太阳能住宅设计图解

江苏省徐州市新型建筑技术应用中心 ■ 何水清

江苏省徐州市墙改办公室 ■ 何劲波

江苏省新沂市规划局 ■ 毛希元

一 太阳能与建筑一体化示范住宅(图1)

图1 太阳能与建筑一体化示范住宅

1两坡顶设计

住宅屋顶设计中，采用氟塑琉璃瓦，该材料采用UPVG复合发泡板作基材，表面喷涂耐候氟碳漆制成，厚3cm，自重4kg/m2，色彩鲜艳，使用寿命达50年，避免了采用沥青瓦时其质感、反光率与太阳能集热真空管差异过大的问题。琉璃瓦波峰高60mm，可在每个波型瓦的凹槽内放置一只¯47mm或¯58mm的真空管，外观结合自然。该住宅采用两坡屋顶，可提供足够的太阳能热水，如图2所示。

2玻璃瓦：太阳能建筑的新宠

玻璃瓦虽然不是太阳能核心技术，但却是太阳能建筑的新宠。一幢300m2的二层别墅，其屋顶面积可达150m2，30¡～45¡的角度最适合接收太阳能辐射，这是“要阳光更要美丽”的创新。

图2 住宅的两坡屋顶设计

玻璃瓦使用5～6mm玻璃，加热后，可弯成需要的瓦状造型，同时进行钢化处理，普通瓦直接钉在屋顶的挂瓦条上，而玻璃瓦打孔后固定在离屋顶木望板10～15cm的轻钢挂瓦条上，在这个空间安装太阳能真空管或板式太阳能集热器，实现科技、艺术与经济的结合(图3、图4)。

图3 别墅屋顶鳞次栉比的视觉效果最能给人以冲击力

试验发现，玻璃瓦屋顶对于太阳能真空管集热器会有少量的遮挡，但这个空气间层又形成一个温室，可将太阳能真空管周围工作环境温度提高5～10℃(北京初冬季节)，总体上不影响集热功能。安装效果见图5。

图4 太阳能集热器及窗口破坏屋顶鳞次栉比的艺术效果

图5 在屋顶瓦上安装太阳能集热器的效果

经济性：玻璃瓦的造价比美国的“欧文斯·科宁”沥青瓦高30%～40%。

检修方式：在阵列的太阳能集热真空接头处设一排检修槽，从屋顶下面检修。

安全性：玻璃瓦打孔用不锈钢螺丝与轻钢挂瓦条连接，比水泥还牢固，钢化玻璃可抗击风压和冰雹。

玻璃瓦的透光系数为0.8，但透光系数高并不意味着热效率降低。

玻璃瓦采用低辐射玻璃制作，具有最大的日光透射率和最小的反射系数，可让80%的可见光进入温室间层被太阳能集热器所吸收，同时又能将90%以上的产生温室效应热的长波保留在间层内，大大提高了太阳能的利用率，起到保温的作用。

根据施工需要，将普通瓦屋顶结构与玻璃瓦屋顶结构进行比较，结果表明玻璃瓦屋顶结构外观效果较好(图6、图7)。

图6 普通瓦屋顶结构示意图

图7 玻璃瓦屋顶结构示意图

二 别墅节能设计示例

北京某别墅太阳能冬季取暖设计中，要求在无人居住时保持10～12℃的值班温度。

1利用大屋顶

设计中将毗邻阳光间的功能移植到别墅的大屋顶上。为了增大屋顶阳光间的空间，将两坡屋顶设计为45¡，南侧屋顶用双层玻璃覆盖，总采光面积约70m2。考虑到冬冷夏热的季节特征，在双层玻璃上面设置电动卷帘(图8上部)。冬季有日照时，光敏电阻控制继电器，由电机带动蜗轮、蜗杆减速器将保温卷帘卷起(图8)；日落后光敏电阻释放继电器，将卷帘放下。

在屋顶阳光间内安装温度传感器，阳光间温度高于15℃时，通过轴流风机使阳光房内热空气与居室空气循环，为居室增温。

2利用别墅基础

在别墅基础内安装一个可推拉的“抽屉”，内装一组30支、长2m的太阳能真管集热器(图9下部)。

在冬季，白天以链条、链轮驱动，通过滑轨把真空管集热器拉出来接收太阳光；夜间把“抽屉”关上。这样即便太阳能真空管有渗漏，也不影响使用。这种设备可集中布置，便于管理维修。

图8 节能别墅示意图

图9 保温卷帘可实现自动控制

3使用高热阻的建筑围护结构

假设建筑物围护结构有足够的热阻，室内热量不能往外发散，那么一个100W的白炽灯泡产生的热量就可使冬季室内温度满足人体舒适要求。这说明，提高围护结构的总热阻是留住太阳能的关键。在冬季，建筑通过围护结构传热要经过室内表面吸热、结构本身传热、建筑表面放热三个过程(见图10)。

(1) 建筑得热部分

①通过立面和屋顶接收太阳辐射得热。构件的外表面吸收太阳辐射并将其转换成热能， 通过热传导至构件的内表面，再经表面辐射及空气对流换热将热量传入室内。

图10 建筑中的热平衡原理

②通过窗的太阳辐射得热。主要为直接通过玻璃的辐射。

③居住者的人体散热。

④电灯和其他电气设备散热。

⑤采暖设备散热。

(2) 建筑的失热部分

①通过外围护结构的传导和对流辐射向室外散热；

②空气渗透和通风带走热量；

③地面传热；

④室内水分蒸发，水蒸气排出室外带走热量(潜热)；

⑤制冷设备吸热。

三 庭院式太阳能住宅设计

1中庭和内庭为太阳能提供集热空间

这套住宅最大的特点是有一个中庭院和前庭院，这是吸取太阳能的空间。每户内庭院40～50m2，可种植果蔬或攀缘、观赏植物，既可在冬季获得更多的太阳能，也使家庭生活空间更加丰富多彩，见图11。“四维空间”即在长、宽、高的三维空间轴外，又加了一条时间轴。运用“四维空间”的理念进行节能设计，可使建筑物在使用周期内获得更多的日照、风、雨等自然资源。图12介绍的利用中庭获得太阳能的住宅设计，适用于多层住宅。

该住宅符合中小城市节能节地的要求，可根据需要建成4～6联排，减小建筑体形系数，减少外墙散热。当采用联排设计时，为了避免遮挡阳光，户与户之间3m以下的围墙采用实心墙体，3m以上部分则用钢结构分割。这样既可满足日照和18～20m的视距需求，建筑容积率也可达1.0，见图13。

图11 布局精致的内庭院成为现代住宅又一道风景线

图12 住宅中庭

图13 太阳能低密度联排住宅，容积率可达1.0

该住宅可使用砌体结构，也可现浇。客厅和卧室屋面为坡屋顶，给太阳能热水器预留空间，也可做成露台、花架。住宅立面使用剁石勒脚、面砖装饰，局部镶嵌蘑菇石，阳台使用金属栏杆和安全玻璃栏板，可与联排别墅相媲美。建筑内还设计了放置玻璃钢杆件和集热棚膜的专用储藏间，如图14所示。同时还可通过改变总体布置和立面材料色彩，营造丰富的建筑形态。完美的设计，使太阳能住宅更时尚。

2可开启、闭合的顶盖

在建筑物的中庭上通过张拉的钢索，形成一个可移动的顶盖，五扇可收放的保温卷帘组成一个天幕，像一个巨大的照相机快门。在冬季白天，快门型的保温卷帘全部打开，吸收太阳能；夜间关闭卷帘，并向卷帘内充气，通过卷帘内200mm厚的空气间层实现保温。充气保温技术既解决了单屋卷帘的保温问题，又解决自重和收放的问题，如图15、图16所示。

图15 中庭保温膜结构关闭后的效果

图16 中庭保温膜打开后可吸收利用太阳能

目前带有中庭形式的建筑越来越多，封闭型的中庭一般使用玻璃顶盖，其最大问题在于保温隔热性能，如果在外面加上一套像农业种植大棚似的卷帘式保温层，则保温隔热效果将得到改善。开启型的中庭，在膜工程结构基础上，通过卷帘技术实现节能效果，还能用于大跨工程。应用中膜的厚度在0.5～1.0mm之间，质量轻，在−20～60℃范围内可重复收卷上千次而不破坏其气密性。当两层膜结构充满空气后，通过20mm厚的空气间层减少传热，增加卷帘后，可提高中庭温度、减少建筑外围结构的气流速度，实现保温与节能。

四 在黑夜释放——建筑移动保温

留住阳光是人类的梦想，该建筑的主体设计引入时空概念，运用设计手法，在三维空间上加载了时间，形成具有时空概念的四维空间。

1建筑移动的保温

如图17所示，某会所正立面像一个背风向阳的港湾。如图18所示，建筑面积约2000m2，椭圆型的建筑四周安排不同使用要求的房间。如图19所示，建筑的一层是连通的，二层、三层只在朝南的方向安排了房间。建筑围合成的中庭顶部不封闭，内部有树木、景观山水。

图17 某会所正立面像一个背风向阳的港湾

图18 某会所一层平面图

图19 某会所剖面图

图20 移动式保温结构

2卷帘式玻璃幕墙保温

随着人们生活水平的提高，室内舒适不仅对温度、湿度提出了要求，还要减少窗户洞口的冷风辐射。为了减少该建筑大面积玻璃幕墙的冷辐射，给玻璃幕墙增加了移动保温。虽然玻璃幕墙的形式很多，结构复杂，但移动保温结构放置在幕墙内部，不受结构限制，可防止对流传热、冷风渗透、辐射传热。卷帘一年四季都能使用，冬季使用提高室内温度，夏季使用节省空调耗电。移动或保温结构安装在幕墙内侧(图20)，无论是拉杆式、自平衡索桁架式、平行架式、立杆式均可适用。

用太阳能加热是最安全的加热措施，如图21。虽然透明膜形式的大棚效率不如全玻璃真空管，但初期成本较低。如果在其表面加上覆盖，每天可增温数摄氏度。

图21 充气膜结构用于太阳能集热

五 要通风又要节能

建筑虽然强调围护结构的保温性，但室内居住的人需要呼吸新鲜空气。怎样才能在获得新鲜空气的同时又降低能耗呢？这里介绍一种别墅建筑增加新风系统的方法，可实现去湿、除尘、排CO2、节电四大改良。

既有建筑增加新风措施如图22所示。安装空调的服务人员用水钻在墙上打上两个直径5～6cm的孔，装上1台用于电脑主机散热的12V小型轴流风机，就可将一台1000～2000元的普通空调升级为带有新风系统的高品质舒适型空调，从而减少“军团菌”降低上呼吸道感染等空调病的发生率，还能节能20%～30%。安装12V轴流风机(如图23中轴流风机、电源变压器)，所有成本不过100元。

图22 轴流风机安装方法

图23 12V直流风机耗电量不到1W

新建建筑通过通风管道增加新风措施，可一次为多个房间送风及排风(图24)。

图24 新建建筑通过通风管道一次为多个房间送风及排风

因为冷空气比热空气密度大，开启空调后，室内底部会形成“冷池”。冷空气被人体、家用电器、墙外辐射加热后，在房间顶部形成“闷顶”。开启风机后，安装在上面的风扇向室外排出浊气。由于负压作用，下面的气孔向室外送新风，当室外新鲜空气被下面的风机吹入室内后，与室内底部的“冷池”空气混合，经人体呼吸利用后，从上面的排风扇排出。这种机械对流换气与开窗通风相比，可以在去湿、除尘、排CO2三个方面改善室内空气质量，并能节省电费，延长空调使用寿命，集四大功效于一身。

功效一：排湿

夏季，人通过呼吸和无感排汗，每小时排出100～200g水分。实践证明，人体最适应的相对湿度是50%～60%，室内的空气湿度又会影响人体的蒸发散热。如果湿度高于70%，汗液就不容易蒸发，令人感到不适。即使在闷热的天气，室外的空气湿度也低于室内，通过轴流风机排风，每换气1m3，相当于带走5～10g水，对排湿非常有利。

功效二：排污、除菌

开窗通风的目的是换气。在室内，房间的死角最容易产生病毒、病菌，当人们入厕、洗浴时，会使一些雾化的病毒微滴悬浮在空气中，水沟、地漏也会滋生病菌泛臭味，卫生间与厨房的公共垂直风道也常常串味。安装机械通风有利于空气流通。

机械强制通风优于开窗通风，这种新风换气功能是空调过滤器无法实现的。空调的进风口都装有一个网状过滤器，这种地方会积聚一些粉尘，成为霉菌、病菌的温床。如果家用空调未装静电、超声波及纳米类催化除菌系统，换气通风则更为重要。

功效三：排除室内C O2

CO2气体浓度超标时，人会头痛、头晕、思维迟钝。人体呼吸每小时约需要新鲜空气30m3，经检测部门规定，室内舒适性空调每小时应换气3～4次，即考虑到了人体呼吸对新鲜空气的要求。

功效四：节电，延长空调使用寿命

空调开启后，室内外温差在5～10℃。开窗时，室内冷空气以两种方式损失，一是室内外温差及压差形成的对流，另一种形式是辐射作用。如果是开窗通风，温度低的新鲜空气与污浊空气同时被置换，增加制冷机的负荷。而利用“冷池”原理应用分层交换，在不开窗的情况下，置换掉热空气，则大大节能，同时减少空调运转时间。

以前空调使用不普及，建筑节能只是粗放型，房屋建造时没有考虑进风口与出风口这样的细节，只有一个大窗户，把采光与通风模糊处理。在节能与可持续发展理念指导下，太阳能建筑越来越多地将自然通风与机械通风相结合，以此改善室内环境质量并节约能源。