黄河三角洲地区农村被动式太阳能住宅设计

2014-06-27张仁可贵州民族大学建筑工程学院贵州贵阳558100

长江大学学报(自科版) 2014年19期

关键词：被动式朝向住宅

张仁可 (贵州民族大学建筑工程学院,贵州贵阳 558100)

黄河三角洲地区农村被动式太阳能住宅设计

张仁可 (贵州民族大学建筑工程学院,贵州贵阳 558100)

根据黄河三角洲地区滨州市农村住宅的实际情况,设计了被动式太阳能住宅,具体分析了建筑物朝向和体型选择问题,并阐述了被动式太阳房、太阳能炕以及室内通风、采光和遮阳的设计内容,旨在为黄河三角洲地区农村节能住宅的设计和建造提供参考。

黄河三角洲地区;被动式太阳能住宅;节能建筑设计

目前,主动式太阳能住宅在我国一些经济较发达的农村地区已经开始推广使用,但主动式太阳能住宅造价比较昂贵,在我国经济不发达的农村地区难以推广[1]。与主动式太阳能住宅相比,被动式太阳能住宅依靠建筑本身来实现吸热、蓄热和放热等功能,其工程造价较低且节能效果较好,容易让农民接受。山东省滨州市位于黄河三角洲地区,东经118.00°,北纬37.00°,年日照时数达2600～2800h,年累计太阳能辐照量达5852～6680MJ/m2,太阳能资源丰富,这为建造被动式太阳能住宅提供了有利条件。下面,笔者对黄河三角洲地区农村被动式太阳能住宅设计进行了研究。

1 建筑物朝向选择

建筑物朝向对其采光和节能有很大影响。在选择建筑物朝向时,应主要考虑以下2个方面:①冬季有部分阳光入射室内并且可以避免冷风侵袭;②夏季尽量避免太阳直射室内并且可以使室内有良好通风效果。在黄河三角洲地区的滨州市,农村住宅的南向墙面在冬季接收的太阳辐射热最多,东南向和西南向次之,东、西向更少,而在北偏东或偏西30°朝向范围内,则接收不到太阳辐射热;在夏季,滨州市农村住宅东、西墙面接收的太阳辐射热最多,南向次之,北向最少。此外,在滨州地区,冬季主导风向以偏北风为主,背风面在南偏东60°到南偏西45°的范围内。通过上述综合分析,认为滨州市被动式太阳能住宅的适宜朝向为南偏东60°～南偏西30°,不适宜朝向为北偏东30°～北偏西60°。

2 建筑物体型选择

建筑物的体型与节能有很大关系。建筑物的体型系数S,指建筑物接触室外大气的外表面积Fo与其所包围体积Vo的比值,其计算公式如下[2]:

式中,S为体形系数,m-1;h为层高,m;b为建筑物长度,m;l为建筑物宽度,m;n为层数。

由式(1)可见,建筑物的体形系数与建筑物的层数、层高以及建筑物的长度和宽度有关。研究表明,建筑物的体形系数每增大0.01,其耗热量约增加2.5%。因此,应严格控制建筑物体形系数,常见措施如下[3]:①将多住宅(2或3户)单元联排,并适当加大建筑物的进深(使建筑物的平面形式接近正方形),同样可以减小建筑物的体型系数。同时,结合人们对不同房间热环境的需求,将热环境质量要求较低的房间,如住宅中的附属用房(厨房、厕所、楼梯等)布置于冬季温度相对较低的房屋北侧,而将热环境质量较好的向阳区域布置居室和客厅。②适当增加建筑物的层数和层高。综合考虑能耗及建造价格,农村住宅以3.3m较为适宜。由于农村家庭一般多代同堂,人口较多,为满足居住需求,将住宅分为2层比较适宜。

3 被动式太阳房设计

在各种被动式太阳房中,附加阳光间式太阳房造价适中,施工较为简单,后期维护较少,因而采用附加阳光间式比较合适(见图1)。具体而言,在住宅南向客厅的外侧布置阳光间,使其充当主要房间与外界环境之间的温度阻尼区,这样可以使主要房间外墙的传热损失减少40%～50%[4]。此外,可以在附加阳光间式太阳房内放置一些适宜的盆栽花卉植物,既能改善室内环境,又能提高空气质量。

图1 节能住宅平面图

4 太阳能炕设计

虽然传统火炕在农村比较盛行,但其存在很多缺陷,为此设计了太阳能炕(见图2)。太阳能炕下部架空,可避免传统火炕因直接落地而导致热量传递到地面而散失。同时,在其混凝土预制板上部设有聚苯乙烯保温层和铝箔反射层,这样不但加强了太阳炕的保温性能,而且使其热量尽量向炕面方向辐射。此外,太阳炕下部的蓄热材料可以在白天吸收太阳能并存储起来,晚上再释放出热量给炕保温,使其维持比较舒适的热工环境。

图2 太阳能炕结构示意图

5 室内通风、采光和遮阳设计

在竖向设计时,为充分利用烟囱效应形成自然风,在北向开敞楼梯间上方设置了拔风烟囱,以便形成被动式负压通风系统。此外,还可以在拔风烟囱底部设置可旋转挡板,这样可以合理控制室内外气流交换。在夏季,南向室外茂密的树叶起遮阳作用,只有少量阳光进入一层客厅。同时,利用南向挑檐上可调节遮阳板对二层南向窗户进行遮阳保护,从而可以有效降低室内温度。此外,可以同时开启南向阳光间和北向楼梯间的窗户,打开拔风烟囱底部的可旋转挡板,加速室内热气流上升,从而形成穿堂风。在此基础上,打开地下通风间层南北通风口,当温度过高的室外气流经过地下蓄水池和通风间层里鹅卵石时,其热能被吸收后,从而降低室内温度(见图3)。在冬季,南向栽种的乔木全部落叶,加上人工修剪多余树枝,同时将南向挑檐上的可调节遮阳板全部开启,这样可以使阳光充分进入南向室内。同时,关闭南向阳光间式太阳房的玻璃,使阳光间不断吸收热量,一部分送入室内保持较温暖的室内环境,一部分储存到地下通风间层的鹅卵石和蓄水池里,同时把地下通风间层的南北通风口全部关闭,这样可以尽量使热量不散失(见图4)。