严寒地区住宅建筑太阳能技术应用研究

赵 晖

（长春工程学院建筑与设计学院，长春130021）

1 概述

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，在全国大部分地区利用太阳能都是适宜的。据相关资料记载，每年获得太阳能约为3.6×1 022J，大约相当于1.2万t标准煤的发热量，太阳能年平均辐射在2／3国土面积的总量在5.9×106kJ／m2以上，且绝大部分采暖地区均分布在长日照区域内。丰富的资源为我国进行太阳能的开发利用提供了良好的条件［1］。长春地区地处东经124°18′～127°02′，北纬43°05′～45°15′。全年日照时数约2 800h左右，辐射量可达5 000～5 900MJ／m2，属于太阳能利用中等偏上的地区，应用前景十分的广阔。

太阳能作为一种清洁能源具有其他常规能源所无法比拟的优势：首先，是太阳能的广泛性，太阳辐射到处皆是，可算是取之不尽、用之不竭的绿色能源，人们只要一次投资建设好之后，平时维护费用远比其他能源小。其次，是太阳能的持久性，太阳能是人类可以加以利用的最丰富的绿色能源。据估算，太阳的寿命约600亿a，而地球寿命约为50亿a，因此，可以说太阳能是用之不竭的，相对于只有数千年文明史的人类社会和更短时间人类使用矿物燃料的历史，太阳能利用更具永恒性。第三，是太阳能的生态清洁性，以太阳能为能源，无噪声，没有废气、废渣、废水排出，不会产生有害物质。

2 太阳能建筑设计

太阳能建筑，可理解为太阳能技术和建筑的结合，或在建筑上应用太阳能技术。它不仅是一项应对全球能源危机和环境问题的建筑节能应用技术，将逐步发展成为一个新的与建筑完美结合的独特的技术形式和建筑风格的类型。新世纪的建筑设计将不再只考虑功能和形式，如何保存建筑物的能源和实现技术的有效性及生态可持续发展将成为重要的问题。人类在早期发展阶段的太阳能建筑，主要考虑的是如何隐蔽太阳能构件，减弱太阳能构件对建筑实体的影响。伴随着太阳能建筑设计的发展，建筑师已逐步把太阳能构件作为建筑的一个不可分割的整体来考虑问题，从建筑空间整体上提升建筑审美情趣，逐步拓宽了原有的单一的建设思想。把太阳能构件的设计作为建筑技术设计的一个重要环节，并最终实现“一个不可分割的整体”的空间效果。

目前，我国的太阳能节能建筑的发展仍处在初始和探索阶段，特定的国情限定我们仍然采取传统节能建筑设计的做法，既主要集中在实用功能和经济上，然后考虑“可能情况下的美观”。在这种情况下中国的太阳能建筑设计的结果是往往并不注重太阳能技术在建筑产品上的具体形式。例如：被动式太阳房采暖技术很早在我国的居住建筑设计中得以应用推广，特别是在20世纪70年代和80年代，解决农村住宅的采暖问题中起到了积极的作用。然而，太阳房的设计，以务实的原则为主，形式的创新元素相对有限。接下来，中国太阳能热水器的应用发展迅速，同时带来了很好的社会效益和经济效益，而且太阳能热水器的技术水平也一直处于世界领先水平。然而，太阳能热水器的产品开发和产品更新换代并不涉及建筑设计人员，建筑师对太阳能产品的设计和安装并不了解。

因此，我们要清醒地认识到所谓的太阳能技术建筑一体化并非建筑与太阳能产品的简单加法，而是通过太阳能技术在建筑上的应用研究，以建筑技术集成的方法整合一个全新的现代节能建筑类型。太阳能应用技术应包括在整个建筑设计过程中，从而达到建筑设计美观、实用、经济的要求。

3 主动式太阳能技术和集合多层住宅设计

与人们日常居住活动有关的太阳能应用系统主要有太阳能热水系统，太阳能采暖系统，太阳能空调制冷系统。针对不同的功能要求，系统的组成也不同。主动太阳能系统的共同特点是都需要通过太阳能集热器发挥作用。在这里，我们首先对有关的太阳能系统加以介绍。

首选的太阳能制冷系统应是经济、节能的设备被动散热方案，国外较成熟的设计方案都是采用被动散热方式获得适宜的室内温、湿度，但运营技术要求相对较高，以目前我国现有的设备方案，完全依赖被动方案，很难达到舒适的温、湿度的要求。在系统中增加机械通风设施、被动降温设备及太阳能热泵空调制冷等手段，都是切实可行的研究途径，下面针对太阳能热泵空调制冷系统的相关要求加以研究介绍。

太阳能空调的工作原理是指通过热泵原理实现空调制冷效果的过程，与热泵供热相比，系统需要增加热交换器、冷水储备箱和冷却终端系统。其降温过程主要是利用制冷剂的挥发吸收热量，降低温度，经管道传输到冷却终端系统，采取冷水线圈辐射或冷风的方式降低室内温度。系统运行过程应注意要设立独立的冷空气除湿设备，通过辅助风扇除湿处理后再送入室内，避免出现采用简单结构的辐射地板方案中的地板结露现象。与传统的空调相比，太阳能空调具有2大优势：首先是季节适应性好，仅在夏季高温及强太阳辐射下发挥作用，其冷却能力随太阳辐射强度的增加而提高，充分满足夏季制冷的要求。传统的空调设备多以氟利昂为制冷剂，对大气环境的破坏较大，因此太阳能空调对环境的保护意义深远。同时，太阳能空调系统还可以兼具其他的功能，冬季采暖、夏季空气冷却，更可以提供全年的生活用热水等。目前，太阳能集热设备采用平板式的热管集热器较多，应用在居住建筑上，集热能力受到的限制较大，考虑采用曲面、更有效的集热方案是进一步研发的重点方向。建筑设计中应充分考虑储热罐（储水箱）的位置及荷载要求，尽可能缩短传输线路，降低损耗。

太阳能系统的储热罐尽可能布置在室内，如：厨房、卫生间、储藏室、阳台、阁楼、楼梯间或独立的设备间。集中储热系统体积相对较大，可考虑设置在地下室或独立的设备用房内，空间上要满足设备的正常运行，方便操作及设备维护，设备上方要预留不小于500mm的维修空间。

考虑到太阳辐射的间歇性，确保日常生活供水（热水、冷却）的连续性，建筑平面布局中应增设辅助热源设备的位置，从而保证太阳能系统的稳定运行。辅助热源设备应靠近水箱（储热罐），可布置在同一设备用房内，方便操作、维护。辅助热源可采用天然气、石油、煤炭或电锅炉。天然气相对经济性较好，电能方便、快捷、清洁，尤其在夜间采用电能的方式，适应性会更好。

4 严寒地区多层住宅太阳能设计方案

该方案选址在长春地区，为监测方便，设计条件尽可能简单。

环境和气候条件：当地年平均气温为4.8℃，采暖室外设计温度为－15℃，采暖期室内设计温度18℃，室外空调设计温度33.2℃，夏季空调室内设计温度为26℃，主导风向为北向（或偏北）。

分析：依据前述设定条件推测，冬季利用太阳能供暖（前期可作为辅助供暖方式）系统是本研究的重点研究方向。夏季利用主导风向可作为空气冷却手段之一。

太阳能系统的要求：系统的设定兼顾主动式与被动式太阳能系统，解决日常生活中的冬季采暖、夏季的制冷及生活用热水的需求，可适当考虑光伏发电作为辅助动力系统使用。

分析：长春地区冬季的气候比较寒冷，需要选择高效能的太阳能能源加热装置，该装置可在非采暖期提供充足的生活用热水，温度调节可采用纵向通风组织设计（或采用太阳能空调系统兼顾供暖和生活用热水的加热要求）。

平面布局设计：设定建筑类型为六层集合住宅，一梯二户，南向坡屋顶（利于太阳能集热板的安装）。起居室、主卧室南向布置，厨房、卫生间等辅助用房北向布置，其他条件可根据居住方式的要求，从利于太阳能系统作用发挥的角度自行组织。

分析：该建筑类型为目前长春地区最常见的住宅类型，经比对分析会发现，采用该设计方案的建筑屋顶面积不足采暖面积的1／5，除去无法使用的北向屋面及必要的维护面积，可利用面积可能只占到1／8～1／10，完全依靠太阳能系统解决冬季供暖的要求比较困难，因此，本研究的目标定为该地区的冬季采暖仍以传统的集中供热为主，太阳能系统供热作为辅助采暖热源占集中供热的10%～20%。

水源条件：以目前常用的集中供水位主。

辅助热源条件：以完善的市政公用设施为主，燃气或电力条件充足。

分析：稳定的辅助热源供应，应可提供经济的天然气、方便的电力资源作为系统正常运行的前期保证。

冷／热存储条件：应有一个足够大的水池，作为季节变换中的存储设备。

分析：交叉蓄热存储设备可有效地解决冬、夏季节家庭用热的冲突，同时还可以平衡太阳能发热的季节性变换要求。

功能：根据该地区冬季采暖和生活热水要求，夏季空调制冷的需要，主系统采用“主动太阳能加热＋通风降温”的组合。

效率：从效率的角度来看，主系统首选的方案应为“太阳能热泵供热＋垂直通风组织”或“太阳能空调”。

价格：经济上暂不做严格限制。

系统的配套要求：在严寒的冬季采暖期，依靠屋顶太阳能蓄热作为辅助采暖热源还难以满足冬季居住舒适性的要求，应根据实际情况增设阳光房、直接受益窗及被动式太阳能集热器等。

屋顶的要求：屋顶具有良好的日照是太阳能系统运行的首要条件，因此，在进行住区规划时要保证建筑屋顶获得充足日照。同时，要考虑足够的承载要求，满足太阳能系统的设备安装。

作为建筑第五立面的屋面是在太阳能技术推广进程中不可或缺的重要位置，把建筑屋面作为集热部件，有其特有的优势，对建筑立面的影响小；不受朝向影响，接收太阳辐射的条件好；系统可以紧贴屋顶的结构安装，减少风力的不利影响；并且，建筑构件化的集热器完全可替代传统保温层覆盖屋面。工程实践中可以将建筑坡屋面与太阳能集热器构件一体化，在屋面做好防水处理的基础上，铺设集热器与屋面共用的防水保温层，太阳能集热部件放置在保温层上方，在集热器顶部架设复合采光保温盖板，可根据需求提供采暖或热水［1］。与屋面一体化的整体集热器设计由于综合利用材料，不但降低单位面积上的太阳能转换设施的价格，节约了成本，同时也更加有效地发挥了屋面的复合功能。

南向墙面的要求：众所周知，居住建筑的外墙是与太阳光接触面积最大的外表面，为了尽可能地利用墙面收集太阳能，需要建筑设计人员在太阳能建筑设计中，合理利用各种墙体构造和材料，包括集热蓄热墙、透明绝热材料以及附加于墙面的集热器等等。传统的太阳能集热墙为了提高太阳能的吸收率，常常将外墙表面涂成黑色。吸收率提高的同时却会影响到建筑的观赏性，特别是大面积使用时会对居住者的心理造成压抑感，不利于太阳能技术的推广。如果设计人员根据实际情况，尝试选用别的颜色与黑色或其他深色搭配使用来丰富建筑立面，虽然牺牲了部分太阳热能的吸收，却能营造出活泼适宜的建筑环境。例如：采用深红色的集热器，既可以使建筑立面十分鲜明，引人注目，又可以吸收足够的能量。除了利用集热墙收集太阳能外，对于集热器来说，也可以建筑构件标准化，作为附属构件依附于外墙表面，并可赋予其建筑功能。目前由科研人员设计的太阳能保温墙板，就是将固定安装有热反射板的墙体构件，按建筑要求依次排列对接，可根据墙体不同的安装部位采用热反射板与墙体不同的安装角度。经密集排列的热反射板把太阳光聚焦到导热管上，再通过导热管将所接收的热量传递进室内。为增加墙体强度，墙体内采用固定支架［3］。这样的保温墙板应用在长春地区的居住建筑上，既能满足保温要求，又可以在立面上形成一定的韵律，而成为良好的美学元素，是一项值得推广的技术。

东、西向墙面的要求：尽管东、西墙面也会接收太阳辐射，但一般不做为太阳能利用的重点考虑，可根据实际情况，在西向位置布置太阳能集热设备，既可以吸收太阳能，还可以解决“西晒”的问题。

其他部分的设计要求：可在建筑内部布置垂直通风管道，做纵向通风组织。

5 结语

伴随着日本核泄漏事件对全球生态危机的逐步显现，人们对于太阳能利用的意识也得到了进一步的提升。有关太阳能利用的宣传、教育与讨论，已不仅局限于专业技术机构，大众媒体也经常以系列或醒目的报道在传播。同时我国政府也相继出台了相关配套政策，一方面对太阳能的一体化设计的科研单位提供研发资金，另一面，能源价格政策做相应调整，有针对性地提高传统能源的价格，使得利用可再生能源成为被充分重视的项目。我国城市建筑中的太阳能利用一体化设计，还正处于发展阶段。随着城市化进程的快速发展，建筑能源消耗将对国民经济产生巨大影响，关注热点应由分散的小型建筑向城市大规模和大范围的建筑群体转移。由于国外利用太阳能的居住建筑大多数为独立或联排式小住宅，对我国并不完全适合发达国家可供借鉴的一体化设计方案；同时，有关技术及设备的投资也很高［4］。我国目前市住宅建设的主流是多高层集合住宅，因此，研究和推广符合我国国情的一体化设计方案，尤其是被动式太阳能居住建筑势在必行，这就对建筑师提出了新的挑战和更高的要求。

美国科学家预言：太阳能将在未来的20a内，成为价格最低廉、功效最佳的替代新绿色能源。目前，“太阳能建筑一体化”已成为太阳能界和建筑界的响亮口号［5］。尽管面临着太阳能能量密度低，而且它因时而变、因地而异等问题，但相信在不久的将来，太阳能光伏建筑一体化将赋予建筑新的属性，为未来的房地产业开辟新的天地［4］。本课题着重研究长春城市多层和高层节能建筑利用太阳能的有关技术，并在现有的技术基础上进行总结，绘制标准设计图纸及制定施工及验收规范，并通过实践进行改进；要积极推广示范性建筑、试验小区，因地制宜地为各个不同地区建立太阳能建筑样板工程，使太阳能技术在居住建筑上的推广应用能够健康发展下去。

［1］辛同生.集合住宅中太阳能技术应用研究［J］.建筑学报，2006（10）：22－25.

［2］郭创，梅胜，杨晚生.太阳能热利用在建筑中的设计要点［J］.价值工程，2010（14）：89－90.

［3］郄昭昭.太阳能建筑一体化设计［D］.石家庄：河北工业大学，2007：30－35.

［4］左海敏.高层居住区太阳能与建筑一体化技术的应用［J］.山西建筑，2010，36（12）：234－236.

［5］李贞.浅谈太阳能与建筑一体化设计［J］.建材技术与应用，2010（7）：14－15.