被动式太阳房热工设计

发表于2005-07-29 3868人浏览 5人跟帖总热度:10

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标签：太阳房被动式被动式太阳房太阳能太阳能采暖

第二章被动式太阳房热工设计
作者：王德芳（附件是本文具体图文介绍）
前言
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。它的推广有利于节约常规能源，减少环境污染，和谐人与自然的关系，具有重要的社会经济效益，是贯彻国民经济可持续发展战略和实施科教兴国战略对环境保护要求的一个不可缺少的组成部分。我国被动式太阳房发展较快，据1993年不完全统计，已推广500万m2,主要分布在河北、辽宁、甘肃、内蒙古、青海和西藏等地农村，每平方米已有建筑面积在采暖期可节约20―40kg 标准煤。以后又在许多城镇的住宅、学校等建筑中得到了推广，取得了显著的社会、经济效益。至2000年累计建成太阳房1000多万m2[2]。
近几年全国每年建成的房屋建筑面积达16-19亿平方米。至2000年底,全国既有房屋建筑面积，城市已至76.6亿平方米（其中住宅44.1亿平方米），农村为299.4亿平方米(其中住宅建筑约占80%)。预计“十五”期间，全国城乡住宅累计竣工面积57亿平方米，其中城镇住宅累计竣工面积27亿平方米，农村住宅累计竣工面积30亿平方米[2]。被动式太阳房的发展前景十分巨大。
在需要采暖的地区，普通房的冬季采暖主要依靠专用的采暖设备；被动式太阳能采暖房主要依靠建筑热工措施（主要是通过建筑朝向、建筑构造，及其和周围环境相互关系的合理配置），集取、蓄存和分配太阳热能，来造成一定的室内温度条件以满足冬季采暖要求, 并兼顾夏季，使之达到冬暖夏凉的目的。太阳房和普通房相比，初期投资会有所增加，但年采暖费用会有所降低。
被动式太阳房系统一般不需要机械设备和动力，以区别于需要其它设备和动力的主动式太阳房。
被动式太阳房（以下简称太阳房）能否更大量的推广应用，并为更多百姓所乐意接受，除了依靠国家政策导向等外在因素外，还主要取决于自身的内因。太阳房的适用性和经济性，其性能价格比，也是决定太阳房推广前景好坏的一个主要因素。
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得热量，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（增）投资尽量少，单位投资的节能效益尽量显著。对于不宜单纯依靠建筑热工措施*来满足房间采暖要求的地方，宜考虑采用辅助热源，使室温不低于允许室温的下限。
因此，热工计算对于太阳房来说，要比其它常规采暖房显得更为重要，同时其计算难度也要大得多。
在我国已建成的太阳房中，有些太阳房由于在建造之前没有认真地按正确的方法进行建筑热分析（定量）计算和设计效果（主要包括经济和适用二方面）的预测寻优，致使建成后室温偏低，达不到舒适性要求；或（增）投资过高，造成经济损失，影响了太阳房的推广。为完善地解决太阳房的经济、适用问题，需要在建筑施工以前的设计阶段就对太阳房进行经济和适用二方面的预测和寻优。
以下我们将着重介绍被动式太阳房的基本类型、太阳能资源区划及其利用价值的评估、我国目前几种常用类型的被动式太阳房的热工设计要点及热性能估算等方面的内容。本章在太阳房采暖辅助热量的估算方法中提出了室内日平均空气温度相对于基础温度的增量Dtb的概念及其定量估计，对目前国内外常用的SLR法作了较大简化，提出的简易近似估算方法可用Excel 电子表格进行计算，十分便捷；本章还对我国42个城镇的多种规格（包括夜间保温）的南向窗户和部分城镇的二种常用集热墙和多种附加阳光间的热效率作了估算，可用于有关城镇太阳房设计中多种集热部件的热效率预示和优选比较。本章第7节对以“被动式太阳能采暖房瞬时（动态）热工计算软件”、“太阳房经济优化（含室温预测）软件”及“ 建筑设计CAD软件”作为主要集成基础的《被动式太阳能采暖建筑CAD系统》作了简介。

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一两阳光

发表于2005-07-29 | 只看该作者

楼

第1节被动式太阳房的基本类型
太阳房的类型很多，到目前为止尚无统一的划分标准，分类方法也不尽相同。如果从利用太阳能的方式来区分，大致有下述几种：
1、直接受益式
图2-1 直接受益式太阳房工况示意图
这是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式，是被动式太阳能采暖中和普通房差别最小的一种太阳房。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，人们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1/2或2/3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，重质材料吸收热量，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放出来，维持室内的温度，其工作原理见图2-1。
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。
2、集热墙式
这种太阳房主要是利用南向垂直集热墙吸收穿过玻璃采光面的阳光，然后通过传导、辐射及对流，把热量送到室内。墙的外表面一般被涂成黑色或某种暗色，以便有效地吸收阳光。

图2-2 集热墙式太阳房工况示意图
集热墙的形式较多，如：
（1）实体式集热蓄热墙
实体式集热蓄热墙，一般利用在南向实体墙外覆盖―玻璃罩盖，通常还在墙体的上、下部开设通风孔（见图2-2a）。太阳辐射通过玻璃，除少部分被玻璃吸收外，大部分被集热墙体吸收。被集热墙体吸收的太阳辐射可通过两种途径传入室内：其一是通过墙体热传导，把热量从墙体外表面传往墙体内表面（即面向房间侧的表面），再由墙体内表面通过对流及辐射将热量传入室内；其二主要由集热墙外表面通过对流方式将热量传给集热墙玻璃罩盖和墙体外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（经由集热蓄热墙上、下风口），把热量传给房间，达到采暖的目的。对于不设风口的集热蓄热墙，或集热墙风口关闭时，上述由集热蓄热墙向房间的第二项传热量等于零。夏季关闭集热墙上部的通风口，打开北墙调节窗和南墙玻璃盖层上通向室外的排气窗，利用夹层的“热烟筒”作用，将室内热空气抽出，达到降温的目的。
（注：在这种集热墙墙体上通常设置上、下风口，冬季当空气夹层内的气温大于室内气温时开启，其余时间关闭。夏季用风口，冬季关闭。夏季白天可打开夏季用风口和集热墙墙体上的下风口，关闭集热墙墙体的上风口进行自然通风。）
（2）对流环路式集热墙
这是在南墙设置空气集热器，或在墙体外表面和其玻璃罩盖之间，紧贴墙体外表面敷设保温层及其保护层（见图2-2b），利用墙体上下通风口和室内进行空气对流循环加热的采暖形式。对流环路式集热墙与集热蓄热墙相比，接受阳光后升温较快，白天向室内供热较多，较适合于白天使用的房间，如学校教室、办公室、医院门诊部等建筑物。
（3）水墙式集热蓄热墙
水墙式集热蓄热墙简称水墙。作为蓄热材料的水通常置于屋内的一面墙中，称为“水墙”，水墙应该建在房间里一天中大部分时间阳光能够直接照射到的地方。用来建造这种“水墙”容器的材料一般为塑料或金属。主要问题是运行管理比较麻烦。
（4）相变材料蓄热墙式
常将相变材料装封，设置成垂直集热墙式或花格墙式，置于阳光能直射到的地方。目前的主要问题是相变材料的相变温度和相变时间还难以随房间采暖需要进行控制。
（5）其它
还有花格墙等，详见[3]。
3、附加阳光间式
这种太阳房是直接受益和集热墙技术的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙（带门、窗或通风孔）把房子与阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，通过开门（或窗或墙上的通风孔）将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间，其余时间关闭（见图2-3）。

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