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按照国际上惯用的名称,太阳房分为主动式太阳房和被动式太阳房两大类。主动式太阳房的一次性投资大、设备利用率低,维修管理工作量大,而且仍然要耗费一定量的常规能源。因此,对于居住建筑和中小型公用建筑来说,主要采用的是被动式太阳房。被动式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、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。
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,电源也是不可缺少的。因此这种太阳房的造价较高。但是室温能主动控制,使用也很适宜。在一些经济发达的国家,已建造不少各种类型的主动式太阳房。例如,日本于1956年建造的柳叶太阳房,已运行快30年,该建筑作为私人住宅,建筑面积223平方米,集热器为铝制管板型,采暖或降温用的集热器面积98平方米,热水用的集热器33平方米,装有两个贮箱的热泵系统。供热时,集热器收集太阳热5℃~25℃,通过循环液传送到低温容器,经热泵升温可达到42℃,并用管道输送到高温贮箱,降温时,热泵用高温贮箱中的水作降温介质,而把冷却了的水贮存于低温贮箱。热泵功率2.2千瓦。蓄热器容量高温为10立方米,低温为4立方米。日本兴建较多的一种太阳房为八崎式,从1974年以来,八崎试验太阳房竣工,采用具有选择性表面的平板集热器,并配有水-溴化锂吸收式致冷器,建筑面积143平方米,采用不锈钢管板式集热器,集热面积104平方米,蓄热器容量6000升,辅助热源为液化石油气。中国北京大兴县建造的一座主动式太阳房是与联邦德国合作的成果,建筑面积314平方米,采用平板式集热器,并以天窗直接受益和特朗勃墙相结合,实为主动—被动混合型太阳房,辅助能源采用特制小型燃煤炉。
被动式太阳房是一种经济、有效地利用太阳能采暖的建筑,是太阳能热利用的一个重要领域,具有重要的经济效益和社会效益。它的推广有利于节约常规能源、保护自然环境、减少污染,使人与自然环境得到和谐的发展。被动式太阳房主要根据当地气候条件,把房屋建造得尽量利用太阳的直接辐射能,它不需要安装复杂的太阳能集热器。更不用循环动力设备,完全依靠建筑结构造成的吸热、隔热、保温、通风等特性,来达到冬暖夏凉的目的。因此,相对而言,被动靠天,亦即人为的主动调节性差。在冬季遇上连续坏天气时,可能要采用一些辅助能源补助。正常情况下,早、中、晚室内气温差别也很大。但是,对于要求不高的用户,特别是原无采暖条件的农村地区,由于它简易可行,造价不高,人们仍然欢迎。在一些经济发达的国家,如美国、日本和法国,建造被动式太阳房的也不少。中国从七十年代末开始这种太阳房的研究示范,已有较大规模的推广,北京、天津、河北、内蒙古、辽宁、甘肃、青海和西藏等地,均先后建起了一批被动式太阳房,各种标准设计日益完善,并开展了国际交流与合作,受到联合国太阳能专家的好评。
被动式太阳房的类型种类很多,如果从利用太阳能的方式来划分,大致有如下几种类型:(1)直接受益式,这是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式,是太阳能采暖中和普通房差别最小的一种。冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗,直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面,使其吸收大部分热量,因而温度升高,少部分阳光被反射到室内的其他面(包括窗),再次进行阳光的吸收、反射作用(或通过窗户透出室外)。被围护结构内表面吸收的太阳能,一部分以辐射和对流的方式在室内空间传递,一部分导入蓄热体内,然后逐渐释放出热量,使房间在晚上和阴天也能保持一定的温度。(2)集热墙式,这种太阳房主要是利用南向垂直集热墙,吸收穿过玻璃采光面的阳光,然后通过传导、辐射及对流,把热量送到室内。墙的外表面一般被涂成黑色或某种暗色,以便有效地吸收阳光。(3)附加阳光间式,这种太阳房是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧,中间用一堵墙(带门、窗或通风孔)把房子与阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里,附加阳光间内的温度都比室外温度高,因此,阳光间既可以供给房间以太阳热能,又可以作为一个缓冲区,减少房间的热损失,使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热,所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时,开门(或窗或墙上的通风孔)将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间,其余时间关闭。把由两个或两个以上被动式基本类型组合而成的系统称为组合式系统。不同的采暖方式结合使用,就可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。直接受益窗和集热墙两种形式结合而成的组合式太阳房,可同时具有白天自然照明和全天太阳能供热比较均匀的优点。
热泵式太阳能采暖系统则充分利用了太阳能和热泵机组供热的优点,可实现稳定的热水供应并节约能源。
(1)太阳房的设计要因地制宜,遵循适用、坚固、经济,并应注意建筑造型美观大方的原则。太阳房的平面布置应符合节能和充分利用太阳能的要求,建筑造型与周围建筑群体相协调,同时必须兼顾建筑形式、使用功能和太阳能采暖方式三者之间的相互关系。
(2)在选择太阳房的建造位置时,要避免周围地形、地物(包括附近建筑物)对建筑南向及其东、西15℃朝向范围内在冬季的遮阳。建筑间距要求在当地冬至日中午12点时,太阳房南面遮挡物的阴影不得投射到太阳房的窗户上。另外,还应避开附近污染源对集热部件透光面的污染,避免将太阳房设在附近污染源的下风向。
(3)太阳房平面布置及其集热面应朝正南。因周围地形的限制和使用习惯,允许偏离正南向±15℃以内,校舍、办公用户等以白天使用为主的建筑一般只允许南偏东15°以内。为兼顾冬季采暖和防止夏季过热,集热面的倾角以90°为佳。
(4)避免建筑物本身突出物(挑檐、突出外墙外表面的立柱等)在最冷的1月份对集热面的遮挡。对设在夏热地区的太阳房还要兼顾夏季的遮阳要求,尽量减少夏季太阳光射入房内,有关遮阳的详细计算可见参考文献。
(5)在建筑平面的内部组合上,要根据不同房间对温度的不同要求合理布局,对主要居室或办公室应尽量朝南布置,并尽量避开边跨;对没有严格温度要求的房间、过道,如贮藏室、楼梯间等可以布置在北面或边跨;对寒冷地区有上下水道的房间;如厕所、浴室等要验算水管在冬季的防冻问题。南北房间之间的隔墙,应区别情况核算保温性能。对建筑的主要入口,从科季防风考虑,一般应设置门斗。在有条件时,对主要居室应尽可能地设置通过辅助房间的次要入口,以便冬季使用。
(6)在集热方式和集热部件的选择上要考虑房间使用特点。对主要使用时间在晚上的房间,要优先选用蓄热性能较好的集热系统,以使晚间有较高的室温;对主要使用时间在白天的房间,要优先选用能使房间在白天有较高室温,上午升温较快,并使室温波动不超过什么范围的集热系统。另外,要注意设计或选用便于清扫集热面以及维护管理方便的集热部件。
(7)室温要求。对综合气象因素SDM>20地区的太阳房,标准要求在冬季采暖期间,主要居室在无辅助热源的条件下,室内平均温度达到12℃;室温日波动范围不得大于10℃。夏季室内温度不得高于当地普通房屋。
(8)保证太阳房内有必要的新鲜空气量。对室内人员密集的学校、办公室等类型的太阳房,或建设在高海拔地区的太阳房要核算必要的换气数量。
建筑节能是未来世界建筑发展的一个基本趋向,也是当代建筑科学技术的一个新的生长点,太阳能是建筑上很具有利用潜力的新能源,于是太阳房这种节能环保住宅应运而生。太阳能是一种平等给予和可自由利用的洁净能源,如何开发利用太阳能造福于人类是世界性一大课题。
日本太阳房建筑节能是未来世界建筑发展的一个基本趋向,也是当代建筑科学技术的一个新的生长点,太阳能是建筑上很具有利用潜力的新能源,于是太阳房这种节能环保住宅应运而生。太阳能是一种平等给予和可自由利用的洁净能源,如何开发利用太阳能造福于人类是世界性一大课题。至于太阳能利用中的经济性问题,还必须考虑下列两种因素:
第一,世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要,而又不危及后代人前途的社会。因此,尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源,是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化,常规能源的贮量日益下降,其价格必然上涨,而控制环境污染也必须增大投资。而太阳房的开发能够有效的缓解能源压力。
第二,中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭约占商品能源消费结构的76%,已成为中国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的,向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看,太阳能利用技术和装置的大量应用,也必然可以制约矿物能源价格的上涨。
自古以来,人类的祖先在修建房屋时,就知道利用太阳的光和热,中国传统的民房大多数都是最原始、最简单的太阳房。但这仅仅是感性的、自发的,处于比较低级的阶段。现代技术上的太阳房屋通常要在建筑物上装设一套集热、蓄热的装置,有意识地利用太阳能。随着农村经济的发展,农村能源的紧缺矛盾十分突出,因此,加快广大农村中推广既节约能源,又经济舒适的太阳房已势在必行。
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亚克力板能做露台的太阳房的屋顶亚克力板可以做露台的阳光房的屋顶。通常用的材料是断桥铝+钢化玻璃,这样,夜晚可以通过阳光房顶看月亮、看星星,更有阳光房的情调。如果希望房顶不透明、不透光,也可以选用彩钢板...
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“太阳房”一词起源于美国。人们看到用玻璃建造的房子内阳光充足,温暖如春,便形象地称为太阳房。太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面,把房屋看作一个集热器,通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起,使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能,达到房屋采暖目的。太阳房概念与建筑结合形成了“太阳能建筑”技术领域,成为太阳能界和建筑界共同关心的热点。
太阳房可以节约75%—90%的能耗,并具有良好的环境效益和经济效益,成为各国太阳能利用技术的重要方面。在太阳房技术和应用方面欧洲处于领先地位,特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。日本已利用这种技术建成了上万套太阳房,节能幼儿园、节能办公室、节能医院也在大力推广,中国也正在推广综合利用太阳能,使建筑物完全不依赖常规能源的节能环保性住宅。在不久的将来,太阳房将造福越来越多的人。
太阳房应用领域主要:一是民用太阳房;二是学校太阳房;三是办公楼。同时还用于蔬菜和花卉种植的太阳能温室在中国北方地区较多采用。全国太阳能温室面积总计约700万亩,发挥着较好的经济效益。
经过将三十年的不断发展,太阳房技术和材料设备,已经日益完善。这些新的太阳房技术和设备,可以很好地与建筑相结合,或者干脆成为建筑的一部分。太阳能干净无污染,且取之不尽、用之不竭,但也有缺点,就是不连续、不稳定,因此,太阳房还得需要配以一定的常规辅助能源,才能达到适宜居住的条件,这也就是所谓的“主动式太阳房”。太阳房在设计时,除了需要考虑太阳能的保证率而外,还需要考虑必要的换气,以及南北屋的温度调节和控制。
中国太阳房开发利用自80年代初开始,截至1997年底,全国已经建起740万平方米的太阳房,主要分布在山东、河北、辽宁、内蒙古、甘肃、青海和西藏的农村地区。其中,辽宁省的400所中小学校建造了被动式太阳房,总面积达50万平方米。中国被动式太阳房平均每平方米建筑面积每年可节约20—40公斤标准煤。
太阳能作为一种能源,与煤炭、石油、天然气、核能等矿物燃料相比,具有以下明显的优点:(1)普遍:太阳光普照大地,无论陆地或海洋,无论高山或岛屿,都处处皆有,可直接开发和利用,且勿须开采和运输。(2)无害:开发利用太阳能不会污染环境,它是最清洁的能源之一,在环境污染越来越严重的今天,这一点是极其宝贵的。(3)巨大:每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤,其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久:根据太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持上百亿年,而地球的寿命也约为几十亿年,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是用之不竭的。
但作为能源利用时,也有以下缺点:(1)分散性:到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大,但是能流密度很低。平均说来,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,正午时太阳辐射的辐照度最大,在垂直于太阳光方向1m"_blank" href="/item/地理">地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,所以,到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源,就必须很好地解决蓄能问题,即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用,但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。(3)效率低和成本高:太阳能利用的发展水平,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置,因为效率偏低,成本较高,总的来说,经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展,主要受到经济性的制约。
太阳房采暖主要利用南坡屋面的铁板吸收太阳能,加热从屋外引进的冷空气,当通过屋项最高处的玻璃板时,空气温度被大幅度抬升,将通气层内的热空气吸过来聚集到热气通道里,然后通过控制箱送到地板下面贮存起来,并从靠墙的地板风口流出来,太阳下山后,风扇会自动停止转动,控制箱内的风门会自动关闭,避免室外的冷空气流入室内,贮存在地板下的热量也慢慢释放出来,使室温下降速度减慢,使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能,从而达到取暖的效果。
从理论上讲,温度高的物体都会向温度低的物体或空间辐射热。夏天的夜晚,室外的气温一般在25-30℃,而晴朗的高空温度则只有-60─-40℃,屋顶的铁板不断向高空辐射热量,一般情况下,比外界气温低2─4℃,这时采取与冬季取暖相同的方式引进室外空气屋顶通气层内的空气被铁板降温,流入屋内。除了利用冷辐射原理降温外,这种太阳房还在地下1.5米深处铺设塑料管道,将地下的凉气以每秒一立方米的流量送入室内,从而达到取凉的目的。太阳房的屋面由吸热铁板、太阳能电池板、集热空气层、集热气通道和隔热层组成,无须任何大型机器,完全靠巧妙的建筑构造来利用太阳能。
利用这种技术建成的太阳房虽然比普通住宅多投资十分之一,但节能效率高达33%,而且利用屋顶装有的太阳能电池板完全可以满足一个普通家庭的用电,还可以将剩余电能并入电网,最大限度节约了能源。
中国太阳房的发展存在以下问题:对太阳房的设计和建造没有和建筑真正结合起来变成建筑师的设计思想和概念,没有纳入建筑规范和标准,一定程度上影响快速发展和实现商业化。太阳房的用途还仅仅局限在采暖保温方面,而利用太阳房去湿降温在国内尚属首次。这里所说的降温同传统意义上空调器的制冷降温有很大区别,它通过空气在室内的自然循环达到房屋温度湿度的均匀,相对于室外气温有所下降,从而获得一个凉爽宜人的生活空间,好比在炎热的夏天里人们在树荫下乘凉的感觉。其次是相关的透光隔热材料、带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化,使太阳房的水平受到限制。
被动式太阳房的设计与建设
1 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
普通建筑物利用太阳房原理改造初探
以一个实例探讨了一般建筑物(平房)利用太阳房原理进行改造的方法和途径。文中的数据说明这种改造方法和原则是可行的,具有推广价值。
太阳房增加投资多少,直接影响着太阳房的推广和发展前途。太阳房的经济分析可分为两方面进行,一是增加投资多少,这在很大程度上影响着太阳房能不能推广和发展。如果太阳房比普通房增加投资太多,就意味着同样的投资,建太阳房面积就得减少。在这方面,根据实际建成太阳房进行的分析,太阳房比普通房屋增加资在8%~15%之间,对一般农村来说还可以接受。若太阳房比普通房屋增加投资超过 15%,通常要有政府的补贴,居民才能接受 。
另一方面就是计算新增投资的还本年限,即太阳房一次投资比普通房屋增加了,但是它又比普通房屋节省能源和采暖费用,用节能费用抵偿增加的投资,年限越短,太阳房的经济效益越好,根据建设太阳房的实践经验,还本年限一般在 4~8 年,相比一般砖混结构房屋 50 年使用寿命还是合算的。根据区域的自然气候条件、地理状况、经济特点等因地制宜,在吸取当地传统建筑精华的基础上,进行被动式太阳房的设计与建造,最大限度地使用本地建材,造价增加成本控制在 25%以内,既能大幅度提高室内的舒适度,又能收到良好的经济效益 。
国外被动式太阳房多由建筑师自行设计和建造,已建的被动式太阳房种类繁多,尚无统一的设计标准。各种资料上对被动式太阳房的分类方法也不相同。
如果从对太阳热能利用的角度来区分,被动式太阳房大致可分为下述五种典型型式:1.利用南窗直接接受太阳辐射能的被动式太阳房(直接受益式)(右图a,b);2.利用南墙进行集热和蓄热的被动式太阳房(集热蓄热墙式(Trombe墙))(右图c,d);3.混合式被动太阳房(组合式)(右图e,f);4.利用屋顶进行集热和蓄热的被动式太阳房(屋顶集热蓄热式)(右图g);5.利用热虹吸作用(自然循环)的被动式太阳房(对流环路式(集热墙式))(右图h)。
但是应该指出,目前被动式太阳房主要用来解决冬季的采暖问题,很多国家对它进行了多方面的试验并逐步过渡到实用阶段;至于如何利用被动技术解决夏季的降温问题困难还比较多,尚处于探索阶段。只有第四种利用屋顶进行集热蓄热的型式,采取一定的措施后,才能有降温作用 。
直接受益式太阳房是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式,是被动式太阳能采暖中和普通房差别最小的一种太阳房。该类太阳房升温快、构造简单、建筑形式美观、热效率较高、造价低且管理方便。但如果设计不当,很容易引起室温日波动大,白天温度较高,晚上较低,舒适性差,辅助能耗增多;此外,白天室内的眩光问题不容易解决,仅适用于综合气象因数值SDM大于20的地区。因此,直接受益式适宜建于气候比较温和的地区,用于寒冷地区效果较差。适用于白天要求升温快的房间或只是白天使用的房间,如商店、学校、办公室、住宅的起居室等。若窗户有较好的保温措施,也可用于住宅的卧室等房间 。
以拉萨市拉萨市直接受益式太阳房设计为例,南向窗墙面积比的提高有利于获得较高的室内平均温度,但是需要注意昼夜温差的问题。拉萨市南向房间进深增大会引起南北向房间室内平均温度的降低。在保证窗墙比不变的条件下,增大建筑开间不会引起室内平均温度的变化,但是室内温度波动明显变大。外墙保温性能的改善能有效改进南北向房间的室内平均温度。外窗热工性能有效改善南北向房间的室内热环境,良好的外窗热工性能能够提高南北向房间室内平均温度,同时降低室内温度波动。围护结构良好的蓄热性能对维持室内热稳定有显著的作用。在居住建筑设计时应尽量选择厚重材质 。
实体式集热蓄热墙式与直接受益式相比具有较好的蓄热能力。水墙式集热蓄热墙运行管理相对麻烦,我国较少采用。相变材料蓄热墙式与水墙式的结构形式相似,只是蓄热物质采用的是相变材料而不是水,目前的主要问题是相变材料的相变温度和相变时间难以随房间采暖需要进行有效控制,技术未完全成熟,而且施工较复杂,造价较高,目前国内还很少应用。花格式集热蓄热墙和实体式集热蓄热墙的主要区别是前者墙体上遍布了通风孔。采用集热蓄热墙式被动式太阳房室内温度波动小,居住舒适,但热效率较低,常和其他形式配合使用,可以调整集热蓄热墙的面积,满足各种房间对蓄热的不同要求,但结构复杂,玻璃夹层中间易积灰,不好清理,影响集热效果,且成本高,立面颜色较深,外形不太美观,推广有一定的局限性 。
集热蓄热墙式被动太阳能建筑的理论研究主要包括稳态理论研究和动态理论研究。目前以稳态研究居多,主要是由于稳态理论研究在条件上可以一定程度的简化,获取更直观的数学模型,便于计算。而动态理论研究的模型计算量大,手工完成较困难,采用计算机动态模拟时,受外界环境因素影响明显,计算结果与实际存在较大误差 。
目前,集热蓄热墙式被动太阳能建筑的研究热点主要集中在百叶式集热蓄热墙、多孔式集热蓄热墙、热管式集热蓄热墙和花格式集热蓄热墙等类型 。
百叶式集热蓄热墙是在传统Trombe墙的空气夹层悬挂可翻转的百叶窗帘,如图2所示。窗帘的叶片一面涂有高吸收率涂层,一面涂有高反射率涂层。视觉效果上,百叶式集热蓄热墙使建筑外墙更加美观,同时,任意角度翻转可提高墙体的集热效果。运行原理是:夏季,关闭室内出风口,开启室内进风口和室外出风口,将涂有高反射率涂层的百叶窗帘叶片外翻,提高可见光的反射率,减少南墙得热量,防止室内温度过高,如图2a所示;冬季白天,关闭室外出风口,开启室内进风口和出风口,将涂有高吸收率涂层的叶片外翻,提高太阳辐射吸收率,通过对流和导热的方式将热量传送至室内,提高室内温度,如图2b所示;夜间,关闭室内进、出风口,闭合的百叶帘将空气夹层分为两个空气窄层,抑制对流,增加墙体热阻,降低室内向室外环境损失的热量,减少室内温度下降速率,如图2c所示。
多孔式集热蓄热墙主要有两种形式:一是在集热蓄热墙内添加多孔介质;二是在南墙外表面安装涂有选择性涂层的多孔金属板。多孔式集热蓄热墙能够最大限度地将太阳能转化为热能,加热后的空气在浮升力和风机作用下流入室内,提高室内温度,同时置换室内空气,起到通风换气的作用 。
热管式集热蓄热墙是将热管布置在被动式太阳能墙体中用于供暖,具有传热速度快、热能利用率高等特点。其工作原理为:在蒸发段,工作液吸热后由液态转为蒸汽态,在压力差作用下通过内腔进入冷凝段,将热量传递给冷源,并凝固为液态;在重力作用下工作液回流至蒸发段,进而完成热量的传递 。
屋顶集热蓄热式有两种设计方案,即使用充满水的塑料袋或相变储热材料。这种太阳房在冬季采暖负荷不高而夏季又需要降温的情况下使用比较适宜。但由于屋顶需要有较强的承载能力,隔热盖的操作也比较麻烦,目前实际中应用较少 。
集热蓄热屋顶是将平屋顶或坡屋顶的南向坡面做成集热蓄热墙形式,其主要结构由外到内依次为:玻璃盖板,空气夹层、涂有吸热材料且开有通风孔的重质屋顶。目前,南向集热蓄热墙主要依靠热压作用带动空气循环流动加热室内空气。但由于屋顶竖向高差较小,热压作用不明显,为克服上述缺点并改善对流换热性能,在出风口位置安装小型轴流风机,使夹层空气在玻璃盖板和重质屋顶之间以强迫对流的方式进行流动,提高供热效率。集热蓄热屋顶太阳房物理模型如图所示 。
与集热蓄热墙式相比,附加阳光间增加了地面作为集热蓄热体;与直接受益式相比,附加阳光间式的采暖房间温度波动和眩光程度得到有效降低。阳光间不仅起到了减少风沙侵入、集热保温的作用,而且还可以作为白天休息活动场所和温室花房,容易和整个建筑融为一体。这种太阳房适用于民用住宅,越来越受到人们的重视,成为一种适合村镇地区建设的被动式太阳房。附加阳光间式被动式太阳房一般与直接受益式配合使用,但投资较高,不易采取保温措施,可用于有条件的起居室门厅、公共建筑的大厅等房间,不宜大面积采用 。
附加阳光间式太阳房是由直接受益式和储热墙相结合的太阳房形式。建筑物由被储热墙隔开的两个受热区域组成:一是直接受益式阳光间,一是间接被加热的空间。阳光透过玻璃窗一部分直接照射在采暖房间,一部分被阳光间的地面和公共墙吸收,通过热空气循环和热传导进入采暖房间,起到太阳能供暖作用。由于阳光间的设计易和整个房屋的建筑设计融为一体,因此这种太阳房越来越受到人们的关注 。
对流环路式集热墙接受阳光后升温较快,白天向室内供热较多,较适合于白天使用的房间,如教室、办公室、医院门诊部等。对流环路卵石床蓄热式(热虹吸式)太阳房性能很好,但投资较大,目前也较少应用 。
集热墙式太阳房的采暖效果好坏由热对流现象的好坏来决定,而热对流的好坏则由集热气隙中空气上下两端的温差和空气流动的阻力来决定。所以,在设计中可以有以下几条原则:1.尽量增加集热墙高度,以增大空气的温差。2.在结构允许条件下,尽可能使上、下对流化分别设置在集热墙的最顶端和最下端。3.上、下对流口的总面积应相等。除此之外,太阳房的气隙厚薄,集热墙厚度和对流孔尺寸等主要结构参数尚须根据外界条件来具体确定 。
以上几种基本类型都有各自的独特之处。通常把由两个或两个以上被动式基本类型组合而成的系统称为组合式系统。不同的采暖方式结合使用,就可形成互为补充、更为有效的被动式太阳能采暖系统 。
目前,太阳能利用系统的研究日益深化,为今后太阳房的建造开辟了更广阔的前景。如美国麻省理工学院新型被动式太阳能建筑、热二极管集热板等 。
被动式太阳房因其自身缺陷及使用对象具有不同需求的情况,需要和其它可再生能源相结合使用,才能够在一年四季、不同环境下更好地发挥作用。因此,根据实际中与其他能源相结合的情况,可将其分为高、中、低三个层次的发展方向,以适应各种不同使用环境中的应用。其中,高档太阳房以被动式和主动式太阳能采暖降温为主,中档被动式太阳房主要有被动式太阳房与沼气资源、秸秆气化技术、秸秆型煤相结合等;低档被动式太阳房以被动式太阳能采暖为主。我国大部分地区均可发展太阳房。西部地区可多发展一些低档太阳房,在城市可适当发展一些低中档太阳房。东南部应在农村大力发展低档和低中档太阳房,在城市特别在大都市,除了发展中档太阳房外,也可适当发展少量高档太阳房,总之应根据当地经济条件和地理气候条件及房地产市场发展形势等因素综合考虑 。