北方寒冷地區居住區太陽能資源利用

林 敏

1 北方寒冷地區居住區太陽能資源

1.1 北方寒冷地區日照時數

對于我國北方的大部分地區，從光氣候分區圖上可以看到，整個華北和西北都處于Ⅱ和Ⅲ氣候區，日照資源充足，雖然近年因為全球變暖，氣候有所變化，但從近幾年我國主要城市日照時數統計情況來看(見表1)，各城市的日照情況基本上還與光氣候分區相符，北緯35°以北的大部分城市，冬季晴天天數在半數以上，日照資源比較充足。在這些地區進行充分合理的日照設計，在節約使用土地的前提下，充分利用太陽能，為建筑提供舒適的溫度環境，并有效降低建筑能耗，其意義就顯得尤其重大。表1中列出了我國部分城市在1999年～2003年之間11月～3月份總日照時數的統計[1]。

1.2 北方寒冷地區住宅小區日照資源

由于城市用地緊張，在進行居住區規劃時，均執行GB 50180-93城市居住區規劃設計規范[2]中住宅日照標準，見表2。北方寒冷地區主要集中在Ⅱ和Ⅲ氣候區，大寒日日照時數達到2 h或3 h，舊區改造可為 1 h，即可滿足規范要求，因此，設計人員普遍認為城市的太陽能資源匱乏，無法充分利用，為此，本文特以石家莊某小區為例，對整個小區的日照資源進行分析。

表1 部分城市1999年～2003年之間11月～3月份總日照時數統計 h

表2 住宅建筑日照標準

1.2.1 對某一日照最不利的住宅樓進行分析

利用日照分析軟件，對某棟日照最不利的住宅樓進行逐層日照時間分析，見表3。

表3 石家莊某建筑大寒日逐層日照時間統計

根據以上分析可得，在同一座建筑物中由于周圍建筑物的遮擋，每個樓層的日照資源不同，7層以上的南向墻面日照時間為7 h以上，日照資源豐富。

1.2.2 對整個小區進行分析

表4 石家莊某小區大寒日日照時間統計

通過表4可得，本小區日照時間在7 h以上的南向房間面積占南向房間總面積的54.07%，6 h以上的南向房間面積占南向房間總面積的60.93%，這些房間的日照資源較為豐富，如何很好利用這些房間的太陽能資源，是值得認真研究的問題。

2 北方寒冷地區居住區太陽能資源利用

合理選擇太陽能利用方式，是居住小區太陽能利用的關鍵，對太陽能的利用主要有光熱轉換、光電轉換、光化學轉換三種方式，在建筑中主要利用的是光熱與光電轉換。建筑中太陽能利用技術體系主要可歸納為三個層次:被動式太陽能系統、太陽能熱利用技術系統、太陽能光伏發電系統。

2.1 小區規劃和建筑設計中太陽能的利用

在規劃中建筑群體的不同方位、體形、間距、高低及道路網的布置、廣場綠地的分布等都會影響規劃區的微氣候，影響建筑的日照和通風，影響到建筑的能耗。為合理的規劃小區，確保每棟建筑的有效日照和最大的接收太陽能，可利用“太陽圍合體”(Solar Envelope)對建筑形態進行控制。

“太陽圍合體”方法是針對特定的區域空間，通過調整圍合建筑各立面的法線方向，使建筑在不遮擋臨近建筑物日照的情況下達到最大的體積容量。目前“太陽圍合體”設計可以方便的在計算機中進行操作。

在建筑設計過程中應區別不同位置、不同樓層，進行外窗節能設計，有充足日照條件的住宅或樓層，應利用太陽能建筑的理念，增加太陽得熱，減少暖氣的使用，日照資源少的住宅或樓層，嚴格控制窗墻比和飄窗的使用，使整個小區成為高效利用太陽能的有機體。在上述小區外窗設計的時候，應充分考慮各樓層之間的日照差別，改變外窗上下一致的習慣做法，日照較少的6層及以下各層，嚴格控制窗墻比以及外飄窗的使用，7層及以上則可盡量利用充足的日照，增加窗墻比，采用外飄窗，增加外窗得熱，達到節能效果。

2.2 建筑構件與太陽能元件的一體化設計

太陽能建筑一體化意味著把傳統的建筑圍護結構從能量散失的部分轉換成能量吸收部分，是將太陽能技術元件與建筑構件的一體化，但這并非簡單地在建筑上安裝一些太陽能元件，而是將它們與建筑物本身一體化成建筑的組分。

外墻體是高層住宅接收太陽最多的表面，太陽能的應用將進一步優化墻體，現已革新出多種墻體構造和材料，如集熱蓄熱墻、透明絕熱材料以及附加于墻體的集熱器等。此外，太陽能集熱器、光伏電池還可與外墻組成“復合型”墻體，如太陽能保溫墻板、太陽能集熱器墻體、光伏墻體等，這些板兼裝飾、能量與美觀于一體。近來發展的太陽墻，是一種將太陽能集熱與通風相結合的技術。

屋面因不受遮擋，其對于太陽能部件具備良好的結合條件，可以選擇集熱器或光電板的最佳接收輻射的角度，也可以根據造型的需要設計出優美的屋面外形。但高層靠天取熱，難免遭遇“天臺之爭”，一幢一梯 8戶的 32層住宅，就有256戶住家，而屋面可供安裝太陽能集熱板的空間，不過幾百平方米，不可能保證家家用上太陽能。還可利用陽臺，陽臺圍欄外壁較適合安置分戶式集熱器系統，也可代替欄桿使用，真空管橫向布置還可增添建筑物橫向線條。另外還可以將陽臺封閉，處理成集熱太陽房。

帶有可調節遮陽的南向外窗的節能改造是建筑節能中的另一個重點，由于玻璃的傳熱系數遠遠高于墻體的傳熱系數，所以盡管窗在建筑外圍表面中占的比例不如墻面、屋頂大，但通過窗損失的熱量可能接近甚至超過墻體和屋頂。從太陽能利用角度來說，窗可以利用溫室效應實現被動式采暖，也可通過自然通風實現被動式降溫，從而具有雙重效果。冬季，盡量爭取多的太陽輻射，而在夏季則要防止太陽熱量進入室內。可調節角度的外遮陽能起到夏季阻擋太陽輻射熱、冬季提高保溫性能的作用，且不會遮擋視線，具有其他活動遮陽方式不可替代的優點，非常適于寒冷地區住宅建筑的南向窗設計。

多層玻璃構造可應用于住宅的窗設計中。其基本形式是安裝內外層玻璃，內外層間的空腔中設置可調節百葉遮陽，同時內外層玻璃都要設置可開啟通風口。一般而言，多層玻璃構造窗的空腔厚度為500 mm，遮陽百葉距離內層玻璃300 mm;內層使用小間隙雙層玻璃，外層用鋼化玻璃，保護內部遮陽百葉。夏季白天，遮陽百葉閉合，阻擋太陽光輻射，同時通風口打開，利用自然通風排出空腔中的熱量;夏季夜晚，百葉轉動打開，以利于室內的冷輻射帶走熱量。冬季白天，空腔內百葉轉動打開使得太陽光輻射進入室內，改善室內的光熱環境，同時通風口閉合使空腔內形成密閉空氣隔離層，增加窗的保溫性能;冬季夜晚，百葉閉合，以減小室內冷輻射帶來的熱量散失。

綜上所述，對太陽能的利用要具有地域性，它意味著要針對我國的社會發展、技術進步、經濟能力、區域氣候、生活需求和地域文化等多種因素，通過集合的技術策略、系統的設計方法和政策導向機制三方面共同建立有效的設計體系，從而推進太陽能在住宅中利用的快速發展。

[1] 曹立輝.中國北方居住小區日照環境設計與研究[D].天津:天津大學碩士學位論文，2005:38.

[2] GB 50180-93，城市居住區規劃設計規范[S].