太阳能建筑展望

2011年9月23日910

一、我国太阳能建筑开发利用现状

  我国的第一幢被动式太阳房于1977年在甘肃省民勤县建成,是一栋南窗直接受益结合实体即热蓄热墙的组合式太阳房.后来推广到山东,河北,辽宁,内蒙古,甘肃,青海和西藏的农村地区.这些太阳房的建筑类型大部分为农村住宅,另一部分是民用建筑.

  在基础理论方面,通过对太阳房传热机理的分析,建立了太阳房热过程的动态物理,数学模型,根据模型编制了模拟计算机软件.利用计算机软件及模拟试验验证,对影响太阳房热过工性能的相关参数进行了灵敏度分析和优化计算,并在对已建成的试验和示范太阳房所做的大量试验,测试及工程实践的基础上李元哲等提出了优化设计方法,编写了适合我国国情的《被动式太阳房热工设计手册》.

  在材料,构件的开发方面,我国的科技工作者除创造了花格蓄热墙,快速集热墙等新型的采暖方式外,对墙体、屋顶、地面的保温措施也因地制宜地创造了多种多样具有中国特色的形式.

  在工程技术方面,形成了一套有中国特色的被动太阳房设计技术,各省、各地区也有针对自己地域特点和居住习惯的设计技术措施.为指导设计,还相继出版了多册被动太阳房实例汇编和设计图集,如《被动式太阳能采暖乡镇住宅通用设计试用图集》、《内蒙古被动式采暖太阳房通用设计图集》、《内蒙古采暖太阳房建筑构造图集》等.

  当前,我国被动式太阳房已进入规模普及阶段.主要表现在以提高室内舒适度为目标,由群体太阳能建筑向太阳能住宅小区、太阳村、太阳城发展.特别是常规能源相对缺乏,经济相对落后,环境污染比较严重的西部地区,发展更为迅速.

太阳房

(图)太阳房(图)太阳房

二、国外太阳能建筑概况

  近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门-德-考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起.早在20世纪30年代,美国就开始太阳房的试验研究,先后建成一批实验太阳房.50年代,太阳能利用领域出现了两项重大技术突破:一是1954年美国贝尔实验室研制出6%实用型单晶硅电池;二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论,并研制成功选择性太阳能吸收涂层.这两项技术的突破,为太阳能利用进入现代发明时期奠定了技术基础.70年代,一些工业发达国家都将太阳能房列入发展研究计划,到80年代世界上建成的太阳房超过万座.90年代后期,世界上又掀起一股“太阳屋顶”热,一些国家相继提出“1万屋顶”、“十万屋顶”、和“百万屋顶”计划.近几年来在发达国家已有相当发展水平的“零能房屋”即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所必须的全部能源消耗,真正做到清洁、无污染.它代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势,将太阳能建筑的发展推向一个新阶段.

1 美国

  在发达国家,建筑用能已占全国总能耗的30%~40%,对经济发展形成了一定的制约作用.美国是世界上能量消耗最大的国家,国会先后通过了《太阳能供暖降温房屋的建筑条例》和《节约能源房屋建筑法规》等鼓励能源利用的法律文件;在经济上也采取有效措施,不仅在太阳能利用研究方面投入大量经费,而且由国会通过一项对太阳能系统买主减税的优惠办法.因此,美国太阳能建筑的发展极为迅速,无论是对太阳能建筑的研究、设计优化,还是材料、房屋部件结构的产品开发应用,以及真正形成商业运作的房地产开发,美国均处于世界领先地位,并在国内形成了完整的天阳能建筑产业化体系.在被动式太阳房研究领域,美国于20世纪80年代初就由新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯科学实验室编写了《被动式太阳房设计手册》.此外,还出版了许多实用的被动太阳房建筑图集,既介绍成功的设计实例,也有对太阳房原理、构造的详细说明.这些工具书的发行和一些样板示范房屋的建设,对美国公众接受太阳房起到了很好的促进作用.

 

德克萨斯州被动式太阳房

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2 日本

 日本在主动式太阳房的研究应用领域也处于世界前列.1974年,日本通产省制定了“阳光计划”,并按此计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑,如失崎实验太阳房等.而且多年来日本的太阳能采暖,空调建筑一直稳步发展,并已应用于大型建筑物上.

(图)太阳房

3 其他发达国家

  法国,德国,澳大利亚,英国等发达国家也拥有相当先进的太阳能建筑应用技术.著名的即热蓄热墙采暖方式即是法国人菲利克斯-特朗勃的专利,法国的奥代洛太阳房是该采暖理论转化为实际应用的第一个样板房.英国利物浦附近的沃拉西的圣乔治郡中学,则是直接受益式太阳房的最大和最早的样板房之一,尽管英国的太阳能资源并不丰富,该所中学安装的常规采暖系统却从未使用过.

德国被动式太阳房

 

三、太阳能建筑的工作原理和特点

1 太阳能建筑的基本形式

  一是被动式.这是一种构造简单,造价低,不需要任何辅助能源的建筑,通过建筑方位合理布置和建筑构件的恰当处理,以自然热交换方式来获得太阳能.20世纪70年代以来,在相当长时间内它成为太阳能建筑发展的主流.

  二是主动式.这是一种构造较复杂,造价较高,需要用电作为辅助能源的建筑.采暖降温系统由太阳集热器、风机、泵、散热器及储存器等组成.

  三是"零能建筑”.这种建筑由"太阳屋顶”提供全部建筑所需要的能量,一般在屋顶安装2~4kw太阳电池,且与电网并网.当晴好天气阳光充足时,太阳电池可满足一个家庭全部能量需要,富裕的电能可以输送给电网;当天气不好阳光不足时,则由电网供电.有的建筑还装有太阳集热器,为建筑供热.由于目前太阳电池价格较高,普遍推广"零能建筑”还有困难.

2 被动式太阳房

  被动式太阳房最基本的工作机理是所谓“温室效应”.被动式太阳房的外围护结构应具有较大的热阻,室内要有足够的重质材料,如砖石,混凝土,以保持房屋有良好的蓄热性能.按采集太阳能的方式区分,被动太阳房可以分为以下几类.

  直接受益式,冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗,直接照射至室内的地面墙壁和家具上,使其吸收大部分热量,因温度升高。所吸收的太阳能,一部分以辐射、对流方式在室内空间传递,另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温度.采用这种方式的太阳房,由于南窗面积较大,应配置保温窗帘,并要求窗扇的密封性能良好,以减少通过窗的热损失.窗应设置遮阳板,以遮挡夏季阳光进入室内.

  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,通过传,辐射及对流,吧热量送至室内.墙的外表面涂成黑色或某种深色,以便有效地吸收阳光.集热蓄热墙的形式有实体式集热蓄热墙,花格式集热蓄热墙、水墙式集热蓄热墙相变材料集热蓄热墙、快速集热墙等.

  附加阳光间式.阳光间附建在房屋南侧,其围护结构全部或部分由玻璃等透光材料构成.与房屋之间的公共墙上开有门,窗等孔洞.阳光间得到阳光照射被加热,其内部温度始终高于外环境温度.所以既可以在白天供给房间以太阳热能,又可以在夜间作为缓冲区,以减少房间热损失.

  屋顶池式.屋顶池式太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能,适合冬季不寒冷而夏季较热的地区.用装满水的密封塑料袋作为储热体,置于屋顶顶棚之上,其上设置可水平推拉开闭的保温盖板.冬季白天晴天时,将保温板敞开,让水袋充分吸收太阳辐射热,水袋所储热量,通过辐射和对流传至下面房间.夜间则关闭保温板,阻止向外的热损失.夏季保温盖板启闭情况则与冬季相反,白天关闭保温盖板,隔绝阳光及室外热空气,同时用较凉的水袋吸收下面房间的热量,使室温下降;夜晚则打开保温盖板,让水袋冷却.保温盖板还可根据房间温度,水袋内水温和太阳辐照度,进行自动调节启闭.

屋顶池式太阳房示意图

 

被动式太阳房

3 主动式太阳房

  主动式太阳房与被动式太阳房一样,它的围护结构应具有良好的保温隔热性能.对于太阳能供暖系统来说,首先应考虑采用热媒温度尽可能低的采暖方式,所以地板辐射采暖最适宜于太阳能供暖.太阳能供热系统可以用空气,也可以用水作为热媒,两种各有利弊.热风式集热器较便宜,热交换次数少,但集热用循环动力大,是热水式的10倍,风道和蓄热装置占据的空间也大;太阳热水集热器技术较复杂、价格较高,但综合考虑优点较多,特别是近年来真空管集热器的性能、质量有很大提高,价格不断下降,所以今后太阳能供热系统将以热水集热式为主.

主动式太阳房示意图

真空管集热器

 

  热风式集热供热系统.在屋面上朝南布置太阳空气集热器,被加热的空气通过碎石储热层后由风机送入房间,辅助热源为煤气热风炉,并设置控制调节装置,根据送风温度确定辅助热源的投入比例.

  热水集热式地板辐射采暖兼生活热水供应系统.在屋顶设置太阳能集热器,系统有集热循环水泵、辅助蓄热水箱、供热水箱、采暖循环水泵、辅助热源燃气锅炉、辅助热源热水循环泵、辅助加热换热器、地板辐射采暖盘管.地板辐射采暖盘管的做法是,在地面上先铺设保温层,在铺设聚乙烯塑料盘管,然后做地面面层.热媒水通过盘管向房间散出热量后温度降低,再返回蓄热水箱,由集热泵送到太阳集热器重新加热;夜间或阴天太阳热能不足时,则由辅助热源加热系统保证供暖.

  太阳能空调系统.兼有供暖、供冷功能,也可以只有供冷功能.夏季供冷的太阳能空调系统,制冷机为小型溴化钾吸收式制冷机,空调机为风机盘管.需增加供暖功能,可以有两种方法:一种仍使用风机盘管作末端设备,由蓄热水箱提供热媒水给风机盘管,但水温要求较高,一般要60摄氏度;另一种是风机盘管只在夏季工作.冬季则增设地板辐射采暖系统,对水温的要求可降低,30~40摄氏度即可.两种方法各有利弊,前者初投资少,但太阳能供暖率较低,运行费用高;后者初投资高,但太阳能供暖率高,运行费低.

  除了上面介绍的三类系统外,还有太阳能热泵供冷、暖系统以及把土壤作为热源或排热源的地下蓄热式供冷暖系统,即在夏季把能利用于供暖系统的高温热蓄积起来,供冬季使用;在冬季则把能利用于供冷的低温热蓄积起来,供夏季使用.

 

设计模型

太阳房(图)设计模型

4 零能房屋

  零能房屋的含义是指建筑物所需的全部能源供应均来自太阳能,常规能源消耗为零.这种房屋向阳的墙面,屋面可设置太阳能电池板,产生的电能除满足用户的照明,电器等需要外,还可为建筑供暖,空调供电,保证房屋的热舒适度.

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