被动式太阳房设计

被动式太阳房设计摘要:随着我国经济的发展，人民生活质量的提高，人们对能源的使用量逐渐增加。

但是，传统能源储备量是有限的。

根据国家发改委的规划，到 2020 年，我国可再生能源在一次能源消费结构中的比重将由目前的 7%左右提高到 15%左右。

因此，太阳能、风能等可再生能源，将为缓解能源短缺现象和减轻节能压力做出巨大贡献。

被动式太阳房是一种经济地、有效地利用太阳能的被动式采暖建筑，是太阳能热利用的一个重要领域。

我国太阳能建筑应用研究开始于 20 世纪 70 年代末，当时被动式和主动式太阳房的应用研究工作同时起步，由于被动式太阳房建筑在利用太阳能方面的巨大优势，被动式太阳房被重点发展。

本文从被动式太阳房基础知识，特点，设计特点等方面研究了被动式太阳房模型的构建。

第一章被动式太阳房基础知识1被动式太阳房概述1.1被动式太阳房：被动式太阳房（简称太阳房）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的恰当选择，使其在冬季能集取、蓄存和分配太阳能的一种建筑。

它不仅能在不同程度上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，散逸室内热量使之达到降温的目的。

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。

1.2被动式太阳房的工作原理温室效应是被动式太阳房的最基本工作原理。

被动式太阳房是不用任何其他机械动力，依靠自然循环向室内供暖，多余的热量储存在墙壁、天花板和地基热体内夜间向室内放热，以保持一定温度。

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，在冬季集取、保持、贮存、分布太阳热能，从而解决建筑物的采暖问题。

被动式太阳房的集热及贮热方式主要是利用建筑物的围护结构墙或窗，或是比较简单的平板装置作为集热器，能够由人随意控制，其构造可不用复杂机械设备及复杂的管道通风系统；造价较低，太阳房的工程造价仅比普通工程造价增加12%左右，容易被人们接受；维护管理方便，不需要专业技术人员维护管理。

1.3被动式太阳房的分类被动式太阳房的类型，目前从利用太阳能的方式来区分大致有四种；[1]直接受益式这是被动式太阳能采暖中最简单而又最常用的一种，也是采用较早采用的一种太阳房。

它通过较大的南向玻璃窗获取阳光，将阳光直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面使其吸收大部分太阳辐射热，使室温在冬季得以提高，并通过蓄热体将白天获得的太阳能在夜间释放出来，以保证减少室内温度的波动。

图1-1直接受益式太阳房(1)集热蓄热墙式这种太阳房主要是利用南向垂直集热蓄热墙吸收穿过玻璃采光面的阳光，然后通过导热、辐射及对流，把热量送到室内。

集热蓄热墙的形式较多，如实体式集热蓄热墙、花格式集热蓄热墙、水墙式集热蓄热墙、相变材料蓄热墙等等。

图1-2集热蓄热墙体的传热热体施(2) 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间的南侧，中间用一堵墙把房子与阳光间隔开，通过阳光间获取太阳能，并将其传给邻室。

图1-3阳光间和居室供热示意图(3)组合式就是由上述两种或两种以上的被动式太阳房的基本类型组合而成的系统称为组合式系统，组合式被动太阳房由于具有全天供热比较均匀的优点而显示出强大的生命力，成为当今被动式太阳能建筑的发展趋势。

2被动式太阳房的特点根据多年的测试及统计分析，被动式太阳房具有以下特点：(1)程造价低。

据统计，太阳房的工程造价比普通房仅增加10％到15％。

[2] (2)冬暖夏凉。

冬季，在无辅助热源的情况下，太阳房比普通房室内温度高5℃—8℃左右，室内外温差达到15℃；夏季，太阳房比普通房室内温度低3℃—5℃。

3被动式太阳房设计要则： 3.1设计总则被动式太阳房的建设地点、朝向和房间距的确定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，同样也要做好对外损失居太阳能的采集，储存，和太阳房的保温；(1)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)朝向。

根据多年经验，太阳房的朝向在南偏东或偏西15度以内，能保证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)房间距。

太阳房与前面建筑物之间的距离，以大于前面建筑物高度的两倍为宜。

(4)太阳房应具有一个良好的绝热外壳。

(5)太阳房的南向设有做够大的玻璃窗，以吸收较多的太阳辐射。

4.2技术设计细则(1)墙体采用砖、石、混凝土或土坯等重质材料建造，外侧敷设保温层。

敷设平整，不留空漏。

材质不发霉和变质，不发散你物质。

(2)地面铺设保温、蓄热和防潮层。

墙体基础外缘加保温层，深度不小于0.45m,热阻大于0.86 m20C/W。

(3)集热蓄热墙厚度通常是240mm的砖墙或300mm的混凝土墙。

集热面倾角以900C为佳。

(4)集热蓄热墙的透明盖板通常采用3mm厚的平板玻璃，阳光通过率大于0.76.(5)墙与透明盖板之间的夹层宽度为60—80mm。

墙体上下端通风口的尺(6)防止太阳光间式房夏季过热，通常设置外遮阳装置。

阳光间前屋檐突出尺寸，应在当地冬至中午，玻璃透光面不受屋檐阴影遮挡。

4被动式太阳房的基本构造被动式太阳房的结构主要由以下五部分组成：(1)东西北墙采用一砖半或两砖厚砖墙，内墙面在两层1:3水泥砂浆面之间加一层5mm 厚的1:6水泥珍珠岩隔热层。

在严寒地区，北墙则可在双层砖墙之间加一层120mm 厚的锯末夹心作隔热层，也可加砌一层沥青矿渣棉保温砖，东西墙通常为一砖半砖墙，内加水泥珍珠岩隔热层。

(2)地面地面采用蓄放热地面和普通地面两种，对于自然采暖的被动式太阳房，这种蓄放热地面的蓄热体，是铺在混凝土地面下的一层300mm厚的黄沙。

而普通地面主要考虑地面的防水和隔热，使得在冬季供暖期间，地面干燥，具有良好的保温性能。

(3)屋顶分平顶和尖顶两种，平顶结构，即预制板加保温层，最外层是两层沥青胶粘的油毡防水层。

尖顶结构，一般在向阳的人字屋面上装设玻璃窗或集热器，既是屋顶，又是集热体，一举二用。

屋顶的内侧面，放一层石棉或玻璃棉保温层，室内用纤维板吊顶。

(4)门窗太阳房的门窗，一般采用双层结构，即窗户为双层玻璃，门户为双层套门。

温暖地区，也可以铝框和拉门并用。

1.6被动式太阳房的热工设计与计算被动式太阳房是主要依靠太阳能采暖的房屋，为使太阳房达到预期的设计要求必须对太阳房进行必要的设计和计算。

通过热工设计，可以明确房屋在采暖期所需热量、太阳能采暖的保证率，并确定南向集热墙的集热面积，从而达到较好的采暖效果。

（1）采暖期所需热负荷房屋采暖期间所需要的总热负荷量Q可由下式计算：Q=(Uw Fw+UdFd+B)DT公式中Q—采暖期间需要的总热负荷，W.h；Uw—围护结构（不含地面）的热损失系数，W/（m2.K）；Fw—围护结构的面积，m2Ud—地板的热损失系数，W/（m2.K）；Fd—地板的面积，m2；B —冷风渗透引起的热损失，W/K；T —每天采暖时数，h/日。

wU可根据传热学原理按下式计算：A式中na—维护结构内表面传热系数，W/(2m.K)；wa—维护结构外表面传热系数，W/(2m.K)；L1...Ln—维护材料各层材料的厚度，2m；λ1...λn —维护结构各层材料的各导热系数，W/(2m .K)注：结构内表面传热系数，维护结构的热损失系数可查表得到，地板的热损失系数可按0.16—0.36 W/(2m .K)选取。

冷风渗透的热损失B 可按下式计算：P n B C V ρ=式中P C —空气的定压比热容，/(.)kJ Kg k ； V —房间的内部容积，2m ；n —房间的换气次数，次/h;ρ—室外空气密度，3/Kg m房间的换气次数可按下表计算： 表1—1房间的换气次数房间外窗门的暴露数目1面2面3面 房间换气次数(次/h)0.25—0.50.5—11—1.5为简化其见，采暖期间防区需要的总热量负荷Q 值也可采用概算发求出。

建设部门给出的采暖设计热负荷面积指标值为：80—100W/2m ,住宅楼为46—80 W/2m ，学校或办公楼为58—85 W/2m ，商店、医院为80—100 W/2m 。

上述指标如果建筑面积较大，外围结构热工性能较好，可采用低指标，反之则采用高指标。

据此刻计算采暖负荷：Q F qF =⨯式中F —建筑面积，2m ；qF —面积热负荷指标值，W/2m 。

采用窗墙面积比热负荷指标法的计算公式如下：式中qF —采暖热负荷指标，W/2m ；a —窗墙面积比；W —外墙总面积（包括窗），2m ； F —房屋建筑面积，2m ；t n —室内采暖设计温度，0C ； t w —室外坏境温度，0C 。

（2）太阳房南向墙获得的热量Q 0太阳房的集热面积是指太阳房南向墙的面积，它是接收太阳辐射能的主要构件。

不管何种类型的太阳房都应该确定集热面积。

采暖期间太阳房南向墙所获得的太阳辐射能可用下公式计算;000w Q I F ηητ= 式中0Q —采暖期单位面积南向窗（墙）所获得的太阳辐射能，.W h ； 0I —采暖期平均太阳辐射强度，W/2m ；η—集热墙（窗）的热效率，（00）； 0η—集热墙（窗）的有效利用率，（00）；W F —集热窗（墙）的有效面积，2m ；τ—光照时间，h.注：太阳辐射取值可查表获得；集热窗（墙）相当于太阳能空间集热器，其热效率一般为2000—5000；集热窗（墙）有效利用率一般为9000。

（3）太阳能采暖保证率太阳能采暖保证率是指利用太阳能采暖所获得的热量0Q 与采暖期间所需热负荷量的Q 的比值，以f 表示：注：太阳能保证率f 一般取0.6—0.8，不足部分利用采暖炉补充。

（4）南向集热窗（墙）有效面积w F00/w F fQ I ηη=(5)通风口面积f F 被动式太阳房上下通风口的面积fF ，可按下式求出：/100f w F F =二 被动式太阳房建筑2被动式太阳房的对当地的适应性设计： 2.1对建筑的选址如果建筑处于山地地区，应避免在山坡的北面布置建筑，可布置在南向山坡的中部，以避免山顶为冷风和山脚的冷空气的“冷池”效应。

避免在多风地区布置建筑，如山顶。

2.2对方位的要求：方位是住宅设计中关系到景观、采光、通风以及太阳能利用最关键的因素。

方位不同时，建筑表面收到的地面反射量也不同，方位的变化对建筑接受地面反射的影响为32%。

太阳能建筑对方位的要求是为了使尽量多和快的得到太阳能辐射热，在冬季，太阳能辐射热在9:00-15:00是全天辐射热的90%左右，因此，在这段时间内要保证足够的日照时间是非常重要的，为了充分发挥太阳能辐射热的效能，可根据太阳能建筑的特征进行方位调整。