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甘肃某地太阳能住宅设计
甘肃某地太阳能住宅设计
摘要
现如今化石能源的短缺是整个世界面临的严重问题，随着世界人口的增长和世界经济的发展，现有的常规能源已经远远满足不了人类对于生产生活方面的需求，所以开发可再生能源成为了人们的新选择，现在人们大力开发和利用太阳能，建筑中主要是太阳能光电利用和太阳能光热利用。
本设计针对甘肃某地太阳能住宅，利用甘肃地区特殊的地理环境和丰富的太阳能资源，将建筑与太阳能一体化设计结合，在本次设计中，在被动式蓄热方面采用了集热蓄热墙和附加阳光间；利用真空热管式集热器满足建筑生活热水和供暖的需求，同时设置水源热泵作为辅助热源；整个建筑电力系统采用了太阳能电池板储能的并网光伏发电系统，将“汉瓦”和“汉墙”安装在坡顶和外墙表面同时在住宅周围空地设置“铂阳”太阳能光伏阵列来为建筑提供所需电能；在空气调节系统的设置上本次设计选用了冷水机组为房间降温完成整个甘肃省兰州市的太阳能一体化建筑设计。
关键词：
太阳能；光热利用；光电利用；太阳能建筑一体化
SolarresidentialdesigninGanSuprovince
Abstract
Nowadays,peopleallovertheworldfaceaseriousproblemthattheshortageoffossilfuels,withthedevelopingofpopulationandtheeconomicoftheworld,theexistingconventionalenergycannotsatisfiedpeople’sdemandaboutlivingandproduction.,sopeoplechoosetoexploitrenewableenergy,nowpeopleexploitandusemoresolarenergytoinsteadoffossilfuels,thesolarenergymainlyusedonthebuildingsatphotovoltaicuseandsolar-thermaluse.
ThisdesignisaimedatasolarpowerhouseinGansu,usingthespecialgeographicalenvironmentandabundantsolarenergyresourcesinGansuregion,combiningtheintegrateddesignofbuildingandsolarenergy,inthisdesign,theuseofheatstoragewallandadditionalsunlightinthepassiveheatstorageaspect;"And"HanWall"installedonthetopoftheslopeandthesurfaceoftheouterwallatthesametimeintheresidentialspacesetup"PlatinumYang"solarphotovoltaicarraytoprovidethebuildingwiththerequiredelectricalenergy,intheairconditioningsystemsetupthisdesignselectedchillersforroomcoolingtocompletetheentireGansuProvinceLanzhouCitysolarintegratedarchitecturaldesign.
Keywords:
Solarenergy；photothermalutilization；photoelectricityutilization；ntegrationofsolarenergybuildings
1前言
1.1研究背景
1.1.1能源短缺
煤、石油、天然气都是我们生产生活中经常使用的化石能源，据有关调查显示，全世界对于这些不可再生的化石能源的使用率占现有能源的80%以上。
人口的快速增长、经济的快速发展和生活水平的不断提高都增加了对能源的需求，这是很值得的思考的问题。
现在世界上储存的未开采的化石能源已经日渐枯竭并且化石能源燃烧产生的污染也对我们的环境造成了很大的问题。
根据国际能源机构（IEA）的统计，全世界能源消费达到了111.34亿吨油当量，全世界创造的国内生产总值（GDP）约36.281万亿美元，如果用购买力平价（PPP）来表示GDP，则为54.618万亿美元，与之前相比全世界GDP涨了5.46%而能耗却增长了14%，说明世界经济在高速增长的同时，化石资源也在以更快的速度消耗[1]。
而且由于化石燃料的燃烧，产生了大量的CO、SO2、NOx、烟尘、灰渣和芳烃化合物，对环境造成严重的污染，而且引起了“温室效应”、“全球变暖”等一系列的环境问题。
国际社会对全球温暖化和气候变化非常关注，并且专门成立了联合国气候变化框架公约委员会（UNFCC），世界各国先后签署了《京都议定书》、《巴黎协定》来达成世界各国共识[2]。
1.1.2太阳能建筑发展
人类利用太阳能的历史源远流长，早期受生产力水平制约利用太阳能晾晒农作物、太阳能取火，其间经历了6次技术革新，其中曾经受到冷落。
到现如今随着科技的进步太阳能产品进入大规模的开发和应用阶段，目前在工业、农业、技术、国防和其他领域使用的太阳能的频率逐渐增大，主要是通过在建筑中使用太阳能和热能。
太阳能建筑始于20世纪30年代，从此各国开始对被动式太阳房进行实验研究，并于50年代，在被动式太阳房技术上取得较大突破；20世纪70年代初，一些发达国家将太阳房列入发展研究计划，使得被动式太阳能供暖得到进一步发展研究，使得与主被动太阳能供暖技术的结合也在建筑中开始应用；20世纪60年代以后，太阳能电池逐渐进入人们的生活中，并在建筑中得到应用；20世纪90年代初，光伏建筑一体化作为建筑设计的一种新技术被正式提出，太阳能建筑一体化成为以后太阳能在建筑中利用的一大发展方向[3]。
1.1.3中国的太阳能资源
中国是拥有丰富太阳能资源的国家之一，全国总面积67%以上地区，年辐射量在5000MJ／m2以上，据统计资料分析，中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿吨标准煤的储量[4]。
根据国家标准，可以分为以下四类：
表1.1中国太阳能资源分类
类别
城市
全年辐射量（MJ/m2）
一类地区（资源丰富带）
青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部
6700～8370
二类地区（资源较富带）
山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部
5400～6700
三类地区（资源一般带）
长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区
4200～5400
四类地区（资源贫乏带）
四川、贵州
4200
图1.1我国太阳能资源分布
图1.2我国我国建筑气候区划图
1.2太阳能建筑在不同国家的发展
1.2.1太阳能建筑在欧美等国的发展
国外从1993年开始对被动太阳能建筑进行研究。
越来越多的人对被动式太阳能利用技术进行了详细的研究。
例如，日本学者加藤义夫通过实验总结了被动式太阳能建筑设计的方法。
美国建筑师Danield.sheila详细解释了太阳能建筑中被动式太阳能采暖的设计方法——被动式采暖和制冷。
这些研究丰富和发展了被动式阳光利用技术。
目前，欧洲的太阳能建筑从简单的被动建筑发展到混合热系统的主动建筑。
不仅仅是一个小房子,很多大型的公共建筑也开始在使用太阳能技术,如弗兰克·盖里设计的瑞士诺华办公大楼（2009）,他将85%的单晶硅电池安装在屋顶,利用太阳能对建筑供电。
欧美等国家一直处于太阳能建筑的前列，现如今欧洲一些国家把太阳能建筑一体化作为本世纪太阳能建筑的目标，而且欧美一些国家在太阳能电池上的应用和技术也得到了显著的改善，其中瑞士很少将太阳能电池板应用在建筑中，2019年瑞士建筑公司将其应用在建筑上，见图1.3。
图1.3瑞士Grosspeter大厦
1.2.2国内太阳能建筑发展
在我国大力提倡可持续发展战略大背景下，太阳能住宅越来越受到重视相比于国外虽然我国采用太阳能住宅的研究起步晚了很多年。
但我国地域辽阔太阳能资源十分丰富，非常适合进行太阳能住宅的相关设计如甘肃省1977年建成第一座由直接受益和集热蓄热墙结合的被动式阳光利用农村住宅，这是我国采用被动式阳光利用住宅的第一次探索。
近年来建造的太阳能建筑中有清华环境节能楼和上海建科院生态办公示范楼，很多国内外知名的建筑师在中国的实践中都开始了大胆尝试，国家“鸟巢”体育场成功安装光伏发电网系统。
这都是近些年来我国太阳能建筑的研究的新突破，直至现在我国的太阳能建筑领域还正仍处于发展阶段[5]。
随着国家大力鼓励提倡可持续清洁能源的使用，现如今越来越多的地区出现了太阳能建筑一体化的应用，像北京、甘肃、新疆、江苏、安徽等地已经开始陆续出现了一些太阳能应用的建筑，如太阳能集热水器、太阳能光伏发电，甚至有一些已经在农村和城市建立了太阳能利用的小区和独立住宅。
2太阳能建筑设计
2.1太阳能资源在甘肃省的具体分布
表2.1太阳能资源在甘肃省的具体分布
区域
城市
太阳能资源丰富区
河西走廊的酒泉、张掖、嘉峪关
太阳能资源较丰富区
金昌、武威、民勤、古浪、天祝、靖远、景泰、定西、兰州、
太阳能资源可利用区
天水、陇南、甘南
甘肃省各地年太阳日照时数约为1631-3319小时、太阳总辐射达到70.45万亿kW，如果利用其1%面积安装太阳能光伏发电系统，按平均额定功率运行1000h/年计算，相当于1.5座三峡电站的年发电量。
所以甘肃省的太阳能资源可利用性很高[6]。
2.1.1建筑设计地点选择
由于甘肃省特殊的地理环境和充足的太阳能照射量，参考甘肃省年太阳总辐射量分布图和甘肃省太阳能资源区划图的信息，最后我将此次的太阳能住宅设定在甘肃省兰州市。
因为兰州市属于太阳能资源丰富区，又处于甘肃省中部是甘肃省的省会城市，太阳能资源相对稳定而且气候合适，所以选择兰州市为设计地点。
图2.1甘肃省年太阳辐射量分布图
图2.2甘肃省太阳能资源区划图
2.1.2建筑设计地点气象参数
表2.2甘肃兰州气象参数表
经度
103°53′
纬度
36°03′
夏季空调室外干球计算温度（
）
31.2
夏季空调室外湿球计算温度（
）
20.1
夏季空调日平均温度（
）
26
夏季室外通风计算温度（
）
26.5
夏季平均相对湿度（%）
45
夏季大气透明
3
夏季室外平均风速（m/s）
1.2
夏季大气压力（Pa）
84320
冬季室外供暖计算温度（
）
-9
冬季室外空调计算温度（
）
-11.55
冬季室外通风计算温度（
）
-5.3
冬季平均相对湿度（%）
54
冬季冬季室外平均风速（m/s）
0.5
冬季最多风向平均风速（m/s）
1.7
冬季大气压力（Pa）
85150
2.1.3建筑设计图
本次太阳能住宅设计设计了一个位于甘肃省兰州市的三层现代太阳能建筑一体化住宅，一层有两间客房、一间厨房、一间小型储物间、一间大客厅、一间佣人房、一间餐厅，其中客房和佣人房自带卫浴间；二层有一间主卧、一间次卧、一间衣帽间、一间会客间、一间大储物间、一间书房、一间朝南阳台，其中主卧和次卧自带卫浴间；三层是一间大型健身房。
具体建筑布局如下图所示：
图2.3一层建筑平面图
图2.4二层建筑平面图
图2.5三层建筑平面图
图2.6建筑立面图正视图
图2.7建筑立面图左视图
3被动式太阳能住宅热利用
被动式阳光利用建筑是指被动式阳光房不借用任何机械动力，不需要专门的蓄热器、热交换器、水泵等设备，而是完全用自然的方式利用阳光辐射为室内采暖的建筑。
被动式阳光房的设计，可以通过建筑朝向和围护结构的合理布置，结合内部空间和外部结构进行巧妙的设计处理。
选择恰当的建筑材料、结构和构造实现冬季能采集太阳能，保持一定的采暖需求，夏季能有效通风，降低房间内的温度以达到“冬暖夏凉”的设计理念[7]。
3.1被动式阳光房分类
被动式太阳房的分类以及优缺点见表3.1所示。
表3.1被动式太阳房分类及优缺点
形式
优点
缺点
直接受益式
1.景观好费用低效率高，形式灵活
2.有利于自然采光
3.适合学校小型办公室等
1.易引起眩光
2.可能会发生过热现象
3.温度波动大
集热蓄热墙式
1.舒适度较高，温度波动小
2.易于旧建筑改造，费用适中
3.高供暖负荷时，效果很好
4.与直接受益式结合限制照度级效果很好，适合用于学校、住宅、医院等
1.玻璃窗较少，不便观景
2.不变自然采光
3阴天时效果不好
附加阳光间式
1.作为起居间有很强的适应性和景观性，适合居住用房休息室饭店等
2.可作为温室使用
1.维护费用较高
2.对夏季温降要求很高
3.效率低
蓄热屋顶池式
1.集热蓄热量大且蓄热体位置合理，能获得很好的室内温度
2.较适于冬季需供暖，夏季需降温的湿热地区，可大大提高设施的使用率
1.构造复杂
2.造价很高
对流环路式
1.集热蓄热量大且蓄热体位置合理，能获得较好的室内温度环境
2.适用于有一定高差的南向坡地
1.构造复杂
2.造价很高
3.2集热蓄热墙
集热蓄热墙是法国科学家特朗勃（Trombe）设计出来的，现在很多人也把它称作特朗勃墙，它是由朝南的墙体和有一定间隔距离的玻璃板组成的。
本住宅的设计将集热蓄热墙设置在了二层朝南的阳台上，在内部墙体的上下两端各设置一个方形通风口加强对太阳能的利用，图3.1展示了冬季白天的工作原理，白天热空气被阳光照射后经过墙体上侧的通风口进入室内，阳台内的冷空气经过墙体下侧的通风口流出，在玻璃盖板和墙体间的空气被不断的循环加热，给阳台带来了热量；冬季夜晚集热蓄热墙的工作原理如图3.2所示，墙体白天吸收的辐射热在散失时被玻璃板和两者中间的空气抑制，所以墙体以导热的形式向阳台内传递热量。
图3.1冬季白天阳台集热蓄热墙工作原理
图3.2冬季夜晚天阳台集热蓄热墙工作原理
而由于夏季集热蓄热墙会导致房间过热的现象，在玻璃板上侧设置一个通风口，利用集热蓄热墙进行被动式通风，带走室内的部分热量。
夏季白天集热蓄热墙工作原理由图3.3所示，利用空气对流带走室内的热量；夏季夜晚集热蓄热墙工作原理如图3.4所示，利用夜间空气对流带走热量。
图3.3夏季白天阳台集热蓄热墙工作原理
图3.4冬季夜晚阳台蓄热墙工作原理
3.3建筑附加阳光间
附加阳光间就是将一个玻璃温室附加在建筑上，本设计是在一层的两间客房和二层的主卧、侧卧外增加的附加阳光间，如图3.5所示。
太阳光通过附加阳光间的玻璃后投射在房间墙体上，墙上设置有门和窗，附加阳光间的温度会比室外温度高，可以将更多的热量提供给建筑内的房间。
而且在阳光间的屋顶采用透光式屋顶设计并设有天窗如图3.6所示，在白天温度过高时可以打开天窗通过对流通风释放出一部分热量，来为人们提供一个相对舒适的室内温度。
一般在冬季白天或者夏季夜间打开天窗，冬季夜间和夏季白天关闭天窗。
除此之外，附加阳光间还可以加大生活空间，在白天温度适宜的情况下可以为人们提供一个好的休息场所，而且还可以在阳光间内太阳无法直射的方位种植绿色植物，可以起到为房间增加湿度的作用，一举多得。
图3.5附加阳光间设计图
图3.6附加阳光间屋顶天窗
3.4被动式太阳房保温设计
太阳能建筑应具有良好的集热和蓄热性能，同时外墙、屋顶、直接接触室外空气的楼板、楼梯间的隔墙、地面和门窗等都应该具有很好的保温性，减少室内热量的流失，为了保证建筑整体的保温性，要将建筑围护结构的传热面积和传热系数控制在合理的范围之内。
3.4.1不透明围护结构保温
不透明围护结构保温重点是要控制围护结构的散热面积和导热性。
就是一般来说，就是合理的外形能够有减少围护结构散热面积，通过保温构造处理，减小外墙屋顶地面和直接接触室外空气楼板以及不供暖房间的隔墙等部位的传热系数，可以大大降低维护结构的热流密度。
我们可以通过对建筑体型的控制、改变保温构造类型、封闭空气间层、在建筑外墙上加设保温层、在屋顶上添加保温材料这几种方法来减小外围护结构的散热面积大幅度降低围护结构的热流密度。
3.4.2透明围护结构保温
我们可以控制墙窗比，将墙窗比控制在合理的范围内，或者提高外窗的保温性能，改变窗户的类型和窗户的材料以及应用一些中空玻璃保温镀膜玻璃来减少透明围护结构的热损失。
我们还可以用控制冷风渗透的方法来减少门窗缝隙，减少热量损失。
4太阳能热水系统的设计
4.1热水系统的分类
具体分类见表4.1。
表4.1热水系统不同分类方式及类别
分类方式
类别
太阳能集热系统和热水系统的连接关系
直接系统、间接系统
热水供应方式
集中供热水系统、分散供热水系统、集中与分散结合供热水系统
集热工质循环方式
自然循环系统、直流系统、强制循环系统
4.2热水系统的计算
4.2.1太阳能家用热水系统的选择
该设计的住宅为小型低层别墅，配有太阳能家庭用水加热系统，在系统的选择上选用了集中、分散的强制循环直接加热系统。
直接式热水强制循环的集中和分散系统是指使用集中太阳能集热器和分散加热容器为每个用户提供所需热水的系统。
系统图如图4.1所示。
图4.1强制循环直接式系统示意图
4.2.2热水负荷计算
本设计一共三层，至少有6个房间需要24小时的热水供应，整个建筑内一共内设置4人。
生活热水定额根据当地居民的生活习惯和甘肃省兰州市的气候决定。
热水用水定额、热水温度以及平均水文资料由GB50015-2019《建筑给排水设计规范》（2019年版）确定[8]。
全天利用集中式热水系统的建筑的日耗热量由下式进行计算：
（式4-1）
表4.2热水用水定额
序号
建筑物名称
单位
用水定额（L）
使用时间（h）
最高日
平均日
1
普通住宅
有热水和沐浴设备
每人每日
40-80
20-60
24
有集中热水供应（或家用热水机组）和沐浴设备
60-100
25-70
2
别墅
每人每日
70-110
30-80
24
3
酒店式公寓
每人每日
80-100
65-80
24
4
宿舍
居室内设卫生间
每人每日
70-100
40-55
24或定时供应
设公用盥洗卫生间
40-80
35-45
5
招待所、培训中心、普通旅馆
设公用盥洗室
每人每日
25-40
20-30
24或定时供应
设公用盥洗室、淋浴室
40-60
35-45
设公用盥洗、淋浴室、洗衣室
50-80
45-55
设单独卫生间、公共洗衣室
60-100
50-70
全天提供热水供应的建筑的热水量由下式进行计算：
（式4-2）
全日提供热水的建筑的系统的设计小时耗热量由下式进行计算：
（式4-3）
表4.3热水小时变化系数KH值
类别
住宅
别墅
酒店式公寓
宿舍（室内设卫生间）
招待所培训中心、普通旅馆
宾馆
医院、疗养院
幼儿园、托儿所
养老院
热水用水定额
60-
100
70-
100
80-
100
70-100
25-40
40-60
50-80
60-100
120-
160
60-100
70-130
110-200
100-160
20-
40
50-70
使用人数
100-6000
100-
6000
150-
1200
150-1200
150-1200
150-
1200
150-1000
150-
1000
150-
1000
KH
4.8-
2.75
4.21-
2.47
4.00-
2.58
4.80-
3.20
3.84-
3.00
3.33-
2.60
3.63-
2.56
4.80-
3.20
3.20-2.74
4.2.3集热器面积的计算
太阳能热水系统主要满足用户的热水需求，现如今常用的太阳能集热器有很多种，本次住宅设计采用的是热管式真空管集热器，它由6部分构成，具体组成见图4.2所示，其中热管又由蒸发段和冷凝段组成。
图4.2集热器组成部分示意图
此次设计选用热管真空管集是因为它比其他类型的集热器的热效率高、承压运行能力强；在冬天水温很热符合用户的要求，但在夏天又能防止水温过热。
而且这种集热器的占地面积不大，能够为我们节省更多的空间。
直接式系统太阳能集热器总面积由下式进行计算：
式（4-4）
表4.4太阳能保证率f值
年太阳能辐照量[MJ/（m2·d）]
6700
60-80
5400-6700
50-60
4200-5400
40-50
4200
30-40
4.3太阳能集热器设置
4.3.1集热器的选型
本次设计选择了两台金普森JPS-JA100HP-16集热器，它的具体参数和样式如表4.5和图4.3所示。
表4.5集热器参数
设备型号
标准
形式
真空管数
（排）
吸热面积
（m2）
吸热体形式
数量
（台）
JPS-JA100HP-16
DN4757
热管式真空管集热器
16
2.88
平面
2
图4.3金普森JPS-JA100HP-16集热器
4.3.2集热器位置的设置
因为住宅设计正南朝向，所以热管式真空管集热器与住宅建筑一样正南朝向设置，由于甘肃省兰州市的普遍建筑为坡顶建筑，本设计的太阳能住宅对于太阳能热利用的用途较多和要求较高，考虑屋顶空间难以满足，所以所有的真空管集热器全部安装在与房间方向相同位置平行的院子内，根据GB50364-2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》（2018年版）确定[9]，集热器倾角应与当地纬度一致，如系统侧重在夏季使用，其倾角宜为当地纬度减10°；如更倾向于在冬季使用，它的倾角就应该是在当地纬度的基础上加10°，因为建筑的设置在甘肃省兰州市，冬天需要采暖，所以集热器更倾向于冬季使用，所以选择倾角46°安装真空管集热器。
4.3.3集热器排放设计
由于太阳能热水系统需要3.6m2的集热器，是较小的集热器系统，因为集热器不同的排放方式对集热效果有影响，原则上集热器的可以串联、并联或者是选择串并联。
此次设计选用的是串联的方式对集热器进行连接，连接方式如图4.4所示。
图4.4串联加热器连接方式
4.4蓄热水箱设计
太阳能蓄热水箱就是用来存储太阳能制备的热水的装置，因为太阳能具有一定的不稳定性，在太阳能不充足的时候还可以对热水箱利用辅助热源进行加热以保持
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