甘肃农村住宅应用太阳能建筑节能优化

展妍婷

摘 要：针对甘肃地区农村太阳能资源潜在的优势，提出应用太阳能系统，且在利用太阳能的同时怎样做好节能方面的具体优化措施，对进一步加快太阳能系统在农村的应用和我国的能源结构调整以及建筑节能起到积极的作用。

关键词：农村住宅;太阳能利用;节能;优化措施

我国从2005年起要求北京等大城市开始推行65%的节能标准，到2010年全国所有新建建筑达到三分之一以上节能建筑的标准。到2020年通过进一步的推进绿色建筑和节能建筑使所有建筑的总能耗达到65%的总目标。城市建筑都在积极推行节能新标准，并且成效明显。而在农村，建筑节能成效几乎是空白。因此，本文以甘肃地区为例，结合本地区基本情况，因地制宜，具体介绍在甘肃地区应用太阳能系统的同时，怎样使建筑节能技术应用在具体建筑中。

1甘肃地区的气候特点

甘肃在地理位置上位于我国西北地区，干旱、寒冷是其最明显的自然特征，高原、盆地在地形上占主要部分，地域宽广，房屋建筑规模巨大。

甘肃地域辽阔，介于北纬32°11′～42°57′、东经92°13′～108°46′之间。日照时数每年平均为1700～3300h，自东南逐渐向西北方向增多。在河西走廊地区每年的日照时数能达到2800～3300h，是甘肃地区日照时数最多的区域;陇南地区为1800～2300h，是甘肃地区日照时数最少的区域。因此，在甘肃地区应用太阳能系统采暖、提供热水等前景非常乐观。

2 节能优化的具体应用

2.1 规划布局优化

整体规划布局设计是建筑节能着手的第一步。总的设计原则是：建筑物尽量布置在地势平坦的地方，避免布置在凹地时由于冬季冷气流在凹地里形成影响建筑物的“霜洞”效应。一般情况下将建筑物宜布置在向阳坡上，且在朝阳方向最好没有遮挡。在冬季主要房间朝南能得到较多的太阳辐射，同时避开冬季的主要风向，以减少冷渗透通过建筑围护结构进入室内。

一幢建筑物位于北纬35°，在冬季和夏季一天中分别在不同方位上所得到的太阳辐射能大小如表1所示。如果把太阳辐射能在水平面上定为1，则南立面上的辐射能在冬季为1.58，夏季仅为水平面的0.12。因此，在设计太阳能系统时，为了获取尽可能多的太阳辐射热，应充分利用建筑物南向墙体。

表1  某建筑物（北纬35°）各朝向太阳辐射（参照水平面）[1]

[建筑物的朝向＼&冬（1月21日）＼&夏（7月21日）＼&东立面

西立面

南立面

北立面

水平面＼&0.39

0.39

1.58

0

1＼&0.36

0.36

0.12

0.06

1＼&]

2.2 建筑物平面及立面优化

平面及立面设计是建筑物设计的不可缺少的组成部分，平面设计除了要满足在冬季能使主要房间直接获取大量的太阳辐射热量，还要满足夏季自然通风。同时采用自然采光来减少人工照明，降低能耗。

平面布局中各个功能不同的房间对温度要求也不同。如卧室、客厅等，属于主要房间，对温度要求相对较髙，一般情况下应考虑布置在南向区域的位置，以获取较多太阳能。如厨房、储藏间等辅助房间，可考虑布置在建筑物的北侧。合理的布局是直接获取太阳辐射能多少的关键。对于布置在建筑北向的房间，室温要求低还可以成为南侧各个房间热量散失的一个屏障。

影響建筑物耗热量的一个主要指标是体形系数。在建筑物其他围护结构一定的条件下，耗热量指标随着体形系数成直线上升趋势。在设计中，一方面做到使建筑物的体形系数小于0.35，避免多层或点式建筑;另一方面在建筑的外观设计上尽可能做到减少凹凸面，即减少与大气接触的面积，从而减小体形系数。但是，从建筑设计的角度来讲，建筑形式的多样化又是建筑设计追求的元素之一。此外，也不能因为减小体形系数而将所有住宅都建成统一的“方块”形状，导致了既要满足建筑节能，又要完美建筑体形设计两者之间相互对立的矛盾。根据规范《采暖居住建筑节能设计标准DB62/T25-3033-2006》[2]，规定寒冷地区建筑物的体形系数宜小于0.3。

2.3 建筑物围护结构优化

2.3.1 外墙保温隔热设计

实践调查发现，如今农村建筑几乎没有任何的保温措施。长期以来采用普通的一种材料砌筑。不可避免的结果就是墙体的导热系数超过节能规范的要求。因此，避免采用单一材料砌筑的墙体，可以采用复合墙体。如改用城市建筑采用的承重材料与髙效保温材料（如聚苯板、 岩棉板等）结合，在节能效果上会好很多。建筑物结构组成中墙体占比较多的部分，夏季由于室外气温高，室内通过建筑外墙体吸收热量，可占建筑总吸收热量的30%左右;相反，冬季室外气温低，室内的热量通过外墙向室外散失，大约占到建筑总损失热量的20%左右[3]。因此，做好外墙保温措施至关重要。

图1  外墙保温做法

除了墙体自身的材料，保温材料的选择也很关键。当蓄热系数大的材料层设置在室内侧时，可使室内蓄存较多的热量，房间的热稳定性也好。因此，在保温措施中采用外保温优于内保温。如图1为一外墙外贴聚苯板保温材料图，外墙选用粘土砖砌体（导热系数在0.7～0.8W/（m·K））范围内。根据规范《采暖居住建筑节能设计标准DB62/T25-3033-2006》，按照下列公式计算保温层材料的最小保温厚度。

（1）

式中：K——围护结构传热系数[W/（m2·K）];

R0——围护结构传热阻[（m2·K）/W];

an、aw——围护结构内表面、外表面的换热系数[W/（m2·K）];

R、Rw——围护结构内表面、外表面的传热阻[（m2·K）/W];

δi——围护结构各层的厚度（m）;

λi——围护结构各层材料的导热系数[W/（m·k）]。

2.3.2 门窗节能设计

门窗是围护结构中绝热性能最差的部位。通过门窗的能耗约为墙体的4倍，约占围护结构总能耗的40%～50%[4]。

外窗在建筑物的构造组成当中占有非常重要的位置，通过外窗可以直接获取太阳能，同时也可将室内热量散失到室外，变成失热部位。但是在冬季我们希望外窗有较髙的太阳能透过率，同时满足节能保温隔热功能和气密性要求;夏季室内需要凉爽，所以希望较少的太阳辐射进入室内。因此，除了选用厚度小、透过性髙的玻璃外，还应使外窗具有良好的遮阳措施。其次，要求窗框应采用传热系数较低的型材，且气密性好。门窗节能效果是否良好，关键还要看其气密性。节能建筑要求对于多层建筑门窗气密性按照《建筑外窗气密性能分级及检测方法》[5]规定执行。

冬季，冷风通过外门侵入也是建筑物失热的一个主要途径。因此，在建筑的主要出入口需设置门斗。门斗的形式也很多，有凹式、凸式或端角式。图2为门斗图。

图2  门斗图样              图3  屋面保温做法

遮阳的目的在于隔断直射阳光透过窗户进入室内。高效率的控制调节太阳光和太阳辐射热取决于良好的遮阳措施。遮阳措施较好的建筑可获得10%～20%节能效益，而用于遮阳的投资不足2%[6]。

2.3.3 屋面、地面保温节能设计

建筑物围护结构的保温节能还包括屋面的节能保温。屋面保温材料选用要求导热系数低、材料轻便、机械强度髙、成本低廉、不吸水、施工简单。此外，还可以增加设置架空通风屋面增强保温。保温层厚度计算方法同（1）公式。这里介绍一种常用做法，如图3所示。

地面熱量散失最大的区域是从外墙内侧起2m范围内，所以这些区域的地面也是保温节能的重点部位。另外，挑出楼板由于直接与室外空气接触，不采暖地下室的顶板等，均需做保温。

保温地面的第一种方法，可采用150mm厚2：8白灰焦渣或者干炉渣进行保温。这种方法结构简单、经济、施工方便。第二种方法是采用低温地板辐射采暖系统，这也是一种地面保温很好的节能措施。

3 结语

本文结合甘肃地区的地理特征及气候特点，分别从建筑规划布局优化、建筑平、立面设计优化、建筑围护结构节能优化几个方面出发，阐述甘肃农村建筑应用太阳能技术在节能优化方面的具体措施。

参考文献：

[1]周振.太阳房优化设计及模拟分析[D].北京：北京建筑工程学院，2008，35-38.

[2]甘肃省工程建设地方标准DB62/T25-3033-2006.采暖居住建筑节能设计标准[S].兰州，2006：35.

[3]丁国华.太阳能建筑一体化研究、应用及实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：31.

[4]吴振荧.北方农村太阳能住宅优化设计及测试分析[D].北京：北京建筑工程学院，2007：23-24.

[5]中华人民共和国国家标准GB/T7016-2008.建筑外窗气密性能分级及检测方法[S].北京：中国建筑工业出版社，2008：16-18.

[6]喜文华.被动式太阳房的设计与建造[M].北京：化学工业出版社，2007：16.