被动式太阳能住宅建筑设计策略

被动式太阳能住宅建筑设计策略
摘要：本文结合当前农村地区乡镇住宅建筑的特点，对现有的成熟的太阳能技术形式进行分析和优化选型，选择适宜乡镇住宅建筑的太阳能技术形式。

关键词：采暖;乡镇住宅;太阳能;气候设计
Abstract: combining with the current rural areas, in the villages of residential building characteristics it will analyze and optimize the existing mature solar technology form, and make the proper choice of township residential building solar technology form.
Keywords: heating; Rural residential; Solar energy; Climate design
1 前言
目前，在我国农村地区现存和新建的住宅中应用太阳能技术还不普遍，现状不容乐观，因此，太阳能住宅具有很大的发展潜力，应该以对旧有住宅进行太阳能技术改造和新建太阳能住宅相结合的方式来进行。

本文结合农村地区乡镇住宅建筑的特点，对现有的成熟的太阳能技术形式进行分析和优化选型，选择适宜乡镇住宅建筑的太阳能技术形式。

2太阳能住宅建筑的单体设计策略
2.1建筑的体形设计
外围护结构表面积S与建筑物体积V的比值(即体形系数)越小，通过表面损失的热量也越小，研究表明，体形系数增大0.01，耗热量指标增加约2.5%。

因此太阳能建筑的体形以正方形或接近正方形的矩形为宜，立面简单，避免凹凸。

对于独立住宅，三开间做成一层为宜，四开间以上做成二层为宜。

2.2建筑的平面设计
对于面积不大，房间不多的太阳房常采用平屋顶和坡屋顶。

对于面积大，房
间多的太阳房，若东西方向发展受到限制，可从平面组合和温度分区需要出发来
控制:太阳房内部布置应根据北冷南暖的温度分区来布置房间。

人长时间停留的
房间如卧室，客厅等尽量布置在南侧，过道、楼梯间和储藏空间等次要房间布置
在北面，以形成温度阻尼区。

为了保证主要房间达到较高的太阳能供暖率，房间的进深不宜过大。

根据经验一般不大于层高的1.5倍合适，即集热面积与房间面积之比不小于30%。

冬季，出入口开启时会有大量冷空气进入室内，势必会影响室内气温，因此在太阳房中出入口位置设计防风措施非常重要。

其措施有:设置门斗(设在南面时要注意对阳光的遮挡问题);出入口处设阳光间或者增设供冬季使用的辅助出入口等等。

2.3建筑的围护结构节能设计
建筑具有保温良好的外围护结构是建筑充分利用太阳能的前提条件，因此要对外墙、屋面、门窗以及集热构件进行保温设计。

要加强对门窗的保温处理，因为门窗的热损失占围护结构的热损失的20%一30%，是围护结构中节能的重要部位。

其措施主要有:加强节能型窗框和节能玻璃的普及应用，减小窗户的整体传热系数。

中空塑钢窗是目前采用较普遍的一种节能门窗，在农村地区可以推广使用;加强门窗的密闭性，减少冷风渗透，可以采用塑料薄膜等密封材料在冬季对门窗进行密封处理，这是在农村窗户传热系数比较大的情况下经常采用的一直方式，效果比较好。

在设计中，对于墙体，可采取降低北向房间层高和减少东、西、北外侧坡度大的斜屋顶的坡度的方法。

墙体材料方面，应采用传热系数小的材料，复合墙体的保温性能比单一材料的性能要好。

出于对建筑节能的需要，应该对单一材料的墙体进行保温处理。

保温层的厚度越大，墙体的传热系数越小，但是随着厚度的增加，其收效降低，所以保温层都有一个最佳厚度问题。

保温层的位置以外保温为佳，因为这样可以防止内部结露而且可以改善人体的舒适度，其次是将保温层置于围护结构中间为最佳。

避免内保温，因为这样容易引起内表面结露。

作为围护结构的屋面也要进行保温处理，在农村比较常用的坡屋顶是比较好的屋面形式。

同时要注意热桥对建筑的影响，因为当围护结构加强了保温后，大量的热量会从热桥部位散失。

越是保温性能好的围护结构，热桥越不容易忽视。

因为它不仅可以加大热损失而且易形成内部结露，所以应该特别重视。

3 三种被动式太阳能住宅建筑设计策略
被动式太阳房中的直接受益式，集热蓄热墙式，附加阳光间式这三种是农村地区常用的形式，在设计方面，它们都有其各自特点。

以下就对其设计策略进行分别分析。

3.1直接受益式设计策略
这种太阳房的南向窗是设计重点。

一般具有较大面积的南向玻璃窗，太阳辐射通过直射、漫射等方式进入室内，照在地面、墙体、天花板和家具表面，加热室内空气，提高室温。

直接受益式太阳能建筑的窗是除具有采光和通风功能外，还是获得太阳能的主要构件，处理好窗的配置、尺寸、构造、隔热、保温和遮阳是设计中的关键问题。

在一定条件下，增大南窗的面积可以在日照时获得较多的太阳辐射热。

但是由于窗的传热系数大于墙体的传热系数，所以增大南窗面积也意味着向外散失热量的增加，从而导致室温波动很大。

双层玻璃(热阻为0.37w/㎡·℃)虽然比单层玻璃(热阻为0.17w/㎡·℃)的保温性能好，但是其透过率比较小，一般来说，单层玻璃(3mm)的透过率为80%左右，双层玻璃的透过率为65%左右，这样就造成双层玻璃透过的太阳能辐射比单层玻璃小。

所以我们用窗效率来衡量保温和获得太阳辐射热的综合效果：
透过南窗净获得的太阳辐射量/照射到南窗的太阳总辐射量
双层玻璃的空气层厚度不要大于2cm，厚度要随室外气温的降低而降低，而且要注意窗框、窗扇、窗权对阳光的遮挡，要选用遮挡少的窗户形式，以免影响集热效率。

由于窗的散热量在房屋总散热量中占的比重比较大，对直接受益式的窗户也要进行保温处理。

保温帘由于使用方便、造价低、与窗之间密闭比较好，是目前用于太阳房比较理想的。

由于直接受益式太阳能建筑的蓄热材料是与房间结合在一起的，蓄热材料中储存的热量决定着全天室内温度的变化。

冬季，65%的热量是在夜间损失的，35%的热量是在白天损失的，所以如果在晴天接受到足够的太阳辐射使房间采暖24小时，那么就必须储存65%的热量供夜间使用。

地面的常规处理做法是:夯实素土后，增铺一层油毡纸(或塑料薄膜)，进行隔潮处理，然后再铺设150mm厚的炉渣和一层砖，起蓄热保温作用。

然后按常规处理地面。

水泥地面最好是深颜色。

砖石墙内表面可以采用任何颜色，因为浅色砖石墙反射的太阳辐射最终会被室内其它表面吸收。

在需要考虑夏季防热的地区，为避免夏季进入过多的太阳辐射，需要在南向窗上设置水平这样装置。

其挑出的长度，应符合冬季入射光能射入室内，夏季能够挡住全部直射光。

此外遮阳办法还有百叶窗帘、挂竹帘、帆布蓬等，用时放下，不用时收起。

3.2集热蓄热墙式设计策略
在设计时，要合理确定集热墙的材质、面积、厚度、表面吸收率和发射率、循环通气孔的尺寸以及窗玻璃的选择。

集热墙的面积取决于当地的气候条件、纬度、建筑物的保温情况，还和阳光
是否被遮挡、房屋夜间是否有保温以及经济造价等因素有关。

由于集热蓄热墙表
面需要涂黑，遮挡自然光等缺点，所以一般是直接受益式和集热蓄热墙式混合使
用，这样不仅减少了集热墙的面积，还同时发挥两者的优点。

集热墙的外表面涂料及其颜色决定太阳能吸收率的大小。

黑色吸收率最高，为95%，但由于黑色影响建筑的立面效果，所以可选用墨绿、军绿、橄榄绿、棕红、深红等。

集热蓄热墙式有开孔和无孔两种。

不设通风口的太阳房，主要考热传导采暖，热舒适性好，但热效率不如有孔式高。

设置通风口可以进行空气对流，提高系统性能，一般上下通风口面积，住宅取集热墙面积的1%。

设置上下通风口的太阳房要注意防止夜间气流倒流，一般采用木口，利用塑料薄膜或薄纸，达到自然开启和关闭。

集热蓄热墙式太阳能建筑应注意冬季保温和夏季隔热，可采用保温帘或保温板。

冬季，白天打开接受太阳辐射，夜间关闭防止热量散失。

夏季，盖上保温板，减少太阳辐射，同时开通集热蓄热玻璃窗上的通气孔排除热量，实现降温目的。

3.3附加阳光间式设计策略
这种形式的太阳房造价高于前两种形式，而且需要同时给附加阳光间和气候邻接的房间进行“串联式太阳能采暖”，增加了复杂性。

一个较好的阳光间，在晴朗的冬天收集到的太阳能，应超过自身采暖需要的能量，有的多近一到二倍，这些多余的能量就会通过直接传递、热传导、开门窗或经通气孔对流方式进入邻接房间。

阳光间进深不宜过大，宽度一般取0.6~1.Om，这样热效率和造价比较合适。

阳光间夏季采暖过程的工作原理如（a）-（b）；又可在夜间作为缓冲区，减少房间热损失。

冬季采暖过程的工作原理如图（C）-（d）：
公共墙起到集热蓄热作用，一般采用厚重材料。

外表面涂成深颜色，墙外不应有物体挡光，墙上开设门窗，在阳光好的白天打开门窗，使热量直接进入室内，夜间关闭门窗保温。

4 结语
总之，被动设计优先的太阳能建筑设计理念己经在世界范围内成为了共识，被动式太阳能技术己经成熟，在中国农村地区推广被动式太阳能住宅不存在技术上的问题。

但技术上的成功，并不代表其应用上成功。

诸如浙江地区乡镇住宅有其特殊性，所以需要一种新的设计策略来指导乡镇住宅的太阳能设计和建设。

参考文献：
[1] 华牧圣.建筑设计节能和节能文件编制问题的探讨[J]. 建材与装饰(中旬刊). 2008(01)
[2]李凌云.被动式太阳能住宅初探[J]. 中国住宅设施. 2003(09)
[3]高辉,何泉.太阳能利用与建筑的一体化设计[J]. 华中建筑. 2004(01)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。