被动式太阳房在城镇实施推广探讨.docx

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被动式太阳房在城镇实施推广探讨

被动式太阳房在城镇实施推广探讨

摘要：

被动式太阳房是一种经济、有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个重要领域，具有重要的经济效益和社会效益。

它的推广有利于节约常规能源、保护自然环境、减少污染，使人与自然环境得到和谐的发展。

太阳能是广大农村和小城镇可利用的最好能源,太阳能热水器、日光温室已经在人们的生活、生产中发挥了极其重要的作用。

因此,如何有效利用太阳能,使建筑设计合理,以改善夏热冬冷地区小城镇住宅室内热环境条件,达到低水平的室内舒适参数,已成为一个重要的探讨课题。

1被动式太阳房的基本原理和技术简介

太阳辐射很容易透过清洁的空气、普通玻璃、透明塑料等介质,而被某一空间里的材料所吸收,使之温度升高,介质又可向外界辐射热量,而这种辐射是在比太阳低得多的温度下散发的长波红外辐射,较难透过上述介质,于是这些介质包围的空间形成了温室,出现所谓的温室效应,而温室效应是被动式太阳房最基本的工作原理。

被动式太阳房是通过建筑朝向和周围环境的合理布置,内部空间和外部形体的巧妙处理,以及建筑材料和结构、构造的恰当选择,使其在冬季能采集、保持、储存和分配太阳热能,从而解决建筑物的采暖问题。

同时在夏季又能遮蔽太阳辐射,散逸室内热量,从而使建筑降温,达到冬暖夏凉的目的。

被动式太阳房系统最简单的原理,就是尽量开大南向采光窗,减少北向窗,最好不设东西窗,而且在有条件的

地区,最好采用双层门窗。

围护结构采用导热系数小的材料（如聚苯板、珍珠岩、矿棉板等）,增加围护结构的热阻,降低围护结构的传热系数[2]。

白天,当阳光穿过建筑物南向玻璃窗进入室内后,重质密实材料如砖、土坯、混凝土和水等吸收并储存太阳能;当夜晚室内温度降低时,储存的太阳能通过传导、对流、辐射等方式为室内提供热量。

把建筑物的主要房间布置在朝阳的一侧,辅助房间布置在朝阴的一侧,这样不仅起到缓冲的作用,同时也能使储存的有限太阳能得到充分利用。

2被动式太阳房可行性分析

2.1被动式太阳房节能性及经济性分析

太阳房增加投资多少，直接影响着太阳房的推广和发展前途。

太阳房的经济分析可分为两方面进行，一是增加投资多少，这在很大程度上影响着太阳房能不能推广和发展。

如果太阳房比普通房增加投资太多，就意味着同样的投资，建太阳房面积就得减少。

在这方面，根据实际建成太阳房进行的分析，太阳房比普通房屋增加投资在8％～15％之间，对一般农村来说还可以接受。

若太阳房比普通房屋增加投资超过15％，通常要有政府的补贴，居民才能接受。

另一方面就是计算新增投资的还本年限，即太阳房一次投资比普通房屋增加了，但是它又比普通房屋节省能源和采暖费用，用节能费用抵偿增加的投资，年限越短，太阳房的经济效益越好，根据建设太阳房的实践经验，还本年限一般在4～8年，相比一般砖混结构房屋50年使用寿命还是合算的。

根据区域的自然气候条件、地理状况、经济特点等因地制宜，在吸取当地传统建筑精华的基础上，

进行被动式太阳房的设计与建造，最大限度地使用本地建材，造价增加成本控制在25%以内，既能大幅度提高室内的舒适度，又能收到良好的经济效益。

2.2被动式太阳房区域适应性分析

被动式太阳房因其自身缺陷及使用对象具有不同需求的情况，需要和其它可再生能源相结合使用，才能够在一年四季、不同环境下更好地发挥作用。

因此，根据实际中与其他能源相结合的情况，可将其分为高、中、低三个层次的发展方向，以适应各种不同使用环境中的应用。

其中，高档太阳房以被动式和主动式太阳能采暖降温为主，中档被动式太阳房主要有被动式太阳房与沼气资源、秸秆气化技术、秸秆型煤相结合等；低档被动式太阳房以被动式太阳能采暖为主。

我国大部分地区均可发展太阳房。

西部地区可多发展一些低档太阳房，在城市可适当

发展一些低中档太阳房。

东南部应在农村大力发展低档和低中档太阳房，在城市特别在大都市，除了发展中档太阳房外，也可适当发展少量高档太阳房，总之应根据当地经济条件和地理气候条件及房地产市场发展形势等因素综合考虑。

2.3被动式太阳房与普通建筑对比分析

被动式太阳房是根据当地的气象条件、生活习惯，在基本上不添置附加设备的条件下，经过精心设计，认真施工，通过建筑构造，并利用材料的性能，使房屋达到一定的供暖效果的建筑方式。

被动式太阳房是节能建筑的一种特殊形式，也是具有广泛推广价值的一种建筑形式。

普通节能建筑与被动式太阳房的区别如下：

（1）被动式太阳房一定是节能建筑，而普通节能建筑不一定是被动式太阳房。

（2）普通节能建筑注重的是建筑外围护结构的保温，而被动式太阳房要注重三个方面：

绝热、集热、蓄热，即外围护结构的保温是被动式太阳房的前提条件。

（3）被动式太阳房强调对可在生能源———太阳能的光热利用。

太阳房有目的地采取一定措施，利用太阳辐射能替代部分常规能源，使环境温度达到一定使用要求。

（4）被动式太阳房与普通节能建筑设计要求不同。

被动式太阳房的设计需要建筑学和太阳能方面的知识，比普通节能建筑设计的技术性要求更高一些。

普通节能建筑注重通过提高房屋维护结构的热工性能，即提高房屋外墙、屋面、地板、门窗的保温性能，通过合理设计，使房屋满足人们冬暖夏凉居住舒适的需求。

而太阳房建筑热工措施期望达到的主要目的是使房间在冬季有尽量多的太阳热量，尽量少的热损失及必要的热稳定性，并处理好以上三者，即集热、保温以及蓄热之间的矛盾关系，注意优化比较，既要使房间的冬季温度符合采暖要求，又要使太阳能热工措施的新增投资尽量少，单位投资的节能效益尽量显著[3]。

3被动式太阳房的集热部件设计选型及集热面积简易计算

图1　太阳能集热部件构造图

（a）实体集热蓄热墙式，（b）附加阳光间式，（c）有通风孔的实体集热蓄热墙式

3.1被动式太阳房中三种常用集热部件的稳态传热分析[1]

（1）无通风孔的实体集热蓄热墙式

图1（a）是该种太阳房的示意图.

在稳态传热条件下,集热墙单位面积南表面的净辐射得热量等于通过集热墙的导热量,也等于传入居室的净供热量,即

q=TI-h0（t1-ta）

（1）

=λ（t1-t2）/L

（2）

=hi（t2-tr）（3）

式中:

q单位面积集热墙的净供热量,W/m2;

T集热墙南表面对太阳总辐射的吸收系数;

I透过玻璃盖层投射到集热墙南表面上的太阳总辐射强度,w/m2;

h0由集热墙南表面到室外空气的传热系数,w/m2·℃;

t1集热墙南表面温度,℃;

ta室外气温,℃;

λ集热墙的导热系数,w/m·℃;

L集热墙厚度,m;

t2集热墙北表面温度,℃;

hi集热墙北表面的换热系数,w/m2·℃;

tr居室基础温度,℃.

由公式

（1）—（3）,可得

q=U（tZ-tr）（4）

　　其中U=（1/h0+L/λ+1/hi）-1（5）

tZ=TI/h0+ta（6）

式中:

U集热墙的总传热系数,w/m2·℃;

tz室外空气综合温度,℃;

其它符号同前.

集热墙效率Z可用下式表示

Z=q/I0×100%（7）

式中:

I0投射在集热墙玻璃盖层南表面上的太阳总辐射强度,w/m2;

其它符号同前.

（2）附加阳光间式

图1（b）是该种太阳房的示意图.

在稳态传热条件下,同样根据热平衡可得:

q=TI–h’0*Ag（ts-ta）/Aw（8）

=λ（t1-t2）/L（9）

=hi（t2-tr）（10）

式中:

h′0通过玻璃盖层由阳光间空气向室外空气的传热系数,w/m·℃;

Ag阳光间玻璃盖层面积,m2;

Aw阳光间与居室间的集热蓄热墙（公共墙）面积,m2;

ts阳光间内空气的平均温度,℃;

其它符号同前.

　　另外,在稳态传热条件下,由集热墙南表面散入阳光间的热量必然等于通过玻璃盖层由阳光间传向室外的热损失,即

h’0*Ag（ts-ta）=hf*Aw（t1-ts）（11）

　　则　　　　ts=（hf*Aw*t1+h’0*Agta）/（h’0*Ag+hf*Aw）（12）

式中:

hf集热墙南表面换热系数,w/m2·℃;

其它符号同前.

将式（12）代入式（8）,可得:

q=TI-he（t1-ta）（13）

　　其中　　1he=（1/h’0）*（Aw/Ag）+1/hf（14）

式中:

he由集热墙南表面到室外空气的等效传热系数,w/m2·℃;

其它符号同前.

式（13）与式

（1）形式相同,故可类比写出等效室外空气综合温度如下:

tZ=TI/he+ta（15）

　　单位面积集热墙的净供热量q按公式（4）计算,式中U用下式计算:

U=（1/he+L/λ+1hi）-1（16）

集热墙效率Z仍用公式（7）计算.

（3）通风孔的实体集热蓄热墙式

图1（c）是该种太阳房的示意图.

被集热墙吸收的太阳辐射热通过两种途径传入室内:

其一是通过墙体热传导,热量从墙体南表面传往墙体北表面（即面向居室侧的表面）,再由墙体北表面通过对流及辐射将热量传入室内;其二主要由集热墙南表面通过对流方式将热量传给集热墙玻璃罩盖和墙体南表面之间的夹层空气,再由被加热后的夹层空气通过和房间空气之间的对流（经由集热墙上、下风口）,把热量传给居室,达到采暖的目的.据此,在稳态传热条件下,可列写以下热平衡方程式:

q=TI-h0（t1-ta）（17）

=MCp（tA-tB）+λ（t1-t2）/L（18）

=MCp（tA-tB）+hi（t2-tr）（19）

式中:

M单位面积集热墙上玻璃罩盖与集热墙南表面间夹层空气的质量流量,Kg/s·m2;

Cp空气定压比热,J/kg·℃;

tA集热墙上通风口处的空气温度,℃;

tB集热墙下通风口处的空气温度,℃;

其它符号同前.

由式（17）—（19）,可得:

q=U〔（tz-tr）+MCp（tA-tB）（L/λ+1/hi）〕（20）

　　其中U由公式（5）确定,tz由公式（6）确定,且tB≈tr.

式（20）中含有二个未知数,即tA和M.欲确定夹层空气的质量流量M必先确定其流速v,应用伯努利方程式和理想气体状态方程式对夹层空气的运动进行分析求解,且将流动阻力考虑在内,可得:

V=Fr

（21）

式中:

v夹层内的空气流速,m/s;

Fr费洛德（Froude）数,Fr<1,此处取Fr=0.5;

g重力加速度,g=9.81m/s2;

H集热墙上、下通风口间的垂直距离,m;

其它符号同前.

于是,单位面积集热墙上,夹层空气的质量流量M可用下式计算:

M=dAAFr

（22）

式中:

d空气密度,kg/m3;

AA单位面积集热墙的上通风口面积,m2;

其它符号同前.

上通风口处空气温度tA值可通过对夹层内空气微元体列热平衡微分方程式求得:

MCp

式中:

tf玻璃罩盖与集热墙南表面间夹层空气的温度,℃;

hc集热墙南表面的换热系数,w/m2·℃;

B单位面积集热墙的宽度,m;

其它符号同前.

其边界条件为:

当y=0时,　tf=tr;

当y=H时,tf=tA.

求解得tA=tre-UH+t1（1-e-UH）（24）

其中　　　　　　U=hcB/MCp（25）

上式中的对流换热系数hc可用下述准则公式计算:

Nu=0.42（GrPr）0.25Pr0.012（H/W）-0.3（26）

式中:

Nu努赛尔（Nusselt）数;

Gr格拉晓夫（Grashof）数;

Pr普朗特（Prandtl）数;

W空气夹层厚度,m;

其它符号同前.

式（26）中,定型几何尺寸为W;物性按壁温t1和上通风口处空气温度的平均值tm取值,即tm=

.

为求得集热墙的净供热量q,须先用迭代法计算集热墙南表面温度t1.为此,笔者用变步长迭代法进行了编程计算,其主要计算步骤如下:

（1）先设定t1和tA.

（2）用设定的tA代入式（22）以求M,此处空气夹层厚度W=0.1m,AA=0.0357m2（按上通风口面积/空气夹层横断面积=1.0确定）,H=2.1m.

（3）用t1和M代入式（24）去求tA的新值,此处按集热墙的总高为2.8m,故单位面积集热墙的宽度B=0.357m,在用式（26）计算hc时,物性tm应以t1和tA的最新值代入确定.

（4）用M和tA的新值代入式（20）求q,此处集热墙采用370mm砖墙,即L=0.370m.

（5）再用式（17）求得t1的新值,并核实t1的新、旧值是否相同,若不同,重复迭代.

（6）迭代计算直至t1的新、旧值一致为止,最后,q以式（20）计算,Z以式（7）计算.

（7）其它气象及热物性参数的取值见后.

通过计算发现,当室外气温及太阳辐射强度很低时,t1值并不收敛.原因是由于夹层内空气温升甚微以致不能产生推动空气流动的足够的重力压差,故夹层内空气近乎停滞状态,此时集热墙就等效于无通风孔的集热墙了.

4城镇太阳能住宅设计

（如图2）该方案是利用太阳能采暖的农村二层砖混结构楼房住宅。

平面布置紧凑,主要房间均朝南,在一层核心部位设多功能小厅,厅内可放置餐桌、冰箱、洗衣机等。

厨房与后院、餐室之间联系比较方便。

二楼的突出特点是:

1）考虑了能源的综合利用,做饭利用沼气。

沼气利用在我国农村经济可行,同时也是索取可再生能源又一经济有效的技术。

（2）热水与采暖主要利用太阳能。

太阳能热水系统考虑到能源的再利用,方案设计每户农民住宅都安装了太阳能热水系统,在南向屋面上设置5～6m2的太阳能集热板,并根据纬度计算出最佳得热的屋面倾斜角度。

使每户所设置的太阳能吸热板不但可提供日常热水,而且还可以利用太阳能所得热水,经过处理达到一定温度在冬季进行地板低温辐射采暖。

（3）在一层起居室设阳光温室,二层大居室设集热墙采暖,其他居室均做大窗直接受益阳光,直接受益窗为双层密闭窗,内设保温帘面积为4.05m2,日光间采暖夜间设保温帘,玻璃面积为7.25m2。

太阳房与蓄热墙方案将南向客厅前部设计成一个被动式太阳房,冬季白天打开百页,大片的玻璃落地门窗能充分接收太阳的辐射,给室内补充热量,同时使室内光线充足,并利用室内竖向的蓄热墙体和一、二层

图2太阳能住宅设计方案[4]

楼的蓄热地板进行蓄热,夜间再由蓄热体向室内释放热量,可避免夜间室内温度过低,让室温保持相对稳定。

5结论

太阳能与建筑的完美结合体现了可持续发展理念，将根本改变太阳能利用在能源结构中的从属地位，前途十分光明。

利用太阳能给建筑物供暖、调温、供热水、供电等单项技术比较成熟，示范应用研究普遍展开。

给建筑物供电、供热

、供冷三联供技术尚处在示范阶段，但发展的势头很快，将成为太阳能利用的主流和发展方向。

在全球能源日益紧缺的今天，被动式太阳房的普及是必然趋势。

通过优化现有房屋的平面形式，提高太阳能的利用效率，不仅可以提高住宅室内的热舒适性，改善居民的生活质量，而且还可以调整该地区住宅的能源结构，是节约能源、减少环境污染的有效途径。

发展“节能环保智能化太阳房建筑”，是当今房地产发展的方向。

随着对太阳能与可再生能源的大规模利用，全国的能源结构必将发生根本性变化。

参考文献

[1]李元哲.被动式太阳房热工设计手册[M].北京:

清华大学出版社,1993.

[2]李元哲,狄洪发,方贤德.被动式太阳房的原理及其设计[M].北京:

能源出版社,2009.

[3]涂逢祥.建筑节能技术[M].北京:

中国计划出版社,2011.

[4]彰国社.被动式太阳能建筑设计[M].北京:

中国建筑工业出版社,2012.