被动式太阳能与SI住宅体系结合采暖

江苏徐州新型建筑技术应用中心 ■ 何奔流

江苏沛县墙改办 ■ 徐素贞

1 被动式采暖与SI体系结合

被动式太阳能采暖是指不依赖于机械功，通过建筑的朝向、材料、构造和结构的适宜选择，使其在冬季能汲取、贮存、分布太阳能，从而能解决建筑物采暖问题的技术。

SI住宅理论将住宅分为承重结构部分和内装、设备部分，SI住宅主张强化S部分，其精髓就是提高承重部分的耐久性和填充部分的可变性、更新性。

将多层住宅体系分解成南向房间、南北房间两个层面，论述住宅空间与太阳利用之间的关系。

1.1 南向房间

多层住宅南向房间可看作由结构体、外围护结构、天花板及楼板、内墙体等几部分构成。在SI住宅体系中，结构体作为住宅的承重部分是不可变的；而外围护结构、天花板、楼板及墙体都可作为住宅的填充部分实现部品化生产。

1.1.1 外围护结构

外围护结构作为住宅的重要组成部分，对于住宅冬季保温有着重要的作用。近年来，关于通过设置外挂构件改善住宅外围护结构，降低能耗和改善室内热环境的研究较多。较常用的外挂采暖构件包括集热模块、低温地板辐射采暖系统和阳台等。

集热模块的构造如图1所示，由外至内分别为玻璃盖板、自动卷帘及由吸热板和苯板组成的集热保温板。在玻璃盖板与集热保温板之间设空气间层，自动卷帘位于空气间层上方。在集热模块的上下都设有通风口和温控风门。集热模块可安装在南向房间窗户两侧，并固定在上下楼板之间，同时与墙体留有一定空气间层。采用集热块的集热蓄热墙工作原理如图2所示。冬季晴朗的白天，卷帘卷起，夹层内空气被加热，上下风门开启，热空气由上风口送入室内，室内低温空气由下风口进入夹层，形成热循环加热房间，同时集热蓄热墙体向室内传热并储存部分热量。冬季夜间，卷帘放下，阻挡热辐射散失，上下风门关闭，依靠墙体储存热量释放到室内加热房间。

图1 集热模块构造示意图

图2 集热模块冬季工作原理

与集热蓄热墙体不同的是，阳台起初作为住宅的半室外活动空间设计，并不具有更强的节能作用。阳台有时与南向的起居室结合设置，有时则与南向卧室结合设置。但是，由于北方地区冬季寒冷，绝大多数用户习惯将阳台完全封闭变成室内空间。这种做法客观上使阳台成为南向房间的附加阳光间，某种程度上实现了附加阳光间式太阳能利用。需要指出的是，当南向房间设置封闭阳台时，会对该南向房间集热模块和遮阳构件的设置产生影响，因此可考虑在南向起居室或卧室的维护结构外，一个设置封闭式阳台，另一个则设置集热模块和遮阳构件，从而使两个南向房间的室内热环境都得到改善。

在现有住宅建筑体系下，这些外挂采暖构件的安装需在住宅施工完成后进行，并未做到与建筑体系的一体化设计，对外围护结构有一定的破坏。若南向房间采用SI住宅体系，那么南向房间的外围护结构变为SI体系中的立面填充体。因此，当南向房间采用集热模块做外围护结构的外挂节能构件时，集热模块和遮阳构件就可与SI立面填充体结合，实现部品化生产，从而使立面填充体成为具有冬季采暖的新型集热蓄热墙式外围护结构。而当南向房间设有封闭阳台时，则可使其成为附加阳光室并利用SI体系的特点，实现封闭阳台的部品化，便于与住宅体系相结合，如图3、4所示。同时也解决了由住户自行封闭安装带来的阳台封闭保温性能较差和阳台封闭样式参差不齐影响住宅整体形式的问题。

图3 外挂采暖构建与开放住宅结合示意图

图4 对比试验房概念图

1.1.2 天花板及楼板

SI体系的结构支撑体耐久性和强度较高，有利于无梁楼板的使用，这样就为双层天花板或双层楼层系统的设置提供了有利条件。而双层天花板、楼板系统，则适应隔墙位置变更的被动式通风及传热系统或多功能空调系统。下面以集热蓄热墙式南向太阳房在冬季白天的能量循环为例，对不同建筑体系下能量利用效率进行分析。如图5所示，在现有住宅体系下，热空气进入室内后，由于压强小，而且没有管道引导，导致热空气的温度与速度迅速衰减。降温后的空气沿着墙壁面下降，直射由下风口进入集热模块。集热模块输送的热空气不能充分与室内的空气进行热交换，形成了热量的短路。这就是多集热模块虽有很高的集热效率，但室内热状况依然不良的主要原因。而在SI住宅体系下，双层天花板系统可为集热模块提供一个送风管道，将热量输送到室内中心位置，使得室内内侧的人也能感受到集热模块的供暖效果。

图5 两种住宅体系传热效率对比

1.1.3 内墙体

采用SI体系的南向房间的内墙体可灵活分割，这样对于室内能量传递十分有利。例如当南向房间利用封闭阳台作为附加阳光间进行热量收集时，可在阳台和相邻房间之间设置SI填充墙体，这样封闭式阳台与相邻房间之间的分割就可随用户的需要自主设置。白天将隔墙打开，阳台与周围房间形成一个整体利于收集的太阳热并将其传递到其他房间；夜间将隔墙封闭，此时的阳台作为一个缓冲区可避免白天收到的热量在夜间损失。

1.2 南北房间

通过利用集热模块和封闭阳台与SI体系相结合，可有效改善南向房间在冬季的室内热环境。但是在寒冷地区，住宅北向房间由于缺少日照，在冬季十分阴冷。而如果将南向房间收集到的热量通过某种渠道传递到北向房间，就可改善北向房间在冬季的室内热环境，从而进一步降低住宅的能源消耗。

1.2.1 能源传递原理

南北向房间能量传递的主要障碍是南北房间的分隔墙。如果能建立一个送风管道让热量传递不受墙体限制，那就可让北向房间也分享到集热模块的供热效果。前面关于南向房间被动式太阳能利用论述中提出的利用SI住宅双层天花板系统作为送风管道传递热量的方法，也可适用于南北房间的能量传递。具体做法是：在顶棚下方200 mm处设置天花板，二者通过南北向的条形骨架连接。SI住宅的南北分隔墙由于采用轻质填充墙体，因此可直接固定在天花板和地板之间而无需通到顶棚。同时无梁楼板采用双层天花板，之间没有横梁的阻挡，这样就形成了由顶棚与天花板所组成的高200 mm的传输管道。集热蓄热墙体的上通风口开在双层楼板之间，下通风口位于地板上方。在管道内部，分隔墙对应位置设可控风门。

具体工作原理为：在冬季白天，空气在夹层中被加热后上升，通过温控风门进入双层天花板所形成的管道，向北传递，通过隔墙上方的可控风门进入北向房间，在传递的过程中通过管道向房间内散热，冷却后空气通过南北房间隔墙下方的可控风门回到南向房间，从而完成整个住宅能量循环过程。冬季夜间的原理与白天大致相同，不同的是卷帘放下且热量的来源主要通过集热蓄热墙体的散热。

1.2.2 实例介绍

某一实验性的住宅采用SI体系。由于场地条件的限制，样板房采用独栋小住宅，而不是集合住宅。住宅的通风技术较好地与住宅建筑体系结合。样板房采用管道输送的办法把经过热交换机处理过的空气输送到位于北侧的实验室内，同时在房间隔墙的下方开通风口，实现空气在整个住宅内的换气循环。而在住宅地板下方，专门设置通风道，并且与住宅北侧外墙内的拔门空气层相连，从而在夏季带走热量，实现外墙内换气。由此可见，在样板房中无论是主动式通风换气系统还是被动式通风系统都能较好地结合，这也说明了SI住宅体系与可持续节能技术的结合具有一定的适应性。

2 低温板辐射采暖系统

这是被动式采暖的另一个方式。就是将耐温耐压达标的塑料管材(如交联聚乙烯管PE-X、聚丙烯共聚体管PPC、无规共聚聚乙烯PP-R、交联铝塑复合管XPAP)根据地热施工规范安装在地表面，再用混凝土埋设形成平整地面，热水在管路中流通，由地面向上辐射供暖。

2.1 低温辐射采暖的特点

2.1.1 舒适性

由于采用辐射采暖，因而形成真正的人体散热要求的热环境。地面温度高于呼吸线空气温度，热量在人的脚部较强，头部温和，给人以脚暖头凉的舒适感。

2.1.2 节能高效

由于地板辐射采暖的房间温度梯度小，沿高度方向上的温度分布较均匀，房间顶部不会过热，减少了维护结构的无效耗热量。在相同舒适条件下，采用地板辐射采暖比一般对流采暖设计温度低2～3 ℃，总耗热量可减少10%～30%，节省能源。地板辐射采暖系统可利用热网回水、余热水或地热水等。

2.1.3 不占面积

由于不受建筑形式限制，无需在室内布置散热器及连接管，既不占使用面积，又可使房屋分隔及家具摆设随意灵活。尤其适应于大跨度或大玻璃幕墙装饰的建筑及展厅的采暖需要。

2.1.4 卫生

采用地板辐射采暖，室内卫生明显改善，不会导致室内空气对流所产生的尘埃飞扬，彻底消除散热器设备和管道积尘面及挥发的异味。

2.1.5 使用寿命长

热媒管整根铺设，地面无接口，无渗漏。材料经韩国KS及美国ASTM检测试验，保证连续使用50年以上。因此，一般可认为与建筑本身的使用年限基本相同。

2.1.6 维护简便

该系统只需在采暖期间定期检查过滤器。运行费用仅为系统泵的电力热耗。

2.2 地板辐射采暖的设计

1) 根据维护结构确定采暖的热负荷，并对计算出的热负荷乘以0.9～0.95的修正系数，或将室内计算温度取值降低2 ℃。

2) 确定采暖的供水温度：供水温度不得高于60 ℃，供回水温差为8～15 ℃。

3) 采暖系统的工作压力：PE-X(PPC)不宜大于0.8 MPa。

4) 系统压降：不宜大于30 kPa(120 m管长)。

5) 低温辐射采暖系统的地板表面温度宜为25～30 ℃。

6) 在供水干管上设过滤网，以防异物进入系统内，如图6所示。

图6 供回水系统图

2.3 地板辐射采暖的施工

1) 地板辐射采暖系统应在建筑封顶后或室内装修工作如吊顶、抹灰等完成后，与地面施工同时进行，入冬前完成，不宜冬季施工。

2) 用水泥砂浆找平层，铺以厚度不小于25 mm、容重大于或等于20 kg/cm2的聚苯乙烯硬质板作为保温层，并在此上铺设锡箔，锡箔面朝上。

3) 用直径4～6 mm钢筋网，网间距150 mm×150 mm作为固定供暖管用，将供暖管敷设其上，管间距为100～350 mm，用豆石混凝土层填实，且覆盖层的厚度不小于50 mm。

4) 低温辐射采暖系统中单个回路的长度应在80～120 m，供暖管弯曲半径不应小于8倍直径，转弯处采用煨弯。整个环路布置如图7所示。用0.2 mm的钢丝绑在钢筋上，但不要绑得过紧，避免划伤供暖管，减少管子寿命。同时为了减少在浇筑混凝土过程中振捣对塑料管的挤压，确保运行中塑料管有一定伸缩余地，并减少塑料管由于膨胀产生压力，在浇筑混凝土前，在塑料管中充水加压0.6 MPa表压试压，10 min内压力下降小于0.03 MPa为验收合格。待混凝土凝固后再泄水。混凝土采用水泥:细砂:石子=1:1.4:2.3的比例，加入5%的防龟裂添加剂，使混凝土在塑料管间填充密实，石子的粒径要小于10 mm。为了防止地板在供暖后产生各方向的膨胀使地面出现隆起和龟裂，将地面分割为800 mm×800 mm的方格砖，并以膨胀条隔开，管道穿膨胀缝处加伸缩节。由于混凝土地板的热惰性大，应在24 h内低温连续进行。

图7 管路平面布置

5) 用水泥砂浆找平层，再加装饰地面。铺设情况如图8所示。散热量：瓷砖类地面60～240 W/m2；塑料类地面45～200W/m2；木地板地面45～170 W/m2；地毯类地面 35～140 W/m2。

图8 地板辐射采暖剖面图

6) 初次运行本系统时，首先通入25～30 ℃的供暖水，运行1周后，每周提高供水温度5～10 ℃，直至供水温度为60～65 ℃。

2.4 施工注意事项

1) 大堂、展厅等地方注意地面膨胀问题，并合理设置集水器及理想环路的划分，保证膨胀缝的处置。

2) 对荷载超过2 t/m2、地形复杂的工程，注重在重荷载下且有坡度时复合保温板的防滑措施及承载处理。

3) 对于分集水器不能设在高出地暖层时，应做到系统的流速大于气体分离临界流速，将气体携带至分集水器中。

4) 戏水乐园及游泳池周边注重分集水器位置的设置及环路阻力平衡。

5) 避免将管材(铝塑管除外)直接与钢筋网接触，防止硌伤损坏管材。

6) 注意做好施工验收。

7) 供暖管材要耐温、耐压、耐腐蚀、不易老化。所以低温地板辐射采暖系统管材不得采用普通塑料管，在施工中采取一定措施可确保塑料管完好无损。

3 结语

本文探讨了被动式采暖技术与SI住宅体系结合的方法和适应性。SI住宅体系的引入为被动式太阳能技术与住宅建筑体系的整合设计，特别是为被动式太阳能系统的能量循环提供了有益的解决方法和途径。为太阳能技术和建筑体系的一体化提供了新的设计思路。但是本研究的重点在于适合被动式太阳能运用的新型居住建筑单元体系的构筑上，概念性较强，今后有待进一步分析和论证。相关设备管线的问题，具体采用SI体系的技术以及经济性等方面也提出了新的课题。总之，有关能源与建筑体系的适应性研究和评价，需要在多个领域长期持久地进行下去。