太阳房.docx

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太阳房

1.1.太阳能在建筑中应用的发展概况

在谈及太阳能在建筑中的应用之前，我们有必要先了解一下建筑能耗的概念以及国内外建筑能耗在当今能源消耗中所占的比例。

建筑能耗有两方面的定义方法[1]：

一种是广义建筑能耗，是指从建筑材料生产制造、建筑物建筑施工，一直到建筑物使用的全过程所消耗的能源；一种是狭义建筑能耗或称建筑使用能耗，是指建筑物在使用过程中所消耗的能源，包括照明、采暖、空

调、降温、电梯、热水供应、炊事、家用电器以及办公设备等消耗的能源。

国际上通常所谓的建筑能耗，指的是狭义建筑能耗。

欧美等发达国家的建筑能耗，即居民和商业所构成的民生能耗之和，占全社会终端能耗的比例，各国有高有低，一般占30％—45％。

法国的建筑能耗在世界上最高，达社会总能耗的45％。

我国建筑能耗已约占全国能源消费总量的25％以上，成为能耗大户，1996年全国能源消费总量为13.89亿tce，建筑能耗为3.54亿tce,占全国商品能源消费总量的25.49％。

据最新统计，2000年全国建筑能耗共计3.56亿tce，占当年全社会终端能源消耗量的27.8％，已接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量1/3左右的水平。

我国建筑能耗中，采暖能耗占很大比例，目前我国单位建筑面积的采暖能耗约比发达国家高2倍以上，我国的严寒和寒冷地区为采暖区，包括东北、华北和西北地区的14个省、市、区和4个省的部分地区，这一地区的面积累计达680万km2,采暖能耗6230万tce；分散采暖建筑22.7亿m2，采暖能耗5200万tce，此外，估算北方农村采暖用商品能耗约为1500万tce,长江流域冬季采暖用商品能耗400万tce。

综上，建筑能耗是能源消费构成的重要部分，占相当大的比重，在发达国家已占到能源消费总量的35％—40％，在我国已占到能源消费总量的25％以上。

因此，在我国的建筑领域中，一方面应狠抓节约能源、提高能源使用效率；另一方面应大力提

倡新能源和可再生能源的应用，节约资源，保护生态环境，贯彻经济社会可持续发展战略。

由此看来，建筑节能也就成了世界性的大潮流。

1973年国际石油危机以后，在建筑领域出现了建筑节能这个世界性的大潮流，这个大潮流首先席卷了所有的发达国家，它带动多方面的建筑技术蓬勃发展，使许多建筑用产品不断更新换代。

随着现代

化建筑的发展和人民生活水平的不断提高，舒适的建筑热环境已成为人们生活的需要。

在发达国家，适宜的室温已经成为一种基本需要，他们通过越来越有效的利用好能源，满足这种需要。

众所周知，我国的气候及其分布特点，冬冷夏热的问题是相当突出的，而人民生活越是改善越不堪忍受寒冬暑夏的折磨，冬天需要采暖，夏天想要空调，这都需要能源，而我国的能源供应十分紧缺。

也就是说，只有在节能的条件下改善热环境，这种改善才有可能，否则只能是无米之炊。

节能和利用太阳能是解决能源危机这一个问题的两个方面，节能以降低建筑物的矿物燃料的消耗是第一步，然后是推广太阳能利用技术进一步减少矿物燃料消耗，这就是“开源节流”。

1.2．太阳能作为未来主要能源之一的独特优点

太阳能之所以能够作为未来主要能源的一种，有其独特的优点所在：

（1）储量极其丰富

太阳每秒钟发射的能量相当于160×1021KW，其中只有极微小的部分（约22亿分之一）到达地球。

即便这样，太阳每秒钟辐射达到地球表面的能量还高达80×1012KW，相当于6×109t标准煤，按此计算，一年内达到地球表面的太阳能总量折合成标准煤约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。

德国太阳能专家伯尔科说，只要开发非洲部分地区的太阳能发电，便能满足全世界的电力需求，而且太阳辐射可以源源不断地供给地球，取之不尽，用之不竭。

（2）普遍性

太阳能处处都可以就地利用，有利于缓解供需矛盾、缓解运输压力，能解决偏僻边远地区及交通不便的农村、海岛的能源供应，更具有其巨大的优越性。

（3）无污染性

人类比以往更强烈的认识到，为实现可持续发展环境保护是发展进程的一个整体组成部分，环境与发展不能相互脱离，在众多环境中，矿物燃料燃烧形成的污染十分严重。

而利用太阳能作能源，没有废渣、废气、废水排出，无噪声，不产生有害物质，

这在环境污染日益严重的今天显得尤为重要。

（4）经济性

太阳能利用的经济性，可以从两个方面论述：

一是太阳能取之不尽用之不竭，而且其普照大地，到处可以随地取用。

二是在目前的发展水平下，对某些地区，太阳能热利用已具备经济性，如太阳能热水器，虽然是一次投资较高，但其使用过程中不需要另外耗能，随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。

综上所述，太阳能不仅是“取之不尽，用之不竭”，而且不产生温室气体、无污染，是有利于保护环境的洁净能源。

我国具有丰富的可再生能源，随着技术的进步和生产规模的扩大以及政策机制的不断完善，在今后15年左右的时间内，太阳能热水

器、风力发电、地热采暖和地热发电，生物质能等可再生能源的利用技术可以逐步具备与常规能源竞争的能力，有望成为替代能源。

而建筑利用太阳能的方法和措施很多，经验表明，一般常用的有太阳能热水器及被动式太阳能建筑等。

1.3太阳能建筑的分类

按国际惯用名称，太阳能建筑分为主动式和被动式：

主动式太阳能建筑——以太阳能集热器、管道、散热器、风机或泵以及储热装置等，组成的强制循环太阳能采暖系统，其特征是仍需耗费一定数量的常规能源，一次性投资高、技术复杂且维修管理工作量大。

被动式太阳能建筑——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、色彩的巧妙设计，以及建筑材料的组合、构造措施恰当，并采取一些与建筑构配件密切结合的太阳能采暖、保持、储存和辐射分布装置，从而解决建筑物冬季采暖问

题，同时在夏季通过相应的技术措施，组织合理有效的自然通风、夜间致凉、散逸室内热量，达到建筑物致凉目的。

被动式太阳能建筑是被建筑师接受并广泛应用的节能建筑设计方法。

1.4被动式太阳房的发展过程

从20世纪30年代起，美国建筑师试图吸收、储存和分配太阳能，把太阳能作为提供建筑舒适的主要热源，成为节能建筑。

1933年芝加哥世界博览会的水晶宫是早期直接应用“暖房”节能效应的实例，玻璃墙成为收集能源的“设备”，1939－1956

年美国麻省理工学院设计建造第一批有完整设计图纸的太阳能节能住宅，通过一系列正规的太阳能收集器和储存装置获得所需的大部分热量，以后相关太阳能建筑如雨后春笋般的不断涌现，各种形式的节能建筑设计手法推陈出新，积累了丰富的经验。

由于我国地域广阔，各地经济、文化基础不尽相同，对太阳房的认识和发展是不平衡的，从总的趋势大体分为以下几个阶段：

1977--1980年，主要是对太阳房的研究探索阶段。

甘肃省民勤县重兴公社建成我国第一栋被动式太阳能采暖房.随后青海、天津等地建起各具特色的首批实验房。

在此期间，还对太阳房热工特性的数字模型进行了研究，为后期的优化设计创造了条件。

“六五”计划期间，是太阳房的研究中试阶段，.其特点是中外结合，点面结合，研究与应用相结合，这期间太阳房发展较快，1985年全国修建的太阳房的建筑面积约相当于前些年的总和，其范围遍及我国东北、西北、华北、青海、西藏等13个省区。

“六五”期间，理论研究工作也有较大的进展，清华大学、天津大学、北京市太阳能研究所及其他科研单位建立了被动式太阳房几种采暖形式的数学模型，编制了热工设计程序，对相变蓄热材料，外表面选择性涂层等新材料也在研究，这些都促进了太阳能建筑的进展，根据不完全统计，至1988年底，我国太阳房建筑面积达179826m2。

“七五”期间是太阳房从理论到实践不断完善、提高的阶段，并逐步向实用、推广阶段过渡，在总结“六五”期间太阳房各项工作的基础上，国家安排了一些科研攻关项目，如编制我国太阳房热工设计手册，制定太阳房测试标准及对集热部件的深人

研究，还在全国主要地区安排建造了几十栋典型的被动式采暖房屋，为今后大面积推广摸索经验。

到“八五”期间，被动式太阳房建筑的计算理论已趋于完善，设计理论已基本成熟，被动式太阳房建筑已从试点型向实用推型发展，在设计方面已由天津大学、清华大学等四单位编制了《被动式太阳房建筑构造图集》，在计算理论方面有清华大学李元哲先生主编的《被动式太阳房热工设计手册》，在实验测试方面由清华大学、天津大学负责起草了《被动式太阳房技术条件和热性能试验方法》，在程序设计方面甘肃省科学院能源所、清华大学以及中国建筑科学院空气调节研究所编制了相应的计算

程序，并由中国建筑科学院空气调节研究所负责编制了被动式太阳房CAD设计软件包。

目前，世界上的发达国家对节能建筑和太阳能应用都非常重视，他们不再停留于独立式住宅类型方面，而拓展到公共建筑应用太阳能达到建筑节能的目的，并通过利用太阳能光感系统，调节阳光，达到室内舒适水平，如美国Hooker化学大楼的“双层外壁”系统，日本大林组株式会社的超节能大楼，都是对今后能建筑的发展方向进行了探索。

我国最近在南京、常州、杭州、无锡等地相继建造和改造多层节能住宅，将注意力放在适应量大、面广的多层住宅中，并有许多符合中国国情的建筑节能技术对策。

到目前为止，有关被动式太阳房的原理及相关技术虽然已经基本成熟，但还是存在一些问题有待于解决。

例如：

①我国的太阳房发展速度缓慢，基本处于停滞不前状态。

②大部分太阳房建在城郊、农村及牧区，且多是中小学校，城市的应用范围很小。

③被动式太阳房的保温措施还不是很理想，室内的温度波动相对较大，尤其夜间居住者会有明显的不舒适感，而且能源的利用率比较低。

④被动式太阳房发展与建筑节能技术和新型材料的发展有差距，应该将围护结构的保温蓄热技术与太阳房集热部件有机的结合在一起。

⑤虽然各个地方的气候条件、生活习惯都有很大的差别，但是被动房的差异性不强。

⑥被动式太阳房在使用过程中，使用者不注意门窗的夜间保温措施，夜间热损失严重。

⑦被动式太阳房在建筑市场上的产业化还没有形成一定的规模。

总体方案的选型

被动式太阳房具有不需要或仅使用很少的动力和机械设备，几乎没有运行费用,维修费用也很小,一次性投资的多少主要取决于建筑设计水平和建筑材料的选择,很适应我国中小城镇和广大农村的住宅建设。

但是目前我国被动式太阳房的设计研究和推广与国外相比还存在很大差距。

笔者亲眼目睹我国广大地区,尤其是北方中小城镇和农村在致富后出现的“建房热”中,大量建造的平房及二、三层住宅,因未经节能处理而造成分散的、大量的常规能源浪费,确实感受到这一问题的迫切性。

为此特选定我国塞北山城一一张家口市,运用多种建筑手段,设计出一幢具有广泛适应性的被动式太阳能住宅,与广大读者和专家共商

张家口市位于北纬40‘47’,海拔723.9m。

全年采暖度日数3490,元月平均日辐射值为9714KJ/m2day,元月平均气温为-10.6摄氏度，,冬季日照率为67%。

该太阳房新建住宅,建筑面积123m2.日光间29m2%,设计突破对围护结构作蓄热保温处理的单一作法,从住宅的平面到剖面,按照一个完整的直接受益式太阳能采暖系统,将住宅的功能舒适性与最大限度地用太阳能有机结合,力求体现住宅设计的全新观念。

具体采用的综合措施如下2

1.错层式的剖面形式,下沉式的卧室空间。

改传统的起居在下,卧室在上为起居在上,卧室在下。

这样既可使功能要求私密的卧室获得稳定的地层温度,并向上层起居厅散发余热。

作到了温度梯次与功能舒适性的完美结合。

而低矮北墙及拖长后坡有利于疏导冬季西北风,并有效减小其风。

2.在整个太阳能系统中,住宅的主要空间位居中央,前有日光间作缓冲,后有辅助空间作蔽护。

并且都能直接受益于来自日光间的太阳热能。

建筑空间通透、灵活,利用率高,同时也使围护面积相对减少。

3．适当加大日光间的进深,使其既有缓冲功能之用,也可作住宅的室外前厅。

最大限度地提高日光间的效率,设置39m2的集热玻璃,另加蓄热水桶和地板,以达集热与贮热的合理配制,进一步减小了整个系统的温度波动。

4.提高围护结构的保温蓄热性能是完全必要的。

本住宅的北、西墙采用370夹层砖墙,,内填100厚矿棉,东墙为两户毗邻,故采用240砖墙,内衬50厚聚苯乙烯板9厚纸面石膏板护面。

屋面为自防水菱镁琉璃夹心板（内填菱镁珍珠岩180厚。

日光间为单层钢窗双层玻璃,内设折叠式（竖面）和滑落式（斜顶）纤维夹心板（内填25厚聚苯乙烯板）日光间地面为60厚掺加氧化铁红硷面层,下铺300厚砾石层。

5.利用局部45度日光间斜顶作集热器组成太阳能住宅热水系统。

用火墙形式利用厨房余热作为住宅辅助热源。

6.日光间竖直面设部分开启扇,与斜顶侧墙的活动通风孔形成夏季太阳能通风“烟囱“同时斜顶的保温板也兼有夏季遮阳之功

能。

被动式太阳房示范工程建筑图纸

三．热负荷计算

被动式太阳房的供暖热负荷由两部分组成：

（1）围护结构的传热耗热量lw

（2）玻璃的传热耗热量lg

在设计被动式太阳房时，为了合理地拟定集热方案和选择计算围护结构的保温以及辅助热源，必须首先对被动房的传热耗热量有详尽的了解和准确的计算，这是被动房设计的重要依据。

由于本课题是以连续几天的实测数据与动态理论模拟的结果相对

比，所以计算负荷时采用的公式均为瞬时热负荷计算公式。

3.1围护结构的传热耗热量lw（τ）

冬季被动房室内空气温度并不是一个恒定值，室外空气温度也随着季节和昼夜的变化而变化，所以通过围护结构的传热量同样随着时间而变化，是一个包含对流、导热、辐射在内的不稳定传热过程[23]。

由此可见，用不稳定传热计算方法来计算围护结

构的传热量是比较合理的。

围护结构的传热耗热量主要包括墙体，屋顶、地面和外门各部分的传热耗热量，各围护结构的瞬时热负荷可以采用下面的公式进行计算。

l′w（τ）=KF[Tb-Tf‘（τ）]

（3－1）

式中K—传热系数，W/m2.K；

F—围护结构的面积，m2；

Tb—室内计算温度，K；

Tf‘（τ）—在τ时刻的当量温度,K；

l′w（τ）—在τ时刻某围护结构的传热耗热量，W。

在此计算公式中，主要是对围护结构的传热系数K和室外各时刻的当量温度Tf‘（τ）的确定，下面逐一介绍这两个参数的确定方法。

3.1.1围护结构的传热系数K

围护结构由于建筑材料及建筑结构各不相同，其传热系数的计算方法亦各不相同，分以下几种情况：

（1）均质、多层材料壁体的传热计算，其传热系数K为：

K=1/（1/α0+∑Rj+1/αi）（W/m2.K）（3－2）

式中α0—围护结构外表面的换热系数,W/m2.K；

αi—围护结构内表面的换热系数,W/m2.K；

Rj—围护结构第j层材料热阻,m2.K/W。

对于热阻Rj可分为两种情况，一种是第j层为固体材料，一种是第j层为空气层，其传热原理不同，计算亦不同：

1）当第j层为固体材料时，固体传热是导热过程，故：

Rj=δj/λj（m2.K/W）（3－3）

式中δj—第j层材料厚度，m；

λj—第j层材料的导热系数，W/m.K。

西，北墙：

λ=0.005W/m.K,δ=100mmR=1.82m2.K/W

东墙：

λ1=0.042W/m.Kλ2=0.015W/m.Kδ1=50mmδ2=9mmR=1.78m2.K/W

屋面：

λ=0.071W/m.K,δ=180mmR=2.54m2.K/W

3.2.2双层玻璃的传热耗热量

（a）双层玻璃在考虑吸收阳光时的耗热量lgh2（τ）

lgh2（τ）=kg2Fg[Tb-TZg′′（τ）]（W）（3－21）TZg′′（τ）=Ta（τ）+Itθ（τ）（（α1+τ1α2）/α0+τ1α2/Ch）（3－22）

kg2=（1/αi+1/α0+1/Ch）^（-1）（W/m2?

K）

式中Ch—双层玻璃间的换热系数，W/m2.K；

TZg′′（τ）—双层玻璃窗的综合温度，K；

其它符号意义同上。

（b）双层玻璃在不考虑吸收阳光时的耗热量为lg（τ）：

Lg2（τ）=kg2Fg[Tb-Ta（τ）]（W）（3－23）

则双层玻璃吸收阳光后向室内的放热量为：

Qi（τ）=lg2（τ）–lgh2（τ）（W）

在粗略计算时，也可以采用如下公式：

即外层玻璃向室内的放热量为Qi（τ）：

Qi（τ）≈Fgα1Itθ（τ）R0/（R0+Rc+Ri）（W）（3－24）内层玻璃向室内的放热量为Qi2（τ）：

Qi2（τ）≈Fgα2Itθ（τ）I1（R0+Rc）/（R0+Rc+Ri）（W）

（3－25）

式中R=1/Ch

Qi（τ）=Qi1（τ）+Qi2（τ）（W）（3－26）

其它符号意义同上。

结论与展望

结论

经计算本住宅太阳能采暖率为70%,用于太阳能设施增加的投资为45元/m2,该投资费用以每年可节省的标煤=57kg/m2,计算,3.5年可以收回。

节能效果显著。

当然本太阳房的各项措施及选材,还可以依照各地不同的气象和施工条件作必要的调整和充实。

展望

（1）被动式太阳房在夜间还达不到居住者舒适度的要求，所以被动式太阳房必须配备辅助热源，而现在的辅助热源基本是以消耗常规能源为代价，如果能设法使辅助热源由当地丰富的风能及其它可再生能源来提供，太阳房就有望成为零能耗建筑。

（2）被动式太阳房作为节约常规能源的有效措施之一有着美好的发展前景，在发展农业生产，振兴农村经济、加速实现小康目标中必将发挥重大作用，成为我国农村经济持续发展的重要组成部分，国家和当地政府应该投入一定的资金，作为科研和搞好农村能源综合建设的保证条件。

（3）依靠科技，突出重点，抓好示范，让典型成果在面上开花结果。

政府部门应该抓好宣传，搞好培训，提高施工人员技术水平，提高用户和待建房户的认识，克服短期行为，确保工程质量。

建立太阳房专业施工队伍，并对用房户进行正确使用与管理指导，提高太阳房的效益。

（4）推广被动式太阳房，使其规模化、城市化，由住宅建筑型向公共建筑发展，尤其对于那些昼用夜离的建筑建成被动式太阳房效果更好，不但可以节约常规能源还能节省采暖设备的材料费、安装费，增大建筑物的有效使用面积。

（5）改变原来被动式太阳房不分气候特点，不管用户生活习惯的不同，全部模式化套用的不良做法，应该是根据各个地方的气候条件，用户的生活习惯，因地制宜地建造各类被动式太阳房，尽可能提高太阳房的利用率及节能效率。

（6）推动被动式太阳房的产业化，促进被动式太阳房的健康发展。