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1、太阳能建筑我国寒冷地区高校学生公寓生态设计与实践以山东建筑工程学院生态学生公寓为例王崇杰何文晶薛一冰【擒要】本文对山东建筑工程学院生态学生公寓在生态设计上所采用的策略和技术做了概括和总结，是对我国寒冷地区高校学生公寓生态设计的有益探索。【关键词】生态学生公寓生态策略太阳能节能近年来，我国高等院校的办学规模有了突飞猛进的发展，基础设施也随之大量扩建。1999年至2002年，全国新建大学生公寓超过3800万1212，改造1000万ITl2，是新中国成立50年间建设总量的1倍以上11。然而，通过对我国寒冷地区高校调查发现，学生公寓设计目前还存在着节能、提高室内空气品质和保持室内舒适性等方面的问题。为
2、了探索如何有效解决这些问题，我们结合山东建筑工程学院新校区学生公寓的建设，与加拿大可持续发展中心合作，兴建了生态学生公寓科技示范楼。该工程采用了生态建筑的设计理念和多项节能技术，投入使用两年来，达到了节能、环保、舒适、健康的目标，2005年被建设部授予建筑节能科技示范工程。一、建筑节能的总体策略(一)建筑设计生态公寓建筑面积2300m2，长22m，进深18m，高21m，共6层，72个房间，均为4人间。该公寓通过楼梯间与东部普通公寓相连接，外墙平直，体形系数为026。该公寓内廊式布局，北向房间的卫生间布置于房间北侧，作为温度阻尼区阻挡冬季北风的侵袭，有利于房间保温；南向房间的卫生间于房间内侧沿走
3、廊布置，南向外窗的尺寸得以扩大，便于冬季室内能够接受足够的太阳辐射热。744(-)围护结构采用砖混结构，使用黄河淤泥多孔砖、外墙外保温。西向、北向外墙在370mm厚多孔砖基础上敷设50mm厚挤塑板。南外墙窗下墙部分采用370mm厚多孔砖加20mm厚水泥珍珠岩保温砂浆，安装了太阳墙板的窗间墙部分外挂25mm厚挤塑板。楼梯间墙增加了40mm厚憎水树脂膨胀珍珠岩。屋顶保温层采用50mm厚聚苯乙烯泡沫板。外窗全部采用平开式真空节能窗。(三)供暖形式采用常规能源与太阳能相结合的供暖方式：南向房间采用被动式直接受益窗采暖，北向房间采用太阳墙系统；常规能源作补充，即房间配备低温辐射地板采暖系统，设有计量表和
4、温控阀，实现了有控制有计量。将温控阀设置在室内舒适温度18，先充分利用太阳提供的热能，如果室内达不到设定温度，温控阀自动打开，由常规采暖系统补上所需热量，达到节约常规能源的目的。(四)中水系统卫生间冲厕用水采用学校统一处理的中水。二、太阳能综合利用策略(一)太阳能采暖南向房间采用了比值为039的窗墙面积比，以直接受益窗的形式引入太阳热能，白天可获得采暖负荷的2535。北向房间采用加拿大技术太阳墙系统采暖。建筑南向墙面利用窗间墙和女儿墙的位置安装了157m2的深棕色太阳墙板。太阳墙加热的空气通过风机和管道输送到各层走廊和北向房间，有效解决了北向房间利用太阳能采暖的问题2】。太阳墙系统的总供风量为
5、6500m3h，每年可产生212GJ热量，9月到第二年5月可产生182GJ热量。夏季白天，太阳墙系统不运行，南向外窗受铝合金遮阳板遮蔽，能够防止过度辐射。太阳墙系统送风风机的启停由温度控制器控制，其传感器位于风机进风口处。当太阳墙内空气温度超过设定温度2时，风机启动向室内送风；低于设定温度1时关闭风机。这样能够保证送人室内的新风温度，并且允许空气温度在小范围内波动，避免风机频繁启停。(二)太阳能通风设置太阳能烟囱，利用热压加强室内自然通风是生态公寓的一个重要技术措施。通风烟囱位于公寓西墙外侧中部，与每层走廊通过6扇下悬窗连接，由槽型钢板围合而成，总高度272m，风帽高出屋面55m。充足的高度是
6、足够热压的保证，而且宽高比接近1：10，通风量最大，通风效果最好3|。夏季，烟囱吸收太阳光热，加热空腔内的空气，热空气上升，从顶部风口流出；在压力作用下各层走廊内的空气流人烟囱，房间内的空气通过开向走廊的通风窗流入走廊，如此加强了室内的自然通风，有利于降温。冬季，走廊开向通风烟囱的下悬窗关闭，烟囱对室内不再产生影响。(三)太阳能热水学生公寓屋顶上安装了太阳能热水系统。采用30组集热单元串并联结构，每组由40支P47X1500mm的横向真空管组成，四季接受日照稳定，可满足规范要求每天每个房间145连续45分钟提供120L热水。实行定时供水，供水前数分钟打开水泵，将管网中的凉水打回蓄热水箱，保证使
7、用时流出的都是热水，水温为5060。系统可独立运行，也可以辅以电能。10t的蓄热水箱放置于七层水箱间内，有利于保温和检修。为控制和平衡各房间的用水量，采用了智能控制系统，热水的使用由每个房间的热水控制器控制。使用时在控制器上输入密码打开电磁阀即可，水温水量可通过混水阀调节。密码需向公寓管理部门购买。(四)光伏发电在示范楼的南面，采用高效精确追踪式太阳能光伏发电系统，能够精确跟踪太阳运动，使光伏电池板始终垂直于太阳光线，效率比固定式高出近一倍。装机容量1500W，晴好天气每天可以发电12kWh左右，并设有蓄电设施，为生态公寓提供风机动力、走廊照明及室外环境照明。三、室内环境控制策略(一)对流通风
8、及新风系统房间向走廊开有推拉窗，位于分户门上方，尺寸为900mmX300mm，安全性能比门上亮子好。通风窗与房间外窗形成穿堂形布局，结合太阳能烟囱，有较广的通风覆盖面，通风直接、流畅，室内涡流区小，通风质量很好。另外，对于北向房间来说，冬季太阳墙系统为其提供了预热新风；夏季，将太阳墙系统风机的温度控制器设定在较低温度，当室外气温低于设定温度时风机运转，把室外凉爽空气送入室内，能够加快通风降温。南向房间采用VFLC涓流通风器过滤控制新风。通风器安装在窗框上，有3个开度，用绳索手动控制，可以为房间提供持续的适量新风，送风柔和，满足卫生要求，四季适用。(二)卫生间背景排风卫生间的排风道按房间位置分为
9、南北两组，每组用横向风管在屋面上把各个出风口连接起来，最终连到一个功率在1522kW之间的2级变速风机上。室内的排风口装有可调节开口大小的格栅。平时格栅开口较小，室外风机低速运行，为房间提供背景排风。卫生间有人使用时开启排风开关，格栅开口变大，风机高速运行，将卫生间中的异味抽走，有效降低卫生间对室内空气的污染。排风开关由延时控制器控制，可根据需要设定延迟时间，防止使用者忘记关闭开关造成能源浪费。四、有效性分析(一)计算机通风模拟使用AIRPAK软件对东端南北向房间夏季工况进行了对流通风模拟。设定的自然条件为济南最热月平均室外气温275和室外较低风速15ms；室内状况是房间门和卫生间门关闭，外窗
10、和对走廊的通风窗完全打开；活动状况是四人静坐，均使用计算机。模拟显示室内穿堂风效果较好，近人位置风速适宜，空气龄在1020s之间，空气新鲜。(二)热工性能实测1为期一个月的最冷月测试2004年12月21日到2005年1月30日，在全年最冷月中对室内外温度、围护结构的146热流密度和太阳墙系统进行了不间断测试。按照围护结构实测热流密度进行计算，求得传热系数见表1。各部分围护结构的传热系数裹1名称传热系数(Wm2K)传热系数限值(wm2K)屋顶067080楼梯间墙082183南墙(珍珠岩保温)088北墙043外墙角1O外墙热桥窗过梁118圈梁121平均值058128通过对太阳墙系统长期逐时检测可以
11、看出，冬季日出前、日落后，太阳墙内空气温度比室外环境温度平均高7左右，有效改善了围护结构的外环境，大大降低了墙体传热损失；日出后，太阳墙内空气温度迅速升高，很快达到送风温度，在9点到16点太阳辐射高值期内，太阳墙系统能够把室外温度提高30左右，采暖效果显著；15点以后，虽然气温仍在上升，送风温度却开始迅速下降，可见冬季太阳墙送风温度与辐射强度关系密切，与环境温度关系较小。2为期一天的太阳墙系统典型测试为了较好的说明太阳墙系统送风温度与太阳辐射等自然条件的关系，2005年1月28日对太阳墙系统进行了全面测试。可以证明，太阳墙系统适于太阳辐射充足的地区使用。同其他被动式太阳能系统一样，太阳墙采暖在
12、白天可以发挥很大作用，在围护结构有良好的热工性能的情况下，取暖效果非常明显。3为期一周的过渡季节测试初春作为过渡季节，刚刚停止供暖后室内比室外温度低，较为寒冷，这时太阳墙和良好的围护结构可以发挥较大作用。2005年3月21日，学校停止集中供暖。在3月20日至31日期间，对生态单元的北向房间和普通公寓相同位置的北向房间(均为4人间)进行了温度测试。停止供暖后各房间室温都有不同程度的下降，但是由于生态公寓围护结构热工性能较好，下降温度较少，而且当日照充足时，在太阳墙系统的作用下室温升高，并能维持相对较高的温度。对照的普通房间则只受室外温度影响，随着环境温度的升降而升降，并且比生态公寓室温低34。(
13、三)经济性能评价通过实测和计算可以得出，良好的围护结构使生态公寓耗煤量指标为1980年标准的307，即达到节能689。经模拟计算和实测数据校核，采暖季可获取太阳能转化成热能50GJ，加上这部分得热，生态公寓耗热量指标为923，耗煤量指标为450，节能758。147生态公寓与普通公寓相比，因为采用了多项生态技术措施，初投资增加了15。但是生活热水的提供和通风设施的设置提高了生活水平和环境质量，光伏发电的投入也能逐渐回收，而且在采暖和热水两个方面，二氧化碳排放量每年可减少约180t。另外，部分高新技术国产化后，初投资会大大降低，投资回收期也将大为缩短，经济效益还会有大幅提高。五、结语生态建筑技术理
14、论是在国内外大量实践中得出的，也是在实践中不断充实、改进和完善的。山东建筑工程学院生态学生公寓实践项目是对我国寒冷地区高校学生公寓生态设计的有益探索，也可以从中寻求适合居住建筑、办公建筑的生态设计方法。结合该项目，能够积累许多设计经验，同时印证了太阳能可以满足社会对建筑实用、经济、舒适、健康等方面不断提高的要求，多项生态适宜技术在建筑节能和改善室内环境中能够起到巨大作用。图1图20为学生公寓生态设计实例。j48图1生态公寓图2生态公寓综合技术示意图图4生态公寓剖面图3生态公寓标准层平面图5太阳墙系统供暖示意图6太阳能烟囱通风示意图j49图7太阳墙与遮阳板图8太阳能烟囱外观图9公寓南侧的太阳能站
15、j50图10屋面上的太阳能热水系统图12窗上涓流通风器图11淋浴器及热水控制器图13北向房间太阳墙系统出风口及通风窗图14卫生间排气格栅图15夏季南向房间中间位置垂直断面风速模拟j5j152图16夏季北向房间中间位置垂直断面风速模拟p一瑙赠图17夏季南向房间中间位置垂直断面空气+太阳墙系统室内风口送风温度图18太阳墙系统室内送风温度与室外气温比较(2005年1月28日)至乱邑魁髭越基骊星訇|时刻图19采暖季生态公寓与普通公寓室内二氧化碳浓度比较(2005年1月)越赠最删日期图20过渡季节生态公寓与普通公寓室内温度比较(2005年3月20日至31日)参考文献1李岚清学习贯彻十六大精神深化高校后勤改革中国农大新闻网2002122http：newscaueducnshowphpid=00000101532王崇杰何文晶薛一冰欧美建筑设计中太阳墙的应用建筑学报，200408总第432期76783赵平歌太阳能烟囱增强热压自然通风的计算研究西安工业学院学报，200406第24卷第2期183，184作者：王崇杰山东建筑工程学院院长、教授何文晶山东建筑工程学院教师薛一冰山东建筑工程学院副教授地址：济南市临港开发区泉港路山东建筑工程学院邮缩：25010l电话：05318640100613806408380传真：0531-86952404j53
