太陽能利用技術(shù)

太陽能利用技術(shù)

摘要摘要：本文介紹了我國目前太陽能建筑的現(xiàn)實(shí)狀況，分析了其中的節(jié)能潛力，并介紹了太陽能建筑節(jié)能的相關(guān)內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，探索太陽能建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展道路。

摘要：太陽能建筑熱量

隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國太陽能建筑的面積日趨增大，建筑節(jié)能是近年來世界建筑發(fā)展的一個(gè)基本趨向，也是當(dāng)代建筑科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。抓住機(jī)遇，不失時(shí)機(jī)地推進(jìn)建筑節(jié)能，有利于國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)國家發(fā)展的第二步和第三步戰(zhàn)略目標(biāo)，并引導(dǎo)我國建筑業(yè)和建筑技術(shù)隨同世界大潮流迅速前進(jìn)，太陽能建筑的節(jié)能具有很好的前景，大有可為。

我國地域?qū)拸V，房屋建筑規(guī)模巨大，約有一半建筑位于北方“三北”地區(qū)，由于氣候原因，每年約有4—6個(gè)月的采暖期，該地區(qū)規(guī)定設(shè)置集中采暖系統(tǒng)，以往習(xí)慣稱之為集中采暖地區(qū)。中部地區(qū)，即長(zhǎng)江流域地區(qū)，雖然冬季平均氣溫高于0℃，但相對(duì)濕度較高，冬季濕冷，而夏季又酷熱。該地區(qū)屬于中國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，包括長(zhǎng)江上游在內(nèi)，涉及18個(gè)省、自治區(qū)、直轄市，總面積180萬k平方米，人口近4億。年工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占全國40％，人均產(chǎn)值及人均收入均高于全國平均水平。以往由于經(jīng)濟(jì)上的原因，該地區(qū)一般城鎮(zhèn)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)無保溫辦法，也不設(shè)置采暖設(shè)施，因此冬夏季室內(nèi)熱環(huán)境條件相當(dāng)差。南方屬于亞熱帶氣候，夏季氣候炎熱，降溫則是主要解決的新問題。

和發(fā)達(dá)國家相比，集中采暖地區(qū)城鎮(zhèn)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、氣密性較差，供熱系統(tǒng)效率較低，單位面積的采暖能耗要高得多。我國已成為世界上建房最多的國家，近年來每年全國建成城鎮(zhèn)住宅2億平方米以上，隨著人民生活的不斷改善，人們對(duì)于建筑熱環(huán)境的舒適性要求愈趨迫切，中部地區(qū)冬季采暖勢(shì)在必行，各地“空調(diào)熱”也日漸高漲。所以，如何盡量利用太陽能、合理建筑設(shè)計(jì)，對(duì)北方集中采暖地區(qū)可以減少采暖、空調(diào)能耗；而對(duì)于中部及南部地區(qū)，改善室內(nèi)熱環(huán)境條件，達(dá)到低水平的室內(nèi)舒適參數(shù)，已成為一個(gè)重要的課題。

我國從80年代起，對(duì)城鎮(zhèn)多層住宅應(yīng)用被動(dòng)太陽能進(jìn)行采暖及降溫技術(shù)已有探究，先后在石家莊、灘紡及杭州等處建成了試點(diǎn)建筑，較好的改善了室內(nèi)熱環(huán)境條件。當(dāng)時(shí)的技術(shù)路線是由熱工外算開始，進(jìn)而建造示范建筑以驗(yàn)證效果。國外從70年代初期起，投入了相當(dāng)?shù)牧α窟M(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)工作，應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，進(jìn)行建筑熱工參數(shù)計(jì)算分析，進(jìn)而可以猜測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，獲得應(yīng)用被動(dòng)太陽能的最佳建筑設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也建設(shè)示范建筑以驗(yàn)證軟件的可信性。這類從合理建筑及熱工設(shè)計(jì)著手，在增加有限的建設(shè)投資下，盡量利用被動(dòng)太陽能來達(dá)到低水平的室內(nèi)冬夏熱環(huán)境條件的住宅，這里稱為“節(jié)能住宅”。

一、各種參數(shù)對(duì)空溫的影響

為了進(jìn)行參數(shù)探究，首先確定了一個(gè)基礎(chǔ)方案，即對(duì)條狀住宅建筑模型，取其南向主立面外窗的窗墻比為％，單層窗，外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為／，換氣次數(shù)為次h，不考慮內(nèi)部蓄熱量。在進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，固定其他參數(shù)，僅變化一個(gè)參數(shù)來分析對(duì)室溫的影響。

內(nèi)部蓄熱量

蓄熱量會(huì)影響室溫，非凡是對(duì)最高室溫有影響。冬季，內(nèi)部蓄熱量會(huì)使月最高溫度降低，而使月最低溫度升高，至于月平均溫度，則略有升高。顯然，內(nèi)部蓄熱量可以改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件。對(duì)夏季來說，蓄熱量同樣也降低了月最高溫度及升高了月最低溫度，而月平均溫度則無多大影響。當(dāng)建筑模型中一個(gè)住戶內(nèi)蓄熱量相當(dāng)于100平方米、200mm厚混凝土墻時(shí)，可使八月份住宅最高溫度下降3c左右，可使一月份住宅最低溫度升高℃，這將對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有較大的改善。

換氣次數(shù)

可以預(yù)見，增加換氣次數(shù)會(huì)使冬季室內(nèi)熱環(huán)境變差，但能改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。對(duì)夏季來說，換氣次數(shù)由次h增加到10次h，可使八月份月最高溫度降低℃、月平均溫度下降℃，月最低溫度下降顯然，冬季換氣次數(shù)越低越好，假如園護(hù)結(jié)構(gòu)、門窗密閉性好，換氣次數(shù)可以降低到次／h，此時(shí)和次h相比，室溫可提高2—3C.

增強(qiáng)夜間通風(fēng)

降低夏季室溫的一個(gè)辦法是增強(qiáng)夜間通風(fēng)，計(jì)算了三種方案，一是全天以次／h換氣，第二種方案全天以10次／hh換氣，第三種方案則采取白天次h換氣，夜間加強(qiáng)通風(fēng)至10次h.計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于內(nèi)部蓄熱量較大時(shí)，第三方案和第一方案相比，月最高溫度下降，月平均溫度下降℃，而月最低溫度下降達(dá)℃。可見增強(qiáng)夜間通風(fēng)對(duì)改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境是十分奏效的。

南窗面積

窗戶開啟面積既和熱損失量有關(guān)，也和通過窗戶玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽得熱量有關(guān)。太陽輻射得熱量和窗戶朝向有密切的關(guān)系，相比之下熱損失和朝向的關(guān)系就不那么密切了。這里分析南向窗戶面積對(duì)室溫的影響。計(jì)算三種不同的窗墻比，它們分別是％、％及％。冬季工況計(jì)算表明，窗墻比由％增大至％后，一月份最高溫度升高℃，平均溫度升高℃，而最低溫度提高℃的夏季來說，月最高溫度、月平均溫度及月最低溫度分別要提高℃、℃及℃。

由此可見，南向窗墻比大且具有較大內(nèi)部蓄熱量時(shí)，可以改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件；至于夏季，南向窗戶面積增大會(huì)提高一點(diǎn)室溫，使室內(nèi)熱環(huán)境條件略為變差—點(diǎn)。

主立面朝向

主立面朝向不僅對(duì)冬季有影響，而且對(duì)夏季也有影響。主立面朝東及朝西時(shí)室溫相同，和主立面朝南及朝北相比，室內(nèi)熱環(huán)境條件都要來得差。對(duì)于冬季來說，主立面朝南為最佳。

水平遮陽板伸出長(zhǎng)度

夏季除了采用加大通風(fēng)量來降低室溫外，另一條途徑是在窗戶上方設(shè)置遮陽板，以減少太陽入射量。計(jì)算了不同伸出長(zhǎng)度一月及八月份室溫情況。由計(jì)算可以得出，水平遮陽板對(duì)夏季有明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境的功能，但遺憾的是，同時(shí)也使冬季室內(nèi)熱環(huán)境變差。夏季時(shí)，水平遮陽板的伸出長(zhǎng)度由0，，及變化時(shí)月平均溫度可分別降低，及℃，但冬季卻也相應(yīng)降低了月平均溫度，及℃。

窗戶的層數(shù)

增加窗戶層數(shù)將減少熱損失，但也在一定程度上減少了太陽得熱量。采用單層宙及雙層宙作計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)雙層窗對(duì)冬季室溫略有改善，但同樣使夏季室溫略有變差。

外墻、屋面外表面顏色

外墻、屋面外表面涂成白色會(huì)有助于降低夏季室溫。進(jìn)行二種方案比較計(jì)算，一種采用吸收率為的深色外表面，另一種吸收率為淺色外表面。計(jì)算結(jié)果表明，淺色表面可使夏季室內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善，但同時(shí)也使冬季情況變差。在二方案中外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均采取平方米，八月份平均室溫可降低2℃，但一月份平均室溫也降低了℃。外墻和屋面保溫越好，這種影響將越小。

外墻和屋面熱工設(shè)計(jì)

采用三種方案進(jìn)行比較計(jì)算，

第一方案為外墻和屋面的傳熱系數(shù)及均為／，

第二方案外墻K＝／，屋面K＝／，

第三方案外墻和屋面K值均為／。

由計(jì)算可以看出，屋面保溫對(duì)降低夏季頂層室溫的影響尤其大，第二方案和第一方案相比，八月份月最高溫度下降7℃，平均溫度下降℃，但月最低溫度上升了6℃。從冬季情況看，保溫改善有利于室溫提高，第三方案和第一方案相比，一月份平均室溫升高℃，5最低溫度升高了℃，但月最高溫度有所下降。頂層天花板表面溫度受屋面保溫影響甚大，對(duì)于屋面有很好保溫的場(chǎng)合K＝／，在年最熱日下午14時(shí)，天花板內(nèi)表面溫度僅只比室溫高℃，但K＝／的屋面來說，要高出℃。假如采用外墻及＝／，屋面X＝／，并具有較大的內(nèi)部莆熱量，應(yīng)用雙層窗，加強(qiáng)夜間通風(fēng)，此時(shí)最熱日下午14時(shí)室溫為℃，天花板內(nèi)表面溫度只有℃，室內(nèi)熱環(huán)境可以得到明顯的改善。

二、節(jié)能住宅設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上參數(shù)探究，提出如下設(shè)計(jì)原則摘要：

1.冬季換氣次數(shù)應(yīng)該盡可能低，而夏季則盡可能高。

2.假如具有較大的內(nèi)部蓄熱量，對(duì)夏季來說，較好的方案是白天維持較低的換氣次數(shù)，面夜間宜加強(qiáng)通風(fēng)增加換氣次數(shù)。

3.內(nèi)部蓄熱量對(duì)冬、夏季來說均能減少室溫的波動(dòng)幅度，即降低最高溫度，升高最低溫度，但對(duì)平均溫度影響甚小，總的來說，內(nèi)部首熱量能改善室內(nèi)熱環(huán)境。

4.采用水平遮陽板來降低夏季室溫并不是好的辦法，因?yàn)樗瑫r(shí)較冬季室內(nèi)效環(huán)境變差，除非遮陽板在冬季時(shí)可以移開。

5.盡管外墻、屋面外表面涂以淺色可以降低夏季室溫，但同時(shí)也降低了冬季室溫，因面不推薦這種做法。

6.采取南立面大比例的窗墻比，并設(shè)計(jì)成具有較大內(nèi)部蓄熱量境，對(duì)夏季稍為不利。

7.主立面窗戶朝南為最佳，朝東及朝西效果最差。

8.窗戶、外墻及屋面保溫能改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境，非凡是屋面保溫可以明顯地改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。

三、幾個(gè)推薦的節(jié)能住宅方案

被動(dòng)太陽能節(jié)能住宅方案

參數(shù)探究?jī)?yōu)化計(jì)算了北京地區(qū)應(yīng)用被動(dòng)太陽能采暖的可能性，即探究了是否可能在不設(shè)置采暖設(shè)備時(shí)月平均室溫達(dá)到16℃。計(jì)算結(jié)果表明是可能的，其建筑設(shè)計(jì)參數(shù)如下摘要：

1.南立面宙墻比％。

2.具有較大內(nèi)部蓄熱量，相當(dāng)于戶具有200mm厚混凝土墻體的苦熱量

3.雙層窗。

4.外墻和屋面的傳熱系數(shù)K＝／。

5.冬季換氣次數(shù)次/h，夏季早6一晚21時(shí)換氣次數(shù)次/h，晚21次/h.

四、節(jié)能住宅方案設(shè)計(jì)原則

由參數(shù)探究的結(jié)果提出如下設(shè)計(jì)原則摘要：

1.冬季換氣次數(shù)宜低，夏季換氣次數(shù)宜高。

2.從防止出現(xiàn)結(jié)露危險(xiǎn)性觀點(diǎn)來看，冬季換氣次數(shù)至少保持次h.

3.增加內(nèi)部蓄熱量可使室內(nèi)溫度被動(dòng)減弱，使夏季及冬季的最高溫度下降，使最低溫度升高，不過，內(nèi)部蓄熱量對(duì)平均溫度的影響甚微?？傊瑑?nèi)部蓄熱量可以使室內(nèi)熱環(huán)境條件得到改善。

4.和較小的南向窗戶相比，加大南向窗戶面積，并配以相對(duì)較高的內(nèi)部蓄熱量，可以較好的改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件。這種做法只是稍微使夏季室內(nèi)熱環(huán)境條件變差。

5.選擇建筑南向主立面為最佳，而主立面東向或西向?yàn)樽畈睢?/p>

6.南向窗戶上部的水平遮陽板對(duì)改善夏季室內(nèi)環(huán)境的功能不明顯，除非在冬季時(shí)可以移開。

7.為了避免冬季臥室及起居室出現(xiàn)結(jié)露，在布置廚房、浴室、廁所位置時(shí)要注重和主要使用房間的隔斷，并合理利用穿堂