太阳能建筑在高原地区的实践

中国建筑设计院有限公司 ■ 鲁永飞鞠晓磊 郑晶茹

太阳能建筑在高原地区的实践

中国建筑设计院有限公司 ■ 鲁永飞*鞠晓磊 郑晶茹

青藏高原地区气候恶劣、常规能源匮乏，但太阳能资源丰富。当地农牧民住宅建设水平较低，居住舒适度较差，通过太阳能建筑在高原地区的实践，在改善居住环境的同时考虑了经济性。本文从住宅的布局设计、围护结构保温设计、被动太阳能技术设计等方面，总结了适用于高寒地区农村的太阳能建筑技术。

太阳能建筑；被动技术；阳光房；高原地区

1　项目背景

2015年，国际太阳能学会和中国可再生能源学会针对青海地区，主办了以“阳光与美丽乡村”为主题的国际太阳能建筑设计竞赛，甄选了3个获奖方案，在日月山下兔尔干村进行实地建设，用于民宿。设计方案集成多种太阳能建筑技术，充分利用了当地丰富的太阳能资源及当地材料，较好地解决了常规能源匮乏和居住舒适度差的问题。

2　建设方案

2.1户型A

该方案采用两重院落的形式来组织空间，平面布局紧凑合理，整体造型有利于夏季通风和冬季防寒；充分结合青海高原地区冬季寒冷的气候特点和农牧民的生活方式，利用当地具有民族特色的材料，如厚重的夯土墙等，有利于保温和隔热；采用低成本技术策略，实现了低投入、高效率。户型A模型图如图1所示。

图1　户型A模型图

2.1.1形体与分区

户型A的结构平面图如图2所示。为最大量的接收阳光，建筑采用了退台式的形体设计，南侧建筑为单层，北侧建筑为二层，中间设置庭院，南侧建筑自带封闭的小庭院。退台式的设计避免了建筑的前后遮挡，保证每个居住房间都有充足的日照。整个院落采用了当地的庄廓形式，封闭厚重的夯土墙能够有效抵挡寒风，与充足的阳光一起营造庭院内舒适的活动场所。

图2　户型A 结构平面图(单位：mm)

2.1.2围护结构

建筑外墙采用当地的生土材料，墙体厚度可达500 mm，外窗采用70系列的铝塑复合节能窗。围护结构的传热系数较小，且具有良好的热惰性和蓄热性能，温度波动小。建设方对墙体生土材料进行了优化，在夯土中加入了石灰、枯草，提高了墙体的强度。

图3　夯土外墙

2.1.3阳光房中庭+光伏发电系统

南侧客房的小庭院及建筑中间的大庭院均采用了阳光房技术，并设置了保温卷帘。如图4所示，阳光房能够保证冬季白天阳光进入每个主要生活房间，并聚集大量热量存储在墙体及地面中。冬季夜晚，中间庭院的阳光房保温卷帘放下，减少庭院内热量的散失。相对室外较温暖的阳光房中庭，保温卷帘充当室内房间的热缓冲层，减少室内热量散失。在中庭阳光房顶部靠近建筑侧安装光伏发电系统，提供生活用电。夏季太阳高度角变高，光伏组件还可充当遮阳构件，阻止阳光射入室内。

图4　阳光房冬季运行原理示意图

2.1.4空气集热器

建筑在北侧屋顶的平台为空气集热器预留了空间，充分利用当地丰富的太阳能资源。空气集热器直接利用太阳能加热空气，既可为室内供暖，也可经过换热生产热水，避免了热水采暖的结冰、腐蚀、结垢、承压等问题。相比太阳能热水采暖，太阳能空气采暖更适用于青海地区。

2.2户型B

该方案采用细长的院落组织空间，使主要房间的光照最佳。多个住宅联排布置，形成了抵御恶劣环境的屏障。院落的单元组织形式，使客房既保证了私密性，又有联系，实现了功能合理分区，并使客厅和客房都获得了最佳朝向。户型B模型图如图5所示。

图5　户型B模型图

2.2.1建筑形体

户型B结构平面图如图6所示。该方案以青海地区传统庄窠为原型，采用大进深的两进院落布局，院落的设置避免了建筑前后遮挡，使得客厅和每个卧室都有充足的日照。多个户型采用联排的布置方式，减小了整个建筑的体形系数，降低了热量流失。

图6　户型B结构平面图(单位：mm)

2.2.2围护结构

该方案墙体采用复合保温钢筋焊接网架混凝土剪力墙(简称CL体系)，墙体构造如图7所示。CL体系属于整体现浇混凝土结构体系，整体性良好、稳定性高。浇筑时一种保温层包裹在承重结构内部，具有良好的热工性能。保温结构实现了与承重结构同寿命，增加了保温的使用年限，减少了后期维修量。

图7　CL体系墙体构造

2.2.3被动太阳能技术

如图8所示，南侧客厅外设阳光房为室内进行供暖；中部庭院上空全覆盖阳光房，一方面为庭院相邻的房间供暖，另一方面在夜间充当热缓冲层，减少室内热量散失。在阳光房立面设置了可开启外窗，顶部设置可收起的遮阳百叶。在夏季时打开阳光房外窗，并将百叶放下，防止热量聚集。

图8　阳光房的热量循环及夏季遮阳通风原理图

2.3户型C

2.3.1建筑形体与围护结构

该方案采用三合院的布局方式，客房与客厅围绕内庭院布置，布局紧凑，体形系数较小。此外，中庭形成良好的风环境，为冬日提供舒适的室外活动场所。该方案采用传统的砖混结构，并在外墙设置外保温系统，建造方法简便，易于推广。户型C模型图如图9所示。

图9　户型C模型图

2.3.2阳光房与直接受益窗

图10为户型C结构平面图。该方案除在庭院顶部设置玻璃顶形成阳光房中庭外，首层南向卧室外设置小庭院，也用作阳光房。3个阳光房白天为室内提供热量，并营造舒适的室外环境；夜间充当主要客房的热缓冲层，减少热损失。

图10　户型C结构平面图(单位：mm)

此外，主要房间采用了直接受益窗技术，通过计算适当加大外窗面积，采用热工性能良好的三玻中空玻璃，并设置保温窗帘。白天使室内接收更多的阳光，将热量存储在地板中，夜间地板存储的热量开始释放，作为常规采暖的辅助热源。由于保温窗帘与中空玻璃良好的热工性能，能够有效减小热量损失，降低采暖能耗。

2.4方案效果

3个方案的设计结合了青海地区的气候特征，从形体布局、建筑保温、太阳能技术3个层面进行了精细化设计(效果图如图11所示)，形成了具有浓厚地域特色的太阳能建筑，在青海地区的美丽乡村建设中起到了示范作用。

图11　兔尔干村整体效果图

3　技术总结

综合以上3个方案的设计经验，在高原地区推广太阳能建筑时，应从3个层面进行考虑：

1)建筑设计应有良好的建筑形体和平面布局。在青海地区宜优先采用院落的方式来组织空间，一方面能够最大量地引入阳光，增加得热；另一方面能够有效抵挡冬季寒风，降低热损失。

2)建筑围护结构应有热工性能良好的保温体系，减少建筑的热损失。对于贫困地区，可采用优化的生土结构，可就地取材，既能满足保温要求，未来拆除后也不会对环境造成破坏。也可选用CL体系、外墙外保温体系等保温技术。

3)在良好的建筑形体布局与良好的围护结构保温的前提下，优先采用阳光房技术、直接受益窗技术，这两种技术均属于被动式技术，成本较低，性能较好。当被动技术无法满足要求时，可采用太阳能空气采暖技术，由于青海地区采暖周期长，非采暖季的维护问题较少，太阳能空气采暖非常适合在青海地区推广。

2016-09-14

“阳光与美丽乡村”2015年台达杯国际太阳能建筑设计竞赛获奖作品示范（2015-NN-E04）

鲁永飞(1983—)，男，硕士，主要从事太阳能技术在建筑中应用方面的研究。luyf@cadg.cn