱墻系統是由表面被涂黑的重質墻體和與墻體相隔一定距離的玻璃蓋板組成[2]。該系統的工作原理如圖2 所示：冬季白天，集熱蓄熱墻的上、下通風口均處于打開的狀態，室內溫度較低的空氣通過墻體下通風口進入墻體與玻璃蓋板間的空氣間層，通過對流傳熱，加熱密度降低，上升通過上通風口進入室內，形成空氣熱循環，從而達到供暖的效果。同時，太陽光透過玻璃蓋板被重質墻體吸收并儲存起來[3]；夜間，空氣間層處于不工作狀態，墻體上、下通風口處于關閉狀態，此時室內溫度依靠重質墻體向外輻射白天吸收的熱量來保持。夏季白天，利用集熱蓄熱墻進行被動式通風，即集熱蓄熱墻吸收太陽輻射，空氣間層的空氣被加熱，密度降低，與室外空氣產生密度差，從而通過玻璃蓋板上側窗口排出，形成“太陽能煙囪”。“太陽能煙囪”強化通風，驅動空氣間層的空氣流動，引導空氣從室內流進空氣間層加熱排出，而相對較冷的空氣從開啟的窗戶進入室內，補充新鮮空氣的同時降低室內溫度，達到降溫的效果；夜間，引入室外冷空氣進入室內，降低室內溫度并對集熱蓄熱墻進行降溫，同時墻體進行蓄冷，承擔白天的部分冷負荷，起到一定的降溫作用。這種被動式太陽房施工方便，后期維護簡單，在我國寒冷地區的廣大村鎮住宅中廣泛應用[4]。

圖2 集熱蓄熱墻式太陽房運行原理

1.2.3 附加陽光間式

附加陽光間式被動式太陽房是一種集直接受益式和集熱蓄熱墻式于一體的太陽房形式。其工作原理為：一部分陽光透過玻璃窗照射在房間內，對室內溫度進行調節；一部分被陽光間的地面和集熱蓄熱墻吸收，熱量通過熱空氣循環和熱傳導進入室內，達到供暖效果。陽光間不僅有減少風沙侵入、集熱保溫等功能，而且白天還可以作為人們休息和活動場所，很容易和整個建筑融為一體，因而適用于民用住宅[5]。這種類型的太陽房是一種適合村鎮地區建設的被動式太陽房，但由于其投資相對較高，不易采取保溫措施，因而宜用于一些有條件的起居室門廳、公共建筑的大廳等房間，不宜大面積采用。

1.2.4 組合式

上述三種被動式太陽房均有其優點與不足，均能夠不同程度的改善房間的舒適性。在建筑設計過程中，為了達到更好的保溫隔熱的效果，通常把兩個或兩個以上的被動式太陽房形式進行組合使用來達到更好保溫隔熱的效果，這種被動式太陽房被稱為組合式。不同的采暖方式結合使用，形成互補且更有效的被動式太陽房形式。

2 新疆地區被動式太陽房技術應用前景

2.1 新疆地區發展被動式太陽房的優勢

2.1.1 新疆地區的太陽能資源

新疆是我國擁有太陽能資源最為豐富的省區之一。據統計，新疆日照的時數可以達到2550h∕r～3500h∕r，日照的百分率在60%～80%之間，全年輻射總計可達5430MJ∕m～6670MJ∕m2[6]，與同緯度的我國其他地區相比，平均要高出10%～15%，與長江中下游地區相比，高出15%～25%，比青藏高原略低，排名位居全國第二，這使得新疆地區應用被動式太陽房技術擁有得天獨厚的條件。

2.1.2 新疆地區被動式太陽房應用前景

新疆地處亞歐大陸中心，總面積達到163.1585 萬km2，是我國陸地面積最大的省級行政區，該地區的常住農村人口所占全區常住人口比重較大，約占總人口的50.62%[7]。這些人口所住的農宅位于城市周圍，分布較散，無法實現集中供暖，且新疆地區冬季寒冷而漫長，一般于十月中旬開始供暖，次年四月中旬停止供暖，供暖期長達六個月之久。對于沒有集中供暖的農村來說，人們冬季取暖只能依靠燃燒煤和秸稈取暖，這種采暖方式不僅很難滿足居民對住宅熱舒適性的要求，還造成了嚴重的環境污染，因此，在新疆地區推廣被動式太陽房有很大的必要性。并且這些住宅多為1-2層的獨立住宅，適合采用被動式太陽房。

2.2 新疆地區發展被動式太陽房存在的問題

相對于我國其他地區，新疆地區被動式太陽房的研究起步較晚，雖然現在已有較為成熟的技術理論，但應用面積仍然很少，究其原因有：造價相對于普通房屋高，人們很難接受；缺乏完整的設計規范等。最主要原因是被動式太陽房存在夏季室內溫度過高的問題，這個問題在新疆地區，特別是南疆地區的被動式太陽房中尤為突出，這一問題的存在嚴重阻礙了被動式太陽房在新疆地區的推廣應用。

針對太陽房夏季室內溫度過高的問題，相關研究人員做了大量的研究：徐鑫等以2棟不同構造的被動式太陽房為對象，對四種不同的降溫方式進行研究，結果表明熱壓通風結合夜間通風的降溫模式，基本實現夏季降溫目標[8]。針對新疆農村地區特點，姜曙光等提出一種耦合地下室的被動式太陽房[9]，有效緩解了室內溫度過高的問題。同時，一部分學者開始研究遮陽對室內降溫的影響，這種方法的應用，進一步提高了房屋的熱舒適性。

3 結語

應用被動式太陽房可以在減少能源消耗、降低污染氣體排放量的同時，更加容易為人們提供較為舒適的室內熱環境，同時被動式太陽房的發展順應時代的要求。新疆地區因其自然環境因素而適宜發展并推廣被動式太陽房技術，并且新疆地區也有發展被動式太陽房的必要性。但因被動式太陽房夏季室內溫度過高的問題在新疆地區尤為突出，影響被動式太陽房在新疆地區的推廣，因此在推廣被動式太陽房的同時應加深對降溫措施的研究，以實現人們對冬暖夏涼建筑的期望。本文對被動式太陽房進行了介紹，并就被動式太陽房在新疆地區的發展進行了分析，希望能夠對今后被動式太陽房的研究，以及其在新疆地區的推廣提供便利。