林 敏

1 北方寒冷地區(qū)居住區(qū)太陽能資源

1.1 北方寒冷地區(qū)日照時數(shù)

對于我國北方的大部分地區(qū)，從光氣候分區(qū)圖上可以看到，整個華北和西北都處于Ⅱ和Ⅲ氣候區(qū)，日照資源充足，雖然近年因為全球變暖，氣候有所變化，但從近幾年我國主要城市日照時數(shù)統(tǒng)計情況來看(見表1)，各城市的日照情況基本上還與光氣候分區(qū)相符，北緯35°以北的大部分城市，冬季晴天天數(shù)在半數(shù)以上，日照資源比較充足。在這些地區(qū)進(jìn)行充分合理的日照設(shè)計，在節(jié)約使用土地的前提下，充分利用太陽能，為建筑提供舒適的溫度環(huán)境，并有效降低建筑能耗，其意義就顯得尤其重大。表1中列出了我國部分城市在1999年～2003年之間11月～3月份總?cè)照諘r數(shù)的統(tǒng)計[1]。

1.2 北方寒冷地區(qū)住宅小區(qū)日照資源

由于城市用地緊張，在進(jìn)行居住區(qū)規(guī)劃時，均執(zhí)行GB 50180-93城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范[2]中住宅日照標(biāo)準(zhǔn)，見表2。北方寒冷地區(qū)主要集中在Ⅱ和Ⅲ氣候區(qū)，大寒日日照時數(shù)達(dá)到2 h或3 h，舊區(qū)改造可為 1 h，即可滿足規(guī)范要求，因此，設(shè)計人員普遍認(rèn)為城市的太陽能資源匱乏，無法充分利用，為此，本文特以石家莊某小區(qū)為例，對整個小區(qū)的日照資源進(jìn)行分析。

表1 部分城市1999年～2003年之間11月～3月份總?cè)照諘r數(shù)統(tǒng)計 h

表2 住宅建筑日照標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 對某一日照最不利的住宅樓進(jìn)行分析

利用日照分析軟件，對某棟日照最不利的住宅樓進(jìn)行逐層日照時間分析，見表3。

表3 石家莊某建筑大寒日逐層日照時間統(tǒng)計

根據(jù)以上分析可得，在同一座建筑物中由于周圍建筑物的遮擋，每個樓層的日照資源不同，7層以上的南向墻面日照時間為7 h以上，日照資源豐富。

1.2.2 對整個小區(qū)進(jìn)行分析

表4 石家莊某小區(qū)大寒日日照時間統(tǒng)計

通過表4可得，本小區(qū)日照時間在7 h以上的南向房間面積占南向房間總面積的54.07%，6 h以上的南向房間面積占南向房間總面積的60.93%，這些房間的日照資源較為豐富，如何很好利用這些房間的太陽能資源，是值得認(rèn)真研究的問題。

2 北方寒冷地區(qū)居住區(qū)太陽能資源利用

合理選擇太陽能利用方式，是居住小區(qū)太陽能利用的關(guān)鍵，對太陽能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式，在建筑中主要利用的是光熱與光電轉(zhuǎn)換。建筑中太陽能利用技術(shù)體系主要可歸納為三個層次:被動式太陽能系統(tǒng)、太陽能熱利用技術(shù)系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.1 小區(qū)規(guī)劃和建筑設(shè)計中太陽能的利用

在規(guī)劃中建筑群體的不同方位、體形、間距、高低及道路網(wǎng)的布置、廣場綠地的分布等都會影響規(guī)劃區(qū)的微氣候，影響建筑的日照和通風(fēng)，影響到建筑的能耗。為合理的規(guī)劃小區(qū)，確保每棟建筑的有效日照和最大的接收太陽能，可利用“太陽圍合體”(Solar Envelope)對建筑形態(tài)進(jìn)行控制。

“太陽圍合體”方法是針對特定的區(qū)域空間，通過調(diào)整圍合建筑各立面的法線方向，使建筑在不遮擋臨近建筑物日照的情況下達(dá)到最大的體積容量。目前“太陽圍合體”設(shè)計可以方便的在計算機(jī)中進(jìn)行操作。

在建筑設(shè)計過程中應(yīng)區(qū)別不同位置、不同樓層，進(jìn)行外窗節(jié)能設(shè)計，有充足日照條件的住宅或樓層，應(yīng)利用太陽能建筑的理念，增加太陽得熱，減少暖氣的使用，日照資源少的住宅或樓層，嚴(yán)格控制窗墻比和飄窗的使用，使整個小區(qū)成為高效利用太陽能的有機(jī)體。在上述小區(qū)外窗設(shè)計的時候，應(yīng)充分考慮各樓層之間的日照差別，改變外窗上下一致的習(xí)慣做法，日照較少的6層及以下各層，嚴(yán)格控制窗墻比以及外飄窗的使用，7層及以上則可盡量利用充足的日照，增加窗墻比，采用外飄窗，增加外窗得熱，達(dá)到節(jié)能效果。

2.2 建筑構(gòu)件與太陽能元件的一體化設(shè)計

太陽能建筑一體化意味著把傳統(tǒng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)從能量散失的部分轉(zhuǎn)換成能量吸收部分，是將太陽能技術(shù)元件與建筑構(gòu)件的一體化，但這并非簡單地在建筑上安裝一些太陽能元件，而是將它們與建筑物本身一體化成建筑的組分。

外墻體是高層住宅接收太陽最多的表面，太陽能的應(yīng)用將進(jìn)一步優(yōu)化墻體，現(xiàn)已革新出多種墻體構(gòu)造和材料，如集熱蓄熱墻、透明絕熱材料以及附加于墻體的集熱器等。此外，太陽能集熱器、光伏電池還可與外墻組成“復(fù)合型”墻體，如太陽能保溫墻板、太陽能集熱器墻體、光伏墻體等，這些板兼裝飾、能量與美觀于一體。近來發(fā)展的太陽墻，是一種將太陽能集熱與通風(fēng)相結(jié)合的技術(shù)。

屋面因不受遮擋，其對于太陽能部件具備良好的結(jié)合條件，可以選擇集熱器或光電板的最佳接收輻射的角度，也可以根據(jù)造型的需要設(shè)計出優(yōu)美的屋面外形。但高層靠天取熱，難免遭遇“天臺之爭”，一幢一梯 8戶的 32層住宅，就有256戶住家，而屋面可供安裝太陽能集熱板的空間，不過幾百平方米，不可能保證家家用上太陽能。還可利用陽臺，陽臺圍欄外壁較適合安置分戶式集熱器系統(tǒng)，也可代替欄桿使用，真空管橫向布置還可增添建筑物橫向線條。另外還可以將陽臺封閉，處理成集熱太陽房。

帶有可調(diào)節(jié)遮陽的南向外窗的節(jié)能改造是建筑節(jié)能中的另一個重點(diǎn)，由于玻璃的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于墻體的傳熱系數(shù)，所以盡管窗在建筑外圍表面中占的比例不如墻面、屋頂大，但通過窗損失的熱量可能接近甚至超過墻體和屋頂。從太陽能利用角度來說，窗可以利用溫室效應(yīng)實現(xiàn)被動式采暖，也可通過自然通風(fēng)實現(xiàn)被動式降溫，從而具有雙重效果。冬季，盡量爭取多的太陽輻射，而在夏季則要防止太陽熱量進(jìn)入室內(nèi)?？烧{(diào)節(jié)角度的外遮陽能起到夏季阻擋太陽輻射熱、冬季提高保溫性能的作用，且不會遮擋視線，具有其他活動遮陽方式不可替代的優(yōu)點(diǎn)，非常適于寒冷地區(qū)住宅建筑的南向窗設(shè)計。

多層玻璃構(gòu)造可應(yīng)用于住宅的窗設(shè)計中。其基本形式是安裝內(nèi)外層玻璃，內(nèi)外層間的空腔中設(shè)置可調(diào)節(jié)百葉遮陽，同時內(nèi)外層玻璃都要設(shè)置可開啟通風(fēng)口。一般而言，多層玻璃構(gòu)造窗的空腔厚度為500 mm，遮陽百葉距離內(nèi)層玻璃300 mm;內(nèi)層使用小間隙雙層玻璃，外層用鋼化玻璃，保護(hù)內(nèi)部遮陽百葉。夏季白天，遮陽百葉閉合，阻擋太陽光輻射，同時通風(fēng)口打開，利用自然通風(fēng)排出空腔中的熱量;夏季夜晚，百葉轉(zhuǎn)動打開，以利于室內(nèi)的冷輻射帶走熱量。冬季白天，空腔內(nèi)百葉轉(zhuǎn)動打開使得太陽光輻射進(jìn)入室內(nèi)，改善室內(nèi)的光熱環(huán)境，同時通風(fēng)口閉合使空腔內(nèi)形成密閉空氣隔離層，增加窗的保溫性能;冬季夜晚，百葉閉合，以減小室內(nèi)冷輻射帶來的熱量散失。

綜上所述，對太陽能的利用要具有地域性，它意味著要針對我國的社會發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)能力、區(qū)域氣候、生活需求和地域文化等多種因素，通過集合的技術(shù)策略、系統(tǒng)的設(shè)計方法和政策導(dǎo)向機(jī)制三方面共同建立有效的設(shè)計體系，從而推進(jìn)太陽能在住宅中利用的快速發(fā)展。

[1] 曹立輝.中國北方居住小區(qū)日照環(huán)境設(shè)計與研究[D].天津:天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005:38.

[2] GB 50180-93，城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范[S].