被动式太阳能技术在建筑设计实践中的应用探索

钟汀林

（四川省明杰建筑设计有限责任公司　四川　成都　610000）

被动式太阳能技术在建筑设计实践中的应用探索

钟汀林

（四川省明杰建筑设计有限责任公司四川成都610000）

我们希望该项目能够成为一个贯彻国家绿色可持续发展的大方针的绿色节能的标杆性建筑。同时，也希望她成为一个散发着强烈民族气息的、适应当地气候环境的、现代的地域性建筑。

被动式太阳能技术；主动式太阳能技术；地域性建筑

1　被动式太阳能技术简介

一般在利用太阳能的建筑中，太阳能利用分为两种方式：①主动式太阳能技术；②被动式太阳能技术。主动式太阳能技术，是指利用机械装置来收集、储藏、分配和控制太阳能热量的方法，如常见的太阳能光电板式发电机、太阳能热水器等。所谓被动式太阳能技术与主动式太阳能技术正好相反，无需其他机械装置提供能源，依靠系统自身的传导、对流和辐射等自然热转换的过程，实现对太阳能的收集、储藏、分配和控制。由于是被动式的，其初始投资和运营成本更低，也更符合绿色设计。

对于被动式太阳能技术来说，它需要两方面的元素构成：①利用朝阳方向的透明材料（玻璃或塑料等）或是深色材料来收集太阳能（比如温室和阳光房）。②收集、储存和分配太阳能热量的蓄热体能够最大限度的接收太阳能。

图1　被动式太阳能建筑示例

2　建筑设计实践中的应用

在2013年，我和助手有幸承接了一项很有意义的项目——甘孜县援藏干部人才生活中心项目。承接项目后，我们马上对项目的基本情况进行深入地了解和分析：

2.1项目地理位置、气候条件

该项目位于甘孜州甘孜县，康北地区腹心地带，隶属于四川省管辖。甘孜县是一座多山的县城，属高原河谷气候，寒冷干燥，澄彻晴朗，地势开阔，日照长，辐射强，年日照时数达2640h。在这样的气候条件下，建筑非常适合采用被动式太阳能技术。

2.2用地现状和周边概况

场地周边场地为不规则的刀把形，用地面积为5303.90m2。场地周边都是1～2层的小房子。项目场地东面通过一7m左右巷道与城市道路相连。场地南侧有个次入口通向其他场地外小巷道。场地东半部地势平坦，但西半部比东半部矮大约4m左右，在中部有陡坡衔接消化东西高差。场地的南面可以远眺壮丽的雪山。

图2

2.3建设方设计要求

本项目主要用于为援藏干部人才提供一个生活和工作的场所，其功能类似招待所。建筑面积约5944.68m2。包括约100套的住房。并包含厨房，餐厅，会议室，图书室和活动室等公共配套设施。

分析完项目情况后，我们从以下几点着手展开我们的设计。

2.3.1设计目标

我们希望该项目能够成为一个贯彻国家绿色可持续发展的大方针的绿色节能的标杆性建筑。同时，也希望她成为一个散发着强烈民族气息的、适应当地气候环境的、现代的地域性建筑。

2.3.2设计策略

根据当地气候状况制定以“被动式太阳能利用”为主，以“主动式太阳能利用”为辅的节能设计策略，以实现高舒适、低能耗的设计目标。根据基地景观资源和现状地形合理设计，提升建筑品质的同时，尽量节约造价。

2.3.3建筑总体布局

设计从被动式太阳能建筑设计要求出发。放弃常见的“内走廊双面布房”的建筑布局。客房设计采用“北侧走廊南侧单面布房”的布局方式。所有的房间都朝南，使绝大多数的客房都能充分享受到被动式太阳能技术的利益。本项目共有两栋南北向一字形客房楼，采用南低（3层）北高（6层）的布局方式。既可以充分利用太阳能以达到节约能源可持续发展的目标。又可以让更多的客房朝向雪山美景。（见图3～4）

2.3.4建筑单体设计

设计紧扣被动式太阳能建筑技术，并使之成为本设计最大的亮点。

图3　项目鸟瞰效果图

图4　项目总平面图

我们将“被动式太阳房”（《被动式太阳能建筑技术规范》（JGJ/T267-2012）中所提的概念）的模型引入到我们的居住单元的设计中来。“被动式太阳房”常用的形式有三种：直接受益式、集热墙式和附加日光间式。三种太阳房中，直接受益式太阳房集热效率最高，但昼夜温度变化幅度也较大。三种太阳房可以综合利用，形成组合式太阳房。这是将太阳能用于采暖的最简单的也最有效的一种形式。在日照条件优越的地区，只要对房间外围护结构加以改善，被动太阳房的采暖效果是非常好的。

本设计，主要采用“附加日光间”的形式。“附加日光间”指的是直接获得太阳辐射能量的空间，类似南向封闭阳台。白天，由于日光间直接得到太阳的照射和加热，所以它在昼间可快速升温，即使室外零下十余度，日光间也可以升温到二十多度。它可以供给房间以太阳热能。另外，当日光间内空气温度大于相邻的房间温度时，通过开门（或窗或墙上的通风孔）将日光间的热量通过对流传入相邻的房间。到夜间，通过关闭日光间的外窗，并拉上保温窗帘，减少日光间的热量流失。因此，日光间又可以作为一个减少房间热损失的缓冲区，使建筑物与日光间相邻的部分获得一个比较温和室内环境。（原理如图5）

图5　被动式太阳能建筑采暖原理图

我们的建筑单体内外设计就是围绕“附加日光间”这一被动式太阳能技术模型展开，详细设计展开如下：

（1）建筑的公共和辅助功能用房置于底层和半地下层。客房主要在二层以上，以利于太阳能的利用。除了采用“北侧走廊南侧单面布房”的客房布局方式。在客房内部的设计上，我们依然紧扣被动式太阳能建筑技术。我们采用“附加日光间+蓄热墙体”的被动式太阳能技术。客房的南向阳台尽量开大面积的高透光的玻璃窗，作为“日光间”。在引入太阳能的同时，又将南向的壮丽的雪山美景引到房间中来。

（2）建筑的外围护结构为：外墙为200厚页岩空心砖，采用外保温形式，保温层用30厚酚醛保温板；屋面保温层用30厚酚醛保温板；客房阳光间采用塑钢高透光（保证引入太阳能的效果）双层中空玻璃窗（保证保温效果）。

（3）在建筑外部造型设计中，我们延续传统藏式建筑的精髓，同时表达本建筑强烈的现代感与时代气息。我们使项目既能融入当地独特的建筑环境，又能展现全新的民族风格。同时，我们还引入太阳能热水采暖系统（主动式太阳能相关技术），并将其作为设计和造型的一个重要元素融入到我们的设计中来：除了南向大玻璃的阳光间（被动式太阳能技术）外，我们在屋顶设计了平板式太阳能热水器，并将这一设施结合建筑的特色造型一体化设计。

2.3.5被动式太阳能建筑成效的模拟计算结果和结论：

11～3月份甘孜地区南垂直面总日射辐照量的平均值：15024.5kJ/（m2·d）。

玻璃窗有效面积系数按0.6计算；

玻璃窗透过系数：0.588；

玻璃窗透过和吸收总得热率：0.677；

玻璃反射系数：0.1；

房间内墙面、顶棚反射系数：0.52；

地面反射系数：0.27。

计算结果是：该房间窗户尺寸为1.2×1.2=1.44m2。

通过窗玻璃后被集热系统吸收的总日射辐照量为：3588kJ/ d·m2×1.44=5167kJ/d·m2。

已经计算出的外围护结构传热量是630W，相当于54432kJ/d。

由此可见，此房间的南窗面积大于2m2，并且能耗控制冷风渗透量的前提下，太阳能已足以维持房间日常的采暖要求。采用被动式太阳能设计策略后，在冬季不采暖的情况下可以提高室内的温度3～7℃。

2.3.6太阳能热水采暖系统成效分析

太阳能热水采暖系统一般由太阳能集热器、蓄热水箱、辅助热源、房间散热设施、循环水泵和管道组成。考虑高原地区气候特点，考虑采用太阳能平板式集热器，与建筑屋顶造型一体化设计，可以避免热水器的低温环境下的冻结、爆管等问题，维护简单，性能稳定，可以供应大部分的生活热水。

3　小结

被动式太阳能技术的原理并不复杂，也不是高科技。它与我们建筑设计的联系是密不可分的。在方案设计之初就需要把这门技术融入到建筑设计中去，并在设计中始终贯彻被动式太阳能技术的原理和原则。被动式太阳能技术的应用将使我们的居住环境大大改善，并达到建筑节能减排的目的。在全球环境污染和能源短缺的情况下，这种绿色建筑设计的思想应该成为建筑设计师及整个社会奉行的准则。

[1]《被动式太阳能建筑技术规范》（JGJ/T267-2012）.

[2]张磊，鞠晓磊，曾雁.《被动式太阳能建筑技术规范》解读[J].建设科技，2012（5）：51～54，57.

[3]李江南.被动式太阳能建筑设计[J].太阳能，2009（10）：43～45.

TU18

A

1673-0038（2015）10-0019-02

2015-2-18

钟汀林（1981-），男，建筑师（中级），本科，主要从事建筑设计工作。