被动式太阳能技术在建筑中的应用探讨

2019-06-13杨茜雷言清沈阳联保中心第四代建办公室辽宁沈阳110000

中国房地产业 2019年11期

文/杨茜、雷言清沈阳联保中心第四代建办公室辽宁沈阳 110000

1、引言

太阳能是已知最便宜、最廉价、最广泛最原始的能源，它洁净、丰富而且公平地分散在全世界各地，世界上任何地区都可以自由地开发利用太阳能。我国幅员辽阔，大部分地区太阳能资源丰富，按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区(图1)。充分利用太阳能，合理地利用太阳能资源，可以减低建筑对能源的消耗，减少环境污染、保护生态环境，同时也可以提高人们的住用、办公条件。

图1 太阳能资源在全国的分布图

2、被动式太阳能建筑概念及意义

被动式太阳能建筑主要通过建筑物的布置，内外造型、构造及材料选择有效的采集、储存和分配太阳能，使建筑物具有温暖明亮的环境。较之主动式太阳能建筑，被动式太阳能建筑基本不用采取特别的设施设备就能达到节约能源，改善住用环境的目的，因而其更具有生态效益、经济效益，同时技术上也更加便于推广应用，特别适合于太阳能丰富的地区。

3、被动式太阳能在建筑中应用的设计研究

从大的方面，建筑可以分为临时性建筑和永久性建筑两类，对于被动式太阳能的利用来说，不同的建筑类别要有与之相适应的策略，故以下针对暂时性建筑和永久性建筑两类进行探讨。

3.1 暂时性建筑被动式太阳能的利用

暂时性建筑使用年限相对不长，故对其投资不应过大，避免造成资源的闲置与浪费。所以，在暂时性的建筑设计中，应首先考虑采用直接受益式的被动式太阳能的形式，利用南窗直接接受太阳能辐射供热。这种类型是被动式太阳能采暖方式中最简单的一种，特点是让阳光直接加热采暖房间，把房间本身当成一个包括有太阳能集热器、蓄热器和分配器的集合体，这类太阳房供热效率较高，缺点是晚上降温快，室内温度波动较大。

首先，确定朝向与日照间距，为了合理而充分地利用太阳热资源，在采暖季节里，需要建筑尽可能多地接受到太阳辐射，而在夏季，为避免室内过热，又应尽量减少太阳光直射室内。其次，需要确定房间的温度分区，将主要功能空间设置在南面或东南面，把热环境要求不高或使用不频繁的房间布置在较难获得太阳能的位置，并且适当减少开窗面积。同时，要确定南向房间的进深，为提高太阳能供暖效率，房间进深不宜过大，通常小于层高的1.5倍为宜，这样可以保证房间正面接受太阳能面积与房间面积之比大于30%，以保证太阳能供暖效率。另外，要根据气候条件精心设计窗地比及玻璃的层数，太阳房南向的窗户既是得热的主要构件，又是热损失较大的部位，在太阳能透过玻璃进入室内的同时，窗户也会向室外散发热量，要根据气候条件区别对待。最后，可以设置临时性阳光间，其构造做法简单，在建筑南向墙外面，先用木枋搭建简易的框架，在其上覆盖塑料布，侧面留门，这样，冬季不仅可以减少冷风渗透，在室内外形成一个温度的过渡空间，还可以利用太阳能产生的温室效应，提高室内温度，在夏季来临的时候，可以将塑料布去掉，不影响夏季通风。

综上所述，对于暂时性建筑被动式太阳能的设计主要采用直接受益的方式，首先保证建筑充足的光照，然后根据建筑功能对温度的需求进行分区，进而确定房间进深和窗户尺寸、层数，如果需要可以搭建临时性的阳光间。

3.2 永久性建筑被动式太阳能的利用

永久性建筑的被动式太阳能利用，对朝向、间距、窗户等的设计要点与暂时性营房相同，在此不再重复。在此重点探讨适合永久建筑被动式太阳能的技术手段。

3.2.1 集热墙体的利用

首先，确定集热墙通风口及空气夹层尺寸。集热蓄热墙是否设置通风口，对其集热效率有很大的影响，设置了通风口的集热效率比无通风口时高得多。对于寒冷地区，采用有风口的集热蓄热墙，其集热效率高，补热量少，可更多地节能。根据空气流动的附壁效应，风口的位置应紧贴天棚和地面设置。为防止夜间热空气倒流，可在上下风口处装上活动塑料薄膜，当空气倒流时，可自动关闭。

其次，确定集热蓄热墙墙体材料及厚度。集热蓄热墙的材料应具有较大的体积热容量及导热系数。由于材料的比热容差别不大，因此材料的体积热容量就与材料的密度有关。密度大的重型材料，其体积热容量也愈大，这样墙体就应采用重型导热大的材料。建筑上常用的砖墙、砼墙、土坯墙等都适宜做集热蓄热墙。其厚度推荐采用以下值：砖墙：240mm-370mm；砼墙：300mm-400mm；土坯墙：200mm-300mm。

再者，根据建筑所处区域气候特征，选集热墙玻璃罩盖层数与墙体外表涂层。温暖地区可采用单层，较寒冷地区则采用双层。墙体外表面涂层应采用对太阳辐射吸收系数高的深色无光涂层。黑色表面吸收率为95% ，深蓝色为85%，墨绿色脂肪漆的吸收率为93%。

3.2.2 阳光间及对流环路集热的利用

阳光间是一种有效的被动式太阳能利用方式，得到广泛的应用。单纯作为集热部件的阳光间进深不宜大于0.6m，兼作使用空间时可按需要加大，但不宜超过1.4m。阳光间和相邻房间之间公共墙上的门窗开孔率不宜小于公共墙总面积的12%，通常的开孔率是25%-50%。阳光间透光面倾角以90o为最佳，透光面积采取建筑结构允许条件下的最大值。

对流环路式被动太阳能建筑是在南向外墙面上加一层金属板(铁皮、铝皮)和保温材料，金属板表面涂成黑色或其他深色，作为吸热体吸收太阳辐射热，金属板做成平板型或折板型以增加吸收面积。金属板外覆盖玻璃罩盖，墙上、下侧开有通风孔。被加热后的夹层空气与房间空气之间的对流(经上下风口)把热量传给房间，达到采暖的目的。由于金属板吸热后升温快，夹层空气相应也很快升温，而且夹层空气温度高于集热蓄热墙式的夹层空气温度。所以对于在早上需要尽快提高房间温度的场合，如办公楼比较适用。

3.2.3 屋顶池室太阳房的利用

屋顶池式太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能，适合冬季不属寒冷，而夏季较热的地区。用装满水的密封塑料袋作为储热体，置于屋顶顶棚之上，其上设置可水平推拉开闭的保温盖板。冬季白天晴天时，将保温板敞开，让水袋充分吸收太阳辐射热，水袋所储热量，通过辐射和对流传至下面房间。夜间则关闭保温板，阻止向外的热损失。夏季保温盖板启闭情况则与冬季相反。保温盖板还可根据房间温度、水袋内水温和太阳辐照度，进行自动调节启闭（图2）。