北方寒冷地区居住区太阳能资源利用

林 敏

1 北方寒冷地区居住区太阳能资源

1.1 北方寒冷地区日照时数

对于我国北方的大部分地区，从光气候分区图上可以看到，整个华北和西北都处于Ⅱ和Ⅲ气候区，日照资源充足，虽然近年因为全球变暖，气候有所变化，但从近几年我国主要城市日照时数统计情况来看(见表1)，各城市的日照情况基本上还与光气候分区相符，北纬35°以北的大部分城市，冬季晴天天数在半数以上，日照资源比较充足。在这些地区进行充分合理的日照设计，在节约使用土地的前提下，充分利用太阳能，为建筑提供舒适的温度环境，并有效降低建筑能耗，其意义就显得尤其重大。表1中列出了我国部分城市在1999年～2003年之间11月～3月份总日照时数的统计[1]。

1.2 北方寒冷地区住宅小区日照资源

由于城市用地紧张，在进行居住区规划时，均执行GB 50180-93城市居住区规划设计规范[2]中住宅日照标准，见表2。北方寒冷地区主要集中在Ⅱ和Ⅲ气候区，大寒日日照时数达到2 h或3 h，旧区改造可为 1 h，即可满足规范要求，因此，设计人员普遍认为城市的太阳能资源匮乏，无法充分利用，为此，本文特以石家庄某小区为例，对整个小区的日照资源进行分析。

表1 部分城市1999年～2003年之间11月～3月份总日照时数统计 h

表2 住宅建筑日照标准

1.2.1 对某一日照最不利的住宅楼进行分析

利用日照分析软件，对某栋日照最不利的住宅楼进行逐层日照时间分析，见表3。

表3 石家庄某建筑大寒日逐层日照时间统计

根据以上分析可得，在同一座建筑物中由于周围建筑物的遮挡，每个楼层的日照资源不同，7层以上的南向墙面日照时间为7 h以上，日照资源丰富。

1.2.2 对整个小区进行分析

表4 石家庄某小区大寒日日照时间统计

通过表4可得，本小区日照时间在7 h以上的南向房间面积占南向房间总面积的54.07%，6 h以上的南向房间面积占南向房间总面积的60.93%，这些房间的日照资源较为丰富，如何很好利用这些房间的太阳能资源，是值得认真研究的问题。

2 北方寒冷地区居住区太阳能资源利用

合理选择太阳能利用方式，是居住小区太阳能利用的关键，对太阳能的利用主要有光热转换、光电转换、光化学转换三种方式，在建筑中主要利用的是光热与光电转换。建筑中太阳能利用技术体系主要可归纳为三个层次:被动式太阳能系统、太阳能热利用技术系统、太阳能光伏发电系统。

2.1 小区规划和建筑设计中太阳能的利用

在规划中建筑群体的不同方位、体形、间距、高低及道路网的布置、广场绿地的分布等都会影响规划区的微气候，影响建筑的日照和通风，影响到建筑的能耗。为合理的规划小区，确保每栋建筑的有效日照和最大的接收太阳能，可利用“太阳围合体”(Solar Envelope)对建筑形态进行控制。

“太阳围合体”方法是针对特定的区域空间，通过调整围合建筑各立面的法线方向，使建筑在不遮挡临近建筑物日照的情况下达到最大的体积容量。目前“太阳围合体”设计可以方便的在计算机中进行操作。

在建筑设计过程中应区别不同位置、不同楼层，进行外窗节能设计，有充足日照条件的住宅或楼层，应利用太阳能建筑的理念，增加太阳得热，减少暖气的使用，日照资源少的住宅或楼层，严格控制窗墙比和飘窗的使用，使整个小区成为高效利用太阳能的有机体。在上述小区外窗设计的时候，应充分考虑各楼层之间的日照差别，改变外窗上下一致的习惯做法，日照较少的6层及以下各层，严格控制窗墙比以及外飘窗的使用，7层及以上则可尽量利用充足的日照，增加窗墙比，采用外飘窗，增加外窗得热，达到节能效果。

2.2 建筑构件与太阳能元件的一体化设计

太阳能建筑一体化意味着把传统的建筑围护结构从能量散失的部分转换成能量吸收部分，是将太阳能技术元件与建筑构件的一体化，但这并非简单地在建筑上安装一些太阳能元件，而是将它们与建筑物本身一体化成建筑的组分。

外墙体是高层住宅接收太阳最多的表面，太阳能的应用将进一步优化墙体，现已革新出多种墙体构造和材料，如集热蓄热墙、透明绝热材料以及附加于墙体的集热器等。此外，太阳能集热器、光伏电池还可与外墙组成“复合型”墙体，如太阳能保温墙板、太阳能集热器墙体、光伏墙体等，这些板兼装饰、能量与美观于一体。近来发展的太阳墙，是一种将太阳能集热与通风相结合的技术。

屋面因不受遮挡，其对于太阳能部件具备良好的结合条件，可以选择集热器或光电板的最佳接收辐射的角度，也可以根据造型的需要设计出优美的屋面外形。但高层靠天取热，难免遭遇“天台之争”，一幢一梯 8户的 32层住宅，就有256户住家，而屋面可供安装太阳能集热板的空间，不过几百平方米，不可能保证家家用上太阳能。还可利用阳台，阳台围栏外壁较适合安置分户式集热器系统，也可代替栏杆使用，真空管横向布置还可增添建筑物横向线条。另外还可以将阳台封闭，处理成集热太阳房。

带有可调节遮阳的南向外窗的节能改造是建筑节能中的另一个重点，由于玻璃的传热系数远远高于墙体的传热系数，所以尽管窗在建筑外围表面中占的比例不如墙面、屋顶大，但通过窗损失的热量可能接近甚至超过墙体和屋顶。从太阳能利用角度来说，窗可以利用温室效应实现被动式采暖，也可通过自然通风实现被动式降温，从而具有双重效果。冬季，尽量争取多的太阳辐射，而在夏季则要防止太阳热量进入室内。可调节角度的外遮阳能起到夏季阻挡太阳辐射热、冬季提高保温性能的作用，且不会遮挡视线，具有其他活动遮阳方式不可替代的优点，非常适于寒冷地区住宅建筑的南向窗设计。

多层玻璃构造可应用于住宅的窗设计中。其基本形式是安装内外层玻璃，内外层间的空腔中设置可调节百叶遮阳，同时内外层玻璃都要设置可开启通风口。一般而言，多层玻璃构造窗的空腔厚度为500 mm，遮阳百叶距离内层玻璃300 mm;内层使用小间隙双层玻璃，外层用钢化玻璃，保护内部遮阳百叶。夏季白天，遮阳百叶闭合，阻挡太阳光辐射，同时通风口打开，利用自然通风排出空腔中的热量;夏季夜晚，百叶转动打开，以利于室内的冷辐射带走热量。冬季白天，空腔内百叶转动打开使得太阳光辐射进入室内，改善室内的光热环境，同时通风口闭合使空腔内形成密闭空气隔离层，增加窗的保温性能;冬季夜晚，百叶闭合，以减小室内冷辐射带来的热量散失。

综上所述，对太阳能的利用要具有地域性，它意味着要针对我国的社会发展、技术进步、经济能力、区域气候、生活需求和地域文化等多种因素，通过集合的技术策略、系统的设计方法和政策导向机制三方面共同建立有效的设计体系，从而推进太阳能在住宅中利用的快速发展。

[1] 曹立辉.中国北方居住小区日照环境设计与研究[D].天津:天津大学硕士学位论文，2005:38.

[2] GB 50180-93，城市居住区规划设计规范[S].