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  • 太阳房

    太阳房,是利用太阳能采暖和降温的房子。是一种既可取暖发电,又可去湿降温、通风换气的节能环保住宅。最简便的一种太阳房叫被动式太阳房,建造容易,不需要安装特殊的动力设备。比较复杂一点,使用方便舒适的另一种太阳房叫主动式太阳房。更为讲究高级的一种太阳房,则为空调致冷式太阳房。

    编辑摘要
    科学 +
    太阳房

    英国威尔士大学宣称已经建造了第一个智能低碳太阳房。太阳房是由斯旺西大学与卡迪夫大学合作的具体项目。[详细]

    中文名: 太阳房
    含义: 利用太阳能采暖和降温的房子 性质: 节能环保住宅
    类型: 被动式太阳房

    目录

    基本概述/太阳房 编辑

    “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。

    产生背景/太阳房 编辑

    太阳房日本太阳房
    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。

    原理分析/太阳房 编辑

    太阳房结构示意图
    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,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。

    基本分类/太阳房 编辑

    太阳房太阳房
    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

    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米2,集热器为铝制管板型,采暖或降温用的集热器面积98米2,热水用的集热器33米2,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米3,低温为4米3。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米2,采用不锈钢管板式集热器,集热面积104米2,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米2,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

    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。

    太阳房设计模型
    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。

    能源特点/太阳房 编辑

    太阳房太阳能

    优点

    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:根据目前太阳产生的核能速率估算,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。

    缺点

    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2面积上接收到的太阳能平均有1000W左右;若按全年日夜平均,则只有200W左右。而在冬季大致只有一半,阴天一般只有1/5左右,这样的能流密度是很低的。因此,在利用太阳能时,想要得到一定的转换功率,往往需要面积相当大的一套收集和转换设备,造价较高。(2)不稳定性:由于受到昼夜、季节、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。

    设计要领/太阳房 编辑

    太阳房太阳房
    (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。

    应用领域/太阳房 编辑

    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。

    发展现状/太阳房 编辑

    太阳房太阳房
    经过将近三十年的不断发展,太阳房技术和材料设备,已经日益完善。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。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74O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5O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2O—4O公斤标准煤。[1]

    存在问题/太阳房 编辑

    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。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2016-08-03

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