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如何打造节能环保的太阳能建筑

【导语】丹尼尔·D·希拉(Daniel D. Chiras)是一位全球环境问题的专家,现在科罗拉多大学和丹佛大学讲授可持续发展和环境健康类课程。希拉也是一位热情的音乐家、绿色园艺师、漂流和自行车爱好者。他的位于科罗拉多州Evergreen的住宅有被动式太阳能和太阳发电设备,而且是用稻草束和轮胎搭建的环保住宅。

其著作《太阳能建筑–被动式采暖和降温》图文并茂,非常实用。以下选编自第八章“别仅仅利用太阳能,为何不能多管齐下–其他生态建筑技术”和第一章“被动式建筑一体化设计基本原理”。

Daniel D. Chiras和他的太阳能住宅

丹尼尔·D·希拉和他的太阳能住宅

《太阳能建筑--被动式采暖和降温》

《太阳能建筑--被动式采暖和降温》

能源供应日趋紧张,而且,煤和石油等矿物燃料的大量使用加速了地球污染。因此,人们越来越重视被动式太阳能采暖、降温及可再生能源发电技术的开发和应用。使用清洁能源的新时代正在到来,可再生能源是支撑可持续发展的唯一动力。

随着人口的不断增加,美国每年新建1200万栋住宅,建材对资源不断增长的需求是惊人的。因此,应该尽可能的使用天然材料(如土坯、稻草和速生林木材)。如果仍然大量使用人工建材来建造新住宅,则会消耗掉大量的化石燃料、占用大量土地并且破坏生态环境。使用传统建材建造,还会产生大量的污物排入化粪池或市政排水沟,会对水资源造成一定的污染。

创造真正可持续发展的庇护所已成为一种新的潮流,由生态建筑师领导,通过生态设计手法设计房屋,采用天然材料建造房屋,以达到与环境最大限度的和谐共生。越来越多的建筑师正在加入这一行列,他们意识到,尽管可再生能源技术是重要的、非常有潜力的,对于真正可持续发展的建筑而言,这仅仅是其中的一部分而不是全部。

笔者在建造自己的住宅是就充分意识到这点。为了使住宅采用的能源系统尽可能的独立,笔者设计了一套仅靠风能和太能能来采暖和降温的被动式系统。该住宅基础和墙使用800块土坯建造而成。起居室采用稻草等一系列可循环利用的绿色建材建造,包括地毯、衬垫、保温材料等。利用中水和雨水收集系统提供日常生活用水,住宅的其他建材几乎全部使用旧建筑回收利用的建材,住宅周围的绿化也采用当地的植物品种。

举例如下:

节约/高效:

  • 保温性能良好的墙和屋面、基础周围的保温措施、覆土建筑设计
  • 节能窗、器具、电器、灯,户外晒衣
  • 天窗保温帘、窗户的遮阳
  • 节水淋浴喷头和马桶、花园节水灌溉系统
  • 气密性装置
  • 屋面的木制椽条

可再生能源的利用:

  • 被动式太阳能采暖和降温
  • 光伏发电和风能发电
  • 稻草墙,由轻质的草泥建造发电机房

生态复原:为本地植物重新辟地种植

如何设计太阳能建筑

1. 选址

如果喜欢住在郊区,应选择通风良好、日光充足的地方。建设场地应尽可能多留出一些空地,可以轻松营造自己的生态空间。

将最美的地方保留出来,将建筑建在一旁,透过窗户就可以欣赏到美景。

2. 能效

“效率”不仅指能源利用效率,还包括水和建筑材料等各种资源的利用效率,建造过程中应尽可能地节约资源。安装低水位的节水马桶、微生物处理马桶、节水淋浴喷头等。

3. 建造“小型”房屋

现在应该反思普遍存在的“盲目求大”的理念。大面积的住宅不仅多耗建材,在日常运作中,同样会消耗大量的能源。如果人们只有宽敞的豪宅,而没有与之匹配的良好的生态环境来容纳它,那又有什么值得骄傲的呢?简洁紧凑的房屋设计虽然不会令主人展示富有,但它却诠释了一种节俭、环保及理性的生活方式。

如果设计得当,同样可以在简洁紧凑的住宅里舒适地生活。

4. 生态的建筑材料

如泥土、稻草以及它们的混合物。生态房屋是清洁、舒适、宜人甚至是令人惊叹的。厚重的实墙给人以舒适和安全的感觉。生态建筑的舒适性和美感方面超过了一般的现代住宅。

所有的生态住宅用的材料都是可再生和可回收的,如木材、稻草和黏土等。

生态住宅同样是节能的,而且很适合采用被动式太阳能采暖和降温。大部分的生态住宅使用了蓄热体和保温材料,以保持室内冬暖夏凉。另外,生态住宅采用环保材料,因此适合于气密性良好的设计方案。

在生态住宅的日常使用中,石油天然气类的燃料消耗较少。与广泛流行的砌体结构相比,建设过程消耗的能源更少。因为实用的材料大都是当地适宜的材料,加工过程中的能耗也低。

如果读者想了解更多关于生态建筑的知识,可以参考《The Natural House: A Complete Guide to Healthy, Energy-Efficient, Environment Homes》。

5. 绿色建筑材料

目前,市场上已有上百种的生态建材。位于科罗拉多州Boulder的Planetary Solutions建材市场,还有德克萨斯的奥斯汀的Eco-Wise,均是全美九家地区供应商之一。

不要让那些不懂生态建筑的设计和施工单位打乱了你的原定计划,他们是相对保守的群体,只习惯用那些他们熟悉的、用得顺手的建材而不太会在意人们居住的感受。因此,要亲自去考察、检验材料的性能,向老用户咨询产品的使用情况。

6. 备选给水系统

雨水收集系统将雨水从屋面收集起来然后贮藏进水罐或蓄水池中,需要时,经过滤后加压泵入室内。这样可节约水的输送和净化所用的能耗,自给自足。

7. 污水处理系统

洗涤、洗衣、淋浴等活动产生的生活废水,经中水处理后,可用于庭院绿化灌溉。应将日常的有毒清洗剂替换成有生物相容性的肥皂或其他天然洗涤品,避免对植物产生危害。

位于新墨西哥的SSA(Solar Survival Architecture)开发了一种简单有效的室内植物净化系统处理中水。中水先流经串联的植物净化器,然后通过内含微生物的浮石床分解水质。种植土层设置在浮石床上部,植物根系扎在下层的浮石层中,吸收由微生物分解得到的养分和水。当中水流经这种植物净化系统时,可以得到较好的净化。净化后的水可以浇灌植物和冲洗厕所。

回收利用厕所及厨房废水中的养分。利用堆肥厕所,将排泄物变成有机肥料。相关文献 Joseph Jenkins编著的“The Humanure Handbook”。

合理设计的人工湿地是最安全有效的中水处理系统。最常见的做法是在地下挖一个充满砾石的深坑,污水流入后形成湿地,通过浮石层表面的微生物分解污水,生长在砾石层上的植物从污水中吸取所需的水分和养分。

Earthship公司在科罗拉多州和新墨西哥州首次采用了太阳能化粪池。经沉淀后,液体流入设置在户外的种植层内。

earthship

新墨西哥州的Tom Watson发明了一种代替化粪池的过滤装置,即Watson毛细过滤器。该装置设置于户外,具有埋深较浅的浮石床,污水先流入一个小型塑料过滤装置,过滤后进入浮石床,污染物在浮石床内经微生物进行分解,作为养分被植物吸收。

Watson毛细过滤器

8. 景观设计中的节能和环保

基地绿化最好采用当地植物,更易于成活。

良好的景观设计既可以在夏季遮蔽阳光、冬季阻挡寒风,又可以美化建筑,给各种鸟类和动物提供食物和栖息场所。因此,合理选择和配置绿化,结合保温层、遮阳和土壤的蓄热作用,可以有效减少空调能耗。

被动式建筑一体化设计的14条原则

1. 合理的选址与朝向

日出、日落:太阳方位角、高度角(详见http://www.sundesign.com/sunangel)

选址

最大限度获得和控制日照的途径:东西北三个方位的树木不但不会影响日照,而且还可以阻挡冬季冷风渗透,南向的落叶树由于冬季没有树叶,也不会对日照产生遮挡。

2. 朝向应位于正南方向(偏差在10度以内)

注意,正南正北是地球南北极的连线,而不是磁南磁北。一般的指南针指的是磁场方向。

3. 南墙开窗原则

在采暖期,南向窗就会自动集热并提升室内温度。在冬至日,太阳处在最低点,太阳光透过南向窗照射进室内的深度超过20ft。随着太阳高度的不断升高,进入室内的阳光会越来越少。

虽然天窗可以提高自然采光量,但同时也会带来冬季热损失过大和夏季过热等问题。

开窗

4. 东、西、北墙面减少开窗

在东、西墙过量开窗会使夏季过热。冬天,北向窗过多导致热损失增大。通过安装Low-e玻璃来解决窗户传热过程中产生的问题。

5. 通过遮阳调节太阳得热量

采用外部遮阳板、挑檐、绿化等方式遮阳。

6. 在适当位置设置足够的蓄热体

蓄热体

蓄热体能使室内温度在年周期内的波动较小。砖、混凝土、瓷砖、土坯和其他的密实材料都可以作为蓄热体来使用,比如废旧轮胎,还有水墙。

7. 墙体、顶棚、地板、基础和窗户的保温

利用天然的建筑技术(例如秸秆建筑)也能得到高效的保温墙体。

在温暖的气候条件下,可以将反光材料–铝箔,安装在屋顶的椽木上来减少夏季的制冷负荷,在冬季也可以减少室内的热损失。

可在窗户内侧安装硬质的泡沫蓄热百叶窗,方便开合。

8. 避免保温材料受潮

在潮湿的时候,大多数保温材料的R值都会明显降低。设置隔汽层可以降低通过围护结构的水蒸汽量。

9. 封闭空间应有一定的空气流通

安装通风系统可以保证适当的空气交换。

10. 要使每个房间都可以直接供热或者尽可能获得太阳辐射热

开窗

采用矩形或者正方形平面,有温暖需求的房间一般布置在南向。

11. 创造接受太阳自由照射的空间

同时保证室内的舒适度并创造出更多的白天可用的空间。最有效的方法改变受太阳自由照射的平面布置形式。绿化种植、走廊、隔墙、入口通道和其他设计特征(如特隆布墙)都可以防止太阳暴晒。作者住宅的平面布置形式见下图。

设计图

12. 提供高效、适当规模、适应环境的辅助加热系统

13. 通过覆土或景观来使建筑避免风的袭击

覆土

掩埋建筑的部分外墙或把房子“掩埋起来”,可以减少建筑的热损失。Dave Johnson说要把建筑考虑成“一个裹着毯子面向太阳的人”。

如果不选择覆土的形式,保护建筑免受风侵袭的另一有效方法是将建筑置于一片树林或天然防护带的保护下,例如建在斜坡上,也可以自己种植防护林。

14. 日常生活与太阳运动同步化

寻求生活习惯与日照的和谐统一,比如在冷季沐浴着阳光做早餐是一件惬意的事。

其他参考书推荐

书籍《太阳能房与生态建材》(邹惟前、邱昌兰 编著)

本书详细地介绍了利用农作物秸秆制作太阳能房和节能房各部件的工艺和关键技术。

书中不仅对农作物秸秆制作墙板、地板等的组成、配方、生产工艺、产品性能特点等作了详细介绍,而且对太阳能房的结构设计和各配套设施如太阳能热水器的安装和太阳能房各部分的施工方法做了较为详细的介绍。

本书所介绍的工艺和技术都经长期实践,1991年在济南大学建造的试验房是二层别墅型,已经应用20余年,至今完好。

文章来源:德风的博客

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  1. 游客 05/16/2013
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