1、低能耗太陽能采暖小住宅建筑設計研究當前，能源問題已經(jīng)成為制約世界各國發(fā)展的主要因素之一。我國是能源消費大國，建筑能耗約占全國總用能的1/4，居耗能首位。隨著我國住宅建設量的不斷增加，能源與環(huán)境問題日漸突出。一方面我國人均能源擁有量較低，另一方面以煤炭為主的不合理的能源結構以及建筑的高能耗所帶來的環(huán)境破壞為可持續(xù)發(fā)展帶來巨大壓力。 我國的建筑能耗中，北方寒冷地區(qū)的采暖能耗占了相當大的比例。因此，建筑節(jié)能降耗以及可再生能源的利用引起人們的廣泛重視。 太陽能作為一種可再生的清潔能源，近年來在建筑中的利用受到關注。我國屬于太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時，輻
2、射總量高于5000MJ/m2a。北方采暖地區(qū)，大多數(shù)城鄉(xiāng)處于太陽能資源豐富區(qū)，為太陽能建筑提供了可能。小住宅建筑屋頂面積、南向墻面積與室內使用面積比值較大。結合恰當?shù)慕ㄖw形設計和外圍護結構性能設計，經(jīng)測算，在太陽能資源豐富地區(qū)的晴好天氣下，可以建造出完全依靠太陽能滿足采暖和生活用熱水的低能耗建筑甚至零能耗建筑。一、太陽能低能耗小住宅建筑設計實現(xiàn)低能耗建筑的設計途徑主要包括兩個方面，即能源的開源與節(jié)流。開源是指開發(fā)利用可再生新能源，節(jié)流是指提高供暖、空調系統(tǒng)效率和提高建筑外圍護結構性能，減少建筑熱損失。太陽能建筑同時具備上述兩個特點：首先太陽能屬對環(huán)境無污染的可再生能源；其次由于太陽能的低密度
3、也要求建筑有著較高品質的圍護性能和恰當?shù)捏w形、朝向和空間布局。1.太陽能建筑的朝向和間距 太陽能建筑的朝向選擇首先要在節(jié)約用地的前提下滿足冬季有較多的日照，夏季避免過多的日曬和有利于自然通風降溫、照明的要求。有矛盾時，應視當?shù)氐臍夂驐l件而定，當冬季供暖是首先考慮的問題時，朝向的確定應使房屋在冬季接受較多的陽光照射和較少的冷風吹襲；而以夏季降溫為主時則相反。房屋接受日照的條件包括日照時間和日照量兩個方面。研究表明，冬季太陽能輻射熱在9時15時是全天輻射熱的90%左右，太陽能建筑的屋頂面和南向墻面接受了絕大部分可能接受到的太陽能輻射量，應保證充足的陽光照射，建議建筑主面朝向為南向正負30度范圍。建
4、筑之間的日照間距應保證冬至日建筑的陽光集熱構件不被陰影遮擋。2.太陽能建筑的平面布置（1）按溫度分區(qū)考慮太陽能屬一種低密度能源，結合建筑各空間的不同使用功能，在對建筑熱環(huán)境的設計當中，提出了“溫度分區(qū)法”的概念，即將起居室、臥室等熱舒適指標要求較高的空間布置在南面或東南面，而將廚房、衛(wèi)生間、存儲空間、交通空間等相對溫度要求較低空間布置在北側，且適當減少北向開窗面積，這些空間也作為主要空間的溫度阻尼區(qū)。通過實際工程證明“溫度分區(qū)法”的概念是科學有效的。 （2）入口設計建筑入口，特別是北向入口是冬季冷風滲入、熱量損失較多的熱工薄弱環(huán)節(jié)。因此，設計太陽能采暖建筑時應重視入口處防風與密閉處理，盡量減少
5、其造成的熱損失。建議在建筑物人口處加設門斗，北入口將門斗的入口方向轉折90度轉為東向，以避開冬季寒風侵人方向，避免冷風直接侵入，同時要加強密封，還應注意必須保證其有足夠的寬度，使人們在進入外門之后，有足夠的空間先關閉外門，然后再開啟內門。3.太陽能建筑的體型以獲得更多的太陽能、熱損失更少為基本原則。從降低能耗角度：一定建筑平面積要盡可能減小外墻長度；從收集太陽能角度：應使南向墻面、受光屋頂面與建筑其他外面之比盡可能大，盡可能避免和減少由于南向墻面、屋頂體型變化帶來的陰影。在多見的矩形平面中，一般長軸朝向東西的長方體型最好，正方形次之，長軸朝向南北的長方體型最差，坡屋頂好于平屋頂。4.太陽能建筑
6、的外圍護性能、材料與構造按照我國目前有關節(jié)能規(guī)定，目前已進入“三步節(jié)能”階段，對住宅外圍護結構的性能已做出了明確規(guī)定，設計太陽能建筑時必須遵守，并且提出更高要求。太陽能建筑對圍護結構材料和構造要求，包括外墻與屋面的保溫方式、材料選擇、構造做法要滿足熱工性能指標及保證良好的保溫、蓄熱性能。外門窗是建筑散熱的薄弱環(huán)節(jié)，一些建筑外門窗的耗熱量與空氣滲透耗熱量之和約占建筑總耗熱量的50以上。因此，應加強門窗節(jié)能綜合研究，使朝陽窗戶盡可能成為得熱構件。在嚴寒和寒冷地區(qū)的太陽能建筑，地面也應增加保溫措施，以提高太陽能利用效率。二、太陽能采暖系統(tǒng)構成太陽能住宅建筑的采暖和生活熱水依托的是太陽能熱水系統(tǒng)，其組
7、成部分包括：太陽能集熱器、儲熱器（蓄熱器）、散熱器、補充熱源、控制和管路系統(tǒng)。1.太陽能集熱器集熱器是吸收太陽輻射并向載熱工質傳遞熱量的裝置，它是熱水器的關鍵部件。目前，國內的太陽能集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器。我國已成為世界上最大的熱水器生產(chǎn)和應用國家。2.儲熱器（蓄熱器）儲熱裝置是儲存熱水并減少向周圍散熱的裝置，一定的熱水蓄熱量主要滿足夜間供熱，使室內溫度不致過大波動。儲熱裝置的容量需熱工計算確定。儲熱器的儲熱效果不僅取決于保溫材料性能的好壞，還與裝置的結構和固定連接方式有關。3.散熱器低溫熱水地板輻射采暖由于太陽能屬低密度熱能源，散熱器選擇的最佳形式當屬低溫熱水地板輻射采暖。低溫
8、熱水地板輻射采暖是在樓地層內設置加熱埋管形成的輻射采暖系統(tǒng)，使用不高于60的熱水流經(jīng)埋入地板的盤管，所釋放的熱量使混凝土加熱。從地表面散出輻射熱并均勻地將熱量傳到室內，由于采用輻射采暖方式，室內溫度均勻，梯度合理，室內溫度由下而上逐漸遞增，地面溫度高于呼吸線溫度，給人以腳暖頭涼的良好感覺，促進新陳代謝，達到一定的保健作用。由于地面層及混凝土層蓄熱量大，室內溫度的熱穩(wěn)定性也非常理想。在地板輻射采暖中，實測證明，在人體舒適范圍內，實感溫度比室內環(huán)境溫度高23。在保持同樣舒適感的前提下，地板輻射采暖時的室內設計溫度，可以比對流采暖降低23，房間熱負荷相對減少，可以節(jié)省供熱能耗20左右。4.補充熱源為
9、了保證室內溫度的連續(xù)穩(wěn)定，當由于氣象等因素集熱器供溫不足時，則應啟動補充熱源。依據(jù)環(huán)境等條件不同，補充熱源可選擇電、燃氣、燃油、煤等。5.控制和管路系統(tǒng)該系統(tǒng)是強制雙循環(huán)管路，外循環(huán)回路是集熱器與儲熱器之間熱交換，內循環(huán)回路是儲熱器和散熱器之間熱交換。依循環(huán)工質不同選擇不同管路，并進行保溫處理，控制系統(tǒng)用來保證整個供熱系統(tǒng)的智能化工作并通過儀表顯示。 三、太陽能建筑一體化設計太陽能建筑一體化設計，是指太陽能建筑中太陽能系統(tǒng)構件的各個組成部分與建筑設計的有機結合。當前，我國太陽能光熱產(chǎn)品已達到世界產(chǎn)量第一，而太陽能熱水采暖的太陽能建筑并不多見，其主要原因之一就是一體化設計問題沒有解決好。就建筑外
10、形而言，一體化設計主要是分體式太陽熱水器的集熱器與建筑的有機結合。按照接受太陽能最大的原則，建議小住宅建筑采用坡屋頂設計。集熱器的安裝位置主要包括屋頂、遮陽板、檐口、陽臺欄板和近地面等（如圖2）。當然也可以結合立面設計安裝在南側墻面或陽臺欄板面形成的垂直集熱器，充分收集更多的太陽能。四、結語針對我國北方采暖地區(qū)的小住宅建筑，利用分體式太陽能熱水系統(tǒng)，結合低溫熱水地板輻射供暖技術，在充分考慮分體式太陽能集熱器與建筑一體化設計和建筑節(jié)能設計的基礎上，可以創(chuàng)作出低能耗的太陽能建筑。小住宅建筑由于可安裝集熱器的屋頂面積與建筑供暖面積比值較大，結合恰當?shù)慕ㄖO計手段（包括被動太陽能技術）和光伏電池技術，完全可以進行零能耗建筑的
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