夏热冬冷地区农宅被动式太阳能设计探讨

鲜卓麟

【摘要】本文以湖北黄石地区某设计竞赛项目为例，针对夏热冬冷地区的气候条件和农村住宅现状，根据建筑节能的基本原理， 提出满足居住环境热湿质量条件的被动式太阳能技术。意图展示先进适用的住宅设计理念和建筑技术，传播中部地区住宅文化，从而提高生产效率和农村住房质量。

【关键词】夏热冬冷地区；农宅；被动式太阳能；节能

一、研究背景

长江流域属于夏热冬冷地区，由于夏季太阳辐射强烈，阳光直射到室内将严重影响建筑室内热环境。城市住宅夏季需要降温，而冬季需要采暖，由于空调设备的普及，能源消耗增大和城市热环境恶化等后果也一一凸显。夏热冬冷地区建筑太阳能被动式设计对于建筑节能减排和优化人居环境等方面有重大意义，但涉及问题太多，要想面面俱到且深入透彻恐非本篇论文能够实现。本文以湖北黄石地区某设计竞赛为案例，针对该地区的气候条件和住宅现状，对其进行地域性的被动式太阳能设计，意图提出满足居住环境热湿质量条件的建筑方式。

二、场地概况

黄石市地跨北纬29°30′～30°15′，东经114°31′～115°30′，位于中国湖北省东南部，长江中游南岸，是武汉经济圈内重要城市。本项目位于黄石西塞山区中国住谷核心区内，紧邻太白湖，占地面积约13.3公顷。本项目将在住宅公园中择地建设，承担农村住房展示、体验、推广等功能。目前，黄石地区电力资源充沛，钢材、水泥、石膏、沙、石等材料资源丰富，可以建造钢结构、钢混结构、砌块等形式农村住房。住宅公园给水、电市政管网均齐全，无集中燃气管网，无集中排水管网。

三、项目简介

本项目为典型单体居住建筑设计，每户占地面积150平方米，农村住房为二层，以当地农村住房为原型，每户均有自家小院，建筑面积200～250平方米，户型设计以满足日常生活使用为基础，农村住房外观色彩整体协调，与当地环境、特色建筑相呼应，体现本地区地域特征。

本项目试图利用当地太阳能资源较丰富的特点，结合建筑设计及夏热冬冷地区气候特点，分析农村住房使用能耗及应用特点，因地制宜地应用太阳能系统，探索与被动式太阳能系统结合的农村住房建造方式，重点表达技术、产品与建筑结合的设计方法与建造方式。结合建筑方案的特点，通过对太阳能在建筑中的被动利用技术的合理选择和应用，着重解决建筑冬季采暖、夏季降温和空气潮湿等问题。

四、关键问题

在中国5个建筑热工设计分区中，夏热冬冷地区是唯一对采暖与空调均有较长时间要求的地区。随着人们经济条件迅速改善，对生活质量的要求越来越高，伴随着空调与暖气进入家庭，能耗问题、污染问题、城市热岛问题迅速加剧。

由于历史的原因，夏热冬冷地区基本上没有集中供暖系统，建筑围护结构的保温隔热性能均不佳，围护结构中透明部分（窗、玻璃幕墙、玻璃采光顶等）的问题尤其严重。目前家家户户采用独立的双制式空调，这种采暖、制冷模式极为浪费能源。

此外夏热冬冷地区的另一大气候特点就是空气潮湿，以至于夏季闷热而冬季湿冷。

因此如何处理夏季减少太阳辐射与冬季对太阳能需求这一矛盾，如何平衡保温隔热与通风除湿之间的关系，成为设计的两大关键问题。

五、方案介绍

（一）综合介绍

本文的基本目标是兼顾冬夏的可能性，在比较的基础上寻找适合夏热冬冷地区气候特点的被动式太阳能装置。基于对夏热冬冷地区气候的理解，本文认为，解决该问题的核心是设计应该具有动态调节的可能性。

如图1所示，本方案在不同的部位采取了包括种植屋面、采光通风天井、阳光间、隔热窗、底层架空、特朗勃墙等一揽子被动式太阳能设计技术，其中最核心的两大部分为天井系统和阳光间系统。而它们的最终模型也集中体现了可变式的设计理念。

（二）阳光间系统

在夏季的能耗损失中，太阳辐射是其主要因素。因此，采取适当的遮阳措施，防止直射阳光的不利影响，将会大大降低建筑能耗。由于夏季阳光直射是造成室内得热的主要途径，除墙体外保温和门窗节能之外，建筑外门窗遮阳也成为建筑节能的重要手段之一 。

如图2所示，阳光间系统由导风窗、Low-E玻璃、蓄热楼板、导风板、通风屋顶等部分组成。其工作原理如下：夏季白天导风窗开启，空气经由水池降温，从导风窗进入阳光间。同时顶部导风板开启，玻璃窗关闭，整个阳光间形成烟囱效应，将冷空气由底部拔到顶部并排出，通过此过程带走热量；夏季夜晚，再将玻璃窗打开，以达到通风降温的目的。冬季白天，底部导风窗、顶部导风板以及玻璃窗全部关闭，利用阳光间的温室效应通过蓄热楼板存储热量，并把热量传到室内。并且，在冬天夜晚，通过白天用蓄热墙体存储的热量为室内传热。

（三）天井系统

如图4所示，方案中设计了一个室内小天井系统，其顶部为玻璃板和可开闭式的遮阳百叶双层屋顶，并在下方增加了一个可开启的高侧窗。其工作原理如下：在夏季，百叶关闭以阻挡过多的太阳辐射，同时高侧窗开启，形成烟囱拔风效应，以带走室内热量，并降低湿度；在冬季，高侧窗关闭，避免热量外流，减少室内热损失，并且白天将遮阳百叶开启，增加太阳辐射，夜晚将百叶关闭，锁住室内热量。

（四）其他被动式设计

遮阳设计

遮阳采用固定式遮阳，其出挑长度经过计算，采用秋分日的太阳高度角为基准，以使尽量避免夏季太阳直射，同时又不影响冬天的阳光。

通风屋顶

屋顶设计为通风屋顶，在檐口下方做成通风花格，以增强室内通风效果。

植物的利用

方案增加了對植物的灵活运用。如图5所示，在一层卧室南向设计了一个植物网架，夏季可做遮阳，而冬季植物枯萎，可以使房间享受太阳照射。另外，利用同样的原理，在西晒墙外部做了一个植物防晒金属架。

总结：

本文认为，利用被动式太阳能设计可以改善室内微气候环境，从而真正达到节能减排的目的。综合考虑夏热冬冷地区的气候特点、材料的生态特性及耐候性、构件的成本及中国的国情，本文设计了一系列被动式太阳能技术以适合夏热冬冷地区复杂的太阳能利用需求。这些“可调节附加构件”在解决建筑之舒适性及能耗问题的同时，也将对建筑的立面产生重要影响，从类型学角度看，这也是一个值得建筑师探讨的领域。本文虽以农村住宅为研究对象，但其部分原理同样适用于的公共建筑。

注：本文所有图片均来源于作者自制。

参考文献：

[1]李保峰.适应夏热冬冷地区气候的建筑表皮之可变化设计策略研究.清华大学，2004（4）.

[2]崔新民.外遮阳系统在夏热冬冷地区住宅建筑中的应用.节能技术，2006（8）.

[3]周铁军.长江流域城市住宅建筑遮阳问题分析.绿色建筑实践，2010（2）.

[4]余小平.浅析夏热冬冷地区低能耗住宅技术路线.重庆大学学报，2008（3）.