摘要：本文通过对夏热冬冷地区多层太阳能住宅展开分析，对该地区太阳能住宅的空间、墙体、窗户、阳台、屋顶等住宅设计的几个重要要素提出了降温与采暖的设计策略，试图以切实可行的太阳能设计手法满足夏热冬冷地区住宅节能的需求。
关键词：冬冷夏热地区、太阳能住宅、设计策略
湖北省教育厅人文社会科学研究项目《冬冷夏热地区可再生能源建筑住宅节能设计研究——以武汉市为例》，编号：15G181
一、冬冷夏热地区太阳能住宅的概述
冬冷夏热地区的气候是世界上相同纬度下气候条件较差的地区，极端最高气温很高是夏热冬冷地区的一大特点。在我国，冬冷夏热地区节能量就占到全国新建住宅建筑节能总量的50.8%。武汉市的地理位置属于北亚热带季风性气候，常年雨量充沛，热量丰富，是典型的冬冷夏热地区。
相对于西北地区常年持续稳定的日照而言，冬冷夏热地区的日照具有夏季太阳能资源丰富。冬季相对贫乏的特点，但根据居民生活习惯，夏季恰好是洗浴热水需求量最大的时期，正好可以对太阳能光热资源进行充分利用，以此作为生活热水的辅助热源。
对冬冷夏热地区的太阳能住宅进行设计的作用在于，一方面，满足消费者的室内舒适性要求。另一方面，先进的建筑技术、材料和设备可以使室内环境越来越贴近人们的生活需求，满足消费者减少能源消费的需求。
二、美国“聪明屋”太阳能住宅
美国的“聪明屋太阳能住宅”由建筑师米歇尔?考夫曼设计，占地232平方米，在美国芝加哥市科学和工业博物馆外向公众展出。“聪明屋”的卫生间瓷砖由回收的酒瓶制作，木地板选用经久耐用的竹子制造，花园由收集在1135升水桶里的雨水喷灌。此外，露台由回收塑料制作，屋顶就是太阳能板。“聪明屋”只消耗传统住宅不到一半的能量和三分之一的水。厨房台面和水槽由燃煤的副产品粉煤灰制成。浴池的水被引入厕所用来冲马桶。更妙的是，儿童卧室中有一辆自行车，孩子如果想玩电子游戏就必须先骑车30分钟给电池充电。该设计方案通过多种方法实现了住宅的节能减排，如回收物品的利用、太阳能的获取、水的有效利用等，为太阳能的有效利用提供了经验与参考。
三、太阳能住宅的设计策略
目前，武汉市普通住宅的能耗问题异常严重，通过实地考察，笔者认为主要存在如下几个方面的问题：1.窗户数量多，窗墙比过大；未采取遮阳措施；开窗随意，未考虑到通风的气流组织。2.住户擅自封闭阳台，造成冬天暖房，夏天桑拿房。3.屋顶普遍没有保暖和降温措施，大多以平屋顶为主。因此，对太阳能住宅的设计策略主要从平面空间布局、墙体、窗户、阳台、屋顶几个方面展开，以期针对性的解决武汉市住宅的设计与改造。
（一）平面空间的设计
平面空间的组织应遵守用途分类和温度分区的原则，即主要房间，如起居室、餐厅以及卧室等对温度要求较高，房间宜布置于南向，以充分接受太阳能；次要房间，如卫生间、厨房与楼梯走到能对温度要求不高者可将其布置于其它朝向。并且这些房间窗开设面积不大，这对减少热损失有利。楼梯间应该高出屋面，一方面，形成温度缓冲层，不会对顶层房间造成过热的影响，另一方面增加入、出风口的高度差，提高通风效果。且楼梯间突出屋顶的部分涂深色涂料，或者用铝或用玻璃，增加太阳能热量的吸收，提高楼梯间顶部温度，增加楼梯间温度差，加强通风效果。冬天应关闭风口，做好防风处理。
（二）墙体的设计
冬季要尽量减少热损失，夏季要尽量减少太阳辐射和从室外空气传入的热。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆活动式遮阳板将成为遮阳方式的首选。配合使用可开启式遮阳板将最大限度地利用夏热冬冷地区的太阳能资源。活动遮阳扳和墙体组合起来就是一种双层墙。寒冷的冬季，夜间关闭通气隔栅，形成空气层，防止向室外的二次辐射；白天打开通气隔栅，利用太阳光蓄热。另一方面，夏季的夜间，打开通气隔栅，使墙体中的热向室外空气中散发；白天关闭通气隔栅，反射太阳光，与此同时，利用空气层内的空气对流向外排热。隔栅可以用当地多产的自然材料，例如，在武汉可以使用竹子制作隔栅。
植物绿化生长周期具有可变化性，附着在墙体上的绿化也为墙体的设计带来了可变化的特性。西墙和南面墙通过栽种落叶攀缘植物，如爬山虎、葡萄、五味子、紫藤等。夏季，枝叶茂盛，可以遮挡太阳辐射、冷却空气。冬季，叶子落下后，只剩下枝条，白天可以使墙体直接接受太阳辐射。利用攀缘植物进行建筑物的垂直绿化，虽然可以防止阳光直射墙面，而且叶面蒸发与光合作用还会带走或转化一部分热量，但同时植物也使贴近墙面的空气滞留，阻碍微风把靠近墙面的热空气吹走。采用构架方式，使叶子和墙体面之间留有一定距离的空气层，进一步起到隔热、通风的作用。
（三）窗户的设计
由于夏热冬冷地区的极端气候地区的阳光双重性：冬季，尽量争取多的太阳辐射，而在夏季则要防止太阳热进入室内。无论多么先进的玻璃都难以同时兼顾上述要求。任何玻璃都顾此失彼，难以两全，所以，必须建立可调节的的遮阳窗系统。可调节外百叶系统作为一种可调节百叶外遮阳保温系统，完全能起到夏季阻挡太阳辐射热、冬季提高保温性能的作用，且不会遮挡视线，具有其它活动遮阳方式不可替代的优点，是适应夏热冬冷地区气候的窗设计手法。在夏天，一方面，外遮阳阻止了大部分辐射热进入室内，使室内温度在正午可以比无遮阳方式降低 5℃以上，大大降低了室内制冷能耗；另一方面，它使室内形成较均匀分布的温度场，更有利于满足人对舒适度的要求。
（四）阳台的设计
开敞阳台的楼板可以看作是下层房间的水平遮阳板。这对带有东、西向开敞阳台的房间的热舒适度有改善作用，但是对带有南向开敞阳台的房间，水平遮阳方式并不能有效减少其得热问题，同窗的遮阳一样，应该使用可变化的遮阳设计。
夏热冬冷地区很多住宅都安装了玻璃封闭凸阳台，作为了一种集热设施，它能有效改善阳台的热舒适性，也为与其毗邻的房间供热，是冬季人们休息、娱乐、养花、养鱼的一种较为舒适的室内环境。实质上形成了一个住宅的附加阳光间。 可仅有一层高的南向封闭阳台，其所产生烟囱效应远不敌温室效应。在夏季带来过热的严重问题。 大量实测结果表明，在夏季晴天气过程中，有封闭凸阳台的房间，室内气温比室外高，且夜晚不易散热。 因此，跟窗户设计一样，要为南向封闭阳台考虑可调节的遮阳设计
（五）屋顶的设计
绿色屋顶的构造层次一般由种植土、排水层、隔离层、保温层、防水层和基层组成。隔离层位于种植土与保温层之间，可阻止土壤进入保温层，也能阻止植物根扎入保温层，起到保护的作用，选择隔离材料一定要考虑植物根的穿刺破坏，一般设两道根系阻拦层。
屋顶绿化时植物品种的选择因栽种方式不同而不同。若直接覆土种植，当覆土厚度小于 20cm 时，不适宜栽种大灌木、乔木等，植物品种的选择受局限，这时可以采取盆植的方式。对于大面积屋顶覆土绿化，由于覆土厚度浅及屋顶负荷有限，加之屋顶日照足、风力大、湿度小、水分散发快等特殊的地理环境，要求植物需具备阳性、浅根系、耐旱以及抗风能力强等特点，体量也不能太大，可供选择的植物有地被类如各种草皮、美女缨等；灌木类如黄金榕、假连翘等；果蔬类如葡萄、青菜、佛手瓜等；爬藤类如爬山虎、炮仗花等，以及各种树桩盆景。
综上所述，由于夏热冬冷地区的气候极端性，我们可以为住宅设计可以调节的构件来满足气候变化的需求，也可以借助植物的变化生长规律赋予住宅以变化的外衣。但是，在现实的设计项目中，很多情况下住宅的原始条件如朝向、空间、体型无法改变，我们需要平衡各方面矛盾，不断探索，寻求更好更合理的设计手法。
论文作者:彭瑜
论文发表刊物:《文化研究》2017年2月
论文发表时间:2017/6/6
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