党怡天

摘 要：本文首先分析了太阳能资源的适用背景及分布现状，确定太阳能采暖的利用价值;然后介绍被动式太阳能技术的原理、适用范围、经济适用性，并提出该技术面临的问题，分析宁夏回族自治区农宅和北京山地等案例;最后展望了该技术在国内的发展前景。

关键词：被动式;太阳房采暖;建筑设计

中图分类号：TU832.17文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）07-0119-03

Application Status and Development Prospect of Passive Solar Heating Technology in China

DANG Yitian

（Department of Architecture， Shanghai Academy of Fine Arts， Shanghai University，Shanghai 200042）

Abstract： This paper first sorted out the background and distribution of solar energy resources， and determined the utilization value of solar heating. Then， the principle， scope of application and economic applicability of passive solar energy technology were introduced， and the problems faced by the technology were put forward， and the cases of rural houses in Ningxia and mountainous areas in Beijing were analyzed; Finally， the development prospect of this technology in China was prospected.

Keywords： passive;solar room heating;architectural design

近年来，我国工业化和城市化进程不断加快，建筑业发展迅速，这增加了我国能源的消耗。相关数据显示，建筑能耗结构中有2/3的能源用于建筑采暖、制冷和热水供应。因此，实现建筑节能的一个有效途径是充分利用太阳能进行采暖、降温和热水供应。

我国有丰富的太阳能资源，2/3以上地区的年太阳辐射量超过每平方米5 000 MJ[1]。受地理和气候因素的影响，太阳能分布呈现出明显的地域性。充分利用丰富的太阳能资源，解决其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量的问题，是利用太阳能实现建筑节能的关键所在。

将太阳能技术运用于当前建筑设计中，既能满足建筑的能源需求，又能充分利用太阳能资源，加快太陽能产业的发展。此外，太阳能的有效利用还可以大大减少其他不可再生能源的浪费，减少环境污染问题。因此，对被动式太阳能建筑的设计进行研究具有十分重要的价值。

1 被动式太阳能采暖的原理

被动式太阳能建筑是利用太阳能提供的室内热能，不需要任何机械设备提供能源，仅仅依靠传导、对流和辐射的自然热传递。加上通过建筑物的布置、内外构造及材料选择有效地采集、储存和分配太阳能，提高建筑的温度和光线，使建筑物具有温暖明亮的环境。被动式太阳房采暖原理如图1所示。该建筑是利用温室效应的原理来加热房间的。玻璃具有能透过太阳辐射热而不能透过红外热的特点。当太阳辐射热透过玻璃后，会被某种材料吸收，该材料辐射后的红外热就不能透过玻璃再返回到室外[2]。

2 国内被动式太阳能采暖应用现状

2.1 适用范围

谢琳娜利用建筑气候设计原理，结合我国的太阳能资源分布情况，分析了不同气候区室外气候条件与热舒适区关系，建立了不同气候区被动式太阳能建筑设计的边界条件[3]。同时，强调被动太阳能的设计应着重考虑建筑朝向、体形和热质材质等，以适应不同的气候条件。

2.2 经济可行性

与传统的采暖供热系统相比，太阳能采暖系统具有初期投资大、运行费用低等特点。初期投资大是由于太阳能集热系统增加，运行费用低是由于常规能源的消耗减少。

石金凤以桃李坪村为例，运用动态年计算费用法分析了7种村镇住宅建筑太阳能供热系统利用方案的技术经济性[4]，结果如表1所示。

通过比较上述7种方案可以看出，对住宅进行节能改造后，即使只是简单的外保温，每年的计算费用也大幅度降低，在很大幅度上提升了经济性。

2.3 存在的问题

2.3.1 理论方面。陈其针提出，被动式太阳能建筑热舒适性的计算、分析，从理论上来说是一个难题[5]。太阳能被动式供暖形式可以改善室内热舒适性，降低采暖能耗，但是太阳能受太阳辐射、室外温度等不可控因素的影响较大，不稳定的特点明显。而且，建筑结构的对流、辐射换热、导热等形式都呈现出不稳定性，理论研究成为难题。

2.3.2 技术方面。从实际工程应用可以看出，目前，我国已建成了多个单体建筑的太阳能供热采暖工程，但太阳能区域供热采暖工程还未应用于实际生活中。太阳能采暖不适合集中供暖，只适合分户单体供暖，这一问题还有待研究解决。

2.3.3 经济方面。被动式太阳能建筑具有节能、经济实用性强的特点，但相对于主动式太阳能建筑存在供热效果较差、初期投资较高、太阳辐射热不稳定性等问题，群众广泛接受还需要一个过程。部分专家在计算过程中考虑到了初期投资的时间价值，对太阳能利用方案采用复利法的动态年计算费用法进行技术经济分析，但未考虑辅助能源初始价格的变化。

2.3.4 区域方面。受气候影响，不同地区的太阳能辐射量也截然不同，太阳能富足地区可以在保证室内热舒适的同时，基本实现“零采暖能耗”的目标;但太阳能不足的地区，实现这一目标的难度较大。结合当地气候和自然能源设计太阳能被动式供暖系统仍是一个复杂的问题，而且在夏热冬冷地区，太阳能在发展过程中仍有很多需要突破的地方，以应对夏热冬冷地区气候的变化。

3 案例分析

3.1 宁夏回族自治区太阳能绿色低碳农宅

示范建筑位于宁夏回族自治区银川市平罗县，建筑外观如图2和图3所示，建筑设计采用主、被动太阳能供暖系统运行方式。刘娟对房间供暖耗热量和太阳能集热器面积进行计算，对示范农宅温度进行测试及分析，对示范农宅经济性进行探讨。结果表明，通过采用平板太阳能供暖系统，被动式太阳房、围护结构保温等节能技术不仅达到了供暖的目的，而且实现了低碳、舒适的效果。该建筑在改善农村居住环境，提高居住舒适性、节能减排方面效果明显，适宜持续发展[6]。

3.2 北京太阳能山地建筑

霍进从建筑设计角度完善了不同类型山地太阳房的建造模式，提出了一种基于被动式山地住宅的太阳能水箱蓄热系统，在北京山地基本可以实现太阳能独立供暖，并将该系统应用到山地住宅方案设计中，对取暖效果进行计算[7]。

4 国内被动式太阳能采暖技术发展前景

当前，我国农村住宅相对分散、密度低，集中供暖模式投资大、维护水平高，因此，其不适用于农村地区。而太阳能作为一种可再生的清洁能源，无须开采和输运，方便安全、价格低廉、环保，符合社会主义新农村建设的要求。现阶段，我国被动式采暖系统仍有许多难以解决的问题，但基于国内被动式太阳能采暖技术、实践的整理、分析，可以认定被动式太阳能采暖系统是一种理想化的节能建筑，相对于传统被动式建筑，新型太阳能建筑能提高太阳能利用率，增强室内热舒适性。而且随着社会的发展、技术的突破、政策的支持，相信太阳能建筑发展前景广阔，是能源建设更好地实现可持续发展的重要组成部分。蔡伟在《新农村建设中太阳能采暖技术的应用》一文中，分析了被动式太阳能采暖技术的效益问题[8]。

4.1 经济效益

以单个居民住宅采暖系统为例，在管路相同、供回水温度相同的情况下，分别采用燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、低温电热膜辐射采暖、太阳能采暖进行比较分析。结果表明，太阳能采暖费用最低，优势明显。

4.2 生态效益

从整体上讲，被动式太阳能采暖可以和建筑合为一体，整体和谐，既不影响建筑美观，又节省能源，符合功能化、美观化和生态化的发展方向。从生态保护上来说，被动式太阳能采暖可节省大量化石能源，减少污染物，还可将农村秸秆、树枝等生物质能转化为商品资源，降低农民用能支出，改善大气环境，实现农业废弃物再利用，为乡村振兴提供强有力的支持。

4.3 社会效益

作为新能源利用技术，被动式太阳能采暖有利于整体能源结构调整，其社会效益体现在环境保护、农村生活条件改善以及对农村经济发展的带动等方面。太阳能采暖可节省大量化石能源，降低农民用能支出，减少污染，为可持续发展提供强有力的支持。尤其是随着经济社会的发展，常规能源价格定会不断上涨，污染治理的成本也会大幅上升，被动式太阳能采暖技术应用的社会效益将会更加凸显。

5 结语

我国太阳能资源十分丰富，被动式太阳能采暖技术日臻成熟，在我国农村建设中具有广阔的应用前景。被动式太阳能采暖能降低农村采暖负担，洁净、卫生、安全，具有良好的舒适性和节能性，对我国经济、环境和能源建设具有积极的推动作用，在推进乡村振兴中有较好的社会效益和推广前景。将被动式太阳能技术应用在解决住宅建筑采暖问题的同时，应注重与建筑设计的结合，通过建筑空间形体和建筑构件的创造性设计，以满足节能环保的要求，实现建筑形式的创新。

参考文献：

[1]于涛，赵玉清，乔春珍，等.主被动结合式太阳房的研究现状及展望[J].太阳能，2015（1）：66-70.

[2]鲍玲玲，李亚楠.我国太阳房采暖技术研究综述[J].洁净与空调技术，2017（2）：15-22.

[3]谢琳娜.被动式太阳能建筑设计气候分区研究[D].西安：西安建筑科技大学，2006：45.

[4]石金凤.村镇住宅建筑太阳能供热系统技术经济分析[D].西安：西安建筑科技大學，2009：15.

[5]陈其针.被动式太阳能建筑结合相变墙体在沈阳地区的应用研究[D].重庆：重庆大学，2010：6.

[6]刘娟，刘蕙兰，张建中.宁夏太阳能绿色低碳农宅的试验研究[J].暖通空调，2014（8）：52-56，73.

[7]霍进.北京山地建筑太阳能直接利用的若干问题研究[D].北京：北方工业大学，2013：4.

[8]蔡伟.新农村建设中太阳能采暖技术的应用[D].合肥：安徽农业科学，2007：10.