B太阳能利用技术

一、太阳能利用技术

在所有可以替代化石燃料的能源中，太阳能引起了人们的关注，其原因是它取之不尽用之不竭并且清洁无污染。在建筑领域，太阳能的应用包括两个方面：一是太阳热能应用系统，就是利用太阳辐射来供给建筑生活热水、采暖和制冷；二是太阳能光电（PV）系统，就是将太阳辐射转化为电能，为建筑提供清洁能源。由于太阳能光电系统价格昂贵，还未实现商业化推广，本文以小住宅中的太阳热能应用为论述重点。

我国地处北纬18°到54°之间，各地太阳辐射强度差异极大，总的分布趋势是：北高南低，西高东低。有资料将我国各地区太阳能划分成五个热能等级（表2－3）。结果表明，太阳能有经济利用价值的地区是全年总辐射强度高于100万千卡/米2和年日照时数超过2200小时的地区。由此可知，我国大部分地区有发展不同节能标准的太阳能建筑的条件。

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A.得热

●利用太阳热能都有哪些途径？

太阳能在建筑上的利用方式主要有太阳能采暖与空调、太阳能供热水。

所有的太阳能加热系统都具备三个功能：收集太阳能、贮存热量以及在需要时在整个房屋中分配热量。根据所采用的方法的不同，太阳能采暖（制冷）可以分为被动式系统和主动式系统两种。

●被动式太阳能采暖系统是如何工作的？

被动式太阳能采暖是指用太阳能直接给室内加热，建筑的全部或一部分既作为集热器又作为储热器和散热器，热量的流动通过自然的传导、辐射、对流方式进行，不需借助其它机械动力，因而既不需要连接管道又不需要水泵或风机。其中，利用房屋的全部来收集和贮存太阳辐射热的方式叫直接得热系统；利用房屋的某一部分来收集和贮存太阳辐射热的方式叫间接得热系统。

直接得热系统是最简

单的被动式采暖方法（图2

－2－5）。其工作原理是，

冬季让太阳从南窗直接射

入房间内部，用楼板、墙体、

家具设备等作为吸热和储

热体，当室温低于储热体表

面温度时，这些物体就象一个大的低温辐射器那样向

室内供暖。为了减少热损失，窗户夜间必须用保温窗帘或保温板覆盖。房屋围护结构本身也要有高效的保温。夏季白天，窗户要有适当的遮阳措施，以防止室内过热。

间接得热系统收集和贮存太阳辐射热的基本形式有特朗伯集热墙、水墙、附加日光间、温差环流空气集热器等。

被动式太阳能采暖系统的优点是就地取材，技术简单，不耗费或较少耗费常规能源。缺点是冬季平均供暖温度偏低，并且易受天气影响。

主动式太阳能采暖系统是如何工作的？ 主动式太阳能采暖系统主要由集热器、管道、储热物质、循环泵以及散热器等组成。由于热量的循环需要借助泵或风扇等产生的动力，因而该系统被称为主动式系统。

主动式系统的循环工质是水或空气。当工质为水时，储热器经常采用水箱，散热采用地板辐射或暖气的方式。当工质为空气时，储热器经常采用卵石床，利用通风管道直接向房间散热。

图2－2－5 太阳能直接得热系统工作原理

A. 窗外附加一层窗能大大减 少失热，而对得

热影响甚微。

B. 特朗伯集热墙

C. 在不加保温的砖墙外加一层玻璃，不仅能大

大减少失热，而且能从墙体获得可观的热能。

D. 当墙与玻璃间的空间足够大时就形成了日

光间，该空间能起到缓冲室外温度波动的作用，

还可提供太阳热能。

主动式系统利用两个恒温器来控制热量的分配。一个恒温器控制集热器与储热器之间的热量循环。当集热器温度高于储热器时，热量就通过管道源源不断地流入水箱或卵石床贮存起来。另一个恒温器控制储热器与房间之间的热量循环。当房间需要采暖时，恒温器就打开另一套泵或风扇，将热量抽取上来。利用这种方式，热量可以被送到指定的任何房间。

主动式太阳能采暖系统能够贮存房屋1～3天所需的热量，因而在一定程度上可以抵御风雪或多云天气的影响。其缺点是造价高，设备复杂，占据空间大。

主动式系统集热的关键是合理确定集热器的面积和角度。当系统用于冬季采暖时，集热器与水平面的夹角宜取当地纬度加15°；系统用于夏季降温时，夹角宜取当地纬度减15°；如果既需采暖又需降温，夹角可以等于当地纬度。集热器的倾斜角在15°内变化对集热效率影响不大。

在夏季，以空气为工质的主动式系统能利用夜间辐射达

到降温的目的，而不需附加任何复杂的设备。在无云而空气

湿度较低的夜晚，将储热器直接通向凉爽的夜空，使热量散

失（图5－2－15）。用鼓风机把冷空气引入储热器贮存起来

可供白天循环使用。

● 太阳能采暖混合系统是如何工作的？

被动式和主动式相结合的太阳能采暖系统叫混合系统。在混合系统中，两种采暖方式可以非常有效地互相补充。主动式系统的储热器能保存住热量供夜间使用，而被动式系统

则在白天加热房屋。利用风扇、管道、卵石床等，也可以把被动式系统收集的热量贮存起来或输送到房屋较冷的区域。

图 为一座采用了太阳能混合集热系统的小住宅实例。该住宅通过南向窗户采光以及附加日光间的温室效应进行被动式集热；通过风机、管道系统将日光间以及屋顶集热板收集的热量输送进地下卵石床贮存起来，供夜间使用。

● 日照间距多大合适？

为了保证小住宅的太阳能集热部件不被前排建筑物遮挡，小住宅必须与前排建筑之间保持一定距离，即太阳能建筑日照间距。该日照间距以冬至日为计算日，计算公式为：

S=H 0c t g h c o s γ0

式中H 0 ——前栋建筑物计算高度（m ）；

h ——计算时太阳高度角（°）；

图5－2－15 夜晚卵石床的散热

东京，津田町住宅 （来源：董卫 王建国，可持续发展的城市与建筑设计）

γ0 ——计算时太阳光线在水平面上投影与垂直墙面法线之间夹角（°）

。 由于很小面积或很短时间的阴影遮挡都能明显降低太阳能集热器的效率，在小住宅前方以种植花草和灌木为宜，高大的树木宜种植在住宅前方120°范围以外，注意要选择叶茂而枝少的树种，以免冬季遮挡阳光。值得注意的是光秃的枝干会阻挡20～40%的阳光。考虑到夏季遮阳，可在建筑前方搭架种植季节性的藤类植物。

● 被动式太阳房的体型应怎样控制？

从节能以及太阳能利用的角度来看，小住宅的体型以正方形和接近正方形的矩形为宜。住宅净高以2.8米为宜。住宅进深不应超过层高的2.5倍。南向房间进深以不大于层高的

1.5倍为宜，这样能保证集热面积与房间面积之比不小于30％，从而具有较高的太阳能供暖率。对于独立式住宅，面阔三开间时宜做一层，四开间以上宜做二层。

直接得热系统的关键问题是使阳光直接照射在尽可能多的房屋面积上，从而均匀加热。为此可采用的方法包括：沿东西向建造长而进深小的房屋；将进深小的房屋垂直加高以获得更多的南墙；在北向房间设置南向天窗；沿南向山坡建造阶梯状房屋，使每一层房间都能受到阳光直射；在屋顶设置天窗，使阳光能够直接加热内墙等等（图5－2－10）。

由于房屋本身就是加热器，直接得热系统常采用混凝土、砖、石或土坯来做楼板和厚墙，以提高房屋的蓄热性能。楼板和墙体常用深色面砖或石材镶嵌。

直接得热式供暖升温快、构造简单，不需增设特殊的集热装置，投资较小，管理方便，因此是一种最容易推广使用的太阳能采暖方式。缺点是大量阳光进入室内，易产生眩光。昼夜温差波动较大。窗户的夜间保温至为重要。

● 建筑形态对日照遮挡有哪些影响《雨28》

不同平面的建筑形体在不同季节内阴影位置和面积不同，节能建筑应选择日照遮挡少的建筑形体，以减少日照遮挡对太阳辐射得热的影响，图2－2－4为不同平面的形体在不同日期的阴影。

● 窗的形

式

与

日

照

效

率

有

哪

些关系？

图2－2－4 不同平面的形体在不同日期的阴影 (来源：中国建筑节能专业委员会，建筑节能技术)