太陽能建筑在高原地區的實踐

中國建筑設計院有限公司 ■ 魯永飛鞠曉磊 鄭晶茹

太陽能建筑在高原地區的實踐

中國建筑設計院有限公司 ■ 魯永飛*鞠曉磊 鄭晶茹

青藏高原地區氣候惡劣、常規能源匱乏，但太陽能資源豐富。當地農牧民住宅建設水平較低，居住舒適度較差，通過太陽能建筑在高原地區的實踐，在改善居住環境的同時考慮了經濟性。本文從住宅的布局設計、圍護結構保溫設計、被動太陽能技術設計等方面，總結了適用于高寒地區農村的太陽能建筑技術。

太陽能建筑；被動技術；陽光房；高原地區

1　項目背景

2015年，國際太陽能學會和中國可再生能源學會針對青海地區，主辦了以“陽光與美麗鄉村”為主題的國際太陽能建筑設計競賽，甄選了3個獲獎方案，在日月山下兔爾干村進行實地建設，用于民宿。設計方案集成多種太陽能建筑技術，充分利用了當地豐富的太陽能資源及當地材料，較好地解決了常規能源匱乏和居住舒適度差的問題。

2　建設方案

2.1戶型A

該方案采用兩重院落的形式來組織空間，平面布局緊湊合理，整體造型有利于夏季通風和冬季防寒；充分結合青海高原地區冬季寒冷的氣候特點和農牧民的生活方式，利用當地具有民族特色的材料，如厚重的夯土墻等，有利于保溫和隔熱；采用低成本技術策略，實現了低投入、高效率。戶型A模型圖如圖1所示。

圖1　戶型A模型圖

2.1.1形體與分區

戶型A的結構平面圖如圖2所示。為最大量的接收陽光，建筑采用了退臺式的形體設計，南側建筑為單層，北側建筑為二層，中間設置庭院，南側建筑自帶封閉的小庭院。退臺式的設計避免了建筑的前后遮擋，保證每個居住房間都有充足的日照。整個院落采用了當地的莊廓形式，封閉厚重的夯土墻能夠有效抵擋寒風，與充足的陽光一起營造庭院內舒適的活動場所。

圖2　戶型A 結構平面圖(單位：mm)

2.1.2圍護結構

建筑外墻采用當地的生土材料，墻體厚度可達500 mm，外窗采用70系列的鋁塑復合節能窗。圍護結構的傳熱系數較小，且具有良好的熱惰性和蓄熱性能，溫度波動小。建設方對墻體生土材料進行了優化，在夯土中加入了石灰、枯草，提高了墻體的強度。

圖3　夯土外墻

2.1.3陽光房中庭+光伏發電系統

南側客房的小庭院及建筑中間的大庭院均采用了陽光房技術，并設置了保溫卷簾。如圖4所示，陽光房能夠保證冬季白天陽光進入每個主要生活房間，并聚集大量熱量存儲在墻體及地面中。冬季夜晚，中間庭院的陽光房保溫卷簾放下，減少庭院內熱量的散失。相對室外較溫暖的陽光房中庭，保溫卷簾充當室內房間的熱緩沖層，減少室內熱量散失。在中庭陽光房頂部靠近建筑側安裝光伏發電系統，提供生活用電。夏季太陽高度角變高，光伏組件還可充當遮陽構件，阻止陽光射入室內。

圖4　陽光房冬季運行原理示意圖

2.1.4空氣集熱器

建筑在北側屋頂的平臺為空氣集熱器預留了空間，充分利用當地豐富的太陽能資源。空氣集熱器直接利用太陽能加熱空氣，既可為室內供暖，也可經過換熱生產熱水，避免了熱水采暖的結冰、腐蝕、結垢、承壓等問題。相比太陽能熱水采暖，太陽能空氣采暖更適用于青海地區。

2.2戶型B

該方案采用細長的院落組織空間，使主要房間的光照最佳。多個住宅聯排布置，形成了抵御惡劣環境的屏障。院落的單元組織形式，使客房既保證了私密性，又有聯系，實現了功能合理分區，并使客廳和客房都獲得了最佳朝向。戶型B模型圖如圖5所示。

圖5　戶型B模型圖

2.2.1建筑形體

戶型B結構平面圖如圖6所示。該方案以青海地區傳統莊窠為原型，采用大進深的兩進院落布局，院落的設置避免了建筑前后遮擋，使得客廳和每個臥室都有充足的日照。多個戶型采用聯排的布置方式，減小了整個建筑的體形系數，降低了熱量流失。

圖6　戶型B結構平面圖(單位：mm)

2.2.2圍護結構

該方案墻體采用復合保溫鋼筋焊接網架混凝土剪力墻(簡稱CL體系)，墻體構造如圖7所示。CL體系屬于整體現澆混凝土結構體系，整體性良好、穩定性高。澆筑時一種保溫層包裹在承重結構內部，具有良好的熱工性能。保溫結構實現了與承重結構同壽命，增加了保溫的使用年限，減少了后期維修量。

圖7　CL體系墻體構造

2.2.3被動太陽能技術

如圖8所示，南側客廳外設陽光房為室內進行供暖；中部庭院上空全覆蓋陽光房，一方面為庭院相鄰的房間供暖，另一方面在夜間充當熱緩沖層，減少室內熱量散失。在陽光房立面設置了可開啟外窗，頂部設置可收起的遮陽百葉。在夏季時打開陽光房外窗，并將百葉放下，防止熱量聚集。

圖8　陽光房的熱量循環及夏季遮陽通風原理圖

2.3戶型C

2.3.1建筑形體與圍護結構

該方案采用三合院的布局方式，客房與客廳圍繞內庭院布置，布局緊湊，體形系數較小。此外，中庭形成良好的風環境，為冬日提供舒適的室外活動場所。該方案采用傳統的磚混結構，并在外墻設置外保溫系統，建造方法簡便，易于推廣。戶型C模型圖如圖9所示。

圖9　戶型C模型圖

2.3.2陽光房與直接受益窗

圖10為戶型C結構平面圖。該方案除在庭院頂部設置玻璃頂形成陽光房中庭外，首層南向臥室外設置小庭院，也用作陽光房。3個陽光房白天為室內提供熱量，并營造舒適的室外環境；夜間充當主要客房的熱緩沖層，減少熱損失。

圖10　戶型C結構平面圖(單位：mm)

此外，主要房間采用了直接受益窗技術，通過計算適當加大外窗面積，采用熱工性能良好的三玻中空玻璃，并設置保溫窗簾。白天使室內接收更多的陽光，將熱量存儲在地板中，夜間地板存儲的熱量開始釋放，作為常規采暖的輔助熱源。由于保溫窗簾與中空玻璃良好的熱工性能，能夠有效減小熱量損失，降低采暖能耗。

2.4方案效果

3個方案的設計結合了青海地區的氣候特征，從形體布局、建筑保溫、太陽能技術3個層面進行了精細化設計(效果圖如圖11所示)，形成了具有濃厚地域特色的太陽能建筑，在青海地區的美麗鄉村建設中起到了示范作用。

圖11　兔爾干村整體效果圖

3　技術總結

綜合以上3個方案的設計經驗，在高原地區推廣太陽能建筑時，應從3個層面進行考慮：

1)建筑設計應有良好的建筑形體和平面布局。在青海地區宜優先采用院落的方式來組織空間，一方面能夠最大量地引入陽光，增加得熱；另一方面能夠有效抵擋冬季寒風，降低熱損失。

2)建筑圍護結構應有熱工性能良好的保溫體系，減少建筑的熱損失。對于貧困地區，可采用優化的生土結構，可就地取材，既能滿足保溫要求，未來拆除后也不會對環境造成破壞。也可選用CL體系、外墻外保溫體系等保溫技術。

3)在良好的建筑形體布局與良好的圍護結構保溫的前提下，優先采用陽光房技術、直接受益窗技術，這兩種技術均屬于被動式技術，成本較低，性能較好。當被動技術無法滿足要求時，可采用太陽能空氣采暖技術，由于青海地區采暖周期長，非采暖季的維護問題較少，太陽能空氣采暖非常適合在青海地區推廣。

2016-09-14

“陽光與美麗鄉村”2015年臺達杯國際太陽能建筑設計競賽獲獎作品示范（2015-NN-E04）

魯永飛(1983—)，男，碩士，主要從事太陽能技術在建筑中應用方面的研究。luyf@cadg.cn