被动式太阳房的设计与建设

被动式太阳房的设计与建设

摘要：被动式太阳房是太阳能建筑的一项内容，太阳能建筑又是太阳能热利用的一种形式，也是一种新型节能建筑，具有节约常规能源、改善居住环境、减轻环境污染等优点。

关键词：被动式太阳房模型设计建筑节能

一绪论

太阳能是一种巨大、清洁、便宜的能源，是人类生存的地球上可再生能源的源泉，人人都能分享，是极具开发价值的能源。太阳能有着巨大的辐射能量，地球每年接收的太阳辐射能量估算有60亿KW。研究和发展太阳能的利用是未来人类生存和发展之必要,尤其是对住宅采暖、供给热水有着广阔前景,把太阳能作为替代矿物燃料是可持续发展的首要战略目标。

近几年，我国经济发展迅速，广大农村也发生了很大的变化，被动式太阳房是十分适合我国西部广大农村乡镇和城市的一种建筑形式，也是重要的一种节能、环保手段，受到了广大群众的认可和欢迎，得到了广泛的推广。太阳房将朝着高、中、低三个层次发展，以适应各种不同层次的需求：

（1）高档太阳房：以被动式和主动式太阳能采暖降温为主

综合利用太阳能其他节能技术（如光伏发电、太阳能空调、地热及热泵等技术）相结合的采暖降温形式，可应用于多层和高层建筑。

（2）中档太阳房：以被动式太阳能采暖为主

①太阳能热水器和低温地板辐射采暖，做为辅助热源解决冬季采暖。

②利用地下水源、热泵作供热热源，解决冬季的采暖，可供经济较发达地区使用

（3）低档太阳房：以被动式太阳能采暖为主，加强采光及得热并提高外围护结构的保温性能，减少热损失。适用于广大经济欠发达地区推广利用。

二被动式太阳房的工作原理[1]

被动式太阳房（简称太阳房）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。

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。

被动式太阳房的工作原理图

三被动式太阳房的可行性分析

3.1 太阳房经济性分析

经济指标是评价太阳房的一个重要方面，也是方案选择的重要依据。太阳房在寿命期内资金消费的特点是初投资大而运行费用低。而偿还年限是太阳房采暖经济评价的一项重要指标。偿还年限可由下式算[2]出

N =ln B?ln(B?Ai)/ln(1+i)

式中 A—太阳房较对比房增加的初投资，元/m2；

B—太阳房较对比房每年节省的费用，元/(m2a)；

i—年利率。

一般情况下，估测目前普通房屋的投资成本为 7 万元，对于太阳房来讲，除正常的建筑投资，还需要保证室内的采暖、通风以及满足生活照明等的电能，成套斯特林热发电系统成本为 4000 元/千瓦，但进行大规模的生产时成本会有所降

低。因此估测太阳房的总投资为 11 万元。与普通房相比，太阳房的耗煤指标为10.03kg/m2，则太阳房采暖耗煤量为 2006kg，当地煤价加运输成本分摊为1000 元/t，太阳房的年节约收益为 68.7 元/（m2a)，增加的初投资为 200 元/m2经计算，则该太阳房的投资回收年限约为 3 年。

3.2 太阳房的热性能分析[3]

太阳房的热性能主要有太阳能保证率（SHF）、太阳房节能率（SSF）、

热舒适度等。

3.21保证率

太阳能保证率 SHF 越大，达到房间所需采暖温度应提供的辅助热量就减小，反之越大。在本次研究中采暖时期维持设计温度时所需消耗的热量为

352664.928kJ，而由太阳能提供的热为 392303.6kJ，即太阳能采暖保证率超过50%，可达到房屋的供暖需求。

3.22节能率[4]

该附加阳光间式太阳房的节能率为 SSF =60.1%，可达到节能的目的。

3.3能源利用情况分析

通过室外或住宅外单独构筑的暖气炉及连接整个房间的水暖管道供暖,条件好的会使用电热器等。相反,条件差的农户往往只能燃烧木柴取暖。可以看到这种通过简易设置而成的内部供暖系统虽然构造简单,比较实用,但建立这样一套系统并加以维护所花的费用并不低,同时,由于暖气炉产生的热量有不少的部分都在整个管道的运输、水的蒸发等环节丧失掉了。而用木炭或无烟煤都需要

花费资金购买并需要专门的房间进行燃料的贮藏,用木柴、秸秆又不利于保护生态环境和可持续发展。西北地区五省中,陕西冬季的气温并不是最低的,因此,供暖问题并不是很严峻。依靠被动式太阳房转化的热量绝对足够保证房屋的温暖舒适。

四被动式太阳房的技术分析

4.1 蓄热墙夹气层厚度[5]

蓄热墙得到的热量仅有阳光照射到墙表面的部分Q、(包括被吸收和被反射到夹层部分).

蓄热墙失去的热量有:·流过夹层气体与墙表面对流辐射交换的热量Q,被气体带入室内;

夹层玻璃与气体流动向外传递的热损失QZ;蓄热墙体传递·到室内的热量Q3.则能量平衡关系可表示成:

式中:P—空气密度,〔Kg/m3〕;

Cp—空气比热,[J/Kg·K〕;F

F—风口断面面积〔m,〕;u

V—气流流经风口的平均流速,〔m/s〕;

因此,应使两者之间形成紊流流动或至少使气体形成环流,才能使对流换热效果显著。

4.2 蓄热墙夹气层的垂直高度[6]

已知蓄热墙夹层内的空气流动是有限空间的自由流动状，实际经验又表明,一般情况下当

时皆可认为是有限空间,由此可确定夹层的高度，如果h=lm,夹层厚度取a=0.3m,显然不太合理,但据前述分析又不能过小,一般应取占d=0.lm~o.15m较为合适.

4.3稳态传热计算模型,被动式太阳房基本热性能参数有

总负荷系数TLc。TLc是指当保持室内外温差为1℃时,室内所需的供热负荷,计算式为[7]

TLc=

A,·U,+n·V·σ·q3/.6(1)