西北地区被动式太阳房的研究与设计

西北地区被动式太阳房的研究与设计

摘要：随着西部大开发的日益深入,我国西北地区迎来了前所未有的发展机遇,但生产、生活对能源的需求也大幅度增加,其中建筑能耗约占总能耗的1/4。由于全球性建筑可持续发展的趋势,以及节能环保建筑的发展,太阳能建筑日益受到重视。从1977年甘肃民勤县第一栋土坯太阳房开始,我国太阳能建筑至今已有20多年历史，但是，我国太阳房的建设和利用还远远不够。国内外很多理论研究和试验研究都表明,太阳房是一种可行的、很有发展潜力的绿色节能建筑形式。因此,在太阳能资源富足的西北地区推广既节约能源,又经济舒适的太阳房(住宅)很有必要。本文将介绍太阳辐射原理及太阳能资源分布，被动式太阳房原理及其基本热工参数计算，以及被动式太阳房应用实例。

关键词：太阳辐射原理被动式太阳房基本热工参数计算

西北地区被动式太阳房的研究与设计

1、太阳房原理的介绍

太阳房的基本原理就是利用“温室效应”。因为，太阳辐射是在很高的温度下进行的辐射，很容易透过洁净的空气、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，它们又向外界辐射热量，而这种辐射是长波红外辐射，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”。

在建筑中利用太阳能的方式主要有以下两个种：一是光照。从卫生角度考虑，太阳辐射中的短波成分（紫外线）具有良好的杀菌防腐效果。二是能源利用方面。从节能角度考虑，太阳能是一种清洁、环保、可再生的能源，将其引入建筑作为采暖能源或进行光电利用和光化学利用，有利于节约常规能源，保护自然生态环境。

太阳房是一种利用太阳辐射实现供暖、通风和制冷的建筑，对于营造健康舒适的居住环境非常有利。太阳房包括主动式太阳房和被动式太阳房两种形式。主动式太阳房一般由集热器、传热流体、蓄热器、控制系统及适当的辅助能源系统构成。它需要热交换器、水泵和风机等设备，造价较高。被动式太阳房是被动式太阳能技术的简单应用之一，其目的主要是采暖，一般有直接受益式和蓄热墙式两种形式。

2、被动式太阳房的可行性分析

2.1、西北地区的气候特征

西北地区地处内陆，为典型的大陆性气候，夏季炎热，冬季严寒，降水稀少，终年干旱，除东部个别地区和一些高山年降水量超过400毫米以外，其余地区降水量均低于400毫米，大部分地区不足200毫米，在新疆塔克拉玛干地区、青海的柴达木和和西藏藏北高原地降水量均低于50毫米。

西北地区植被稀疏，沙漠广布，冬春二季多风沙，大风卷起地面的沙尘，形成弥天的沙尘暴，并且向东吹至华北、华东等省市，给那里的环境带严重影响。西北地区没有灌溉，就没有农业。在山前水源充足的地方，农作物和各种瓜果产量高，品质优良，形成西北地区特有绿洲农业。

2.2、西北地区的能源利用现状

西北高原边远、高寒地区的能源现状：该类地区能源更为匾乏，一般没有电力供应，自然环境条件好的地区有少量的小水电站，但供电量有限且不稳定，甚至连日常的照明用电都难以得到较好的保证。本地唯一可用的石化燃料为燃油，也因交通条件的限制，特别是冬季，受大雪封山的影响运输极其困难，价格异常昂贵，只有极少数单位能够采用燃油锅炉采暖，大部分居民仍主要采用干牛粪、木柴作为燃料进行采暖。

西北高原地区受其特殊地质条件的影响，很少可利用的化石类能源(煤炭、石油、天然气)出产，燃油、煤炭均需由内地运入。同时由于该地区均处于高原，道路交通极为不便，运输成本过高，使得该地区常规能源价格昂贵。传统上采用干牛粪、木柴等燃料进行炊事及采暖，严重制约人民群众生活质量的提高。

2.3西北高原地区的建筑材料情况分析

西北高原地区建筑的墙体材料不同于内地以页岩粘土砖为主，而是以上坯砌块和石材为主。一般平房1m下用石材，上部则用土坯砌块或混凝土砌块，厚度约370mm一490mm。就墙体保温而言，其下部比240mm厚粘土砖墙体差而上部则好于此粘土砖墙。对于多层建筑，一般采用本地产200mm厚实心混凝土砌体，其保温性能仅略好于120mm厚粘土砖墙，对应的传热系数大大超过《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)所要求的限值。建筑外窗户多采用金属框单层玻璃窗，早期建筑采用钢框单璃窗，近几年新建筑采用铝合金单璃窗。值得注意的是，以往曾采用过的双层玻璃钢框平开窗，因其气密性差又不耐腐蚀，已不再使用，取而代之的并非是各方面性能更好的塑钢或铝合金双层平开窗，而是单层铝合金推拉窗。

3、被动式太阳房的设计要求与方法

3.1、被动式太阳房的设计要求

正确确定太阳房的建设地点、朝向和房间距，是能否充分利用太阳能、达到冬暖夏凉的关键，建房前一定要在村镇建设规划允许的情况下，合理选择建设地点、朝向和房间距。

1. 太阳房的建设地点：太阳房的建设地点最好选在背风向阳的地方，在冬至日从上午9时至下午3时的6个小时内，阳光不被遮挡，直接照射进室内或集热器上。

2. 太阳房的朝向：据多年来的经验，太阳房的朝向在南偏东或偏西15°以内，这样能保证在整个采暖期内，南向房间里有充足的日照，夏季避免过多的日晒。

3. 太阳房的房间距：太阳房与前面的建筑物之间的距离应大于前面建筑物高度的两倍为宜。

太阳房的南墙是太阳房的主要集热部件，南墙面积越大，所获得的太阳能越多。因此，太阳房的形状最好采用东西延长的长方形，墙面上不要出现过多的凸凹变化。

太阳房内部房间的安排应根据房间的用途确定，应将主要房间如住宅的卧室、起居室和学校的教室等安排在南向，而将辅助房间如住宅的厨房、卫生间和教室的走廊等放在北向。

太阳房的墙体除具有一般普通房屋墙体的功能外，还具有集热、贮热和保温功能，是太阳房的重要组成部分。

太阳房的门窗是太阳房获取太阳能的主要集热部件，也是重要的失热部件。由于门经常开启，保温困难，最好设门斗或双层门。窗的功能在太阳房设计中，除了具有采光、通风和观察作用外，还具有集取太阳能的功能，对于直接受益式太阳房来说，窗户起着决定性作用。因此，在设计太阳房集热窗时，在满足抗震