酒泉农村住宅太阳能南墙采暖研究

王 泽 荣

(兰州大学,甘肃 兰州 730000)

《民用建筑热工设计规范》中划分，酒泉属严寒地区，需要考虑冬季采暖。酒泉采暖期从11月至第二年3月，在这5个月的冬季采暖期间，缺乏保温性能的围护结构，热效率差的采暖设施，都严重影响了冬季室内热环境，并且采暖能耗较高，给农村居民的经济带来较重的负担，给自然环境带来较为严重的污染。但是酒泉地处太阳能资源富集地区，具有发展太阳能采暖住宅的优势。如果充分利用建筑物南向外墙进行太阳能采暖，将能够减轻酒泉地区能耗的负担，为提高农村居民冬季生活质量提供保障。

1 酒泉太阳能资源状况

根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，甘肃北部属于太阳能资源丰富带，年辐射总量大于5 800 MJ/m2，可利用年总天数大于280 d。虽然酒泉自然资源不够丰富，但日照充足，光能资源丰富，年日照时数3 033.4 h～3 316.5 h，具备利用太阳能资源的有利条件。

2 太阳能南墙采暖方式

通过对当地的既有农村住宅的走访，太阳能在居住建筑中已有一定的应用，但应用主要是太阳能热水器。目前尚未把太阳能与冬季采暖结合起来。太阳能南墙采暖主要指通过建筑物南向外墙获取太阳辐射能量的采暖形式。目前在建筑中主要利用的是被动式太阳能采暖。被动式太阳能采暖是把房屋建造的或改造的尽可能直接接收太阳能的辐射来进行采暖。可以通过建筑物的朝向、房间的平面布局、内部空间和外部形态的合理布置，使得其以自然运行的方式获取、储存和利用太阳能的一类建筑。被动式太阳能采暖的主要优点是初投资低，运行维护方便。是一种较为经济，有效的太阳能采暖形式。主动式太阳能采暖要利用集热装置主动收集获取太阳能，然后由热媒将热量传送至建筑物内进行分配使用，达到利用太阳能采暖的目的。主动式太阳能采暖一般有集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源[1]。因此主动式太阳能采暖的成本较高，在被动式太阳能采暖不能满足要求时再考虑主动式太阳能采暖。被动式太阳能采暖按接收太阳能辐射途径又可分为：直接受益、集热墙、附加阳光间三种形式[2]。

1)直接受益式太阳能采暖。直接受益式太阳能采暖就是直接让阳光通过建筑南墙窗户，辐照在室内的地面墙壁和家具上，使其吸收大部分热量、温度升高。采用直接受益式太阳能采暖，要求建筑物南向外墙上窗户的面积要比较大，一部分太阳辐射能量能够加热室内空气，冷热空气在建主室内流动来进行热交换。另一部分太阳辐射能量，可以暂时储存在墙体内部、家具地板上，在夜间气温降低后，逐渐进行释放。这种太阳能利用方式对白天要求升温快的房间如客厅等来说效果较好，但夜间温度下降较快对卧室来说室内温度波动较大。由于酒泉农村地区昼夜温差大，单独使用直接受益式太阳能采暖，效果较差。

2)集热墙式。集热墙又名特伦布墙，是由法国学者Trombe提出的。是被动式太阳能采暖的一种典型构件。集热墙利用了颜色深的物质对热辐射的吸收能力强的原理，以达到吸收太阳能辐射的目的。为了使热辐射在室内循环流通，在深色的蓄热墙体外加透明玻璃罩，并在透明玻璃罩与集热墙之间留下空气夹层，通过气流作用使热空气流入室内。集热墙白天可以蓄热，夜间气温降低后将热量释放到室内。集热墙式太阳能采暖非常适用于我国北方太阳能资源丰富、昼夜温差比较大的地区如西藏、新疆、甘肃等。集热墙式太阳能采暖施工方便，适用于农村住宅进行节能改造。

3)附加阳光间。附加阳光间式太阳能采暖，是在建筑物南向墙体外侧，用玻璃等透明材料搭建一个附加在建筑物外侧的廊道，廊道内的空间与墙体形成一个空气夹层。白天，太阳光透过阳光间玻璃可以加热阳光间空气，通过空气的流通，进行室内外的热交换。同时，太阳照射到阳光间地面和墙体上的热量白天被储存了下来，夜间地面和墙体将白天储存的热量释放出来。

4)主动式太阳能采暖。主动式太阳能采暖系统能够主动收集太阳能热量，具有集热效率高，受天气变化影响小等优点。但主动式太阳能采暖需要集热、蓄热、散热系统，因此初期投资较大，回收期长。由于太阳辐射能量昼夜间断,为了达到舒适的室内热环境,通常在建筑中需要采用主被动结合的方式来进行采暖，或者需要添加辅助能源。

3 酒泉农村住宅太阳能南墙采暖住宅设计策略

1)农村住宅的选址。为了保证太阳能采暖的效果，建设地点的选择显得尤为重要。房屋建设前，必须要确定合理的建设地点。为了把住宅建造的更利于太阳能南墙采暖，需要考虑当地的区域性环境、气候因素。北半球最佳的太阳能辐射时间是早上9时至下午3时，在这一个时间段有充足的太阳能辐射。为了能够得到充足的太阳能辐射，农村住宅要选择在地势开阔，平坦的地区较好。

2)农村住宅的朝向。甘肃酒泉地区位于北纬38°09′～42°48′，东经92°20′～100°20′之间。由于甘肃酒泉地区，农村住宅分布分散，为了更好的获得太阳辐射能，住宅的朝向选择直接影响太阳能的辐射效果。甘肃酒泉地处北半球，日照是偏南的，建筑的朝向最好是坐北朝南，如果建筑朝向向东转过每15°，下午的有效时间就缩短半小时，原因就是太阳入射角太小。并且冬天主要刮偏北风，夏天主要刮东南风，所以，朝南的建筑夏天风大冬天没风，冬暖夏凉(相对朝北的房子而言)。

3)农村住宅的日照间距。为了获得足够的太阳辐射，太阳能采暖住宅不能被前方住宅遮挡。相邻建筑物之间必须保持一定的间距。充足的间距是保证住宅获得足够太阳辐射能的前提条件。农村居民居住较分散，建筑层数多为单层或二层建筑，高度较低，具备接收太阳辐射能量的优势。在甘肃酒泉地区，冬季10:00～16:00之间，6 h所接收的太阳能辐射量能够占到全天太阳辐射总量的90%左右。若一天的日照时间小于6 h，建筑物接收太阳辐射的能量就会大大的减少。因此在设计过程中，要避免间距过小，导致的有效日照时数减少。酒泉农村地区要利用太阳能采暖，住宅的日照间距应当至少确保冬至日中午前后6 h的日照时间。

4 结语

甘肃酒泉地区地属太阳辐射能源富集地区，具备发展太阳能南墙采暖的优势。太阳能作为一种清洁能源，若能在酒泉的农村地区得到充分利用，既能改善农村住宅室内热环境，又能提高农村居民的生活质量，为酒泉农村地区降低化石类能源的消耗，人类社会的可持续发展做出贡献。