直接受益式太阳房设计

目录

1 绪论 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2 被动式太阳房概述 (1)

1.3 国内外被动式太阳能研究概况 (1)

1.3.1国外被动式太阳房研究概况 (2)

1.3.2国内被动式太阳房研究概况 (3)

1.4本文研究方法、内容及意义 (5)

1.4.1研究方法 (5)

1.4.1.1文献整理 (5)

1.4.1.2计算机模拟 (5)

1.4.2 内容及意义 (5)

2合肥市直接受益式太阳房总体设计 (6)

2.1地理位置 (6)

2.2气候类型 (6)

2.3直接受益式太阳房工作原理 (7)

2.4直接受益式式太阳房的设计要点 (8)

2.4.1空间布局设计 (8)

2.4.2日照间距 (8)

2.4.3直接受益窗设计 (9)

2.4.4蓄热体设计 (11)

2.4.4.1蓄热体的布置 (11)

2.4.4.2蓄热材料的选择 (12)

2.4.5保温设计 (13)

2.4.5.1保温结构设计 (13)

2.4.5.2保温墙体材料选用 (13)

3合肥市直接受益式太阳房热工设计参数优化 (15)

3.1传热系数优化原则 (15)

3.1.1简化模型的建立 (15)

3.2传热系数优化的原则 (15)

3.2.1外墙传热系数优化 (16)

3.2.2地面传热系数优化 (17)

4 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 kWh/(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 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