被动式太阳能采暖技术在北方地区农村住宅设计中的应用研究

被动式太阳能采暖技术在北方地区农村住宅设计中的应用

研究

摘要：目前，全球面临着资源枯竭和环境恶化的威胁，建筑界作为能源消耗大户必须采取积极有效的措施来贯彻全人类的这种

可持续发展战略。太阳能作为一种可再生能源受到越来越多的重视。目前我国被动式太阳能建筑在城市得到了良好的发展，但是对于农村尤其是北方农村来说，被动式技术还没有深入到各家各户。因此，笔者提出了在北方地区农村住宅采暖设计中采用被动式太阳能的策略。本文首先阐述了研究背景和国内外的发展现状，进而概述了被动式太阳能的相关概念，重点提出了在北方地区农村住宅设计中采用被动式太阳能采暖技术的几种策略并举例论证，最后针对存在的问题提出了一些建议，希望会对我国相关领域的研究有所帮助

关键词：北方地区；农村住宅；被动式太阳能；采暖技术；辅助热源

中图分类号：g812.42文献标识码：a 文章编号：

一、前言

目前，全世界面对资源的日渐枯竭和环境的日益恶化，都在积极的寻找合适的方法加以解决。太阳能建筑是一种新型节能建筑，也是一种利用可再生能源的建筑，它具有节约常规能源、改善居住环境、减少环境污染等优点，因此被全世界所接受[1]。其中，被动式太阳房以其便于掌握的建造手段和经济的运作模式受到人们

的广泛关注。

虽然我国近 30 年内已经在部分农村完成了一系列的被动式太阳能应用实验，但是却始终没有形成系统完整的推广模式。重视合理的建造手段在农村范围的推广是解决我国农村住宅中能源过度

消耗的关键，也是改善民生的重要途径。因此本课题的选择主要针对北方地区农村住宅的现状进行分析，在此基础上进一步明确农民对于住宅的实际要求，并提出相应的建造手段，对被动太阳能设计建造在北方地区农村范围内的应用和推广具有一定的现实意义。这也是本文研究的意义所在。

北方农村地区运用被动式太阳能技术的相关理论概述

1、北方地区的划分及太阳能资源分布状况

（1）北方地区的概念及太阳能资源分布情况

北方地区是指中国东部季风区的北部，主要是秦岭一淮河一线以北，大兴安岭、乌鞘岭以东的地区，东临渤海和黄海。包括东北三省、黄河中下游五省二市的全部或大部分，以及甘肃东南部，内蒙古、江苏、安徽北部、山东，面积约占全国的20%[2]。我国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，年太阳能辐射总量大于每平米5000mj[3]，太阳能利用条件较好。按太阳能年辐射量的大小，全国大致可分为五类地区，我国北方地区大部分地区属于一二三类地区，是太阳能资源丰富地区，利用太阳能的条件优厚，与世界部分城市的太阳能年辐射总量相比，高于伦敦、汉堡等利用太阳能较好的城市，具备了被动式太阳能利用的先决条件。

2、被动式太阳能的概念

建筑中太阳能的利用方式，可以分为直接利用（被动式太阳能利用）和间接利用（主动式太阳能利用）两种。

直接利用（被动式太阳能）是指不借助风扇、泵和复杂的控制系统而对太阳能进行收集、贮藏和再分配的系统。被动式太阳能建筑是一种构造简单、造价低、不用或少用能源的建筑，通过建筑方位合理布置和建筑构件的恰当处理，以自然热交换方式来获得太阳能。这种利用直接通过辐射、对流和传导实现太阳能采暖或供冷[4]。

3、被动式太阳能建筑的影响因素

（1）自然环境对被动式太阳能建筑的影响

被动式太阳能建筑是在适应自然环境的同时充分挖掘自然环境潜能的建筑。因此，需要了解自然环境对被动式太阳能建筑的影响，这些自然环境包括气候因素、地域因素、地貌因素等。

（2）地理纬度对被动式太阳能建筑的影响

一个地区所处的纬度范围决定该地区的太阳高度角，而太阳高度角和方位角的不同，又影响着该地区被动式太阳能建筑所受到的太阳辐射强度及集热器的有效集热面积。集热器的有效集热面积是指集热器上受日光照射的区域内，垂直于日光方向的截面面积，在日照强度等光照条件相同的情况下，集热器的有效集热面积越大，集热器所受到的太阳辐射越多。由此可以说被动式太阳能建筑所处的地理纬度会对该建筑的太阳能利用效率产生影响。

（3）地貌特征对被动式太阳能建筑的影响

地面接收太阳辐射量的多少会随着地貌的变化而变化，此处所指的地貌指的是表面的坡度以及朝向。垂直于太阳光线的表面单位表面积上吸收的太阳辐射能最多，因此南向斜坡比其他面吸收更多的阳光。东向斜坡早上吸收太阳辐射较多，西向斜坡吸收下午的太阳辐射较多，向阳的较陡的斜坡比平坦的地方吸收的太阳辐射更多。一块场地上接收的太阳辐射量将影响它的温度小气候，从而影响到太阳能住宅的室内温度。

北方地区被动式太阳能采暖技术的设计策略

1、直接得热

直接得热是被动式太阳房中最简单也是最普遍的一种形式。其做法就是把南向窗户扩大，以提高建筑的集热面积，太阳辐射透过窗户直接射到室内地面、墙壁以及家具上，使它们表面温度升高，从而使热量得以储存，当室外和室内温度都下降时，这些被储存的热量再通过自然对流换热释放出来加热室内空气，使室内温度维持到一定水平。

2、集热-蓄热墙式间接得热

集热-蓄热墙是间接利用太阳能的采暖方式。太阳光首先照射到南向、外面有一道玻璃外罩内的深黑色储热墙体上，该墙体吸收太阳辐射热后，通过传导将热量传到墙体的另外一侧，然后通过对流和热辐射方式向室内供热。并且，在集热墙体的上下部位均做通气孔，冬天集热墙与玻璃间的热空气上升通过上部孔洞传入室内，而

室内较冷的空气下降并通过下部孔洞传出，这样形成内外层空气的对流循环。

3、附加阳光间式间接得热

附加阳光间也是间接利用太阳能得热的方式，它是集热一蓄热墙式与直接得热式的结合形式。其做法就是在房屋的南面附加玻璃温室，可应用于新建房屋，也可用于旧房改造。这种南部阳光间系统的工作原理和直接得热式系统相同，后部房间的集热方式则跟集热一蓄热墙式系统相似，因而兼有两种系统的优点，即热效率高、室内温度波动小，同时方便打扫。温室则可以根据房屋自身需要做成花草房，外廊或者入户门斗等形式。

4、综合得热

在被动式太阳房的设计与建造中，通常是直接得热式、集热一蓄热墙式、附加阳光间式三种形式结合使用，发挥各自特点，综合得热。其通常的做法是加大南向开窗，用于直接得热，南墙为蓄热墙，并设置封闭阳台等间接得热。

四、对于北方地区农村住宅采用被动式太阳能采暖技术的建议

1、太阳能热水辐射系统与地源热泵结合作为辅助热源

为了使被动式太阳房实现房屋舒适性并且能够更好的工作，仅仅使用设计是不够的。辅助热源的应用也是被动式太阳房中不可缺少的环节。当室外温度很低或连续阴天时，应当有辅助热源提供热量来维持室内温度。

目前太阳能地板辐射采暖系统还可以与地源热泵相结合，先利