寒冷地区被动式太阳能利用与温室设计研究

行业分析171一、被动式太阳能的几种利用方式（一）直接受益式所谓直接受益式，就是冬季阳光直接透过透明围护结构照射在建筑物内，热量经由辐射、传导、对流等方式在室内空间进行传递。通过这些方式，当屋内有蓄热系数较大的重型构造时，过剩的热量能够贮存其中，从而使建筑内部温度减小波动的幅度。但是，当夏季室外温度过高，阳光照射过于强烈，会造成室内温度过高，这时需要设置灵活的遮阳设施以取舍阳光的照射。值得一提的是，当围护结构的保温性能尤其是透明围护结构的保温性能不能满足保温要求时，直接受益采暖方式只能在有阳光的时间段内满足正常使用，到了夜间需要对透明围护结构进行保温，如装置保温帘、保温板等，应尽可能放在室外侧，并尽可能地严密。（二）集热墙式1956 年，法国学者特朗勃（Trombe）等提出了一种高效节能的集热方案，就是在南向太阳窗后直接筑起一道深色重型结构墙，阳光经由透明围护结构直接照射在集热墙上，墙的外表面温度升高，所吸收的太阳热量一部分向室外逸散；一部分加热透明围护结构与墙体间的空气层，特朗勃墙上及底部有通风口，当空气被加热、密度变小、升高，会由通风口流入室内，通过对流的方式对室内温度进行加热；第三部分由集热墙体传导直接加热室内空气。但需注意，应根据特朗勃墙的特点灵活设置特朗勃墙的位置从而避免导致夏季室内温度过高。（三）附加日光间式日光间直接附在建筑的南部，能够直接受到阳光的照射，室内温度直接受到阳光照射的影响，因而温度会有较大的波动。日光间的空气被加热后，能够直接加热相邻房间，或者加以储存待到没有阳光照射时使用。也就是说，日光间同时也是一个温室。以上三种是采用较多的被动式太阳能采暖方式，在使用过程中可以根据实际情况灵活运用。但是当利用被动式太阳能手段的时候，必须使建筑的外围护结构具有良好的保温性能，这是因为建筑物获得的太阳热能有限，在外围护结构的平均传热系数很大时，会使被动式采暖系统变得毫无意义。二、被动式太阳能与温室设计方案（一）寒冷地区温室设计要点根据寒冷地区的气候特点，为了保证温室的基本功能，设计过程中应首要保证冬季的保温情况，其次应保证夏季室内温度在通风条件下应适合植物生长，另外，在夏季兼顾室内温度的同时还需要保证光照时常不会对植物生长造成影响。（二）温室整体设计思路温室整体作为附加日光间，在其中布置集热墙，以此保证冬季的保温。考虑到温室的基础作用和构造形式，放弃传统的将集热墙布置在最南端的方式，选择将特朗勃集热墙安排在温室北端，考虑到温室的采光，温室的屋顶设计为透明围护结构，这样，将集热墙放置在北端并不会影响墙体的正常工作。此外，为了防止夏季室内温度过高，北端集热墙与室内连接处将设置通风间层，有条件的可以在间层中使用地冷空调，利用热压实现通风散热。为了同时满足冬季与夏季的要求，温室的整体应能够灵活调节，方便使用。最后，为了满足使用过程中的实际使用需求，可对一些材料进行替代。（三）设计方案在冬季时，可将双层 ETFE 膜分隔窗推至矮墙处，矮墙与窗台间的区域能够形成加热区，使空气加热，这时窗台下的四个通风口是打开的，特朗勃墙上的通风口以及光伏板是闭合的，阳光透过顶部双层中空玻璃，可对集热墙加热。由于地面温度低导致接近地面的空气温度低，当空气通过集热墙和阳光加热后，热空气上升，冷空气下降，从而使整个房间的温度得到提升。到了夏季，白天双层 ETFE 膜分隔窗拉至窗台，这时所有通风孔都打开，光伏板抬起，由于热压与风压的作用，可将地下的冷空气经由通风间层向上流动，从而达到通风降温的目的。在夜里以及雷雨天气，可以将窗台的挡板以及光伏板落下，从而避免温度流失。除了特朗勃集热墙以及固定玻璃幕墙，整个围护结构由现浇混凝土构成，但可以根据实际情况对材料进行替代。另外，在北端特朗勃集热墙与固定玻璃幕墙之间装有一蓄电池，能够储存光伏板产生的电量，提供给温室日常使用。（四）补充方案综合以上设计方案，为了能够更好保证冬季温度过低和夏季过热的问题，可以采取以下措施进行补充：（1）加强透明围护结构的保温性能，以减少冬季夜间的热量流失。可在冬季的夜间在透明围护结构的室外侧加装保温板或保温帘，这样能显著提升透明围护结构的保温性能。（2）为保证温室的光照时长，本方案选择了南向较大的窗墙面积比，在实际的建设过程，在保证温室功能的前提下，可以酌情减小窗墙面积比。（3）外部环境对温室的影响也很明显。可以选择在温室周围种植落叶乔木，在夏季能够显著减少太阳辐射，从而使室内降温。（4）在建设过程中，需要根据当地地形地貌，合理选择建筑方位和朝向，并且应合理布置温室与住宅间的关系。三、结语通过对寒冷地区被动式太阳能利用与温室设计的研究，希望借此来解决目前人们日益增长的各种需求与自然环境和生活环境亟需改善的矛盾。被动式太阳能是解决好寒冷地区传统温室各种弊端的有效方法，见微知著，被动式太阳能技术在未来我国的建筑领域还有更大的发展空间。参考文献：1 刘加平 . 建筑物理 M. 北京 : 中国建筑工业出版社，2009.2 柳孝图 . 建筑物理环境与设计 .M. 北京 : 中国建筑工业出版社，2007.3 谷海东，唐鸣放，王  科 . 夏热冬冷地区被动太阳能利用与夏季防热设计研究 J. 建筑节能，2010，38(238).作者简介：任哲（1993-），男，汉，在读学生，专业：土木工程。寒冷地区被动式太阳能利用与温室设计研究任哲，李宏魁，贵杭，秦帆（黄河科技学院建筑工程学院，河南 郑州 450000）摘  要： 寒冷地区的传统温室存在供热途径单一，耗热量巨大，污染严重的弊端，并且在夏季不具备良好的通风环境，容易造成室内温度过高，不利于植物以及农作物的生长。通过被动式太阳能技术的利用，立足于寒冷地区的气候条件，为解决传统温室的弊端，提出针对该地区温室的被动式太阳能技术的节能方案。关键词：寒冷地区；被动式太阳能；温室；设计研究DOI:10.19474/j.cnki.10-1156/f.001074