夏热冬冷地区建筑可应变被动式太阳能采暖方式探析

摘要：建筑生态设计所关注的的视角应从依靠设备技术解决问题转向从建筑师的角度对建筑界面进行可应变设计。针对我国夏热冬冷地区的气候特点，提出了被动式采暖的应用在冬季和夏季产生的矛盾，探析了传统的被动式太阳能采暖方式能应对夏季特征的设计方式。

关键词：夏热冬冷被动式太阳能采暖 可应变

中图分类号：TK511文献标识码： A 文章编号：

近年来由于环境污染、二氧化碳排放过量，我国夏季炎热冬季寒冷的特征越来越明显，尤其在夏热冬冷地区，冬夏持续时间长，气温变化大，非采暖地区在冬季面临着极大的空调能耗问题。

随着全球生态环境保成为热点，建筑生态设计所关注的视角应从依靠设备技术解决问题转向从建筑师的角度出发，将建筑界面的可应变设计作为更重要的发展途径。在建筑设计中通过被动式太阳能设计进行采暖是降低建筑能耗的有效方法，然而对于夏热冬冷地区，重要的矛盾在于，建筑物的冬季性能主要是隔热、气密、集热、蓄热，夏季性能主要是通风、夜间换气、隔热、夜间辐射、蓄冷。两个季节的建筑特征恰好相反，因此在被动式太阳能采暖设计的同时要考虑其带来的夏季负面效应，针对建筑的夏季特征做出应变的设计。

1直接受益系统

直接受益是指阳光直接透过南向窗户，室内构件作为蓄热体。对于直接受益系统应使用蓄热量大的材料建造墙体、地板等构件。针对夏季的应变设计，则需要考虑避免过多的蓄热量以及使热量向室外空气中尽快散失的问题。法国马赛的一组两层节能住宅有着这样的设计：在每户的南向墙面仅仅开必要的窗洞，60%的面积用蓄热量较大的厚墙筑成，并且在墙外侧附加一层较宽且能翻转的铝百叶板，和蓄热墙间形成空气间层，通过调节百叶改变空气间层的封闭程度。冬季白天开启百叶板使蓄热墙接受太阳辐射贮存热量，夜间关闭使之向室内散发热量。夏季的处理正好相反，白天关闭百叶但留进风口和出风口保证蓄热墙尽量少蓄积热量，夜间则开启百叶使热量尽快散发。(图1.1)

2 蓄热墙式系统

2.1特隆布墙体

特隆布墙体（trombe wall）是一种通过玻璃和墙体的构造组合形成的界面，由法国工程师Trombe Michel在20世纪60年代提出。(图2.1)其构造是将表面涂成深色的蓄热墙体置于一个南向的玻璃界面后。这是一种兼具玻璃温室效应和烟囱效应的界面，利用被动式太阳能既能在冬季借助温室效应采暖，又能在夏季促进通风降温，实现双极控制。

将特隆布墙体与窗体组合起来运用也是一种可以尝试的方法。例如图2.2中用简单的图示表达了这种考虑，将特隆布墙体和窗体进行一定角度的结合，冬季上午通过窗体获取太阳辐射，下午特隆布墙体又为夜晚蓄积热量。针对夏季，这种组合装置需要做一定的应变设计，窗体设置可调的遮阳装置，而特隆布墙体中玻璃与蓄热墙体之间的空腔则应有能打开的通风口，或者能将玻璃打开而避免温室效应。(图2.2)

2.2水墙

图2.3 拜尔住宅水墙构造

图片来源：《建筑师技术设计指南

――采暖、降温、照明》

根据特隆布墙的原理，可以利用水蓄热系数高的特点，构造出一种水墙式界面。水墙由竖向管道状容器组成，这些管子通常是由半透明或透明的塑料制成的，以便光线透入室内，管中的水可以是清澈的，也可以加入任何颜色[30]，这使其构成的建筑界面在阳光的折射下将会获得很美的光影效果。太阳能专家史蒂夫・拜尔（Steve Baer）在美国墨西哥州为自己设计了一栋住宅，在玻璃内侧用装满水的圆桶垒成厚墙充当蓄热墙，圆桶向玻璃的一侧涂成黑色，向室内的一侧涂成白色，玻璃外侧设计了一组隔热百叶窗，在室内通过一根绳索可将其升起或放倒。冬季白天，将百叶窗放倒至地面，作为反射器，以增加太阳能的采集；冬季夜晚，将百叶窗升起，减少热量向大气的散失。夏季则相反，白天将百叶窗升起，减少太阳辐射热；晚上将其放倒，加快热量的散失。(图2.3)

另外，还可以利用水的流动性，将水充入墙体内的间层或导管内，通过调节间层或导管内水量的多少对墙体的隔热性能及热容量进行控制。若将此种墙应用于夏热冬冷地区建筑的西墙，冬季墙体导管内不充水，空气间层加大，隔热性能提高而有利于保温；夏季使腔内充满循环流水，大部分太阳辐射热被水流吸收带走，既阻隔了日晒，又获得了热水[31]。这是一种很好的应变设计，实际操作上的问题在于前期投入大，维护技术复杂。

3 被动式太阳房

为了使太阳能有效集热，可设置被动式太阳房达到采暖目的。例如利用建筑南向的缓冲空间，如阳台、通廊、小门厅或者屋顶空间，设置蓄热体，在太阳辐射作用下，缓冲区升温改善冬季室内舒适条件。但要注意处理夜间由于玻璃面积大造成的夜间散热量增加的问题，一般设可调节的覆盖体，夜间将玻璃面覆盖以保存热量。在夏季，则应解决好遮阳问题，设置可调节的百叶装置，并使玻璃面能够尽量多的开启，以利于夜间通风。被动式太阳房有以下几种常用的方式：(图3. 1)

3.1直接型太阳房

位于阳光房和内部空间之间的落地窗使阳光能直射入室内，在玻璃窗上设开启窗，组织内外空间的热气流循环。还可在室内设置蓄热墙，白天通过墙壁、地板蓄热，夜间可拉下保温窗帘，蓄热体将热量逐渐释放出来。夏季则要做好白天遮阳的处理，夜间应能使阳光房的玻璃能尽量打开。阳光间里若种植植物，能形成富氧的室内空间。

3.2对流式太阳房

将位于阳光房和内部空间之间设置蓄热墙，在墙上开设上下通风口，组织内外空间的热气流循环。蓄热墙上还可以少量开窗，使室内可以直接获得阳光辐射热和自然采光。还可用蓄水体作为蓄热墙。夏季的设计原理与直接型太阳房相同。

3.3辅助型太阳房

图3. 2 吉沃尼的屋顶辐射捕捉系统

图片来源：作者根据资料自绘

将太阳房的屋顶做蓄水池或设置装满水的塑料袋，白天太阳光将水加热，受热的天花板以辐射的方式将热量传递到室内，夜间“水池”盖上保温盖板，继续向室内散热，保持室内温度。夏天，只需白天盖上板，夜间打开便可起到隔热降温的作用。吉沃尼研制了一种屋顶辐射捕捉系统，屋顶由两层屋面形成空腔，倾斜的屋面根据太阳高度角和朝向确定。冬季百叶打开，屋顶形成一个蓄热系统，夏季百叶关闭，屋顶则成为隔热间层。(图3. 2)

结语

现今的建筑，与自然相适应的要求越来越强烈。这种和谐的共生关系则在于建筑界面的应变，作为建筑师，也应该减少对设备的依赖，而回归到注重被动式设计所带来的舒适性。将传统被动式采暖方式针对季节的变化而做出应变设计，这样才是真正可持续的发展途径。

参考文献：

诺伯特・莱希纳.建筑师技术设计指南――采暖、降温、照明[M].张利,周玉鹏, 汤羽扬等译.北京:中国建筑工业出版社, 2004: 153

吕爱民.应变建筑――大陆性气候的生态策略[M].上海:同济大学出版社, 2003: 110