直接受益式太阳房设计.docx

1、直接受益式太阳房设计1 绪论 11.1研究背景 11.2 被动式太阳房概述 11.3 国内外被动式太阳能研究概况 11.3.1国外被动式太阳房研究概况 21.3.2国内被动式太阳房研究概况 31.4本文研究方法、内容及意义 51.4.1研究方法 51.4.1.1文献整理 51.4.1.2计算机模拟 51.4.2 内容及意义 52合肥市直接受益式太阳房总体设计 62.1地理位置 62.2气候类型 62.3直接受益式太阳房工作原理 72.4直接受益式式太阳房的设计要点 82.4.1空间布局设计 82.4.2日照间距 82.4.3直接受益窗设计 92.4.4蓄热体设计 112.4.4.1蓄热体的布置

2、 112.4.4.2蓄热材料的选择 122.4.5保温设计 132.4.5.1保温结构设计 132.4.5.2保温墙体材料选用 133合肥市直接受益式太阳房热工设计参数优化 153.1传热系数优化原则 153.1.1简化模型的建立 153.2传热系数优化的原则 153.2.1外墙传热系数优化 163.2.2地面传热系数优化 174 评价分析 17参考文献 18附录一 被动式太阳房模型建筑图 19附录二 PDA参数模拟 20合肥市直接受益式太阳房模型设计及性能优化摘要：太阳能是取之不尽的可再生能源，推广使用被动式太阳房，在保护自然生态环境及节约常规能源等方面，具有独特的优越性，本文主要讨论了直接

3、受益式太阳房的设计，优化，以及利用PDA软件进行仿真模拟分析，进行了热工参数设计优化。旨在推广直接受益式太阳房的发展。除此之外，还增加了我们认识了解PDA的能力。关键字：被动式太阳房；直接受益式；PDA；仿真模拟；热工参数优化1 绪论1.1研究背景受经济发展和人口增长的影响，能源消费总量不断增加。国际能源署 IEA(International Energy Agency)发布的世界能源展望 2014（World EnergyOutlook 2014）报告，首次将包括煤炭、传统油气、核能、可再生能源在内的能源预测和分析扩展到了2040年。IEA在此次报告中指出：2014 到 2040 年间，世界

4、人口和经济仍然继续增长，全球能源需求增长37%，全球对煤炭和石油的需求将达到峰值；全球天然气的需求将增长 50%以上，是化石燃料中增长最快的1。 然而，该报告也指出了全球能源面临的巨大挑战，包括：石油市场虽呈现供应充裕的景象，然而由于地缘冲突、非传统油气开发速度放缓和不可复制性，使得国际原油市场将在未来面临“供不应求”危险状况，报告中称石油领域短期内供给充足的现象不应该掩盖这样危机，那就是：产能增长的实现依赖于相对数量很少的生产者；能源产地的持续动乱、缺乏合理的能源政策等；核能也面临着诸多的问题，如激烈的市场竞争中存在监管风险，以及公众的接受仍然是一个全球性的重要问题；传统的化石燃料型能源储量

5、有限且污染环境，增加二氧化碳排量，造成温室效应等不断增长的需求与资源、环境的矛盾，直接威胁着人类的可持续发展。1.2 被动式太阳房概述 被动式太阳能房是指在不借用任何机械动力，不需要专门的蓄热器、热交换器、水泵（或风机）等设备，而是完全用自然的方式（辐射、传导、自然对流）利用太阳能为室内采暖的房间。被动式太阳能房的设计，可以通过合理的选择建筑朝向和合理的布置建筑周围的环境，结合内部和外部巧妙的处理，选择恰当的建筑材料和结构、构造，以实现冬季能够蓄热并能使用太阳能的目的，进一步可以满足一定的建筑采暖需求2。1.3 国内外被动式太阳能研究概况1.3.1国外被动式太阳房研究概况1911年在德国中部一

6、个叫Darmstadt-Kranichstein的地方建立了第一座被动式太阳房。在欧洲，一些国家普遍认为被动式太阳能采暖技术将会成为本世纪建筑设计的趋向。德国是世界太阳能利用大国，可再生能源法（EEG）是推动德国太阳能市场发展的重要动力。在德国建立了乌尔姆太阳能示范小区，特点是依靠建筑本身节能及建筑墙体保温，保证采暖。这些建筑本身依靠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的恰当选择，使其在冬季能集取、蓄存太阳热能的一种建筑。它不仅能满足建筑物在冬季的采暖要求，而且也能在夏季遮蔽太阳辐射，散溢室内热量，使之达到降温的目的，在该小区采暖年消耗量小于 15 kW

7、h/(m2.a)。美国是世界上能源消耗量最大的国家，国会先后通过了“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”等鼓励新能源利用的法律文件。同时在太阳能研究利用方面投入大量人力、物力和财力，而且对购买太阳能系统的顾客实行减税的优惠政策，因而在美国，太阳能建筑发展极为迅速，而且形成了具有自身特色的、较为完整的太阳能产业化体系。早在上世纪40年代，美国麻省理工学院就对早期主动式太阳房进行了研究，它主要是利用太阳能集热器作为热源，并建成了 w 号实验太阳房3。进入70年代后，又有许多主动式太阳能建筑建成，如华盛顿近郊的托马森太阳房等。这说明太阳能的供热与空调系统在技术上是完全可行的，但是投资相对较大，其推广普及程

8、度远不及被动式太阳房。而在 80 年代初，位于新墨西哥州的洛斯阿拉斯实验室编写了被动式太阳房设计手册，同时还出版了很多实用的有关太阳能房的建筑图集，它主要介绍一些成功的应用设计实例，以及对太阳能建筑原理与结构的说明。这些应用性书籍的发型和一些示范房屋的建立促进了美国公众对太阳房的接受。到现在为止，较为著名的示范建筑主要有：新泽西州普林斯顿的凯尔布住宅，新墨西哥州圣塔菲的圣塔菲太阳房，加利福尼亚州阿塔斯卡德洛的阿塔斯卡德洛住宅等。在这些建筑中，利用壁炉或者电热器作为辅助供能系统，但是太阳能的供暖率在 75%以上，有些甚至已达 100%，如阿塔斯卡德洛住宅4。在亚洲地区，日本的对于太阳房的应用研究

9、水平位于世界前列，尤其是对主动式太阳房的应用研究。在 20 世纪 80 年代，制定了“阳光计划”，并建造了许多典型太阳能采暖空调试验建筑，如矢崎试验太阳房。目前太阳能建筑在日本得到了较为快速的发展应用。在欧洲，如法国、德国等发达国家也具有非常先进的太阳能建筑应用技术。法国的菲利克斯特朗勃发明了集热蓄热墙采暖方式，而奥代洛太阳房是第一个将采暖理论转化为实际应用的太阳能建筑，同时最早的直接受益式太阳房是位于英国利物浦附近的圣乔治郡中学5。 近几年来，在发达国家产生了一种完全由太阳能光电作用来攻建筑物所需要的全部能量，也即所谓的“零能房屋”，这样就能保证做到真正的清洁、无污染，同时它也代表了 21

10、世纪绿色太阳能节能建筑的发展趋势。从长远发展应用角度看，“零能房屋”将具有十分良好的发展前景。1.3.2国内被动式太阳房研究概况在国外被动式建筑发展的大趋势下，我国在该方面也有了一定的发展。1985年，任职于清华大学建筑学院的高亦兰教授引入意大利建筑师PaoloSoleri的“Arcology”理论，并将其译为“建筑生态学”，即后来的“生态建筑学”。1988年，吴良镛院士在广义建筑学中提出了以城市规划、建筑与园林为核心，综合地理、生态及其他学科想结合的人居环境科学”，将环境的适宜因素结合到建筑和规划设计中。20世纪80年代，天津大学冯佑谋教授幵展了对多层建筑中进行被动式太阳能设计的研究。并在建

11、筑学报中发表多层建筑被动式太阳房设计探讨一文，从平面设计的角度探讨寒冷地区多层住宅的被动式设计。近年来，国内各大高校逐渐深入被动式设计及相关技术的研究，如清华大学栗德祥教授和其博士研究生夏伟共同完成的基于被动式设计策略的气候分区研究；华中科技大学范悅教授进行的寒冷地区被动式多层住宅设计策略研究等不计其数。 我国的绿色建筑评价体系建设相对其他国家起步较晚，各类法规、标准形成也相对不完善，但国家不断加快节能建筑、特别是被动式建筑的建设步伐。 1986年，我国建设部首次颁布了建筑节能类的设计标准民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分)8JGJ26-86，该标准将通用设计的居住建筑供暖能耗降低30%；

12、1991年，李元哲等根据J.D.Balcomb提出的 SLR(SularLoadRatio)理论，结合我国的气象条件和建筑材料特点、居民习惯和生活水平，给出了适合于国内的，多种集热部件的效率曲线(SLR曲线)和及太阳房的平均室温预测计算方法。编写了被动式太阳能热工设计手册一书，至今仍是我国最为系统和科学的被动式太阳房设计的依据资料7。1995年，建筑部对民用建筑节能设计标准进行了修订，并于1996年正式实施修订版的新标准，即民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分)JGJ26-95,该标准将节能率提高到50%。2001年10月1日，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准8正式实施。以上两个标准要求居住

13、建筑通过合理的节能设计、增强建筑围护结构隔热保温性能以及提高空调和供暖设备的能效比，在保证室内热环境的前提下，将建筑总能耗降低50%。2010年，修订了严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26-2010和夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2010。 我国于1998年颁布了中华人民共和国节约能源法，并在2007年重新修订后，于2008年4月1日幵始实施；2006年1月1曰，我国开始实施中华人民共和国可再生能源法;2008年7月，我国国务院颁布了民用建筑节能条例同年8月，国务院又颁布了公共机构节能条例，以上两项条例于同年10月1日正式实施。 2001年9月，国家建设部的科技委员会参

14、考LEH)绿色建筑评价体系2.0版，拟订并公布了中国生态住宅技术评价手册，以此作为我国生态住宅技术的一项重要标准。 2003年8月，清华大学、中国建筑科学研究院等九家科研单位参考日本的CASBffi绿色建筑评价体系，联合推出了绿色奥运建筑评估体系。 2006年6月1日，我国正式颁布了绿色建筑评价标准（简称绿标)，以此作为绿色建筑的判定标准，以“星级绿色建筑评价标识”作为我国绿色建筑认定的重要标志。该标准从节地与室外环境、节能与资源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室外环境质量和运营管理六大方面去评价建筑的“绿色化”程度。每个方面的指标由控制项、一般项和优选项组成，参与评价的绿色建筑在

15、满足控制项的基础上，按照满足一般项和优选项的数量，划分为一星级、二星级和三星级三个等级。 在评价对象方面，该标准分为住宅建筑和公共建筑两部分，按照评价的六大方面，分别有对应的控制项、一般项和优选项的条目与之对应。 按照国家的规划方案和目标，现在我国的绿色建筑评价采取自愿+鼓励原则，即由业主单位、开发商遵照自己意愿决定是否将所持物业申报绿色建筑星级评价，国家则对符合条件的绿色建筑予以一定的技术补贴。1.4本文研究方法、内容及意义1.4.1研究方法1.4.1.1文献整理本文通过大量文献资料的查找、阅读、整理、分类以及归纳，在总结当前建筑节能被动式技术的主要方法及前沿技术，在适用本地环境的基础上归纳

16、被动式节能的主要方式，对其技术的实用性加以论证、改善和推广。1.4.1.2计算机模拟计算机能耗模拟技术主要是通过绿色建筑分析应用软件PDA进行不同地区的计算模拟，及不同材料的选用从而得到最佳的被动式太阳房设计。1.4.2 内容及意义 本文旨在设计直接受益式被动式太阳房，从建筑设计的角度，统筹考虑建筑设计与被动式措施，以技术简单、造价低廉的方式降低建筑的建筑能耗，同时改善建筑使用时的舒适性，合理组织和处理各建筑元素，使建筑物具有较强的气候适应性和气候调节能力。本文通过对合肥市的自然环境进行分析，在总结当前建筑界对被动式的绿色建筑节能技术手段的基础上，结合相关的调研数据，并利用绿色建筑分析应用软件

17、PDA进行计算机模拟，分析、总结出一种适合于本地环境的绿色住宅建筑节能设计手段，为居住建筑节能的可持续发展贡献绵薄之力。2合肥市直接受益式太阳房总体设计 2.1地理位置 该建筑位于安徽省合肥市，地处江淮之间、环抱巢湖。2.2气候类型 合肥地处中维地带，属于亚热带季风性湿润气候，季风明显，四季分明，气候温和，雨量适中。年平均气温15.7，年均降水量约1000毫米，年日照时间约2000小时，年均无霜期228天，平均相对湿度为77%。由图1可以看出该地属于夏热冬冷地区，一月份平均气温010，七月份平均温度2530。夏季炎热，多雨，冬季寒冷，注意防冻。图一 中国建筑气候区划图该地区建筑物必须满足（1）

18、夏季防热、遮阳、通风降温，冬季兼顾防寒。（2）建筑物要防雨、防潮、防雷电。2.3直接受益式太阳房工作原理 建筑物利用太阳能采暖最普通、最简单的方法，就是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式，是被动式太阳育睬暖中和普通房差别最小的一种太阳房1。冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗，直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面，使其吸收大部分热量，因而温度升高，少部分阳光被反射到室内的其它面(包括窗)，再次进行阳光的吸收、反射作用(或通过窗户透出室外)。被围护结构内表面吸收的太阳能，一部分以辐射和对流的方式在室内空间传递，一部分导入蓄热体内，然后逐渐释放出热量，使房间在晚上和阴天也能保持一定的温度。为了

19、使太阳能采暖房在冬季有较高的室内平均温度和较小的室内空气温度波动，采用这种方法时，房屋南面应安装较大面积的玻璃窗，同时要求窗扇的密封性能较好并配有保温窗帘。另外，要求外围护结构具有较大的热阻，室内要有足够蓄热性能好的重质材料，以便集热较多，热损失较少并有较好的蓄热性能。目前，人可所用的最普遍的蓄热材料是重质材料，包括砖石、混凝土和土坯。这些材料既可单独使用，又可结合使用。一般来说，围护结构的室内侧至少要有1龙或劝采用较厚的砖石等重质材料建造，以确保内表面具有足够的外露重质材料，用以充分地吸收和贮存热量。白天，国耐才料吸收热量，到夜间，当室外温度和房间温度开始下降时，重质材料中所蓄存的热量就会释

20、放出来，维持室内的温度，其工作原理见图2。在炎热的夏季，如果夜晚比较凉爽，则重质材料也能够在白天保持凉爽。这首先是由于它具有热惰性，因为厚实的墙在白天能够阻滞热量传到室内;其次是由于夜间室外空气流进室内，使重质材料冷却。这样在白天它就能延缓室内温度的上升。图2 直接受益式太阳房 优点是构造简单，施工、管理及维修方便，成本低；可以灵活的控制开窗形式，综合利用自然采光和采暖，适用于主要在白天使用的房间。 缺点是：室内温度波动大、光照过强，可能会引起眩晕和室内物件褪色；蓄热模板、墙体等蓄热体不能铺地毯等装饰物；如若不采取一定的措施，会出现局部过热的现象。2.4直接受益式式太阳房的设计要点 直接受益式

21、式太阳房的设计要点为以下几点（1）空间布局；（2）日照间距；（3）直接受益窗设计；（4）蓄热体的设计；（5）保温措施。2.4.1空间布局设计 本建筑采用坐北朝南的空间布局，南面留有小窗，北面房间面积偏小。南面一般家庭设置有卧室、餐厅等。北面可设置有杂货房、卫生间及楼梯。北侧的房间一方面能够利用主要房间流失的热量达到加温的目的，同时还可作主要房间的保温屏障，以保障南侧房间的热稳定性。2.4.2日照间距H-太阳房南方遮挡建筑的遮挡高度：7m。-冬至日太阳赤纬角：-23 27。-太阳房所在地区的地理纬度：32。Lt-保证t小时的日照间距，m日照时间8个小时。Lt=H(tan -(sin/(sinsi

22、n+coscoscos15t/2)代入数据的日照间距Lt=3.11m因此，前后两栋房子至少要保持3.11m的距离，以保证太阳房采暖效率。2.4.3直接受益窗设计 在直接受益式太阳房中，设计的关键是直接受益窗。直接受益窗是太阳房获取太阳能的主要途径，但它既是得热部件又是失热部件，在太阳透过玻璃进入室内的同时也会造成热损失。因此在窗的设计应注意：根据热工要求恰当的确定窗口面积，南向集热窗的窗墙面积比宜为50%；慎重地确定玻璃层数和做法，减少窗洞范围内的遮挡；合理确定窗格划分、窗扇的开关方式与开启方向；在窗的构造上既要保证窗的密封性，又要减少窗框、窗扇自身的遮挡；采用必要的构造措施解决夜间保温问题。

23、 直接受益窗的形式有侧窗、高侧窗和天窗三种如下图3.在相同面积的情况下天窗获得的太阳辐射量最多；但同时，由于热空气易聚集在房间顶部，通过天窗对外辐射散失的热量也最多。一般的天窗玻璃、保温板很难保证天窗全天热收支盈余，因此，直接受益式多选用侧窗、高侧窗两种形式。图3 直接受益窗的形式 即使在太阳房中采用侧窗或高侧窗，仍然要采取相应的保温措施改善直接受益窗的保温状况，可以采用两种方法：一是增加窗的玻璃层数，二是再窗上增加活动夜间保温装置，如保温窗帘等。增加玻璃层数可以加大窗的热阻，减少热损失。下面根据表1，表2来选用直接受益窗。表1 不同温度条件下直接受益窗玻璃层数推荐值冬季室外平均温度()玻璃层

24、数夜间没有保温夜间保温0至521-5至02或31或2-5以下3层以上2表2 不同温度条件下直接受益式太阳房窗地比的推荐值冬季室外平均气温（）窗地比-8至-90.270.42（窗有保温措施）-5至-70.240.38（窗有保温措施）-2至-40.210.330至-10.190.292至00.160.25 综上所述，考虑到当地的居民习惯一般是开侧窗，且合肥市冬季夜晚平均温度为0至2，故选用侧窗，双层玻璃，窗地比为0.20的直接受益窗满足中华人民共和国国家标准公共建筑节能设计标准（GB 50189-2005）规定。至于窗上的玻璃则根据下表3，选择复合玻璃中的吸热中空玻璃，保温隔热易于实现冬暖夏凉的目

25、标。表3 不同类型玻璃的特点与选择名称特点热工吸热玻璃对红外线具有高吸收，吸收效率同玻璃外侧空气速度相关，但玻璃自身可能变得很热。若将吸热玻璃作为双层玻璃的外侧，影响会有所减小。隔热热反射玻璃可反射大量的辐射热，但透过率相对较低，不及吸收玻璃的隔热效果，对临近建筑物有光污染和热辐射。隔热致变色玻璃光致变色玻璃在太阳能控制方面具有实际意义，由于成本的问题通常将其制成薄膜或涂层与建筑窗玻璃。隔热热致变色玻璃的相变温度只有降到人的舒适范围才具有实际意义，薄膜涂层只有提高在可见光范围内的透过率，才有实用价值。电致变色玻璃的材料决定电致变色窗的性能，其在节能方面的应用需要考虑响应时间和驱动电致变色的电能

26、消耗。复合玻璃吸收中空玻璃或热反射中空玻璃能使太阳辐射热的进入得到适当控制，又有较好的保温性能。隔热保温低辐射（Low-E）中空玻璃具有良好的保温性能，适合于以采暖为主的寒冷地区。低辐射-热反射中空玻璃，既能很好的反射太阳的辐射热，又有极地的传热系数气凝胶玻璃具有良好的隔热保温性能和较高的透过率，且能够耐高温、隔音减震。2.4.4蓄热体设计 蓄热体的设计主要是蓄热体的布置和蓄热材料的选取为关键。2.4.4.1蓄热体的布置 为了提高蓄热构件的热效率，宜将蓄热体尽量布置在阳光能够直接照射的区域，蓄热体的面积应该尽可能的大，大面积的蓄热体可以使室内加热过程更加均匀，对维持夜间室温更为有利。在直接受益

27、式太阳房中，包括地板在内的蓄热体表面积最好能占室内总面积的1/2以上。蓄热体的厚度一方面需要满足太阳房对蓄热的要求，另一方面需要考虑蓄热体所在的屋顶、地面或墙面的尺寸与结构承载力。以砖石作为围护结构、砖或混凝土作为地面的直接受益式太阳房中，常用的蓄热体厚度是：墙体24cm，地面5cm。此外可将太阳辐射到达地面、墙面上的部位涂成深色，有利于太阳辐射的吸收。而蓄热体的布置有如下图4，六种方式。图4 蓄热体在采暖房间中的布置2.4.4.2蓄热材料的选择 蓄热体应选择具有较高的比热容和导热系数的材料，这样可以积蓄更多的能量，提高热交换率。蓄热材料按类型可分为显热蓄热材料和潜热蓄热材料两大类。显热蓄热材

28、料是指物质在温度上升或下降时吸收或放出热量，在此过程中物质本身不发生变化。而潜热蓄热材料是利用某种化学物质发生相变时吸收或放出的热量来实现蓄热功能。考虑到造价成本及安全问题我们常选用显热蓄热材料。常见的显热蓄热材料热工性能参数如下表4。表4 常见显热蓄热材料热工性能参数材料名称干密度Kg/m3导热系数W/（m.K）蓄热系数S（周期24h）W/（m2）比热CpKJ/(Kg.)钢筋混凝土25001.7417.20.92水泥砂浆18000.9311.371.05轻砂浆砌筑黏土砖砌体17000.769.861.05平板玻璃25000.7610.690.84建筑钢材785058.2126.12.10 综

29、上所述，当然由此可以看出建筑钢材的蓄热系数最大，其热稳定性最好，因此，选择建筑钢材为蓄热材料。2.4.5保温设计2.4.5.1保温结构设计 保温设计可以减少由集热构件中传热系数较大的玻璃窗或玻璃盖板带来的热损失，且有利于蓄热材料中的热量存到夜间使用，从而使太阳房达到令人满意的采暖效果和节能效率。在直接受益式太阳房中有两种活动保温构件如下图5。图5 活动保温构件因此，考虑到美观、方便及成本的因素，我选用活动保温帘进行设计。2.4.5.2保温墙体材料选用 不同保温墙体材料可对室内温度产生很大的影响，如下图6，所示。图6 不同保温性能的墙体材料对室内温度产生的影响 保温材料的合理使用可以维持被动式太

30、阳房的室内温度，尤其对夜间的室内舒适度起关键作用。常见的保温材料及特点、性能参数如下表5，表6。表5 常用的保温材料及其特点常用保温材料特点纤维状材料玻璃棉、超细玻璃棉、中级纤维玻璃棉、岩棉、矿棉及石棉质量轻、导热系数低、吸音好、耐高温多孔与泡沫状材料聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、泡沫石棉及泡沫玻璃热损失小、无腐蚀、质量轻、易加工、使用方便松散状材料珍珠岩粉、蛭石粉、棉籽、无规物如麦秆及麦壳、粉煤灰膨珠粉等堆密度小、导热系数低、隔热性能好、吸声强、吸湿性小、无味无毒、不燃、耐腐蚀表6 常用保温材料及其性能参数名称容重Kg/m3导热系数W/（m.K）使用温度纤维状保温材料普通

31、玻璃棉80-1000.052300岩棉板80-1200.035-0.041400150-2000.041-0.047400粒状棉100-1500.041600泡沫状保温材料轻质聚氨酯泡沫38-450.017-0.023-50-80硬质聚氨酯泡沫40-600.017-0.029-60-130聚乙烯泡沫120-1400.042-20-80就使用温度和导热系数而言，很明显选用普通玻璃棉更好，而且降低了成本。3合肥市直接受益式太阳房热工设计参数优化 直接受益式太阳房是让阳光直接加热房间。阳光透过宽大的南窗玻璃面，直接照射到室内的墙壁、地面和家具上，蓄存热量。夜间，当室外温度和房间温度开始下降时，蓄存的热量又逐渐被释放出来，使室温维持