夏熱冬冷地區(qū)農宅被動式太陽能設計探討
——以湖北黃石地區(qū)新型農宅設計為例

文/鮮卓麟 重慶大學 重慶400045

夏熱冬冷地區(qū)農宅被動式太陽能設計探討
——以湖北黃石地區(qū)新型農宅設計為例

文/鮮卓麟 重慶大學 重慶400045

本文以湖北黃石地區(qū)某設計競賽項目為例，針對夏熱冬冷地區(qū)的氣候條件和農村住宅現(xiàn)狀，根據(jù)建筑節(jié)能的基本原理， 提出滿足居住環(huán)境熱濕質量條件的被動式太陽能技術。意圖展示先進適用的住宅設計理念和建筑技術，傳播中部地區(qū)住宅文化，從而提高生產效率和農村住房質量。

夏熱冬冷地區(qū)；農宅；被動式太陽能；節(jié)能

一、研究背景

長江流域屬于夏熱冬冷地區(qū)，由于夏季太陽輻射強烈，陽光直射到室內將嚴重影響建筑室內熱環(huán)境。城市住宅夏季需要降溫，而冬季需要采暖，由于空調設備的普及，能源消耗增大和城市熱環(huán)境惡化等后果也一一凸顯。夏熱冬冷地區(qū)建筑太陽能被動式設計對于建筑節(jié)能減排和優(yōu)化人居環(huán)境等方面有重大意義，但涉及問題太多，要想面面俱到且深入透徹恐非本篇論文能夠實現(xiàn)。本文以湖北黃石地區(qū)某設計競賽為案例，針對該地區(qū)的氣候條件和住宅現(xiàn)狀，對其進行地域性的被動式太陽能設計，意圖提出滿足居住環(huán)境熱濕質量條件的建筑方式。

二、場地概況

黃石市地跨北緯29°30′～30°15′，東經114°31′～115°30′，位于中國湖北省東南部，長江中游南岸，是武漢經濟圈內重要城市。本項目位于黃石西塞山區(qū)中國住谷核心區(qū)內，緊鄰太白湖，占地面積約13.3公頃。本項目將在住宅公園中擇地建設，承擔農村住房展示、體驗、推廣等功能。目前，黃石地區(qū)電力資源充沛，鋼材、水泥、石膏、沙、石等材料資源豐富，可以建造鋼結構、鋼混結構、砌塊等形式農村住房。住宅公園給水、電市政管網均齊全，無集中燃氣管網，無集中排水管網。

三、項目簡介

本項目為典型單體居住建筑設計，每戶占地面積150平方米，農村住房為二層，以當?shù)剞r村住房為原型，每戶均有自家小院，建筑面積200～250平方米，戶型設計以滿足日常生活使用為基礎，農村住房外觀色彩整體協(xié)調，與當?shù)丨h(huán)境、特色建筑相呼應，體現(xiàn)本地區(qū)地域特征。

本項目試圖利用當?shù)靥柲苜Y源較豐富的特點，結合建筑設計及夏熱冬冷地區(qū)氣候特點，分析農村住房使用能耗及應用特點，因地制宜地應用太陽能系統(tǒng)，探索與被動式太陽能系統(tǒng)結合的農村住房建造方式，重點表達技術、產品與建筑結合的設計方法與建造方式。結合建筑方案的特點，通過對太陽能在建筑中的被動利用技術的合理選擇和應用，著重解決建筑冬季采暖、夏季降溫和空氣潮濕等問題。

四、關鍵問題

在中國5個建筑熱工設計分區(qū)中，夏熱冬冷地區(qū)是唯一對采暖與空調均有較長時間要求的地區(qū)。隨著人們經濟條件迅速改善，對生活質量的要求越來越高，伴隨著空調與暖氣進入家庭，能耗問題、污染問題、城市熱島問題迅速加劇。

由于歷史的原因，夏熱冬冷地區(qū)基本上沒有集中供暖系統(tǒng)，建筑圍護結構的保溫隔熱性能均不佳，圍護結構中透明部分（窗、玻璃幕墻、玻璃采光頂?shù)龋┑膯栴}尤其嚴重。目前家家戶戶采用獨立的雙制式空調，這種采暖、制冷模式極為浪費能源。

此外夏熱冬冷地區(qū)的另一大氣候特點就是空氣潮濕，以至于夏季悶熱而冬季濕冷。

因此如何處理夏季減少太陽輻射與冬季對太陽能需求這一矛盾，如何平衡保溫隔熱與通風除濕之間的關系，成為設計的兩大關鍵問題。

五、方案介紹

（一）綜合介紹

圖1 方案鳥瞰圖

本文的基本目標是兼顧冬夏的可能性，在比較的基礎上尋找適合夏熱冬冷地區(qū)氣候特點的被動式太陽能裝置。基于對夏熱冬冷地區(qū)氣候的理解，本文認為，解決該問題的核心是設計應該具有動態(tài)調節(jié)的可能性。

如圖1所示，本方案在不同的部位采取了包括種植屋面、采光通風天井、陽光間、隔熱窗、底層架空、特朗勃墻等一攬子被動式太陽能設計技術，其中最核心的兩大部分為天井系統(tǒng)和陽光間系統(tǒng)。而它們的最終模型也集中體現(xiàn)了可變式的設計理念。

（二）陽光間系統(tǒng)

在夏季的能耗損失中，太陽輻射是其主要因素。因此，采取適當?shù)恼陉柎胧?，防止直射陽光的不利影響，將會大大降低建筑能耗。由于夏季陽光直射是造成室內得熱的主要途徑，除墻體外保溫和門窗節(jié)能之外，建筑外門窗遮陽也成為建筑節(jié)能的重要手段之一 。

如圖2所示，陽光間系統(tǒng)由導風窗、Low-E玻璃、蓄熱樓板、導風板、通風屋頂?shù)炔糠纸M成。其工作原理如下：夏季白天導風窗開啟，空氣經由水池降溫，從導風窗進入陽光間。同時頂部導風板開啟，玻璃窗關閉，整個陽光間形成煙囪效應，將冷空氣由底部拔到頂部并排出，通過此過程帶走熱量；夏季夜晚，再將玻璃窗打開，以達到通風降溫的目的。冬季白天，底部導風窗、頂部導風板以及玻璃窗全部關閉，利用陽光間的溫室效應通過蓄熱樓板存儲熱量，并把熱量傳到室內。并且，在冬天夜晚，通過白天用蓄熱墻體存儲的熱量為室內傳熱。

圖2 陽光間系統(tǒng)

圖3 陽光間通風分析

（三）天井系統(tǒng)

如圖4所示，方案中設計了一個室內小天井系統(tǒng)，其頂部為玻璃板和可開閉式的遮陽百葉雙層屋頂，并在下方增加了一個可開啟的高側窗。其工作原理如下：在夏季，百葉關閉以阻擋過多的太陽輻射，同時高側窗開啟，形成煙囪拔風效應，以帶走室內熱量，并降低濕度；在冬季，高側窗關閉，避免熱量外流，減少室內熱損失，并且白天將遮陽百葉開啟，增加太陽輻射，夜晚將百葉關閉，鎖住室內熱量。

圖4 可變式天井系統(tǒng)分析

（四）其他被動式設計

遮陽設計

遮陽采用固定式遮陽，其出挑長度經過計算，采用秋分日的太陽高度角為基準，以使盡量避免夏季太陽直射，同時又不影響冬天的陽光。

通風屋頂

屋頂設計為通風屋頂，在檐口下方做成通風花格，以增強室內通風效果。

植物的利用

方案增加了對植物的靈活運用。如圖5所示，在一層臥室南向設計了一個植物網架，夏季可做遮陽，而冬季植物枯萎，可以使房間享受太陽照射。另外，利用同樣的原理，在西曬墻外部做了一個植物防曬金屬架。

圖5 植物的利用

總結：

本文認為，利用被動式太陽能設計可以改善室內微氣候環(huán)境，從而真正達到節(jié)能減排的目的。綜合考慮夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點、材料的生態(tài)特性及耐候性、構件的成本及中國的國情，本文設計了一系列被動式太陽能技術以適合夏熱冬冷地區(qū)復雜的太陽能利用需求。這些“可調節(jié)附加構件”在解決建筑之舒適性及能耗問題的同時，也將對建筑的立面產生重要影響，從類型學角度看，這也是一個值得建筑師探討的領域。本文雖以農村住宅為研究對象，但其部分原理同樣適用于的公共建筑。

注：本文所有圖片均來源于作者自制。

[1］李保峰.適應夏熱冬冷地區(qū)氣候的建筑表皮之可變化設計策略研究.清華大學，2004（4）.

[2］崔新民.外遮陽系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑中的應用.節(jié)能技術，2006（8）.

[3］周鐵軍.長江流域城市住宅建筑遮陽問題分析.綠色建筑實踐，2010（2）.

[4］余小平.淺析夏熱冬冷地區(qū)低能耗住宅技術路線.重慶大學學報，2008（3）.