青南高寒地區(qū)小型住房節(jié)能技術(shù)探究

周偉源　林煜蕓　嚴(yán)錦斌　何昆?！⑶皹?biāo)

【摘 要】青南地區(qū)屬于高寒地區(qū)，煤炭等商品能源較為短缺，但卻具有極其豐富的太陽(yáng)能資源和生物質(zhì)能。本文探討如何有效地利用太陽(yáng)能等自然資源，在青南地區(qū)建造一座滿足采暖、照明、睡眠、炊事等居住功能的小型住房。

【關(guān)鍵詞】資源利用;保溫;小型住房;高寒地區(qū);被動(dòng)式太陽(yáng)能

中圖分類號(hào)： TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0167-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.072

Study on Energy Saving Technology of Small House in Alpine Region in the South of Qinghai Province

ZHOU Wei-yuan LIN Yu-yun YAN Jin-bin HE Kun-rui LIU Qian-biao

（College of Architecture & Urban Planning，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

【Abstract】The south of Qinghai Province is an alpine region.Commercial energy sources，such as coal，are in short supply.But it has extremely rich solar and biomass energy.This article explores how to use natural resources effectively，such as solar energy，to build a small house in the south of Qinghai Province that meets the residential functions of heating，lighting，sleeping and cooking.

【Key words】Resource utilization;Heat preservation;Small house;Alpine region;Passive solar energy

0 引言

青海南部地區(qū)具有特殊的氣候和文化：屬于高寒地區(qū);具有以藏傳佛教為代表的人文環(huán)境;煤炭等商品能源較為短缺，但卻具有極其豐富的太陽(yáng)能資源和生物質(zhì)能。高寒氣候與短缺的自然資源較大程度上限制了當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境舒適度的提高。寒冷的氣候要求住房有更好的體形系數(shù)，因此筆者認(rèn)為小體量且規(guī)整的住房更適合當(dāng)?shù)?，且利于?jié)約能源。

本文從節(jié)約資源及提高住房的實(shí)用性和舒適性出發(fā)，主要講述了太陽(yáng)能、水資源、生物質(zhì)能三方面的資源利用方式在小型住房的應(yīng)用。其中以太陽(yáng)能為核心，采取了太陽(yáng)能的主動(dòng)式和被動(dòng)式利用方式。主動(dòng)式主要是通過設(shè)備轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為電能、熱能進(jìn)行利用;被動(dòng)式主要是在不使用主動(dòng)熱源的情況下，利用建筑自身設(shè)計(jì)收集并儲(chǔ)存熱量，使得室內(nèi)保持舒適的溫度。在本文中，太陽(yáng)能的主動(dòng)式利用為：光伏發(fā)電、光伏融雪、電熱地暖、雨雪收集和太陽(yáng)能熱水器五個(gè)主要系統(tǒng)的集成策略;此外，采用了太陽(yáng)能的被動(dòng)式利用：陽(yáng)光間、trumble wall。如圖2所示。

1 玉樹地區(qū)自然環(huán)境

（1）低溫及溫差：受海拔高度的影響，青海玉樹地區(qū)冬季1月均溫在-10℃左右，夏季7月均溫12℃。同時(shí)，該地區(qū)升降溫迅速，氣溫日差達(dá)12-17℃。建筑室內(nèi)溫度要保持在一個(gè)適宜的恒定水平，是一種挑戰(zhàn)。

（2）輻射量大，日照時(shí)間長(zhǎng)：青海玉樹地區(qū)平均年總輻射量達(dá)到6276MJ·m-2·a[1]。日照時(shí)數(shù)最長(zhǎng)地區(qū)最高可達(dá)3550.5h，具有豐富的太陽(yáng)能資源，但太陽(yáng)能資源的利用率卻不高。

（3）生物質(zhì)資源：是該地區(qū)豐富并容易運(yùn)用的可再生能源形式。該地區(qū)海拔高，歷史以來其生活燃料即為牛羊的糞便牲畜糞便。牲畜糞做燃料供應(yīng)穩(wěn)定而充足，目前依然被該地各民族群眾所接受。

（4）水資源：每年9月-次年5月為降雪期，年均降雪天數(shù)為51.7。年平均降水量500mm左右。具有較為豐富的水資源。

2 小型住房

在青南地區(qū)建造一座滿足采暖、照明、睡眠、炊事等居住功能的小型住房。尊重青海藏民文化習(xí)俗，在方案設(shè)計(jì)中沿用傳統(tǒng)民居的平面布局的基礎(chǔ)上，在北邊增設(shè)盥洗空間包括①?gòu)N房、②衛(wèi)生間在內(nèi)的輔助性功能空間滿足居民日常生活需求，并作為冬季寒冷室外氣候和溫暖室內(nèi)環(huán)境的緩沖地帶。南墻為滿足采暖，設(shè)置③特朗普墻并增加④陽(yáng)光間，室內(nèi)靠南邊設(shè)置主要起居功能，房間中央設(shè)置⑤牛糞爐作為補(bǔ)充熱源，如圖1和圖2所示。

3 資源利用

3.1 太陽(yáng)能利用

3.1.1 太陽(yáng)能的主動(dòng)式利用

①光伏發(fā)電系統(tǒng)

一套光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、光伏逆變器和蓄電池組（如圖），同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮防雷保護(hù)措施。光伏發(fā)電系統(tǒng)方案如圖3所示。

主要運(yùn)作流程為：由太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電能，經(jīng)由逆變器轉(zhuǎn)變成交流電輸送至各用電負(fù)荷，輔以蓄電池蓄電保證日常使用。

太陽(yáng)能電池組安裝傾角選擇39°，朝向正南，能獲得年理論發(fā)電量最大，并滿足灰塵雨雪滑落要求及支架穩(wěn)定性要求[2]。組件的安裝方式可選用工程塑料固定式安裝，該材料在高低溫狀態(tài)下均可保持良好的性能，具有較好的紫外線耐受性和耐候性，能滿足雪

載、風(fēng)壓等要求，且輕巧和易于安裝，十分適用于高寒偏遠(yuǎn)地區(qū)[3]。

②光伏融雪系統(tǒng)

本方案中設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏融雪，以減少屋頂負(fù)荷并收集水資源。

系統(tǒng)主要使用發(fā)熱電纜進(jìn)行融雪，一般達(dá)到融雪效果需要發(fā)熱電纜功率為：250～400W/m2（220V）;發(fā)熱電纜型號(hào)：DCR-170型，線性負(fù)荷為：17W/m，鋪設(shè)間距：50mm[4]。

由于總發(fā)電功率的限制條件，設(shè)計(jì)初期使用蓄電池按300W/m2輸出加熱，達(dá)到預(yù)期溫度后，以太陽(yáng)能電池板按80W/m2功率持續(xù)輸出，能夠有效降低耗電量，同時(shí)為保證其它設(shè)備的電量供給，僅在屋頂局部敷設(shè)發(fā)熱電纜9m2（需159m電纜），如圖4所示。

③配套電熱地暖系統(tǒng)

在光伏融雪系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在建筑中配套設(shè)置電熱地暖系統(tǒng)（圖6），在非融雪時(shí)段使用太陽(yáng)能板供電，與融雪系統(tǒng)錯(cuò)峰利用產(chǎn)能，并可獲得更好的采暖效果?；诘孛鏄?gòu)造的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)主要由發(fā)熱電纜、溫控器、溫控探頭等組成，如圖5所示。設(shè)計(jì)方案如下：系統(tǒng)配置功率100W/m2，設(shè)計(jì)敷設(shè)9m2;發(fā)熱電纜型號(hào)：DCR-170型，線性負(fù)荷為：17W/m，鋪設(shè)間距：165mm。

光伏融雪經(jīng)濟(jì)性分析

在不采用光伏融雪方式的情況下，亦可使用環(huán)保融雪劑除雪，但長(zhǎng)期使用會(huì)使投入增加。因此，在經(jīng)濟(jì)性方面與光伏融雪系統(tǒng)作如下比較：

因此，從長(zhǎng)期的投入使用來看，使用光伏融雪方式及配套電熱地暖設(shè)計(jì)，能夠協(xié)同光伏發(fā)電系統(tǒng)，較好地利用清潔能源獲得融雪、采暖效果，并且有較好的經(jīng)濟(jì)性。

④太陽(yáng)能熱水器

除了光伏發(fā)電，通過集熱器利用太陽(yáng)能易于在高寒條件下獲得熱水資源。根據(jù)市場(chǎng)上太陽(yáng)能熱水器的相關(guān)技術(shù)資料，適宜選用耐寒性能較好（>-40°C或>-20°C）的太陽(yáng)能熱水器。另外，太陽(yáng)能熱水器根據(jù)水箱與集熱器是否分離分為一體式和分體式的，其主要特點(diǎn)表2所示：

通過對(duì)比兩種太陽(yáng)能熱水器的類型，認(rèn)為一體式太陽(yáng)能熱水器對(duì)高寒地區(qū)小型住房具有更高的性價(jià)比。在高寒地區(qū)使用太陽(yáng)能熱水器仍需要對(duì)管道采取有效的防凍措施。目前市場(chǎng)上常用的防凍措施主要有：管路循環(huán)、電伴熱帶、PVC套管、管道排空。

其中電伴熱帶防凍是較新的應(yīng)用技術(shù)，具有顯著優(yōu)點(diǎn)。電伴熱帶一般由（導(dǎo)電）線芯、芯帶、護(hù)套、屏蔽層、防護(hù)層組成（圖7）。它不需日常維護(hù)，運(yùn)行費(fèi)用低，可遠(yuǎn)距離控制，且不受地域限制，即使在零下40℃的地區(qū)仍然可以使用。結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)，十分適合在高寒地區(qū)使用。其造價(jià)約為50元/m，成本較低[5]。

3.1.2 太陽(yáng)能的被動(dòng)式利用

太陽(yáng)能的被動(dòng)式利用主要是在不使用主動(dòng)熱源的情況下，利用建筑自身的設(shè)計(jì)收集、儲(chǔ)存熱量，使得室內(nèi)保持舒適的溫度。以下主要采取兩種太陽(yáng)能的被動(dòng)式利用方式：陽(yáng)光間和trumble wall。

①陽(yáng)光間

附加陽(yáng)光間一般由玻璃溫室和公共蓄熱墻體組成，如下圖所示。陽(yáng)光間蓄熱傳熱原理：（a）陽(yáng)光透過玻璃窗直接照射在采暖房間;（b）陽(yáng)光被陽(yáng)光間的地面和公共蓄熱墻體吸收，通過熱空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間，起到太陽(yáng)能供暖作用。

②Trumble Wall

集熱蓄熱墻工作原理：太陽(yáng)輻射透過透光材料進(jìn)入空氣夾層，加熱蓄熱墻吸收表面和空氣夾層，再通過傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射的方式將熱量傳遞到室內(nèi)。如圖9和圖10表示。

3.2 水資源利用

3.2.1 雨雪收集系統(tǒng)

青海玉樹地區(qū)年降水量約480毫米，設(shè)計(jì)雨雪收集系統(tǒng)，協(xié)同融雪系統(tǒng)能夠獲得一定的水資源以補(bǔ)充生活用水。系統(tǒng)組成主要有：落水管、棄流過濾裝置、清水池（箱）及用水裝置，如圖11所示。

運(yùn)作流程：雨水通過屋頂坡度匯流到落水口處，經(jīng)過落水管進(jìn)入到棄流過濾裝置，裝置底部排水口設(shè)置閥門開關(guān)，開關(guān)在打開情況下，雨水直接排到室外，可對(duì)初期雨水進(jìn)行棄流;開關(guān)閉合時(shí)，裝置開始蓄水，水通過過濾層后進(jìn)入到清水池中，然后通過水泵壓力進(jìn)行供水。過程中，當(dāng)落水管進(jìn)水效率高于水通過過濾層效率時(shí)，多余的水會(huì)通過溢流口進(jìn)入到排水管中排走，同樣，當(dāng)清水池收集一定量的水后，多余水將溢流排走。在棄流過濾裝置中設(shè)置簡(jiǎn)易過濾層：底部架設(shè)鋼絲網(wǎng)，將用紗布包裹的大石子、小石子、細(xì)沙、活性炭（或木炭）及膨松棉由下至上依次鋪密實(shí)，如圖。能夠有較好的過濾效果同時(shí)材料、裝置易于獲取、制作。水將由下往上通過過濾層，有利于減少顆粒物的沉淀堆積。雨水收集系統(tǒng)如圖11所示。

3.2.2 節(jié)水馬桶

為了提高水資源的利用率，對(duì)比市場(chǎng)上現(xiàn)有的節(jié)水馬桶性能。其中由喜文華、陳春虹等研發(fā)的“一杯水馬桶”產(chǎn)品，是目前一種較為優(yōu)良的節(jié)水馬桶，該產(chǎn)品具有較好的應(yīng)用，并獲多個(gè)榮譽(yù)稱號(hào)，相較于普通蹲便器，每年可節(jié)約水量約92%，在節(jié)水性能上體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)[6]。

由于表見，一杯水馬桶具有突出的節(jié)水性能，這對(duì)于貧水的高寒地區(qū)是十分適用的。

3.3 生物質(zhì)能利用

為了遵循牧民的生活方式并增加采暖效果，設(shè)計(jì)中沿用當(dāng)?shù)嘏＜S爐的使用及其布局，充分利用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)能：牛糞，并對(duì)其排煙口進(jìn)行處理。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）尊重青南地區(qū)民族生活習(xí)俗，優(yōu)化了當(dāng)?shù)刈》科矫娌季?，有利于集約空間。

（2）青南地區(qū)有豐富的太陽(yáng)能，當(dāng)?shù)刈》靠梢圆捎弥鲃?dòng)或被動(dòng)式的太陽(yáng)能利用方式來降低采暖能耗。

（3）使用太陽(yáng)能熱水器可較好地利用太陽(yáng)能獲得熱水資源，提高生活質(zhì)量。

（4）特朗普墻與附加陽(yáng)光間能較好地實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能采暖的目的，但其經(jīng)濟(jì)性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

（5）采用雨雪收集系統(tǒng)，能夠在貧水地區(qū)達(dá)到補(bǔ)充生活用水的目的。

（6）沿用當(dāng)?shù)嘏＜S爐的使用及其布局，可達(dá)到較好的室內(nèi)采暖效果。

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