江蘇徐州新型建筑技術(shù)應(yīng)用中心 ■ 何奔流

江蘇沛縣墻改辦 ■ 徐素貞

1 被動式采暖與SI體系結(jié)合

被動式太陽能采暖是指不依賴于機械功，通過建筑的朝向、材料、構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的適宜選擇，使其在冬季能汲取、貯存、分布太陽能，從而能解決建筑物采暖問題的技術(shù)。

SI住宅理論將住宅分為承重結(jié)構(gòu)部分和內(nèi)裝、設(shè)備部分，SI住宅主張強化S部分，其精髓就是提高承重部分的耐久性和填充部分的可變性、更新性。

將多層住宅體系分解成南向房間、南北房間兩個層面，論述住宅空間與太陽利用之間的關(guān)系。

1.1 南向房間

多層住宅南向房間可看作由結(jié)構(gòu)體、外圍護結(jié)構(gòu)、天花板及樓板、內(nèi)墻體等幾部分構(gòu)成。在SI住宅體系中，結(jié)構(gòu)體作為住宅的承重部分是不可變的；而外圍護結(jié)構(gòu)、天花板、樓板及墻體都可作為住宅的填充部分實現(xiàn)部品化生產(chǎn)。

1.1.1 外圍護結(jié)構(gòu)

外圍護結(jié)構(gòu)作為住宅的重要組成部分，對于住宅冬季保溫有著重要的作用。近年來，關(guān)于通過設(shè)置外掛構(gòu)件改善住宅外圍護結(jié)構(gòu)，降低能耗和改善室內(nèi)熱環(huán)境的研究較多。較常用的外掛采暖構(gòu)件包括集熱模塊、低溫地板輻射采暖系統(tǒng)和陽臺等。

集熱模塊的構(gòu)造如圖1所示，由外至內(nèi)分別為玻璃蓋板、自動卷簾及由吸熱板和苯板組成的集熱保溫板。在玻璃蓋板與集熱保溫板之間設(shè)空氣間層，自動卷簾位于空氣間層上方。在集熱模塊的上下都設(shè)有通風口和溫控風門。集熱模塊可安裝在南向房間窗戶兩側(cè)，并固定在上下樓板之間，同時與墻體留有一定空氣間層。采用集熱塊的集熱蓄熱墻工作原理如圖2所示。冬季晴朗的白天，卷簾卷起，夾層內(nèi)空氣被加熱，上下風門開啟，熱空氣由上風口送入室內(nèi)，室內(nèi)低溫空氣由下風口進入夾層，形成熱循環(huán)加熱房間，同時集熱蓄熱墻體向室內(nèi)傳熱并儲存部分熱量。冬季夜間，卷簾放下，阻擋熱輻射散失，上下風門關(guān)閉，依靠墻體儲存熱量釋放到室內(nèi)加熱房間。

圖1 集熱模塊構(gòu)造示意圖

圖2 集熱模塊冬季工作原理

與集熱蓄熱墻體不同的是，陽臺起初作為住宅的半室外活動空間設(shè)計，并不具有更強的節(jié)能作用。陽臺有時與南向的起居室結(jié)合設(shè)置，有時則與南向臥室結(jié)合設(shè)置。但是，由于北方地區(qū)冬季寒冷，絕大多數(shù)用戶習慣將陽臺完全封閉變成室內(nèi)空間。這種做法客觀上使陽臺成為南向房間的附加陽光間，某種程度上實現(xiàn)了附加陽光間式太陽能利用。需要指出的是，當南向房間設(shè)置封閉陽臺時，會對該南向房間集熱模塊和遮陽構(gòu)件的設(shè)置產(chǎn)生影響，因此可考慮在南向起居室或臥室的維護結(jié)構(gòu)外，一個設(shè)置封閉式陽臺，另一個則設(shè)置集熱模塊和遮陽構(gòu)件，從而使兩個南向房間的室內(nèi)熱環(huán)境都得到改善。

在現(xiàn)有住宅建筑體系下，這些外掛采暖構(gòu)件的安裝需在住宅施工完成后進行，并未做到與建筑體系的一體化設(shè)計，對外圍護結(jié)構(gòu)有一定的破壞。若南向房間采用SI住宅體系，那么南向房間的外圍護結(jié)構(gòu)變?yōu)镾I體系中的立面填充體。因此，當南向房間采用集熱模塊做外圍護結(jié)構(gòu)的外掛節(jié)能構(gòu)件時，集熱模塊和遮陽構(gòu)件就可與SI立面填充體結(jié)合，實現(xiàn)部品化生產(chǎn)，從而使立面填充體成為具有冬季采暖的新型集熱蓄熱墻式外圍護結(jié)構(gòu)。而當南向房間設(shè)有封閉陽臺時，則可使其成為附加陽光室并利用SI體系的特點，實現(xiàn)封閉陽臺的部品化，便于與住宅體系相結(jié)合，如圖3、4所示。同時也解決了由住戶自行封閉安裝帶來的陽臺封閉保溫性能較差和陽臺封閉樣式參差不齊影響住宅整體形式的問題。

圖3 外掛采暖構(gòu)建與開放住宅結(jié)合示意圖

圖4 對比試驗房概念圖

1.1.2 天花板及樓板

SI體系的結(jié)構(gòu)支撐體耐久性和強度較高，有利于無梁樓板的使用，這樣就為雙層天花板或雙層樓層系統(tǒng)的設(shè)置提供了有利條件。而雙層天花板、樓板系統(tǒng)，則適應(yīng)隔墻位置變更的被動式通風及傳熱系統(tǒng)或多功能空調(diào)系統(tǒng)。下面以集熱蓄熱墻式南向太陽房在冬季白天的能量循環(huán)為例，對不同建筑體系下能量利用效率進行分析。如圖5所示，在現(xiàn)有住宅體系下，熱空氣進入室內(nèi)后，由于壓強小，而且沒有管道引導，導致熱空氣的溫度與速度迅速衰減。降溫后的空氣沿著墻壁面下降，直射由下風口進入集熱模塊。集熱模塊輸送的熱空氣不能充分與室內(nèi)的空氣進行熱交換，形成了熱量的短路。這就是多集熱模塊雖有很高的集熱效率，但室內(nèi)熱狀況依然不良的主要原因。而在SI住宅體系下，雙層天花板系統(tǒng)可為集熱模塊提供一個送風管道，將熱量輸送到室內(nèi)中心位置，使得室內(nèi)內(nèi)側(cè)的人也能感受到集熱模塊的供暖效果。

圖5 兩種住宅體系傳熱效率對比

1.1.3 內(nèi)墻體

采用SI體系的南向房間的內(nèi)墻體可靈活分割，這樣對于室內(nèi)能量傳遞十分有利。例如當南向房間利用封閉陽臺作為附加陽光間進行熱量收集時，可在陽臺和相鄰房間之間設(shè)置SI填充墻體，這樣封閉式陽臺與相鄰房間之間的分割就可隨用戶的需要自主設(shè)置。白天將隔墻打開，陽臺與周圍房間形成一個整體利于收集的太陽熱并將其傳遞到其他房間；夜間將隔墻封閉，此時的陽臺作為一個緩沖區(qū)可避免白天收到的熱量在夜間損失。

1.2 南北房間

通過利用集熱模塊和封閉陽臺與SI體系相結(jié)合，可有效改善南向房間在冬季的室內(nèi)熱環(huán)境。但是在寒冷地區(qū)，住宅北向房間由于缺少日照，在冬季十分陰冷。而如果將南向房間收集到的熱量通過某種渠道傳遞到北向房間，就可改善北向房間在冬季的室內(nèi)熱環(huán)境，從而進一步降低住宅的能源消耗。

1.2.1 能源傳遞原理

南北向房間能量傳遞的主要障礙是南北房間的分隔墻。如果能建立一個送風管道讓熱量傳遞不受墻體限制，那就可讓北向房間也分享到集熱模塊的供熱效果。前面關(guān)于南向房間被動式太陽能利用論述中提出的利用SI住宅雙層天花板系統(tǒng)作為送風管道傳遞熱量的方法，也可適用于南北房間的能量傳遞。具體做法是：在頂棚下方200 mm處設(shè)置天花板，二者通過南北向的條形骨架連接。SI住宅的南北分隔墻由于采用輕質(zhì)填充墻體，因此可直接固定在天花板和地板之間而無需通到頂棚。同時無梁樓板采用雙層天花板，之間沒有橫梁的阻擋，這樣就形成了由頂棚與天花板所組成的高200 mm的傳輸管道。集熱蓄熱墻體的上通風口開在雙層樓板之間，下通風口位于地板上方。在管道內(nèi)部，分隔墻對應(yīng)位置設(shè)可控風門。

具體工作原理為：在冬季白天，空氣在夾層中被加熱后上升，通過溫控風門進入雙層天花板所形成的管道，向北傳遞，通過隔墻上方的可控風門進入北向房間，在傳遞的過程中通過管道向房間內(nèi)散熱，冷卻后空氣通過南北房間隔墻下方的可控風門回到南向房間，從而完成整個住宅能量循環(huán)過程。冬季夜間的原理與白天大致相同，不同的是卷簾放下且熱量的來源主要通過集熱蓄熱墻體的散熱。

1.2.2 實例介紹

某一實驗性的住宅采用SI體系。由于場地條件的限制，樣板房采用獨棟小住宅，而不是集合住宅。住宅的通風技術(shù)較好地與住宅建筑體系結(jié)合。樣板房采用管道輸送的辦法把經(jīng)過熱交換機處理過的空氣輸送到位于北側(cè)的實驗室內(nèi)，同時在房間隔墻的下方開通風口，實現(xiàn)空氣在整個住宅內(nèi)的換氣循環(huán)。而在住宅地板下方，專門設(shè)置通風道，并且與住宅北側(cè)外墻內(nèi)的拔門空氣層相連，從而在夏季帶走熱量，實現(xiàn)外墻內(nèi)換氣。由此可見，在樣板房中無論是主動式通風換氣系統(tǒng)還是被動式通風系統(tǒng)都能較好地結(jié)合，這也說明了SI住宅體系與可持續(xù)節(jié)能技術(shù)的結(jié)合具有一定的適應(yīng)性。

2 低溫板輻射采暖系統(tǒng)

這是被動式采暖的另一個方式。就是將耐溫耐壓達標的塑料管材(如交聯(lián)聚乙烯管PE-X、聚丙烯共聚體管PPC、無規(guī)共聚聚乙烯PP-R、交聯(lián)鋁塑復(fù)合管XPAP)根據(jù)地熱施工規(guī)范安裝在地表面，再用混凝土埋設(shè)形成平整地面，熱水在管路中流通，由地面向上輻射供暖。

2.1 低溫輻射采暖的特點

2.1.1 舒適性

由于采用輻射采暖，因而形成真正的人體散熱要求的熱環(huán)境。地面溫度高于呼吸線空氣溫度，熱量在人的腳部較強，頭部溫和，給人以腳暖頭涼的舒適感。

2.1.2 節(jié)能高效

由于地板輻射采暖的房間溫度梯度小，沿高度方向上的溫度分布較均勻，房間頂部不會過熱，減少了維護結(jié)構(gòu)的無效耗熱量。在相同舒適條件下，采用地板輻射采暖比一般對流采暖設(shè)計溫度低2～3 ℃，總耗熱量可減少10%～30%，節(jié)省能源。地板輻射采暖系統(tǒng)可利用熱網(wǎng)回水、余熱水或地熱水等。

2.1.3 不占面積

由于不受建筑形式限制，無需在室內(nèi)布置散熱器及連接管，既不占使用面積，又可使房屋分隔及家具擺設(shè)隨意靈活。尤其適應(yīng)于大跨度或大玻璃幕墻裝飾的建筑及展廳的采暖需要。

2.1.4 衛(wèi)生

采用地板輻射采暖，室內(nèi)衛(wèi)生明顯改善，不會導致室內(nèi)空氣對流所產(chǎn)生的塵埃飛揚，徹底消除散熱器設(shè)備和管道積塵面及揮發(fā)的異味。

2.1.5 使用壽命長

熱媒管整根鋪設(shè)，地面無接口，無滲漏。材料經(jīng)韓國KS及美國ASTM檢測試驗，保證連續(xù)使用50年以上。因此，一般可認為與建筑本身的使用年限基本相同。

2.1.6 維護簡便

該系統(tǒng)只需在采暖期間定期檢查過濾器。運行費用僅為系統(tǒng)泵的電力熱耗。

2.2 地板輻射采暖的設(shè)計

1) 根據(jù)維護結(jié)構(gòu)確定采暖的熱負荷，并對計算出的熱負荷乘以0.9～0.95的修正系數(shù)，或?qū)⑹覂?nèi)計算溫度取值降低2 ℃。

2) 確定采暖的供水溫度：供水溫度不得高于60 ℃，供回水溫差為8～15 ℃。

3) 采暖系統(tǒng)的工作壓力：PE-X(PPC)不宜大于0.8 MPa。

4) 系統(tǒng)壓降：不宜大于30 kPa(120 m管長)。

5) 低溫輻射采暖系統(tǒng)的地板表面溫度宜為25～30 ℃。

6) 在供水干管上設(shè)過濾網(wǎng)，以防異物進入系統(tǒng)內(nèi)，如圖6所示。

圖6 供回水系統(tǒng)圖

2.3 地板輻射采暖的施工

1) 地板輻射采暖系統(tǒng)應(yīng)在建筑封頂后或室內(nèi)裝修工作如吊頂、抹灰等完成后，與地面施工同時進行，入冬前完成，不宜冬季施工。

2) 用水泥砂漿找平層，鋪以厚度不小于25 mm、容重大于或等于20 kg/cm2的聚苯乙烯硬質(zhì)板作為保溫層，并在此上鋪設(shè)錫箔，錫箔面朝上。

3) 用直徑4～6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)間距150 mm×150 mm作為固定供暖管用，將供暖管敷設(shè)其上，管間距為100～350 mm，用豆石混凝土層填實，且覆蓋層的厚度不小于50 mm。

4) 低溫輻射采暖系統(tǒng)中單個回路的長度應(yīng)在80～120 m，供暖管彎曲半徑不應(yīng)小于8倍直徑，轉(zhuǎn)彎處采用煨彎。整個環(huán)路布置如圖7所示。用0.2 mm的鋼絲綁在鋼筋上，但不要綁得過緊，避免劃傷供暖管，減少管子壽命。同時為了減少在澆筑混凝土過程中振搗對塑料管的擠壓，確保運行中塑料管有一定伸縮余地，并減少塑料管由于膨脹產(chǎn)生壓力，在澆筑混凝土前，在塑料管中充水加壓0.6 MPa表壓試壓，10 min內(nèi)壓力下降小于0.03 MPa為驗收合格。待混凝土凝固后再泄水?；炷敛捎盟?細砂:石子=1:1.4:2.3的比例，加入5%的防龜裂添加劑，使混凝土在塑料管間填充密實，石子的粒徑要小于10 mm。為了防止地板在供暖后產(chǎn)生各方向的膨脹使地面出現(xiàn)隆起和龜裂，將地面分割為800 mm×800 mm的方格磚，并以膨脹條隔開，管道穿膨脹縫處加伸縮節(jié)。由于混凝土地板的熱惰性大，應(yīng)在24 h內(nèi)低溫連續(xù)進行。

圖7 管路平面布置

5) 用水泥砂漿找平層，再加裝飾地面。鋪設(shè)情況如圖8所示。散熱量：瓷磚類地面60～240 W/m2；塑料類地面45～200W/m2；木地板地面45～170 W/m2；地毯類地面 35～140 W/m2。

圖8 地板輻射采暖剖面圖

6) 初次運行本系統(tǒng)時，首先通入25～30 ℃的供暖水，運行1周后，每周提高供水溫度5～10 ℃，直至供水溫度為60～65 ℃。

2.4 施工注意事項

1) 大堂、展廳等地方注意地面膨脹問題，并合理設(shè)置集水器及理想環(huán)路的劃分，保證膨脹縫的處置。

2) 對荷載超過2 t/m2、地形復(fù)雜的工程，注重在重荷載下且有坡度時復(fù)合保溫板的防滑措施及承載處理。

3) 對于分集水器不能設(shè)在高出地暖層時，應(yīng)做到系統(tǒng)的流速大于氣體分離臨界流速，將氣體攜帶至分集水器中。

4) 戲水樂園及游泳池周邊注重分集水器位置的設(shè)置及環(huán)路阻力平衡。

5) 避免將管材(鋁塑管除外)直接與鋼筋網(wǎng)接觸，防止硌傷損壞管材。

6) 注意做好施工驗收。

7) 供暖管材要耐溫、耐壓、耐腐蝕、不易老化。所以低溫地板輻射采暖系統(tǒng)管材不得采用普通塑料管，在施工中采取一定措施可確保塑料管完好無損。

3 結(jié)語

本文探討了被動式采暖技術(shù)與SI住宅體系結(jié)合的方法和適應(yīng)性。SI住宅體系的引入為被動式太陽能技術(shù)與住宅建筑體系的整合設(shè)計，特別是為被動式太陽能系統(tǒng)的能量循環(huán)提供了有益的解決方法和途徑。為太陽能技術(shù)和建筑體系的一體化提供了新的設(shè)計思路。但是本研究的重點在于適合被動式太陽能運用的新型居住建筑單元體系的構(gòu)筑上，概念性較強，今后有待進一步分析和論證。相關(guān)設(shè)備管線的問題，具體采用SI體系的技術(shù)以及經(jīng)濟性等方面也提出了新的課題。總之，有關(guān)能源與建筑體系的適應(yīng)性研究和評價，需要在多個領(lǐng)域長期持久地進行下去。