被动式太阳能建筑设计探讨

第33卷　第5期2007年10月四川建筑科学研究Sichuan Building Science

收稿日期:2006203227

作者简介:蔡余萍(1980-),女,四川广汉人,硕士研究生,研究方向:建筑技术科学。

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被动式太阳能建筑设计探讨

蔡余萍1

,杨祖贵

2

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳　621010;2.四川大学建筑与环境学院,四川成都　610065)

摘　要:根据被动式太阳能建筑的原理,提出其设计内容和方向,包括总体设计、构造优化和材料选择等方面。关键词:被动式太阳能建筑;节能;采暖;构造设计

中图分类号:T U201.5 文献标识码:B 文章编号:1008-1933(2007)05-0189-03

0　前　言

21世纪,节能和可持续发展是建筑设计的重要

趋势。我国是常规能源缺乏国家,据统计,煤炭、石油、天然气的储量分别为世界平均水平的50%,11%,4.5%。在未来几十年里,会出现能源枯竭,形势刻不容缓。然而,我国的太阳能资源却十分丰富。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3×103～8.4×106kJ /(m 2・a )之间,相当于2.4×104亿t 标准煤。

全球能源调查报告显示,每年的建筑能耗约占总能耗的30%～40%。采取合理的结构设计和利用新技术、新设备来优化建筑设计,是未来建筑节能最主要的两种手段。太阳能建筑是利用太阳光来照明、取暖和制冷,以尽可能地减少常规能源的消耗为目的。太阳能建筑一般分为主动式和被动式两种,主动式太阳能建筑依靠集热器获取太阳能,再通过一定的设备产生热量或冷量,被动式太阳能建筑则属于建筑设计的优化。

1　被动式太阳能建筑的原理

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地采集、储存和分配太阳能,使建筑物具有温暖、明亮的环境。被动式太阳能建筑与一般建筑没有绝对界限,只是利用太阳能的多少,节约效益存在高低而已。

被动式太阳能建筑的应用可归纳为得热、贮热、散热三个过程。得热就是收集太阳辐射热,一般建

筑设计中,从南窗获得的太阳热约占采暖负荷的10%,合理的朝向、间距、平面布置、开窗大小、房间

进深等,都有利于收集到更多太阳辐射热。所得热量一部分用于直接取暖,一部分存储起来通过对流、辐射传送到不能直接得热的地方和用于夜间取暖。贮热是太阳能建筑设计的关键,贮热体越多越好,且应分布合理和能受到阳光直射。散热要注意方向性,避免热量流向室外。

2　被动式太阳能建筑设计应考虑的

因素

2.1　选址、环境和间距

太阳能建筑宜修建在太阳能资源丰富的地区,场地南面不应有山坡或浓密的树木遮挡,宜种植落叶植物,冬季才不会阻挡阳光,夏季又能遮阳隔热。山地建筑应尽量选择建在向阳的坡地上,坡度应有利于接收太阳光,可以通过挖填土适当调整。

根据各地太阳高度角不同和建筑高度的差异,建筑间应有一个最小距离,一般不小于1.1H (H 为相邻南向建筑的高度)。冬季采暖期间,从上午9时至下午3时,其他建筑物对太阳能建筑南面的遮挡不能超过15%。

冬季太阳高度角小,南向垂直表面接受太阳辐射的时间最长,所以,南向为太阳能建筑的最佳朝向。为了获得更多的热量,白天使用较多的房间,如教室、办公室,可以朝南偏东,而夜间使用的房间,如卧室,可以朝南偏西,偏角不超过±15°。2.2　外部形体和内部空间

建筑体型系数:S =F /V 式中　V ———建筑体积;

　F ———建筑在地面以上的表面积总和。体型系数越大,对建筑节能越不利。一般要求

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条式居住建筑的体型系数不超过0.35,点式居住建

筑不超过0.4。体积不变,建筑外表面积越大,接受的太阳辐射热越多,但是建筑内部的热量也越容易散失。设计时宜找到一个平衡点,控制体型系数在一个适当的范围内,并且尽可能增加南向面积,减少北、西、东3个方向的面积。以高度均为50m ,平面

面积均为200m 2

的5种平面形式的建筑采暖节能效果进行了比较表明(表1),南墙应避免不必要的凹凸,以免建筑自身阴影给采暖带来不利影响。

表1　

不同平面形式的建筑采暖节能比较

平面布局上宜将主要用房布置在建筑南面,而

将辅助用房卫生间、厨房等布置在靠北的一侧。晚上活动较多的北向房间与南向房间之间宜采用贮热性能好的重质材料(空心砖、混凝土等)作隔墙,且白天阳光能照射到,夜间贮热墙散热即可提高室温。2.3　建筑构造

场地条件、建筑的形体和平面组织还受到很多其他因素的限制,不能仅仅从太阳能的采集利用来考虑。比较而言,被动式太阳能建筑的构造设计在此领域中具有更为广阔的前景,好的构造设计不仅能丰富建筑外观,还能赋予建筑时代感和独特性。(1)直接受益式。直接受益式太阳能建筑与普通建筑差别最小,主要通过南窗和透明屋面来实现采暖。向阳窗面积越大,得热越多,而尽量少开不吸纳热量的窗,以削弱能量损失。一般来说,南窗在采取了保温隔热措施后,窗墙面积比可达到0.4。日照深度通常为窗户高度的2.5倍,据此控制房间的进深,同时调整开窗高度。对于大跨度建筑,内部空

间很难自然采光时,可以通过安装导光板、散射板等

将太阳光引入室内。透明屋面采光、采暖比垂直的窗户要好得多,但是,在夏季容易引起室温过高,可以改用中空玻璃和遮阳型玻璃,以及通过适当增加建筑层高和促进通风来改善。从屋面形式看,坡屋面接受太阳辐射的时间和面积均多于平屋面,穹顶屋面为最佳。

(2)附加阳光间式。阳光间如同南向的温室,它本身是直接受益式,通过空气对流将热量传送到建筑主体。附加阳光间的形式可归纳为3种:①在建筑整个南面上增加透明玻璃围合的大空间;②建筑的中庭设置透明玻璃屋面;③借建筑南面的窗户或阳台形成一个个小的透明封闭空间(图1)。当室内温度低时,建筑主体与阳光间之间公共墙上的门窗可打开传热,公共墙上的开孔率通常为25%～50%。同时,阳光间又可以充当缓冲区,减少建筑主体内部热损失。阳光间的玻璃面应该尽可能开启,夜间能够全面通风,白天则通过北向的门窗释放废热、废气。中庭玻璃屋面顶设置“文丘里”帽,在不适宜的气压下也可顺利散热排废,在采暖的同时提高室内空气质量

。

图1　3种附加阳光间形式

(3)蓄热集热墙式。集热墙是对普通外墙构造

的改良,墙体能更好地收集和储存太阳能。集热墙

种类较多,实体式集热墙是直接在南向实墙外表涂上黑漆,再覆盖一玻璃外罩。它利用外墙蓄热,墙体内表面对室内辐射热,这样不容易控制室温。对流环路式集热墙做法从外往里通常为:玻璃层—空气间层—集热层—加厚的重质墙体(或隔热层—普通墙体)。将玻璃和空气层设为2层,集热效果会更好,空气间层的厚度一般为30～40mm 。对流环路式集热墙的工作原理(图2)是:冬季或室温较低时,可以打开集热墙上的冬季用风口,利用太阳辐射循环加热室内冷空气来升高温度;夏季或室温较高时,利用“烟囱”效应可将室内热空气通过玻璃上的夏季用风口抽出。根据空气流动的“附壁效应”,风口位置紧贴顶棚和地面设置较好。可按需要开关风

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