文/鮮卓麟 重慶大學(xué) 重慶400045

夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)宅被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)探討
——以湖北黃石地區(qū)新型農(nóng)宅設(shè)計(jì)為例

文/鮮卓麟 重慶大學(xué) 重慶400045

本文以湖北黃石地區(qū)某設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目為例，針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的氣候條件和農(nóng)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(zhì)量條件的被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)。意圖展示先進(jìn)適用的住宅設(shè)計(jì)理念和建筑技術(shù)，傳播中部地區(qū)住宅文化，從而提高生產(chǎn)效率和農(nóng)村住房質(zhì)量。

夏熱冬冷地區(qū)；農(nóng)宅；被動(dòng)式太陽(yáng)能；節(jié)能

一、研究背景

長(zhǎng)江流域?qū)儆谙臒岫涞貐^(qū)，由于夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，陽(yáng)光直射到室內(nèi)將嚴(yán)重影響建筑室內(nèi)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(diào)設(shè)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(yáng)能被動(dòng)式設(shè)計(jì)對(duì)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(wèn)題太多，要想面面俱到且深入透徹恐非本篇論文能夠?qū)崿F(xiàn)。本文以湖北黃石地區(qū)某設(shè)計(jì)競(jìng)賽為案例，針對(duì)該地區(qū)的氣候條件和住宅現(xiàn)狀，對(duì)其進(jìn)行地域性的被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)，意圖提出滿足居住環(huán)境熱濕質(zhì)量條件的建筑方式。

二、場(chǎng)地概況

黃石市地跨北緯29°30′～30°15′，東經(jīng)114°31′～115°30′，位于中國(guó)湖北省東南部，長(zhǎng)江中游南岸，是武漢經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)重要城市。本項(xiàng)目位于黃石西塞山區(qū)中國(guó)住谷核心區(qū)內(nèi)，緊鄰太白湖，占地面積約13.3公頃。本項(xiàng)目將在住宅公園中擇地建設(shè)，承擔(dān)農(nóng)村住房展示、體驗(yàn)、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(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)、砌塊等形式農(nóng)村住房。住宅公園給水、電市政管網(wǎng)均齊全，無(wú)集中燃?xì)夤芫W(wǎng)，無(wú)集中排水管網(wǎng)。

三、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為典型單體居住建筑設(shè)計(jì)，每戶占地面積150平方米，農(nóng)村住房為二層，以當(dāng)?shù)剞r(nóng)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(shè)計(jì)以滿足日常生活使用為基礎(chǔ)，農(nóng)村住房外觀色彩整體協(xié)調(diào)，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境、特色建筑相呼應(yīng)，體現(xiàn)本地區(qū)地域特征。

本項(xiàng)目試圖利用當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源較豐富的特點(diǎn)，結(jié)合建筑設(shè)計(jì)及夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，分析農(nóng)村住房使用能耗及應(yīng)用特點(diǎn)，因地制宜地應(yīng)用太陽(yáng)能系統(tǒng)，探索與被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)結(jié)合的農(nóng)村住房建造方式，重點(diǎn)表達(dá)技術(shù)、產(chǎn)品與建筑結(jié)合的設(shè)計(jì)方法與建造方式。結(jié)合建筑方案的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能在建筑中的被動(dòng)利用技術(shù)的合理選擇和應(yīng)用，著重解決建筑冬季采暖、夏季降溫和空氣潮濕等問(wèn)題。

四、關(guān)鍵問(wèn)題

在中國(guó)5個(gè)建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中，夏熱冬冷地區(qū)是唯一對(duì)采暖與空調(diào)均有較長(zhǎng)時(shí)間要求的地區(qū)。隨著人們經(jīng)濟(jì)條件迅速改善，對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，伴隨著空調(diào)與暖氣進(jìn)入家庭，能耗問(wèn)題、污染問(wèn)題、城市熱島問(wèn)題迅速加劇。

由于歷史的原因，夏熱冬冷地區(qū)基本上沒(méi)有集中供暖系統(tǒng)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能均不佳，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中透明部分（窗、玻璃幕墻、玻璃采光頂?shù)龋┑膯?wèn)題尤其嚴(yán)重。目前家家戶戶采用獨(dú)立的雙制式空調(diào)，這種采暖、制冷模式極為浪費(fèi)能源。

此外夏熱冬冷地區(qū)的另一大氣候特點(diǎn)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(yáng)輻射與冬季對(duì)太陽(yáng)能需求這一矛盾，如何平衡保溫隔熱與通風(fēng)除濕之間的關(guān)系，成為設(shè)計(jì)的兩大關(guān)鍵問(wèn)題。

五、方案介紹

（一）綜合介紹

圖1 方案鳥(niǎo)瞰圖

本文的基本目標(biāo)是兼顧冬夏的可能性，在比較的基礎(chǔ)上尋找適合夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)的被動(dòng)式太陽(yáng)能裝置?；趯?duì)夏熱冬冷地區(qū)氣候的理解，本文認(rèn)為，解決該問(wèn)題的核心是設(shè)計(jì)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)調(diào)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(fēng)天井、陽(yáng)光間、隔熱窗、底層架空、特朗勃墻等一攬子被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)技術(shù)，其中最核心的兩大部分為天井系統(tǒng)和陽(yáng)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(shè)計(jì)理念。

（二）陽(yáng)光間系統(tǒng)

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

如圖2所示，陽(yáng)光間系統(tǒng)由導(dǎo)風(fēng)窗、Low-E玻璃、蓄熱樓板、導(dǎo)風(fēng)板、通風(fēng)屋頂?shù)炔糠纸M成。其工作原理如下：夏季白天導(dǎo)風(fēng)窗開(kāi)啟，空氣經(jīng)由水池降溫，從導(dǎo)風(fēng)窗進(jìn)入陽(yáng)光間。同時(shí)頂部導(dǎo)風(fēng)板開(kāi)啟，玻璃窗關(guān)閉，整個(gè)陽(yáng)光間形成煙囪效應(yīng)，將冷空氣由底部拔到頂部并排出，通過(guò)此過(guò)程帶走熱量；夏季夜晚，再將玻璃窗打開(kāi)，以達(dá)到通風(fēng)降溫的目的。冬季白天，底部導(dǎo)風(fēng)窗、頂部導(dǎo)風(fēng)板以及玻璃窗全部關(guān)閉，利用陽(yáng)光間的溫室效應(yīng)通過(guò)蓄熱樓板存儲(chǔ)熱量，并把熱量傳到室內(nèi)。并且，在冬天夜晚，通過(guò)白天用蓄熱墻體存儲(chǔ)的熱量為室內(nèi)傳熱。

圖2 陽(yáng)光間系統(tǒng)

圖3 陽(yáng)光間通風(fēng)分析

（三）天井系統(tǒng)

如圖4所示，方案中設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)小天井系統(tǒng)，其頂部為玻璃板和可開(kāi)閉式的遮陽(yáng)百葉雙層屋頂，并在下方增加了一個(gè)可開(kāi)啟的高側(cè)窗。其工作原理如下：在夏季，百葉關(guān)閉以阻擋過(guò)多的太陽(yáng)輻射，同時(shí)高側(cè)窗開(kāi)啟，形成煙囪拔風(fēng)效應(yīng)，以帶走室內(nèi)熱量，并降低濕度；在冬季，高側(cè)窗關(guān)閉，避免熱量外流，減少室內(nèi)熱損失，并且白天將遮陽(yáng)百葉開(kāi)啟，增加太陽(yáng)輻射，夜晚將百葉關(guān)閉，鎖住室內(nèi)熱量。

圖4 可變式天井系統(tǒng)分析

（四）其他被動(dòng)式設(shè)計(jì)

遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

遮陽(yáng)采用固定式遮陽(yáng)，其出挑長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用秋分日的太陽(yáng)高度角為基準(zhǔn)，以使盡量避免夏季太陽(yáng)直射，同時(shí)又不影響冬天的陽(yáng)光。

通風(fēng)屋頂

屋頂設(shè)計(jì)為通風(fēng)屋頂，在檐口下方做成通風(fēng)花格，以增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)效果。

植物的利用

方案增加了對(duì)植物的靈活運(yùn)用。如圖5所示，在一層臥室南向設(shè)計(jì)了一個(gè)植物網(wǎng)架，夏季可做遮陽(yáng)，而冬季植物枯萎，可以使房間享受太陽(yáng)照射。另外，利用同樣的原理，在西曬墻外部做了一個(gè)植物防曬金屬架。

圖5 植物的利用

總結(jié)：

本文認(rèn)為，利用被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)可以改善室內(nèi)微氣候環(huán)境，從而真正達(dá)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(diǎn)、材料的生態(tài)特性及耐候性、構(gòu)件的成本及中國(guó)的國(guó)情，本文設(shè)計(jì)了一系列被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)以適合夏熱冬冷地區(qū)復(fù)雜的太陽(yáng)能利用需求。這些“可調(diào)節(jié)附加構(gòu)件”在解決建筑之舒適性及能耗問(wèn)題的同時(shí)，也將對(duì)建筑的立面產(chǎn)生重要影響，從類型學(xué)角度看，這也是一個(gè)值得建筑師探討的領(lǐng)域。本文雖以農(nóng)村住宅為研究對(duì)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(lái)源于作者自制。

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

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

[3］周鐵軍.長(zhǎng)江流域城市住宅建筑遮陽(yáng)問(wèn)題分析.綠色建筑實(shí)踐，2010（2）.

[4］余小平.淺析夏熱冬冷地區(qū)低能耗住宅技術(shù)路線.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（3）.