西北地区农村节能建筑住宅设计方法与流程

本发明属于建筑工程技术领域的一种西北地区农村住宅设计方法，更确切地说，本发明涉及一种西北地区农村节能建筑住宅的设计方法。

背景技术：

我国现有的住宅建筑中，农村建筑约占全国总建筑的60％，是我国住宅建筑的重要组成部分。随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对居住环境舒适性要求越来越高，农村建筑能耗在不断的增大，对我国的能耗将造成巨大的影响。因此，在农村地区大力发展建筑节能技术是非常重要的。随着世界能源的危机逐渐严重，对于如何更有效地利用可再生能源显得尤为迫切与重要。太阳能是可再生能源里利用最为广泛的，鉴于其取之不尽、用之不竭的特点，人们对于如何有效的获取和利用太阳能目前仍然进行着相关的研究。被动式太阳房依靠房屋建筑与结构让太阳能直接作用于建筑的采暖成为被人们越来越熟知的一种节能趋势。现有农村住宅对于太阳能的利用主要是依靠固定式真空管集热器进行水加热，供人类生活活动的热水使用。而合理规划房屋建筑结构利用附加阳光间使太阳能最简单有效的应用于供暖的方式则很少，通过太阳能光伏电池板发电以供单户建筑的用电，这种方式几乎很少用于农村住宅，并且对于日益严重的农村污水污染问题，这一问题基本没有得到有效解决，使得农村生活污水就地排放，造成可回收利用污水的浪费，更污染环境。为更有效地将太阳能充分利用在农村住宅，并很好的解决农村生活污水污染问题，结合西北地区丰富的太阳能资源，我们提出了一种适用于西北地区农村节能住宅的设计方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的冬季农村地区采暖热备简单、室内空气污染严重、农村住宅用电不便利以及农村生活环境污染严重的问题，提供了一种西北地区农村节能建筑住宅的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法的步骤如下：

1)初步设计被动式建筑；

2)内部空间设计；

3)外立面设计；

4)维护结构节能设计；

5)绿化庭院设计；

6)太阳能集热器采暖系统设计；

7)发电系统设计；

8)污水处理系统设计。

技术方案中所述的初步设计被动式建筑是指：1)确定被动式建筑整体布局：

(1)结合当地传统民居布局特点及新型居住功能需求，农村节能建筑住宅设计方法采取半开敞式平面布置，农村节能建筑住宅外部院落空间形态类型采用前后院式，南向院子多为生活庭院,北向院子为杂务和饲养场所；(2)为了减小建筑的体形系数，减少散热量，农村节能建筑住宅设计方法采用紧凑式矩形布局；(3)为保证在整个采暖期内，南面附加阳光间(5)能有充足的日照，而夏季避免过多的日晒，结合当地建筑朝向，将整个建筑的朝向确定为朝南偏东15°；2)调整建筑体形系数：

(1)为定量分析体形系数对建筑能耗的影响，设计一个基准建筑平面模型，无凹凸程度变化，作为具备最理想体形系数的建筑，其体形系数是0.33；(2)体形系数的变化可以引起建筑能耗变化，在基准建筑平面模型的基础上，保持室内各功能区面积与维护结构参数不变，仅通过在南北向调整部分区域的位置，使建筑平面凹凸程度加大，其体形系数分别为0.35、0.38、0.40、0.42、0.44；其结果如下：采暖能耗由25kw〃h/m²〃a增加到30kw〃h/m²〃a，采暖空调总能耗从38kw〃h/m²〃a增加到43kw〃h/m²〃a，建筑能耗由39.30〃h/m²〃a增加到44.41〃h/m²〃a，针对该农村节能建筑住宅，其体形系数为0.36，相应的采暖能耗和建筑能耗都处于正常消耗状态。

技术方案中所述的内部空间设计是指：1)平面布置：

将蓄电房设置在房屋内部的西面一侧，储藏室设置在房屋内部的北面一侧，房屋内部西北角空间设置为开放式厨房，将次卧室设置在房屋内的东北角，其南侧紧靠的是卫生间，卫生间的南侧是主卧室，房屋内部余下的空间即为开放式客厅；将主要休息区域进行隔断，依据要求进行区域性辅助热源的采暖，有效隔绝公共区域产生的噪音。2)设置隔热保温地板：

地板采取隔热保温设计，地面首先采用素土夯实，铺一层油毡用来防潮；再铺150mm厚的干炉渣用于保温；在此基础上，铺320mm厚的毛石用于储热；最后，根据正常方法做地板，地板颜色采用浅色，建筑内部空间的墙体采用深色涂料。3)内部采光设计

该农村节能建筑住宅通过以下几处采光：客厅与阳光间之间通过玻璃推拉门，附加阳光间与主卧室之间的墙上设置大面积玻璃窗；卫生间和次卧室的东面墙上各设置一扇窗，次卧室及厨房正上方的屋顶设置拱形天窗。

技术方案中所述的外立面设计是指：1)设置被动式附加阳光间：

在建筑正立面即南立面设置被动式附加阳光间，位于附加阳光间与农村节能建筑住宅主体之间的隔热保温墙即为中间墙，选用水泥钢丝网加聚苯乙烯夹心板将中间墙与附加阳光间隔开，其中聚苯乙烯夹心板厚170mm，中间墙靠近附加阳光间内部一侧再做厚度为100mm保温层；附加阳光间的其他部分采用玻璃建造，中间墙对面附加阳光间的玻璃墙的顶部和底部安装通风口；附加阳光间的玻璃墙体采用一种low-e镀膜；附加阳光间底部做600mm高的混凝土加砌块墙体，附加阳光间室内地面布置贮热容量高的红地砖，红地砖下面布置卵石,以减弱室内温度波动；夏季白天将表面为浅色的热反射隔热窗帘安装在附加阳光间内部整面中间墙上，夜间移除隔热窗帘；附加阳光间顶部布置植物藤架式挑檐，夏季种植吊兰等蔓藤植物，形成一道天然外遮阳屏障；2)门窗的设计：

(1)设计农村节能建筑住宅的门窗：a.在客厅与附加阳光间之间的隔热保温墙上安装一道推拉门，在主卧室与阳光房之间的隔热保温墙上布置一扇窗，在主卧室与附加阳光房之间的隔热保温墙上合理的布置一扇窗，在附加阳光间内部设置一道门，将内部空间隔成两部分用来晾晒衣物或储物；b.在次卧室和卫生间的东面各安装一扇窗户，其窗墙比小于0.35，窗户的材质采用pa断桥铝合金中空low-e玻璃，并对两扇窗采用硬卷帘形式的外遮阳设计；

(2)设计农村节能建筑住宅天窗：在该农村节能建筑住宅的次卧室及厨房上方的平屋顶上各安装一扇拱形天窗，天窗采用双层low-e玻璃材质。

技术方案中所述的维护结构节能设计是指：1)保温材料选择：该农村节能建筑住宅设计方法中采用常用的加气混凝土砌块并加上酚醛保温,外墙体的隔热保温涂料采用rlhy-12系列耐高温隔热保温涂料或是复合硅酸盐隔热涂料；

2)外墙设计：此农村节能建筑住宅中的东、西、北墙统称为外墙，外墙体的构造由外至内：混合砂浆为20mm、加气混凝土砌块b07为200mm、水泥砂浆为20mm、聚合物砂浆为3mm、酚醛为20mm、聚合物砂浆为3mm；

3)屋顶设计：农村节能建筑住宅的屋顶结构设计为：130mm厚的预制钢筋混凝土板，上铺100mm厚的炉渣混凝土，并在炉渣混凝土上面铺150mm厚的灰土,屋顶传热系数k值由传统的2.024w/m〃k减少到1.269w/m.k。

技术方案中所述的绿化庭院设计是指：所述的农村节能建筑住宅大多为独院式一层住宅，庭院绿化夏季降温效果较好，庭院绿化降温主要为绿色植物能够吸收并遮挡太阳辐射热，绿色植物利用光合作用及蒸腾作用将太阳能转化为新的能量形式而消耗，且从周围环境中吸收热量，降低周围环境温度；在农村节能建筑住宅的西面和东面各距离房屋墙体5-10m的位置种上两行间距为1～1.5m的果树。

技术方案中所述的太阳能集热器采暖系统设计是指：1)太阳能集热器的选择：(1)为了保证良好的集热效率，盖板和吸热板的距离为25mm～30mm；(2)在隔热层方面太阳能集热器的四周和底部设置保温层，保温层的材料采用岩棉板，周围保温厚度为20mm，底部保温厚度为40mm；

2)确定太阳能集热器面积：

(1)进行太阳能集热器采暖计算时，住宅未采取节能措施时的采暖热指标为58(w/m²)，西北地区采暖期的平均太阳辐射强度为15(w/m²〃h)，太阳供暖时间为6h，将数据带入下式：

q0＝i0〃η〃η0〃f0〃ζ

其中：i0－采暖期平均太阳辐射强度，单位为w/m²〃h；

η－集热器热效率，一般取20％-30％；

η0－集热器有效利用率，一般取80％左右；

f0－集热器有效面积，占空气集热器总面积65％-80％；

ζ－太阳供暖时间，单位为h；

(2)计算太阳能供暖保证率shf

shf＝来自太阳的有效热量/所需热量＝q0/q

一般取shf＝0.6-0.8

q0＝shf〃q＝i0〃η〃η0〃f0〃ζ

所以f0＝shf〃q/i0〃η〃η0〃ζ

所以太阳能集热器面积f1：

f1＝f0/0.65-0.80

＝shf〃q/(0.65-0.80)i0〃η〃η0〃ζ；

3)确定太阳能集热器的安装角度

(1)集热器的安装方位：

集热器的安装方位朝向正南会达到最大化利用，如受建筑物条件的制约，也可选择偏东南或偏西南方向；

(2)集热器的安装倾角可按下式确定：

使集热器全年得热量最大时，β＝φ；式中：β.集热器安装倾角，φ.安装地的纬度；当太阳能集热器侧重在夏季使用时，其安装角度等于当地纬度减10°；当太阳能集热器侧重在冬季使用时，其安装角度等于当地纬度加10°；

4)太阳能集热器的安装方式

该农村节能建筑的太阳能集热器利用支架安装在平屋顶上，通过支架的连杆机构确定集热器的最适合的安装角度，在平屋顶上找到太阳光直射方向，在明确太阳能集热器与地平线倾角的情况下，调整太阳光线与集热器法线角度θ摆正太阳能集热器，安装固定好，使得集热器的进风口连接于供暖房间的上部，而出风口则在供暖房间的下部，采用风机实现室内空气自循环加热。

技术方案中所述的发电系统设计是指：

1)太阳能光伏发电系统设计；2)太阳能光伏电池板面积的确定；3)跟踪控制系统设计：

(1)传感器跟踪

当晴天无云且太阳光照强度大时，利用感应器感应太阳光线来源，从而控制光伏电池板始终垂直太阳光线旋转；

(2)自动定时跟踪

在太阳光照强度较弱时采用定时跟踪方式，定时跟踪是利用地球以每小时自转15°的规律。单片机每10min驱动步进电机对太阳能收集器进行一次方位角调整,每次驱动调整耗时1s；

(3)当遇到多云天气时，光源感应器跟踪则不能很好的工作；定时跟踪又存在积累误差，且自身不能消除。为有效克服两种跟踪方式的缺点，将两种跟踪方式有效结合起来。晴天时，采用传感器跟踪；阴天时，利用传感器跟踪得不到太阳光的最大化收集，采用定时跟踪。

技术方案中所述的太阳能光伏电池板面积的确定是指：

以1kw输出功率，每天使用6个小时为例，计算过程如下：

(1)首先应计算出每天消耗的瓦时数，其中包括逆变器的损耗：通常逆变器的转换效率为90％，则当输出功率为p1＝1kw时，则实际需要输出功率应为p2＝1kw÷90％＝1.11kw；若按每天使用6小时，则耗电量为w1＝1.11kw×6小时＝6.66kwh。

蓄电池的最大放电深度最好保持在70％以内,所以输入应为：w2＝w1/0.7＝6.66kwh÷0.7＝9.51kwh。

(2)太阳能电池容量的计算与当地的地理位置、太阳辐射、气侯因素有关，首先计算标准辐照度下当地的年平均日照时数h(h)：

式中0.1w/cm²是25℃，am1.5光谱时的辐照度，也是太阳能电池的标准测试条件。

按照我国各类地区太阳能年辐射量,将年总辐射量代入公式，可得到各地区标准辐照度下当地的年平均日照时数h(h)，按每日有效日照时间为h小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率为70％。

太阳能电池板的输出功率应为p3＝9.51kwh/h÷70％＝13.585/h(w)

太阳能峰值功率wp是在标准条件下：辐射强度1000w/m²，大气质量am1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率；太阳能电池的额定输出功率与转换效率有关，太阳能电池目前的转换效率一般在14％-17％之间，每平方米的太阳能电池组件输出功率约140wp-170wp；

(3)面积功率×面积＝功率

普通的光伏太阳能电池板采用的是单晶硅和多晶硅材质，目前，由于单晶硅电池组件一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，坚固耐用。因此我们采用单晶硅太阳能电池组件，其光电转换效率为15％，假设此时太阳光的总功率为1000w/m²；

太阳能电池板组件的功率为p3＝13.585/h(kw)

太阳能电池板面积功率p0＝1000w/m²×15％＝150w/m²

则太阳能电池板面积s＝p3/p0＝(13585/h)÷150＝90.57/h(m²)

根据各地每日有效日照时间h的不同代入上式可计算出各地太阳能电池板的使用面积。

技术方案中所述的污水处理系统设计是指：污水处理系统采用三格地埋式化粪池处理系统，此污水处理系统由相连的三个池子组成,中间由进粪管连通；利用厌氧发酵、中层过粪和寄生虫卵比重大于一般混合液比重而易于沉淀的原理，粪便在池内经过30d以上的发酵分解，中层粪液依次由1池流至3池，以达到沉淀或杀灭粪便中寄生虫卵和肠道致病菌的目的，第3池粪液成为优质肥料。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中建筑采暖的能量全部来源于太阳能，不需外加辅助热源，有效节能。

2.本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中安装在平屋顶上的空气集热器采用最适宜倾角，吸收的太阳能用以冬季室内供暖。

3.本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中安装在住宅屋面的太阳能光伏电池板可以提供该住宅的所有用电，不需外接电网。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法的流程框图；

图2为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中建筑住宅整体设计的平面结构示意图；

图3为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中被动式附加阳光间冬季保温示意图；

图4为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中被动式附加阳光间夏季通风示意图；

图5为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中建筑物的正立面(南立面)的结构示意图；

图6为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中建筑物的东立面的结构示意图；

图7为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中天窗冬季阳光照射及利用反射板增强光照的示意图；

图8为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中天窗夏季阳光照射及利用反射板遮挡直射的示意图；

图9-1为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中太阳能集热器中太阳入射角示意图；

图9-2为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中太阳能集热器安装示意图；

图9-3为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中多片太阳能集热器安装示意图；

图9-4为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中多片太阳能集热器结构示意图；

图10-1为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中太阳能光伏电池板安装支架的主视图；

图10-2为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中太阳能光伏电池板安装支架的左视图；

图11为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中太阳能跟踪控制系统的结构原理框图；

图12为本发明所述的西北地区农村节能建筑住宅设计方法中太阳能整体跟踪装置运行流程图；

图中：1.外墙，2.中间墙，3.蓄电房，4.门斗，5.附加阳光间，6.主卧室，7.卫生间，8.次卧室，9.储藏室，10.客厅，11.厨房，12.太阳光线，13.法线，14.集热器平面，15.集热器倾角β，16.水平面，17.压块，18.螺栓，19.集热器，20.通风口，21.密封胶条，22.边框，23.玻璃盖板，24.固定支架，25.伸缩支架，26.太阳能电池板，27.活动铰链，28.t型丝杠传动副，29.电动机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

依据西北地区气候条件，结合可利用的清洁能源-太阳能，提出了一种西北地区农村节能建筑住宅设计方法，并从初步设计被动式建筑、太阳能集热器供暖、太阳能供电及生活污水无动力处理四个方面进行设计。

初步设计被动式建筑，通过对被动式建筑朝向和周围环境的合理布局，将内部空间和外部形体巧妙结合，选择合理建筑材料，使其在冬季能采集、保持、贮存、分配太阳能，从而解决建筑物的采暖问题。在夏季能遮蔽太阳能辐射，散逸室内热量，降低建筑温度。被动式建筑具有结构简单，造价低廉且不需要复杂的管道通风系统等特点。本发明在被动式建筑方面，采用一层平屋顶结构，其墙体均采用集热蓄热墙，在房屋正立面(南立面)合理设计附加阳光间，使得冬季最大限度地吸收太阳能用来采暖，夏季则具有良好的通风散热性能。

太阳能集热器安装在平屋顶最南边一排，通过参考当地地区冬季太阳能高度角等参数，设计合理的集热器最适宜安装角度，使其在冬季能最大限度地吸收太阳能，保障建筑供暖率。

太阳能光伏电池板通过光源传感器跟踪和自动定时跟踪两种有效方式结合，使得太阳光线能实时垂直照射在光伏电池板上，始终保持发电系统的输出功率最大。对于冬季夜晚，当室内温度低于设计温度的下限时，采暖房间的温度感应器就将信息传给控制室，蓄电房则自动将房间的电辅助加热设备开启，为房间提供热量；当电辅助加热设备供给的热量使室内温度高于设计温度的上限时，房间的温度感应器将相应的信息传给控制室，使电辅助加热设备关闭，如此往复运行，在有效节约电能的同时使室内始终保持舒适温度。仅仅依靠农村节能建筑住宅自身安装的光伏电池板产生的电能为农村节能建筑住宅供电，有效的将太阳能进行资源化利用。

生活污水无动力处理，采用适用于农村污水处理的三格地埋式无动力化粪池，将生活污水与养殖粪液有效的转化为有机肥料，用于农田灌溉。

1.初步设计被动式建筑

1)确定被动式建筑整体布局

(1)结合当地传统民居布局特点及新型居住功能需求，该农村节能建筑住宅设计方法采取半开敞式平面布置，农村节能建筑住宅外部院落空间形态类型采用前后院式，南向院子多为生活庭院,北向院子为杂务和饲养场所；

(2)为了减小建筑的体形系数，减少散热量，该农村节能建筑住宅采用紧凑式矩形布局。

(3)为保证在整个采暖期内，南面阳光间能有充足的日照，而夏季避免过多的日晒，结合当地建筑朝向，将整个被动式建筑的朝向确定为朝南偏东15°。

2)调整建筑体形系数

(1)体形系数是指建筑物的外表面积与外表面所包的体积之比，是表征建筑体形的参数。建筑体形是影响建筑能耗的重要因素，因此选定合适的体形系数是至关重要的。为定量分析体形系数对建筑能耗的影响，设计一个基准建筑平面模型，无凹凸程度变化，作为具备最理想体形系数的建筑，其体形系数是0.33。

(2)体形系数的变化可以引起建筑能耗变化，建筑能耗即建筑的运行能耗，就是人们日常用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等能耗，它是建筑能耗中的主导部分。在基准建筑平面模型的基础上，保持室内各功能区面积与维护结构参数不变，仅通过在南北向调整部分区域的位置，使建筑平面凹凸程度加大。通过调查分析，体形系数分别为0.35、0.38、0.40、0.42、0.44时，各项能耗也会随之发生变化，例如当体形系数由0.35增加到0.44时，相应采暖能耗由25kw〃h/(m²〃a)增加到30kw〃h/(m²〃a)，采暖空调总能耗由38kw〃h/(m²〃a)增加到43kw〃h/(m²〃a)，建筑能耗由39.30〃h/(m²〃a)增加到44.41〃h/(m²〃a)，则相应建筑能耗增加了5.11kw〃h/(m²〃a)，增长13％。针对本节能建筑住宅而言，选择的体形系数应该在0.35～0.38之间，相应的采暖能耗和建筑能耗均处于正常消耗状态，符合节能的理念。

2.内部空间设计

1)平面布置

结合当地传统民居布局特点及新型居住功能需求，该农村节能建筑住宅采取现代生活用房(主次卧室、客厅、厨房等)为主体的半开敞式平面布置，客厅和卧室的尺寸和布局参考传统农居住宅的堂屋、起居室等生活习惯设计而成。参阅图2，将蓄电房3设置在房屋内部西面一侧，储藏室9设置在房屋内部的北面一侧，紧挨着次卧室8，房屋内部西北角空间即为开放式厨房11。将次卧室8设置在房屋内的东北角，南侧紧靠的是卫生间7，卫生间的南侧设置主卧室6(紧挨附加阳光间5)，房屋内部余下的空间即为开放式客厅10。通过对流换热的方式使热量分布均匀，也使得公共区域的空间比实际尺寸看起来显得更大。将主要休息区域进行隔断，依据要求进行区域性辅助热源的采暖，有效隔绝公共区域产生的噪音。

2)设置隔热保温地板

地板采取隔热保温设计，地面首先采用素土夯实，铺一层油毡用来防潮；再铺150mm厚的干炉渣用于保温；在此基础上，铺320mm厚的毛石用于储热；最后，根据正常方法做地板，地面颜色采用浅色，这样将太阳光能很好地反射至房屋的集热蓄热墙上，建筑内部空间的墙体采用深色涂料，可以更加充分地吸收太阳能，使太阳光能得以二次利用，达到更好的保温效果。

3)内部采光设计

该农村节能建筑住宅通过以下几处采光：客厅10与附加阳光间5之间通过玻璃推拉门连接，附加阳光间5与主卧室6之间的墙上设置大面积玻璃窗，使客厅10和主卧室6有良好的采光效果；卫生间7和次卧室8的东面墙上各设置一扇窗进行直接采光，次卧室8及厨房11正上方的屋顶设置拱形天窗，使厨房11和次卧室8也能有良好的采光。

3.外立面设计

1)设置被动式附加阳光间

在该农村节能建筑住宅的正立面(南立面)设置被动式附加阳光间，位于附加阳光间与房屋内部之间的隔热保温墙(原南大墙)即中间墙。此中间墙选用水泥钢丝网加聚苯乙烯夹心板将节能建筑住宅主体与附加阳光间隔开，其中聚苯乙烯夹心板厚170mm，中间墙靠近附加阳光间内部一侧再做厚度为100mm保温层。附加阳光间其他部分皆采用玻璃墙建造，中间墙对面附加阳光间的玻璃墙顶部和底部选择合理位置安装通风孔，使夏季能够达到更好的通风散热效果。附加阳光间的玻璃墙体采用一种low-e镀膜，此low-e镀膜为一层薄氧化银镀膜和ar涂层经真空沉积法镀在玻璃表面，减少辐射损失，增加太阳能受益。附加阳光间底部做600mm高的混凝土加砌块墙体，附加阳光间室内地面布置红地砖贮热容量高的材料，地面材料下面布置卵石,以减弱室内温度波动。

参阅图3，冬季附加阳光间5白天尽可能多的吸收并保存太阳能，为本节能建筑住宅供给更多的太阳热能，加热室内空气，同时又可以作为一个缓冲区，减少节能建筑住宅内部各个房间内热损失，使农村节能建筑住宅与附加阳光间5相邻的部分获得一个温和的环境。白天当附加阳光间5内空气温度大于相邻室内房间温度时，开门或窗将附加阳光间5的热量通过对流传入相邻的内部房间。晚上关闭附加阳光间门窗，避免室外冷空气进入室内，通过白天保存的太阳能，达到保温取暖的作用。

参阅图3，夏季白天，将表面为浅色的热反射隔热窗帘安装在附加阳光间5内部整面中间墙。开启附加阳光间5外玻璃顶部及底部的通风孔，附加阳光间5内的空气受太阳辐射加热上升由顶部通风口流出，冷空气则由底部通风口流进，不断循环，及时将太阳辐射热带出室外，使附加阳光间5内空气温度不会有明显的升高。夜间移除隔热窗帘，将墙体从室内吸收的热量辐射至室外，同时开窗，以自然通风的方式及时向外散热。附加阳光间5顶部布置植物藤架式挑檐，夏季种植吊兰等蔓藤植物，形成一道天然外遮阳屏障，可以有效遮挡夏季白天太阳辐射热量，降低附加阳光间5白天室内温度。

2)门窗的设计

(1)设计节能建筑住宅门窗

a.参阅图5，在客厅10与附加阳光间5之间的隔热保温墙上安装一道推拉门a，保证采暖的同时增大了客厅10的活动区域。在主卧室6与附加阳光房5之间的隔热保温墙上合理的布置一扇窗，在附加阳光间5内部空间的合理位置设置一道门b将内部空间隔成两部分，用来晾晒衣物或储物；

b.参阅图6，在次卧室8和卫生间7的东面各安装一扇窗户，其窗墙比小于0.35，具有足够的保温性能。窗户的材质采用pa断桥铝合金中空low-e玻璃，并对两扇窗采用硬卷帘形式的外遮阳设计。夏季能较好的遮阳隔热，而冬季具有良好的保温性能；

(2)设计节能建筑住宅天窗

参阅图6与图7，在农村节能建筑住宅北侧次卧室8及厨房11上方的平屋顶上各安装一扇拱形天窗，天窗采用双层low-e玻璃材质。此天窗的作用就是为了冬季能反射到屋子里面更多的阳光，而夏季能反射出去更多的阳光，这样能够使太阳能得到充分合理利用；

4.维护结构节能设计

1)保温材料选择

该农村节能建筑住宅设计方法中采用常用的加气混凝土砌块并加上酚醛保温。外墙体的隔热保温涂料采用rlhy-12系列耐高温隔热保温涂料或是复合硅酸盐隔热涂料，减少额外散热，充分节能。

2)外墙设计

此农村节能建筑住宅中的东、西、北墙统称为外墙，外墙体的构造由外至内：混合砂浆为20mm、加气混凝土砌块b07为200mm、水泥砂浆为20mm、聚合物砂浆为3mm、酚醛为20mm、聚合物砂浆为3mm。

3)屋顶设计

本节能建筑住宅的屋顶结构设计为：130mm厚的预制钢筋混凝土板，上铺100mm厚的炉渣混凝土，并在炉渣混凝土上面铺150mm厚的灰土。如此的结构设计使其热工性能比传统屋顶设计有较大提高,屋顶传热系数k值由传统的2.024w/(m〃k)减少到1.269w/(m.k)。

5.绿化庭院设计

本发明所设计的节能建筑住宅大多为独院式一层住宅，庭院绿化夏季降温效果较好。庭院绿化降温主要为绿色植物能够吸收并遮挡太阳辐射热，绿色植物利用光合作用及蒸腾作用将太阳能转化为新的能量形式而消耗，且从周围环境中吸收热量，降低周围环境温度。在该农村节能建筑住宅的西面和东面各距离房屋墙体5～10m的位置种上两行间距为1～1.5m的果树。

6太阳能集热器采暖系统设计

1)太阳能集热器选择

平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，是太阳能热利用系统中接收太阳辐射并向其传热工质传递热量的非聚光型部件。平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。白天日光通过透明盖板到达集热器后，吸热板首先吸收太阳辐射，将光能转换成热能，吸热板温度升高。室内空气经风机流经吸热板，通过充分换热，升温后流回室内,从而使室温提高。

(1)平板型太阳能集热器的吸热板为镀锌板，是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件，基本上是平板形状。空气间层的金属筛网折叠为波纹状，角度为90°，太阳光照射到此吸热板上经此角度的折射和反射后使得太阳热量利用率最大。在吸热板上涂上一层丙烯酸黑漆，此黑漆对短波辐射有较高的吸收率，而对长波辐射有低的发射率，几乎能将太阳光线全部吸收。

(2)太阳能集热器的透明盖板采用双层的hsg高强度的耐热玻璃，能让太阳可见光透过而不让吸热板产生的红外线透过，使集热器内获得较高的温升，其效率可达85-91％。为了保证良好的集热效率，盖板和吸热板的距离确定在25mm～30mm之间。

(3)在隔热层方面太阳能集热器的四周和底部设置保温层，保温层的材料采用岩棉板，周围保温厚度为20mm，底部保温厚度为40mm，可以减少集热器向环境散热，提高其工作效率。

2)确定太阳能集热器面积f1

如下表所示为摘自《城市热力网设计规范》的采暖热指标推荐值qf(w/m²),表中数值适用于我国西北地区。

表1.采暖指标数值表

未采取节能措施之前，每平方米住宅的采暖热量在58w～64w，采取节能措施之后采暖热量在40w～45w。可以看出，在采取节能措施之后，建筑物维持人们正常生活所需的热量降低，可以达到有效节能。

西北地区采暖期的平均太阳辐射强度为15(w/m²〃h)，太阳供暖时间为6h，将数据带入下式：

q0＝i0〃η〃η0〃f0〃ζ

其中：i0－采暖期平均太阳辐射强度，单位为w/m²〃h；

η－集热器热效率，(一般取20％-30％)；

η0－集热器有效利用率，(一般取80％左右)；

f0－集热器有效面积，(占集热器总面积55％-80％)；

ζ－太阳供暖时间，单位为h。

可得单位采暖面积热量需要0.23的太阳能集热器有效面积。

太阳能供暖保证率(供给率)shf

shf＝来自太阳的有效热量/所需热量＝q0/q

一般取shf＝0.6-0.8

q0＝shf〃q＝i0〃η〃η0〃f0〃ζ

所以f0＝shf〃q/i0〃η〃η0〃ζ

所以，太阳能集热器集热面积f1：

f1＝f0/0.65-0.80

＝shf〃q/(0.65-0.80)i0〃η〃η0〃ζ；

3)确定太阳能集热器的安装角度

(1)集热器的安装方位：集热器的安装方位朝向正南会达到最大化利用，如受建筑物条件的制约，也可选择偏东南或偏西南方向。

(2)集热器的安装倾角可按下式确定：

使集热器全年获得热量最大时，β＝φ；式中：β.集热器安装倾角，φ.安装地的纬度。集热器的倾角对太阳辐射量的收集会产生一定的影响，综合考虑太阳直射辐射和散射辐射的影响。集热器倾角近似等于当地纬度时，可得到最大年太阳辐射量。所以，太阳能集热器倾角可选择在当地纬度±10°的范围内。参阅图9-1，将太阳能集热器安装在平屋顶的上方。太阳光线与太阳能集热器法线夹角θ，太阳能集热器与地平线倾角β按以上得到的倾角β设定。

4)太阳能集热器的安装方式

一般用于供暖的太阳能集热器都需要与建筑本身相结合，常见的为利用坡屋顶的南向面结合当地纬度，合理选择南向面的屋面倾角。该农村节能建筑住宅的太阳能集热器利用支架安装在平屋顶上，通过支架的连杆机构确定集热器的最适合的安装角度。安装太阳能集热器参阅图9-1至图9-4，在平屋顶上找到太阳光直射方向，在明确太阳能集热器与地平线倾角的情况下，调整太阳光线与集热器法线角度θ摆正太阳能集热器，安装固定好。使得集热器的进风口连接于供暖房间的上部，而出风口则在供暖房间的下部，通过风机实现室内空气自循环加热。

7.发电系统设计

该农村节能建筑住宅用电均来源于光伏发电系统，光伏电池组安装在节能建筑住宅的平屋顶上。在节能建筑住宅的室内专门配有一间蓄电房3，里面的蓄电池组积蓄的电量将供整栋节能建筑住宅的所有日常用电。而对于冬季夜晚，当室内温度低于设计温度的下限时，采暖房间的温度感应器就将信息传给蓄电房3，从而控制中心自动将房间的电辅助加热设备开启，为房间提供热量；当电辅助加热设备供给的热量使室内温度高于设计温度的上限时，采暖房间的温度感应器将相应的信息传给蓄电房3内，使电辅助加热设备关闭，如此往复运行，在有效节约电能的同时使室内始终保持舒适温度。仅仅依靠节能建筑住宅自身安装的光伏电池板产生的电能为节能建筑住宅供电，有效的将太阳能进行资源化利用。

1)太阳能光伏发电系统设计

该农村节能建筑住宅的太阳能光伏发电系统由太阳能电池光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载与交流负载等构成。太阳能电池光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。在该农村节能建筑住宅节能设计方法中为了严格秉承节能思想与观念，提高农村单栋住宅的土地利用率，将太阳能光伏电池板安装在农村节能建筑住宅的平屋顶上,其安装支架结构示意图参阅图10-1、图10-2，将两对固定支架24与伸缩支架25竖直地固定安装在平屋顶上，两个伸缩支架25的上端采用活动铰链27连接太阳能电池板26的下端，竖直地固定安装好电机29和t型丝杠传动副28，t型丝杠传动副28的上端与太阳能电池板26的上端铰接，连接好电路接通电源保证机构正常运行。

2)太阳能光伏电池板面积的确定

以1kw输出功率，每天使用6个小时为例，计算过程如下：

(1)首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)：通常逆变器的转换效率为90％(国内企业研制的大功率光伏逆变器最高转换率已达98.8％)，则当输出功率为p1＝1kw时，则实际需要输出功率应为p2＝1kw÷90％＝1.11kw；若按每天使用6小时，则耗电量为w1＝1.11kw×6小时＝6.66kwh。

蓄电池的最大放电深度最好保持在70％以内,所以输入应为：w2＝w1/0.7＝6.66kwh÷0.7＝9.51kwh。

(2)太阳能电池容量的计算与当地的地理位置、太阳辐射、气侯等因素有关。首先计算标准辐照度下当地的年平均日照时数h(h)：

式中0.1w/cm²是25℃，am1.5光谱时的辐照度，也是太阳能电池的标准测试条件。

表2我国各类地区太阳能年辐射量,将年总辐射量代入公式，可得到各地区标准辐照度下当地的年平均日照时数h(h)，结果如表1,按每日有效日照时间为h小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率为70％。

太阳能电池板的输出功率应为p3＝9.51kwh/h÷70％＝13.585/h(w)

太阳能峰值功率wp是在标准条件下：辐射强度1000w/m²，大气质量am1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。太阳能电池的额定输出功率与转换效率有关，太阳能电池目前的转换效率一般在14％-17％之间，每平方米的太阳能电池组件输出功率约140wp-170wp。

(3)面积功率×面积＝功率

普通的光伏太阳能电池板采用的是单晶硅和多晶硅材质，目前，由于单晶硅电池组件一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，坚固耐用。因此我们采用单晶硅太阳能电池组件，其光电转换效率为15％，假设此时太阳光的总功率为1000w/m²；

太阳能电池板组件的功率为p3＝13.585/h(kw)

太阳能电池板面积功率p0＝1000w/m²×15％＝150w/m²

则太阳能电池板面积s＝p3/p0＝(13585/h)÷150＝90.57/h(m²)

根据各地每日有效日照时间h的不同代入上式可计算出各地太阳能电池板的使用面积，具体数据见表2

3)跟踪控制系统设计

该农村节能建筑住宅设计方法中采用盘式双轴跟踪器，是目前接收太阳辐射能量最多的跟踪器之一，属于二维控制,控制的参数为高度角与方位角。通过联动机构推动太阳能电池组做俯仰运动，跟踪太阳的高度，角度调整范围为0～90°。正北方为方位角电机，通过齿轮带动整个盘子自东向西转动跟踪太阳的方位，角度调整范围为-110°～120°。跟踪器工作时，跟踪器运行机构带动跟踪系统根据太阳方位角运行规律进行偏转，带动跟踪系统的水平轴依照太阳高度角运行规律进行俯仰运动，使太阳能组件跟踪太阳的方位与高度，确保太阳光线垂直照射太阳能光伏电池板上。采用传感器跟踪和自动定时跟踪两种跟踪方式，将跟踪器放在双轴转盘上，与双轴转盘通过导线连接，双轴转盘通过导线与室内电源相连接。跟踪器根据太阳高度和方位的变化进行实时旋转跟踪，使收集到的太阳光最多，使获得太阳能利用率最大。两种跟踪方式都是通过跟踪器内部的感应器、芯片等结构进行感应和传递信息，通过接通室内电源进行工作。

(1)传感器跟踪

参阅图11，当晴天无云且太阳光照强度大时，利用感应器感应太阳光线来源，从而控制光伏电池板始终垂直太阳光线旋转。光敏电阻是基于内光电效应制成的光电器件，光敏二极管和光敏三极管则是基于半导体材料的光生伏特效应制成的光电器件。光敏三极管灵敏度比光敏二极管高出许多，且光敏三极管本身就具有放大功能，因此在光照较弱的环境下也可以正常工作。该农村节能建筑住宅设计方法中选择的是光敏三极管作为跟踪装置的光信号传感器。本控制系统采用高性能的c8051f020单片机，该c8051f020单片机是完全集成混合信号系统级mcu芯片，其交叉开关方式实现i/o的灵活配置。真正12位100kbps的8通道adc，可以满足信号采集的需要。带pga和模拟多路开关，64k字节可在系统编程的flash存储器，4352字节的片内ram带有jtag调试电路，完全可以满足用于民用太阳跟踪装置上做主控制芯片。

(2)自动定时跟踪

在太阳光照强度较弱时采用定时跟踪方式。定时跟踪是利用地球以每小时自转15°的规律。单片机每10min驱动步进电机对太阳能收集器进行一次方位角调整,每次驱动调整耗时1s。其余时间单片机处于休眠状态，依据一年四季太阳升起日落的时间点不同，在每一季度分别对定时跟踪的起止时间作调整，从而使电机驱动太阳能收集器进行角度调整。因为在一天之内，基本可以忽略太阳高度角的变化，故阴天时只对方位角进行调整。

(3)当遇到多云天气时，光源感应器跟踪则不能很好的工作；定时跟踪又存在积累误差，且自身不能消除。为有效克服两种跟踪方式的缺点，将两种跟踪方式有效结合起来。晴天时，采用传感器跟踪；阴天时，利用传感器跟踪得不到太阳光的最大化收集，采用定时跟踪。这样当太阳重新出现时，再重新切换到传感器跟踪，即可得到最佳控制效果。处理器读取时钟芯片信息，当到傍晚(16:00-18∶30时)的时候使跟踪装置复位，参阅图12。

8.污水处理系统设计

污水处理系统设计采用三格地埋式化粪池处理系统，此污水处理系统由相连的三个池子组成,中间由进粪管连通。利用厌氧发酵、中层过粪和寄生虫卵比重大于一般混合液比重而易于沉淀的原理，粪便在池内经过30d以上的发酵分解，中层粪液依次由1池流至3池，以达到沉淀或杀灭粪便中寄生虫卵和肠道致病菌的目的，第3池粪液成为优质肥料。三格地埋式化粪池不仅具有杀灭寄生虫卵和肠道致病菌的效果，在发酵过程中对有机物的降解作用比一般的化粪池效果更佳。

实施例

西北地区农村节能住宅设计的步骤如下：

1.初步设计被动式建筑

1)确定被动式建筑整体布局

(1)结合当地传统民居布局特点及新型居住功能需求，本节能建筑住宅设计方法采取半开敞式平面布置，本节能建筑住宅外部院落空间形态类型采用前后院式，南向院子多为生活庭院,北向院子为杂务和饲养场所。

(2)为了减小建筑的体形系数，减少散热量，该农村节能建筑住宅采用紧凑式矩形布局。

(3)为保证在整个采暖期内，南面阳光间能有充足的日照，而夏季避免过多的日晒，并结合当地建筑朝向，最终将整个被动式建筑的朝向确定为朝南偏东15°。

2)调整建筑体形系数

(1)体形系数是指建筑物的外表面积与外表面所包的体积之比，是表征建筑体形的参数。建筑体形是影响建筑能耗的重要因素，因此选定合适的体形系数是至关重要的。为定量分析体形系数对建筑能耗的影响，设计一个基准建筑平面模型，无凹凸程度变化，作为具备最理想体形系数的建筑，其体形系数是0.33。

(2)体形系数的变化可以引起建筑能耗变化，建筑能耗即建筑的运行能耗，就是人们日常用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等能耗，它是建筑能耗中的主导部分。在基准建筑平面模型的基础上，保持室内各功能区面积与维护结构参数不变，仅通过在南北向调整部分区域的位置，使建筑平面凹凸程度加大。通过调查分析，体形系数分别为0.35、0.38、0.40、0.42、0.44时，各项能耗也会随之发生变化，例如当体形系数由0.35增加到0.44时，相应采暖能耗由25kw〃h/(m²〃a)增加到30kw〃h/(m²〃a)，采暖空调总能耗由38kw〃h/(m²〃a)增加到43kw〃h/(m²〃a)，建筑能耗由39.30〃h/(m²〃a)增加到44.41〃h/(m²〃a)，则相应建筑能耗增加了5.11kw〃h/(m²〃a)，增长比例为13％。针对本节能建筑住宅而言，选择体形系数为0.36，相应的采暖能耗和建筑能耗均处于正常消耗状态，符合节能的理念。

2.内部空间设计

1)平面布置

该农村节能建筑住宅采取现代生活用房(主次卧室、客厅、厨房等)为主体的半开敞式平面布置，客厅和卧室的尺寸和布局参考传统农居住宅的堂屋、起居室等生活习惯设计而成。形体上为了减小建筑的体形系数，更好减少散热量，采用紧凑式矩形布局，整体的室内生活面积选定为96m²(除去阳光间和门斗的占地面积)。参阅图2，将蓄电房3设置在房屋内部西面一侧，储藏室9设置在房屋内部的北面一侧，紧挨着次卧室8，房屋内部西北角空间即为开放式厨房11。将次卧室8设置在房屋内的东北角，次卧室8的南侧挨着卫生间7，卫生间的另一侧设置的是主卧室6(紧挨着附加阳光间5)，房屋内部余下的空间即为开放式客厅10。

2)设置隔热保温地板

地板采取隔热保温设计，地面首先采用素土夯实，铺一层油毡用来防潮；再铺150mm厚的干炉渣用于保温；在此基础上，铺320mm厚的毛石用于储热；最后，根据正常方法做地板，地面颜色采用浅色，这样将太阳光能很好地反射至房屋的集热蓄热墙上，建筑内部空间的墙体采用深色涂料，可以更加充分地吸收太阳能，使太阳光能得以二次利用，达到更好的保温效果。

3)内部采光设计

该农村节能建筑住宅通过以下几处采光：客厅10与附加阳光间5之间通过玻璃推拉门连接，附加阳光间5与主卧室6之间的墙上设置大面积玻璃窗，使客厅10和卧室6有良好的采光效果；卫生间7和次卧室8的东面墙上各设置一扇窗进行直接采光，次卧室8及厨房11正上方的屋顶设置拱形天窗，使厨房11和次卧室8也能有良好的采光。

3.外立面设计

1)设置被动式附加阳光间

在该农村节能建筑住宅的正立面(南立面)设置被动式附加阳光间，位于附加阳光间(5)与房屋内部之间的隔热保温墙(原南大墙)即中间墙。此中间墙选用水泥钢丝网加聚苯乙烯夹心板将节能建筑住宅主体与附加阳光间隔开，其中聚苯乙烯夹心板厚170mm，中间墙靠近附加阳光间内部一侧再做厚度为100mm保温层。附加阳光间其他部分皆采用玻璃墙建造，中间墙对面附加阳光间的玻璃墙顶部和底部选择合理位置安装通风孔，使夏季能够达到更好的通风散热效果。附加阳光间的玻璃墙体采用一种low-e镀膜，此low-e镀膜为一层薄氧化银镀膜和ar涂层经真空沉积法镀在玻璃表面，减少辐射损失，增加太阳能受益。附加阳光间底部做600mm高的混凝土加砌块墙体，附加阳光间室内地面布置红地砖贮热容量高的材料，地面材料下面布置卵石,以减弱室内温度波动。

参阅图3，冬季附加阳光间5白天尽可能多的吸收并保存太阳能，为节能建筑住宅供给更多的太阳热能，加热室内空气，同时又可以作为一个缓冲区，减少节能建筑住宅内部各个房间内热损失，使建筑物住宅与附加阳光间5相邻的部分获得一个温和的环境。白天当附加阳光间5内空气温度大于相邻室内房间温度时，开门或窗将附加阳光间5的热量通过对流传入相邻的内部房间。晚上关闭附加阳光间5门窗，避免室外冷空气进入室内，通过白天保存的太阳能，达到保温取暖的作用。

参阅图3，夏季白天，将表面为浅色的热反射隔热窗帘安装在附加阳光间5内部整面中间墙。开启附加阳光间5玻璃墙顶部及底部的通风孔，附加阳光间5内的空气受太阳辐射加热上升由顶部通风口流出，冷空气则由底部通风口流进，不断循环，及时将太阳辐射热带出室外，使附加阳光间5内空气温度不会有明显的升高。夜间移除隔热窗帘，将墙体从室内吸收的热量辐射至室外，同时开窗，以自然通风的方式及时向外散热。附加阳光间顶部布置植物藤架式挑檐，夏季种植吊兰等蔓藤植物，形成一道天然外遮阳屏障，可以有效遮挡夏季白天太阳辐射热量，降低附加阳光间5白天室内温度。

2)门窗的设计

(1)设计节能建筑住宅门窗

a.参阅图5，在客厅10与附加阳光间5之间的隔热保温墙上安装一道推拉门a，保证采暖的同时增大了客厅的活动区域。在主卧室6与附加阳光房5之间的隔热保温墙上合理的布置一扇窗，在附加阳光间内部空间的合理位置设置一道门b将内部空间隔成两部分，用来晾晒衣物或储物。

b.参阅图6，在次卧室8和卫生间7的东面各安装一扇窗户，其窗墙比小于0.35，具有足够的保温性能。窗户的材质采用pa断桥铝合金中空low-e玻璃，并对两扇窗采用硬卷帘形式的外遮阳设计。夏季能较好的遮阳隔热，而冬季具有良好的保温性能。

(2)设计节能建筑住宅天窗

参阅图6与图7，在该农村节能建筑住宅北侧次卧室8及厨房11上方的平屋顶上各安装一扇拱形天窗，天窗采用双层low-e玻璃材质。此天窗的作用就是为了冬季能反射到屋子里面更多的阳光，而夏季能反射出去更多的阳光，这样能够使太阳能得到充分合理利用。

4.维护结构节能设计

1)保温材料选择

该农村节能建筑住宅设计方法中采用常用的加气混凝土砌块并加上酚醛保温。外墙体的隔热保温涂料采用rlhy-12系列耐高温隔热保温涂料或是复合硅酸盐隔热涂料，减少额外散热，充分节能。

2)外墙设计

此节能建筑住宅中的东、西、北墙统称为外墙，外墙体的构造由外至内：混合砂浆为20mm、加气混凝土砌块b07为200mm、水泥砂浆为20mm、聚合物砂浆为3mm、酚醛为20mm、聚合物砂浆为3mm。

3)屋顶设计

农村节能建筑住宅的屋顶结构设计为：130mm厚的预制钢筋混凝土板，上铺100mm厚的炉渣混凝土，并在预制混凝土板上铺150mm厚灰土。如此的结构设计使其热工性能比传统屋顶设计有较大提高,屋顶传热系数k值由传统的2.024w/(m〃k)减少到1.269w/(m.k)。

5.绿化庭院设计

本发明所设计的农村节能建筑住宅大多为独院式一层住宅，庭院绿化夏季降温效果较好。庭院绿化降温主要为绿色植物能够吸收并遮挡太阳辐射热，绿色植物利用光合作用及蒸腾作用将太阳能转化为新的能量形式而消耗，且从周围环境中吸收热量，降低周围环境温度。在该农村节能建筑住宅的西面和东面各距离房屋墙体5m的位置种上两行间距为1.5m的桃树和桂花树共6株。

6太阳能集热器采暖设计

1)太阳能集热器的选择

平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，是太阳能热利用系统中，接收太阳辐射并向其传热工质传递热量的非聚光型部件。平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。其中吸热体结构基本为平板形状。当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。白天日光通过透明盖板到达集热器后，吸热板首先吸收太阳辐射，将光能转换成热能，吸热板温度升高。室内空气经风机流经吸热板，通过充分换热，升温后流回室内,从而使室温提高。

(1)平板型太阳能集热器的吸热板为镀锌板，是平板型太阳能集热器内吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件。空气间层的金属筛网折叠为波纹状，角度为90°，太阳光照射到此吸热板上经此角度的折射和反射后使得太阳热量利用率最大。在吸热板上涂上一层丙烯酸黑漆，此黑漆对短波辐射有较高的吸收率，而对长波辐射有低的发射率，几乎能将太阳光线全部吸收。

(2)太阳能集热器的透明盖板采用双层的hsg高强度的耐热玻璃，能让太阳可见光透过而不让吸热板产生的红外线透过，使集热器内获得较高的温升，其效率可达85-91％。为保证良好的集热效率，盖板和吸热板的距离确定在25mm。

(3)在隔热层方面太阳能集热器的四周和底部设置保温层，保温层的材料采用岩棉板，周围保温厚度为20mm，底部保温厚度为40mm，减少集热器向环境散热，提高其工作效率。

2)确定太阳能集热器面积

如下表所示为摘自《城市热力网设计规范》的采暖热指标推荐值qf(w/m²),表中数值适用于我国西北地区。

表1.采暖指标数值表

表1.采暖指标数值表

未采取节能措施之前，每平方米住宅的采暖热量在58w～64w，采取节能措施之后采暖热量在40w～45w。可以看出，在采取节能措施之后，维持人们正常生活所需的热量降低，可以达到有效节能。

进行太阳能集热器采暖计算时，采暖热指标为64(w/m²)，西北地区采暖期的平均太阳辐射强度为15(w/m²·h)，太阳供暖时间为6h。将数据带入下式

q0＝i0·η·η0·f0·ζ

其中：i0－采暖期平均太阳辐射强度。(w/m²·h)

η－集热器热效率。(一般20％-30％)

η0－集热器有效利用率。(一般80％左右)

f0－集热器有效面积。(占集热器总面积55％-80％)

ζ－太阳供暖时间(h)。

太阳能供暖保证率(供给率)shf

shf＝来自太阳的有效热量/所需热量＝q0/q

一般取shf＝0.6-0.8

q0＝shf·q＝i0·η·η0·f0·ζ

所以f0＝shf·q/i0·η·η0·ζ

所以，太阳能集热器集热面积：

f1＝f0/0.55

＝shf·q/0.55·i0·η·η0·ζ

＝0.8×64÷(0.55×15×0.2×0.8×6)

＝6.47

选择太阳能集热器的单块面积为1.04m²，为了充分保障采暖，在该建筑的平屋顶上安装7块标准太阳能集热器。

3)确定太阳能集热器的安装角度

(1)集热器的安装方位：集热器的安装方位朝向正南。

(2)集热器的安装倾角可按下式确定：使集热器全年得热量最大时，β＝φ式中：β：集热安装倾角φ：安装地的纬度。由于该农村节能建筑住宅所安装的太阳能集热器更侧重于冬季供暖，为获得最佳太阳辐射量，倾角应大约比当地纬度大10°左右。我们所选择的计算依据采用兰州地区，故集热器倾角的固定安装角度应比36°大10°，即为46°。参阅图9，将太阳能集热器安装在平屋顶的上方。太阳光线与太阳能集热器法线夹角θ，太阳能集热器与地平线倾角β按以上得到的倾角β设定。

4)太阳能集热器的安装方式

一般用于供暖的太阳能集热器都需要与建筑本身相结合，常见的为利用坡屋顶的南向面结合当地纬度，合理选择南向面的屋面倾角。该农村节能建筑住宅的太阳能集热器利用支架安装在平屋顶上，通过支架的连杆机构确定集热器的最适合安装角度。安装太阳能集热器参阅图9-1至图9-4，在平屋顶上找到太阳光直射方向，在明确太阳能集热器与地平线倾角的情况下，调整太阳光线与集热器法线角度θ摆正太阳能集热器，安装固定好。使得集热器的进风口连接于供暖房间的上部，而出风口则在供暖房间的下部，通过风机实现室内空气自循环加热。

7.发电系统设计

节能建筑住宅用电均来源于光伏发电系统，光伏电池组安装在节能建筑住宅的平屋顶上。在节能建筑住宅的室内专门配有一间蓄电房3，里面的蓄电池组积蓄的电量将供整栋节能建筑住宅的所有日常用电。而对于冬季夜晚，当室内温度低于设计温度的下限时，采暖房间的温度感应器就将信息传给蓄电房3，从而蓄电房3自动将房间的电辅助加热设备开启，为房间提供热量；当电辅助加热设备供给的热量使室内温度高于设计温度的上限时，采暖房间的温度感应器将相应的信息传给蓄电房3，使电辅助加热设备关闭，如此往复运行，在有效节约电能的同时使室内始终保持舒适温度。仅仅依靠节能建筑住宅自身安装的光伏电池板产生的电能为节能建筑住宅供电，有效的将太阳能进行资源化利用。

1)太阳能光伏发电系统设计

该农村节能建筑住宅的太阳能光伏发电系统由太阳能电池光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载与交流负载等构成。光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。在该农村节能建筑住宅设计方法中为了严格秉承节能思想与观念，提高农村单栋住宅的土地利用率，将太阳能光伏电池板安装在节能建筑住宅的平屋顶上,其安装支架结构示意图参阅图10-1、图10-2，将两对固定支架24与伸缩支架25竖直地固定安装在平屋顶上，两个伸缩支架25的上端采用活动铰链27连接太阳能电池板26的下端，竖直地固定安装好电机29和t型丝杠传动副28，t型丝杠传动副28的上端与太阳能电池板26的上端铰接，连接好电路接通电源保证机构正常运行。

2)太阳能光伏电池板面积的确定

以1kw输出功率，每天使用6个小时为例，计算过程如下：

(1)首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)：通常逆变器的转换效率为90％(国内企业研制的大功率光伏逆变器最高转换率已达98.8％)，则当输出功率为p1＝1kw时，则实际需要输出功率应为p2＝1kw÷90％＝1.11kw；若按每天使用6小时，则耗电量为w1＝1.11kw×6小时＝6.66kwh。

蓄电池的最大放电深度最好保持在70％以内,所以输入应为：

w2＝w1/0.7＝6.66kwh÷0.7＝9.51kwh。

(2)太阳能电池容量的计算与当地的地理位置、太阳辐射、气侯等因素有关。首先计算标准辐照度下当地的年平均日照时数h(h)：

式中0.1w/cm²是25℃、am1.5光谱时的辐照度，也是太阳能电池的标准测试条件。

表2我国各类地区太阳能年辐射量将年总辐射量代入公式，可得到各地区标准辐照度下当地的年平均日照时数h(h)，结果如表1按每日有效日照时间为h小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率为70％。

太阳能电池板的输出功率应为p3＝9.51kwh/h÷70％＝13.585/h(w)

(3)面积功率×面积＝功率

我们采用单晶硅太阳能电池组件，其光电转换效率为15％。，假设此时太阳光的总功率为1000w/m²；

太阳能电池板组件的功率为p3＝13.585/h(kw)

太阳能电池板面积功率p0＝1000w/m²×15％＝150w/m²

则太阳能电池板面积s＝p3/p0＝(13585/h)÷150＝90.57/h(m²)

本次所设计的住宅位于是甘肃西部兰州地区，结合表2中标准辐照度下当地的年平均日照时数，选择h(h)等于8.5，则太阳能电池板面积s＝p3/p0＝(13585/h)÷150＝13858÷8.5÷150＝10.5m2

为了保证让电源的过余量能满足冬季夜间室内的电加热辅助设备的启动，拟在平屋顶顶面安装面积为20m²的光伏电池阵列，用以提供该农村节能建筑住宅的所有用电量。

表2

3)跟踪控制系统设计

该农村节能建筑住宅采用盘式双轴跟踪器，是目前接收太阳辐射能量最多的跟踪器之一，属于二维控制,控制的参数为高度角与方位角。通过联动机构推动太阳能电池组做俯仰运动，跟踪太阳的高度，角度调整范围为0～90°。正北方为方位角电机，通过齿轮带动整个盘子自东向西转动跟踪太阳的方位，角度调整范围为-110°～120°。跟踪器工作时，跟踪机构带动跟踪系统垂直轴根据太阳方位角运行规律进行偏转，带动跟踪系统的水平轴依照太阳高度角运行规律进行俯仰运动，使太阳能组件跟踪太阳的方位与高度，确保太阳光线垂直照射电池板上。采用传感器跟踪和自动定时跟踪两种跟踪方式，将跟踪器放在双轴转盘上，与双轴转盘通过导线连接，双轴转盘通过导线与室内电源相连接。跟踪器根据太阳高度和方位的变化进行实时旋转跟踪，使收集到的太阳光最多，使获得太阳能利用率最大。两种跟踪方式都是通过跟踪器内部的感应器、芯片等结构进行感应和传递信息，通过接通室内电源进行工作。

(1)传感器跟踪

参阅图11，当晴天无云且太阳光照强度大时，利用感应器感应太阳光线来源，从而控制光伏电池板始终垂直太阳光线旋转。光敏电阻是基于内光电效应制成的光电器件，光敏二极管和光敏三极管则是基于半导体材料的光生伏特效应制成的光电器件。光敏三极管灵敏度比光敏二极管高出许多，且光敏三极管本身就具有放大功能，因此在光照较弱的环境下也可以正常工作。本节能建筑住宅设计方法中选择的是光敏三极管作为跟踪装置的光信号传感器。本控制系统采用高性能的c8051f020单片机，该c8051f020单片机是完全集成混合信号系统级mcu芯片，其交叉开关方式实现i/o的灵活配置。真正12位100kbps的8通道adc，可以满足信号采集的需要。带pga和模拟多路开关，64k字节可在系统编程的flash存储器，4352字节的片内ram带有jtag调试电路，完全可以满足用于民用太阳跟踪装置上做主控制芯片。

(2)自动定时跟踪

在太阳光照强度较弱时采用定时跟踪方式。定时跟踪是利用地球以每小时自转15°的规律。单片机每10min驱动步进电机对太阳能收集器进行一次方位角调整,每次驱动调整耗时1s。其余时间单片机处于休眠状态，依据一年四季太阳升起日落的时间点不同，在每一季度分别对定时跟踪的起止时间作调整，从而使电机驱动太阳能收集器进行角度调整。因为在一天之内，基本可以忽略太阳高度角的变化，故阴天时只对方位角进行调整。

(3)当遇到多云天气时，光源感应器跟踪则不能很好的工作，定时跟踪又存在积累误差，且自身不能消除。为有效克服两种跟踪方式的缺点，将两种跟踪方式有效结合起来。晴天时，采用传感器跟踪；阴天时，利用传感器跟踪得不到太阳光的最大化收集，采用定时跟踪。这样当太阳重新出现时，再重新切换到传感器跟踪，即可得到最佳控制效果。处理器读取时钟芯片信息，当到傍晚(18∶30)的时候使跟踪装置复位，参阅图12。

8.污水处理系统设计

污水处理系统设计采用三格地埋式化粪池处理方法，此污水处理系统由相连的三个池子组成,中间由进粪管连通。利用厌氧发酵、中层过粪和寄生虫卵比重大于一般混合液比重而易于沉淀的原理，粪便在池内经过30d以上的发酵分解，中层粪液依次由1池流至3池，以达到沉淀或杀灭粪便中寄生虫卵和肠道致病菌的目的，第3池粪液成为优质肥料。三格地埋式化粪池不仅具有杀灭寄生虫卵和肠道致病菌的效果，在发酵过程中对有机物的降解作用比一般的化粪池效果更佳。

总结：

该农村节能建筑住宅设计方法适用于太阳能资源丰富且冬季需要进行采暖的西北农村地区。结合不同的太阳能利用方式用于农村住宅的采暖、用电等方面，可以使得该农村节能建筑住宅在冬季具有良好的保温效果，夏季具有良好的通风散热效果。通过对太阳能集热器和太阳能电池板等设备的改进，实现太阳能自用的最大化。同时利用一次安装就能长期使用的无动力厌氧方式处理生活污水，减少了农村住宅在采暖、用电及污水排放方面造成的环境污染，具有良好的节能及环保效果和一定的推广应用价值。