被动式太阳能技术在西北地区民居住宅中的应用探析

贺生云

摘 要：随着我国经济建设的不断发展，人们在享受现代科技为人们带了的福祉的同时也同样面临着环境污染以及能源枯竭的问题。因此，对绿色能源以及可再生能源的利用已经成为当今世界所关注焦点。本文对西北地区的气候和民居住宅的特点进行了分析，探讨了被动式太阳能技术在住宅中的应用问题，并对宁夏地区某住宅的被动式太阳能设计进行了具体介绍。

关键词：被动式；太阳能；西北地区；住宅；应用

前 言

改革开放以来，我国的工业化得到了飞速的发展，诸如钢铁冶炼和煤炭发电等能源消耗极大的行业也给人们日常的生活带来了严重的影响。对于能源的可持续利用、平衡经济发展与环境保护之间的矛盾是当今我国面临的一项重要的发展难题。对于建筑行业来讲，如何降低建筑自身的能源消耗也是缓解经济发展给环境造成压力的一项重要措施，是一项绿色工程。对于建筑节能方面来讲，国内外已经有很多相关的措施，其中太阳能建筑是比较传统且应用十分成熟的一项措施。太阳能技术是一项绿色应用技术，他能够对太阳能进行有效地收集和利用，这在一定程度上解决了传统采暖手段自身耗能量巨大，且对环境造成污染的缺点，并且在经济方面具有一定的优势。

当今我国对于太阳能技术应用到建筑领域的理论基础还比较薄弱，并且在实践环节还大多处于初步实验性阶段。随着我国城镇化水平的不断提高以及环境压力的逐渐加大，太阳能技术这一绿色技术在建筑领域应用的呼声也越来越高。其应用于建筑中主要有两种形式，被动式太阳能技术和主动式太阳能技术。被动式太阳能技术主要通过对建筑物的朝向，自身结构以及建筑材料的选取利用来达到合理利用太阳能的目的。主动式太阳能技术主要指采用现代化设备对太阳能进行吸收利用，当今应用比较广泛的太阳能热水器就属于主动式太阳能技术产品之一，本文主要针对被动式太阳能技术在建筑中的利用进行详细探讨。

1 被动式太阳能技术及设计因素

1.1 被动式太阳能技术

被动式太阳能技术主要采用以下几种手段来使建筑合理的利用太阳能辐射，分别为对建筑朝向以及周边建筑进行合理布置、建筑材料的合理选择以及对外部形势与内部结构的合理设计。住宅建筑通过合理利用被动式太阳能技术，从而使得其自身不需要其他设备就能达到有效采暖的作用。从对太阳能利用的形式上可以分为直接收益式、附加阳光间式、集热蓄热墙式以及组合式四种。

1.1.1 直接收益式

是被动式太阳能技术中最简单的一种应用形式，它主要是针对普通建筑房屋，对于朝南方向且具有大面积玻璃的建筑房屋都可以采用这种形式。直接受益式的建筑房屋在冬季主要是充分利用太阳能，当太阳光透过玻璃照射到屋内之后，地板和墙壁会将大部分太阳光吸收转换成热能，剩下的一少部分由于反射作用被屋内其他家具等进行吸收从而达到是屋内温度升高的效果。对于吸收的太阳能，其中一部分通过热交换以及辐射的手段将热量传递给空气，另一部分被存储到墙体以及地板内，当室内的温度下降后再将这部分能量转换成热能以此达到减缓降温的效果。因此，对于采用直接受益式的建筑房屋，首先需要具备良好的采光条件，并且室内采用储热性理想的建筑材料。房屋的门窗应当具有良好的密封性，并且具有门帘以及窗帘以此来降低热量的损耗。

1.1.2 集热储热墙式

集热储热墙主要有两部分组成，分别为朝南的重质墙体以及玻璃盖板。在冬季，涂黑的重质墙体将太阳能进行有效吸收。并且墙体设有两个风口从而使热量通过风口传递给室内空气，通过设置玻璃盖板，使得墙体吸收的热量不易向外散失，这样可以有效提高对太阳能的利用率。然而这种墙体在夏季会使屋内的环境升高，不利于人们的居住。

因此对集热储热墙体这种被动式通风方式，通过在玻璃盖板上设置通风口来使热量得到有效散失。另外，在玻璃盖板上设置遮阳卷帘也是有效解决这一问题的办法。集热储热式墙体的原理图如图1所示。

1.1.3 附加阳光间式

就是在房屋的南侧加一个玻璃温室，他具有直接受益式以及集热储热式两种形式的优点。该种方式通过集热储热墙将附加阳光间与房屋有效隔离，太阳光首先通过附加阳光间照射到集热储热墙上，由于附加阳光间自身的温室效应，使得附加阳光间内的温度总是比外界的温度高，从而使屋内的温度保持在一个比较理想的水平。人们在冬季可以将门传打开来使得附加阳光间温度较高的空气通过对流的方式来使室内温度升高，当室内温度不需要升高时可以将相应的门窗关闭。

组合式的被动式太阳能技术就是对上述三种形式的综合利用，根据不同的地区以及不同温度要求来进行合理的组合应用。

1.2 设计因素

采用被动式太阳能技术的住宅设计，为了使得采暖效率得到充分發挥，需要在建筑设计初期进行全面的分析考虑。具体讲可以分为建筑周围自然因素以及建筑自身因素这两方面。

1.2.1 自然因素

对于自然因素来讲，主要包括建筑朝向、日照情况等方面。在进行建筑设计时，需要对当地的季风情况以及相关气候条件进行仔细调研分析，以此对建筑做出正确的设计规划。为了使建筑能够最大限度的接受太阳光的照射，建筑朝向一般采取正南方向，部分地区也可以采取正南偏东以及正南偏西15°的朝向角度，最大可偏30°角布置。并且建筑周边要保持良好的通风状态，这一方面可以使建筑在夏季能够进行良好的通风，也可以使建筑在冬季对风寒进行有效遮挡。

建筑周边还需要做好环境设计，主要以立体绿色化手段为主，可以增加适当的人工植被设计，从而有效的改善建筑周边的气候条件，使得夏季周边环境不会过热，在冬季也可以有效避风。在进行建筑设计时，还需要注意有效控制建筑间距，一旦建筑之间发生互相遮挡的情况，将会导致部分房屋无法接受太阳能的充分照射，尤其是在城镇住宅中，这一点尤为明显。

1.2.2 建筑自身因素

对于建筑自身来讲，主要是要考虑其自身的内部结构，由于自然因素的影响，大部分建筑房屋都会出现北冷南暖的情况，需要根据这一特定对房屋内的各个房间进行合理设计。对采热需求比较高的房间，需要设计在离集热区域比较近的区域，对采热要求不高的房间则最好安排在房屋内部的北侧或者东西侧。这种设计方式可以合理利用采暖热量，提高采暖利用率。另外，在进行建筑设计时还需要考虑建筑自身的形体系数。对于高度已经固定的建筑来讲，在采光能力相同的条件下，房屋的长宽相等会最大限度的节省能量。此外，住宅的表面积系数更能够反应建筑的采光效果，表面积系数是指建筑南侧墙体面积与整体面积的比值。

2 被动式太阳能技术在西北地区民居住宅中的设计

2.1 西北地区城镇住宅特点

我国的西北地区从地理位置上讲，主要包括了我国陕西、甘肃、青海以及宁夏和新疆五个区域。西北地区的气候主要以温带大陆性气候为主，其中青海和新疆两个地区属于高原气候。这也造成了西北地区常年降水量比较少，一年内季节间的温差比较大，并且每天的昼夜温差也比较大。在每年的春季和冬季多出现风沙天气，并且主要以偏北风居多。对于西北地区的城镇住宅来讲，由于现代建筑行业的设计水平的不断提高，其在建筑周围绿化程度大部分比较理想，并且建筑本身多采用砖混结构。西北地区的城镇住宅特点主要是受其自身气候特征的影响。房屋院落的封闭性比较强，住宅屋身比较矮，屋顶坡度低缓，还有相当多的建筑使用平顶。对处于偏僻的农村住宅来讲，多采用土坯或者夯土墙的形式，木装修比较简单。有些地区还具有窑洞建筑，建筑风格质朴醇厚。

2.2 被动式太阳能建筑形式及在西北地区居民住宅的应用分析

西北地区对被动式太阳能的利用，主要考虑西北地区气候因素的特点。由于西北地区常年温差比较大，并且春季和冬季气候寒冷，温度低，在加上西北地区春季和夏季经常刮风，因此需要有极好的采光系统。西北地区日照时间长，太阳辐射强，年均太阳能日照辐射量在5000～6500MJ/m2·a，紧次于青藏高原，被动式太阳能技术应用的理想地区。西北地区夏季和秋季温度比较高，且降雨量较少，在进行被动式太阳能设计时还需要考虑夏秋两季的制冷需求。

在进行被动式太阳能设计时，首先建筑朝向尽可能为正南，以此保证采光时间。由于西北地区多高原地形，住宅需要选择在地势比较高的区域。对于西北地区常年刮西北方向的风这一因素，在进行建筑绿化时最好在建筑的西北方向多增加绿色树木等，以此减少冬季西北风对房屋建筑热量的消耗。另外，在建立防风屏障时，还可以利用西北地区的地形和周边的建筑物来与绿色植被共同构建防风屏障。由于西北地区冬季和春季经常有风沙天气出现，最好采用附加阳光间式的被动式采暖方式。附加阳光间式的采暖方式设置有一个附加间，可以有效的减少风沙对室内环境的影响，而且这种方式自身具有比较好的采暖效果，可以极大的满足西北地区因春冬季寒冷而对采暖的需求。在采用被动式太阳能技术时，还需要设置足够数量的蓄热体。蓄热体在被动式太阳能技术中起着非常关键的作用，如果蓄热体的数量不够，那么会直接影响被动式太阳能技术的使用效果，足够数量的蓄热体可以在夜间保持室内温度使维持在比较恒定的水平。处于夏秋两季对室内采光的要求，还需要设计适当的遮挡物，当室内不需要射入过多的太阳光时，可以通过遮挡物对太阳光进行遮挡。

3 被动式太阳能技术在宁夏城镇农宅中的应用分析

对于宁夏城镇被动式太阳能技术的应用实践，我们选取了一个具体的项目实例来进行介绍，分析的目标项目是宁夏省银川市的一处别墅项目，是一栋位于缓坡上的一个小区别墅住宅。该住宅的用地南北长度为15m，东西长度为16m。为了最大限度满足该项目住宅冬季采暖需求以及尽量减少建筑成本，应用被动式太阳能技术对住宅进行设计。由于住宅建立在缓坡上，因此为该住宅设计了一个地下层且采用了下沉式的庭院，由于地下层周围图的恒温作用使该层冬暖夏凉，在一定程度上节省了能源。被动式太阳能利用采取的主要措施有：

（1）双层中空斜屋顶（以下均参见图2所示）

在本項目中采用双层中空斜屋顶的方式来使屋顶接受太阳光的照射面积达到最大，以此来接受最大的太阳能辐射。双层中空式屋顶主要由三层组成，分别为上层的压型钢板瓦，为了更好地吸收太阳能，他被涂成了黑色，中层为空腔，最底层为木板，它主要起保温的作用。在冬季和春季，上层的黑色钢板瓦可以充分的发挥其吸热作用，同时空腔内的空气被加热而上升，在屋顶的蓄热空腔内，热空气被埋在墙体内的风管通过小功率的抽风机输送到需要热量的房间及地下室的卵石蓄热床内。这些热量可以从每个房间的地板上排出，加热整个房间，也可以使卵石蓄热床的卵石储存大量的热量。并且在住宅内部的每个房间个设计了一个阀门，使用者可以根据自身需求来调节阀门，以此来控制每个房间热量的进出。在夏季时在蓄热腔内设计了一个电动窗，由于屋内不需要热量，可以打开电动窗，通过气压差将热空气排出到室外，同时这一过程还可以间接的将室内地板上的热量带走。

（2）在二楼窗户处设置了一个附加阳光间，在二楼玻璃窗上设置了遮阳卷帘。可以使冬季采用附加阳光间进行采光，在夏季放下遮阳卷帘来避免室内温度过高。在附加阳光间还设置了悬窗并在北墙上部设置了电动高窗，使得建筑在夏季产生一定的穿堂风。

（3）在地下室下面设置了蓄热卵石床，寒冷的冬季卵石床可以储存大量的热量。当白天时，卵石床吸收热量并储存起来，当夜间时可以打开抽风机将热量输送到各个房间内。因为抽风机的工作功率很小，一般在十瓦以内，这比上千瓦的空调要节能很多。夏季，由于住宅北侧的气温比较低，所以可以使用卵石床将凉爽的北部空气传递给各个房间。

在本别墅住宅的西北侧种植了一定数量的爬山虎，爬山虎在夏季可以为建筑遮挡曝晒，在冬季由于爬山虎叶落而不影响建筑采光。

4 结 论

根据上面的讨论，我国西北部城镇住宅宜采用附加阳光间并配合集热墙的被动式太阳能技术，对于被动式太阳能技术来讲，由于需要增加集热装置以及相关的配套设施，因此前期投资比较高。然而该技术能够使建筑合理的利用太阳光能，使用户减少了对电力等能量的消耗，因此经过长期的运行后其优势会越来越明显。随我我国建筑领域相关技术的不断发展成熟，被动式太阳能技术会发挥越来越大的作用。

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基金项目：国家科技支撑计划研究项目（2013BAJ03B01）