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1、高寒地区太阳能住宅 巴特尔王云生克宁 内蒙古建筑科学院 电话：0 4 7 1 6 9 1 7 6 5 0 0 、引言 住宅建筑太阳能开发利用研究系建设部“十五”国家离新技术应用发展项目利 用高新技术推进西部地区建设行业发展专题之二：“建筑节能技术”子专题。2 0 0 0 年1 1 月 立项，2 0 0 1 年考查收集基础资料，确定示范地点，完成工程设计。2 0 0 2 年组织施工，1 0 月竣 工验收并八住使用，1 2 月现场热工检测。2 0 0 3 年编撰鉴定资料，1 1 月2 7 日通过技术鉴定。 鉴定意见为：“本项目密切结合牧区社会经济、自然气候特点，对严寒地区太阳能牧民住宅技 术要求、
2、热工性能、综合效益、测试结果、使用情况、推广规划目标、成功经验、存在的问 题及解决方案进行了全面的总结，系统的分析，深入的研究。技术路线正确，资料齐全，数 据详实准确。太阳房属于节能建筑太阳能牧民住宅应同时满足被动式太阳房技术条件和 热性能测试方法G BT 1 5 4 0 5 9 4 、民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) J G J 2 6 9 5 两部标准要求。为此，本项目童点对太阳能牧民住宅围护结构热耗原理及现状、传热系数限 值进行达标分析。同时，逐一论述满足上述两部标准要求的复合外墙、保温屋顶、节能门窗、 蓄热地面、太阳能采暖系统、辅助热源等材料设备选型、技术关键、构造做法、匹配
3、方式。 经热工计算、现场实测、使用结果证明，太阳能牧民住宅示范工程各项技术经济指标达到科 技项目合同书要求。本成果填补了牧区太阳能住宅综合研究空白，学术水平居国内同类研究 的先进水平。适用于寒冷地区村镇住宅和中小学校舍建筑。建议对农村牧区建筑围护结构保 温和太阳能采暖应用技术继续展开深化研究，编制通用或标准图集，以利于规模推广”。 l 、工程概况 两栋太阳能牧民住宅示范工程位于内蒙古克什克腾旗西北，锡林郭勒草原南部的达日罕 乌拉苏木包木台嘎查鄂勒森扎哈独贵龙，西南与京津风沙源之一浑善达克沙地相邻。示范点 东、西、南三面环山，北为沙丘。距苏木集镇东北4 0 k m ，距旗政府所在地经棚镇西北I
4、o o k m 。 其中距3 0 3 省道8 0 k m ，草原路2 0 k m 。该独贵龙现有1 8 户7 1 人，2 0 0 0 年通电，价格O8 0 元k w h 。自1 9 8 0 年起，本地牧民结柬游牧生活，实现定居轮牧。住宅均为土木结构，硬山 搁操，前砖脸。平面布局是传统的一明两暗三开阔，南向南炕南入口，双坡面瓦屋顶，单层 木门窗。当地气候特征属于中温带大陆性季风气候，太阳辐射强，日照丰富，为太阳能可利 用区。冬季寒冷漫长，夏季凉爽短促，有严寒丽无酷暑。气温季差、曰差悬殊，降水集中， 雨热同季。年平均气温2 4 ，冬、春风大雪少干燥。采暖天数1 9 9 天，采暖期室外平均温度 1
5、1 o ，度日数5 7 7 1 。降雪初期1 0 月8 日，终期5 月2 0 日。每年秋雪初期1 0 月2 3 日，终 期4 月2 2 日，最大秋雪深度2 3 0 m m 。年平均风速4 3 m S ，最大风速2 2 3 m s ，年均相对湿度 5 9 。极端气温最低一4 5 5 ，最高3 7 6 ，冻土深2 8 0 m 。地震裂度小于6 度，是国家级贫 困旗县。太阳能资源统计见表1 。 嵌1采暖期 j 照时数和太奸 总辅射鞋 ，l 份1 01 11 2123 4 平均 I j ( 干数 7565606 47 68 4877 3 f h ，d ) 太料I 总辐射 22 5 619 6 31 5
6、 8 21 7 5 82 4 0 22 5 4 93 0 7 62 2 2 6 醚 M J m 2 ) 依牧区生产特点，住宅建筑通常与牧业生产建筑统筹规划，同步建设。住宅居西，牲畜 棚圈在东，草料库位于北侧。生活、生产用地连成一片，户均占地面积亦较大。牧民从游牧 转为定居，告别蒙古包，住进矩形房这一历史性的变革，意义深远。受到地域的影响，牧 民住宅建筑造型一般与相邻农区住宅类似。由于牧业生产的需要，与农区村庄相比，牧区居 住分散，建筑密度低。主次干道宽，宅基地面积大，无遮挡。这就为优化选择建筑朝向刨造 了条件。本项目两栋太阳能住宅均为座北朝南，冬暖夏凉。对于高寒区太阳能住宅而言，良 好的朝向非
7、常重要。南立面可以提早接受太阳辐射，尽快启魂太阳能采暖系统，及时向室内 供热，从而获得明显的节能收益。 围1建筑平面圈 示范工程( 见图1 ) 为砖木结构，双坡瓦屋顶。室内净高2 7 0 m ，开间3 3 0 m ，进深9 4 8 m ， 建筑面积9 32 1 m 2 ，一进两开带内廊。全新的布局紧凑合理，面积不大功能全。具备起居2 07 8 m 2 ， 会客2 7 9 6 m 2 ，卧室8 8 5 m 2 ，就餐8 6 4 一，炊事1 35 2 m 2 ，卫生间5 7 4 m 2 等多功能空间。厨房 设有北向高窗，为采光及采暖季通风换气用。冬春季节炊事烟油随时通过位于北墙上端的排 气孔( 装
8、有轴流风机) 经屋面排出。客厅横隔墙O 9 0 m 标高以上为玻璃隔断。本工程在当地 所有各类建筑中首次使用钢筋混凝土承重技术，即现浇南门窗不等跨异形连续梁，将木屋架 坐在其上，使三间组成一大空间。根据住户不同要求，采用1 2 0 m m 厚砖墙随意分隔，实现了 灵活的“可塑性”平面。结论：大开闻、浅进深、室内净高适中，是太阳能牧民住宅特征之 2 、维护结构 作为节能建筑，体型系数应严加控制且越小越好。牧民住宅通常为一层单体建筑，独门 独户一家一院。造型简单，立面没有高低错落，平面也无水平进退。主要由于建筑面积体量 偏小，致使体型系数过大。因此，太阳能牧民住宅必须加强围护结构保温，以减少热损失
9、， 提高节能率。 复合外墙做法( 由里向外) ：3 0 m m 保温砂浆；2 4 0 m m 实心砖墙：2 0 m m 聚苯板， p = 1 8 k g ，m 3 ：1 2 0 m m 砖墙1 ：1 水泥砂浆勾缝。内处叶墙用由6 连接钢筋拉结，双向3 5 0 m m 梅花形布置，传热系数K = o 2 9 w m 2 - k 。保温屋顶做法：机制红瓦；5 0 m m 草泥；2 0 m m 松木板条；空气层；1 0 0 m m 聚苯板：P V c 吊顶，K = O3 2 w m 2 k 。6 0 系列单框双玻 中空平开塑料外窗K = 2 4 7 w m 2 k 。内外开双层钢木外门，里侧为实体木
10、门外层为钢框活 面门。冬镶毯革来保温，夏换纱预防蚊蝇，K = 2 5 0 w m 2 k 。蓄热地面做法：面砖：4 0 m m 细石混凝土：1 5 0 m m 卵石灌浆：1 2 0 m m 聚苯板，p 2 0 k g m 3 ，水平距外墙2 0 0 m 宽以 内，竖向0 7 0 m 深，紧靠毛石基础内侧满铺；塑料布两层；素土夯实，k = O 2 6 w ，m 2 k 。 结论：太阳能牧民住宅示范工程围护结构传热系数达到内蒙古民用建筑节能设计标准 实旆细则( 采暖居住建筑部分) D B l 5T 2 5 9 1 9 9 7 要求。 3 、采暖系统 本工程采暖系统由三部分组成。第为固定扇大而多，开
11、启扇少而小的单框双玻中空塑 料直接受益窗，面积达1 02 6 m 2 。各朝向窗墙面积比分别是北向O 0 4 ，东西向O ，南向o4 2 。 第= 为窗下对流环路式集热墙，见图2 。做法：4 m m 玻璃；1 2 n u n 空气层：4 m m 玻璃； 2 5 m m 空气层；1 m m 双面满涂深绿色无光油漆铁板；1 2 0 m m 空气层；5 0 m m 珍珠岩 砂浆；2 4 0 m m 实心砖墙上设6 0 1 8 0 m m 通风口四个；3 0 m m 珍珠岩砂浆；刮腻子两道。 风口装有塞式风门。见图3 。 2 0 多年来，由于条件所限，内蒙古太阳能建筑集热墙透光层多采用木框且与外墙外边
12、缘 平齐经风吹日晒雨淋，使用2 3 年后即开始掉漆，走样变形，直接影响集熟效果。也有少 田2 对流环路武集热墙蔫圈 l ，r _ f | ；l 虱锋丑 田3 董最风几 量采用金属框，热损过大。示范工程在 自治区太阳房集热墙中首次选用单框双 玻固定扇塑料窗作为透光层，各项理化 指标明显优于木、钢窟。第三为辅助热 源。严寒区牧民住宅供热一般使用以畜 粪为燃料的火炕、火墙和燃煤炉。示范 工程辅助热源是由火炕和赤峰市温和锅 炉厂制造的c L S o B 2 4 0 型多功能节 能民用锅炉组成。锅炉主要技术指标供 热面积8 0 1 0 0 m 2 ，林格曼黑度太于l ， 热效率大于7 0 ，系国家专利产
13、品。暖 气片布置在横向内隔墙下部，同时为客 厅、餐厅供热；居室紧靠纵隔墙北侧安 装，可充分利用热量，便于家具摆设， 并及时启闭密下集热墙风口风门。 南向开敞，东西北向封闭是严寒区 牧民住宅的特征之一。本工程南向由直 接受益窗和太阳能集热墙构成竖向玻璃 带，与窗间墙形成虚实对比，造型新颖， 简洁明快，朴素大方，别具特色。 4 、效益 经热工计算，太阳能牧民住宅节能率E s F = 6 3 7 ，太阳能供暖保证率s H F = 5 2 9 ，一 个采暖期节约标煤董G = 1 0 4 垤，节能收益A = 1 0 0 7 元a ，一次一 生增加初投资2 2 1 3 ，回收 年限N = 9 年，主要技术
14、经济指标满足被动式太阳房技术条件和热性能测试方法G B T 1 5 4 0 5 - 9 4 要求。 5 、发展规划及建议 住好房，找太阳。广阔的草原一望无际，火红的太阳，金光灿烂。隆冬季节，皑皑白雪， 天寒地冻，太阳能牧民住宅室内温暖如春。示范工程用户激动地说：太阳能住宅节省采暖费 用和劳动力效果明显，为我们提供了舒适、卫生的生活热环境。该项目的实施，充分体现了 党和政府对我们牧民的关心。太阳房增加投资不多，但综合效益可观。克什克腾旗和内蒙古 电视台先后对本工程进行专题报道，毗邻盟市旗县的相关部门和牧民纷纷前来参观访问并给 予高度评价，一致认为太阳能住宅在牧区具有广阏的推广前景。 我国牧区多位
15、于边疆地区、欠发达地区、少数民族地区，远离内地，气候严寒，条件恶 劣灾害频繁。牧业生产以舍饲、定居轮牧为主，游牧为辅，经济基础差。居住分散，地广 人稀，交通不便。生态环境脆弱，草原退化、沙化日趋严重。以畜粪为燃料炊事取暖，结构 单一，过量消耗，自给不足，燃烧速度快，发热量低。住宅造型各异，围护结构保温性能差， 能耗大，冬季室内温度低且波动大，热舒适度不佳。地方建筑材料少，施工技术落后。常规 能源短缺，太阳能资源丰富。结论：牧区亟待从灶口要回生态，用太阳能来采暖。 解决严寒区牧民住宅“暖”的问题，既要开源大力开发利用丰富的太阳能资源用于 采暖，又要节流通过高新技术整台、材料集成提高围护结构保温性
16、能，令人欣喜和备受 鼓舞的是，2 0 多年的科研效果，为推广太阳能牧民住宅莫定了基础。空前高涨的草原生态建 设热，为其创造了条件。日新月异的建筑节能高新技术，为其提供了可靠的依托。最新一代 高效集热保温材料，为其铺平了道路。保温板式结构建筑的发展，必将促进装配式太阳能牧 民住宅的研发进程。建筑与太阳能发电一体化技术，有助于继续提高太阳能牧民住宅的节能 率，壹至实现零能耗建筑。 本项目的成功再次证明，园地制宣地规模推广太阳能牧民住宅是改善牧区居住生活条件， 提高牧民经济收入，恢复和保护草原生态环境的有效途径之一。为此，建议继续在政策上给 予扶持，经费上给予补贴，技术上给予指导。增加资金投资，提高科技含量，上技术档次， 求规模效益。考虑到牧区经济文化相对落后，建筑专业技术人员奇缺，建筑材料运输距离远， 施工现场
