淺談太陽(yáng)能的利用技術(shù)

淺談太陽(yáng)能的利用技術(shù)摘要：本文介紹了我國(guó)目前太陽(yáng)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(yáng)能建筑節(jié)能的相關(guān)內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，探討太陽(yáng)能建筑節(jié)能的可持續(xù)開(kāi)展道路。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能建筑熱量

隨著改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)開(kāi)展，我國(guó)太陽(yáng)能建筑的面積日趨增大，建筑節(jié)能是近年來(lái)世界建筑開(kāi)展的一個(gè)根本趨向，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，不失機(jī)會(huì)地推進(jìn)建筑節(jié)能，有利于國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康開(kāi)展，愛(ài)護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)國(guó)家開(kāi)展的第二步和第三步戰(zhàn)略目標(biāo)，并引導(dǎo)我國(guó)建筑業(yè)與建筑技術(shù)隨同世界大潮流迅速前進(jìn)，太陽(yáng)能建筑的節(jié)能具有很好的前景，大有可為。

我國(guó)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(chēng)之為集中采暖地區(qū)。中部地區(qū)〔冬冷夏熱地區(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(guó)經(jīng)濟(jì)興旺地區(qū)，包括長(zhǎng)江上游在內(nèi)，波及18個(gè)省、自治區(qū)、直轄市，總面積180萬(wàn)k平方米，人口近4億。年工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占全國(guó)40％，人均產(chǎn)值及人均收入均高于全國(guó)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(wú)保溫措施，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，降溫那么是主要解決的問(wèn)題。

與興旺國(guó)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(guó)已成為世界上建房最多的國(guó)家，近年來(lái)每年全國(guó)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(yáng)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，到達(dá)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(guó)從80年代起，對(duì)城鎮(zhèn)多層住宅應(yīng)用被動(dòng)太陽(yáng)能進(jìn)行采暖及降溫技術(shù)已有研究，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(kāi)始，進(jìn)而建造示范建筑以驗(yàn)證效果。國(guó)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(kāi)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)而可以預(yù)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，獲得應(yīng)用被動(dòng)太陽(yáng)能的最正確建筑設(shè)計(jì)計(jì)劃，同時(shí)也建設(shè)示范建筑以驗(yàn)證軟件的可信性。這類(lèi)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(yáng)能來(lái)到達(dá)低水平的室內(nèi)冬夏熱環(huán)境條件的住宅，這里稱(chēng)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)研究，首先確定了一個(gè)根底計(jì)劃，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30.3％，單層窗，外墻與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為0.83w／〔℃《《*平方米〕，換氣次數(shù)為1.1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(lái)分析對(duì)室溫的影響。

內(nèi)部蓄熱量

蓄熱量會(huì)影響室溫，特別是對(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，那么略有升高。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(lái)說(shuō)，蓄熱量同樣也降低了月最高溫度及升高了月最低溫度，而月平均溫度那么無(wú)多大影響。當(dāng)建筑模型中一個(gè)住戶(hù)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2.8℃，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(jiàn)，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(lái)說(shuō)，換氣次數(shù)由1.1次h增加到10次h，可使八月份月最高溫度降低4.4℃、月平均溫度下降4.8℃，月最低溫度下降7.8C.顯然，冬季換氣次數(shù)越低越好，如果園護(hù)結(jié)構(gòu)、門(mén)窗密閉性好，換氣次數(shù)可以降低到1.5次／h，此時(shí)與1.1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)措施是增強(qiáng)夜間通風(fēng)，計(jì)算了三種計(jì)劃，一是全天以1.1次／h換氣，第二種計(jì)劃全天以10次／hh換氣，第三種計(jì)劃那么采取白天〔早6一晚2l時(shí)〕1.1次h換氣，夜間〔晚21一晨6時(shí)〕加強(qiáng)通風(fēng)至10次h.計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于內(nèi)部蓄熱量較大時(shí)，第三計(jì)劃與第一計(jì)劃相比，月最高溫度下降3.7C，月平均溫度下降5.2℃，而月最低溫度下降達(dá)7.7℃。可見(jiàn)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(hù)開(kāi)啟面積既與熱損失量有關(guān)，也與通過(guò)窗戶(hù)玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)得熱量有關(guān)。太陽(yáng)輻射得熱量與窗戶(hù)朝向有密切的關(guān)系，相比之下熱損失與朝向的關(guān)系就不則密切了。這里分析南向窗戶(hù)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9.3％、30.3％及60.5％。冬季工況計(jì)算說(shuō)明，窗墻比由19.3％增大至60.5％后，一月份最高溫度升高3.6℃，平均溫度升高2.7℃，而最低溫度提高2.5℃的夏季來(lái)說(shuō)，月最高溫度、月平均溫度及月最低溫度分別要提高1.6℃、0.9℃及0.4℃。

由此可見(jiàn)，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(hù)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，與主立面朝南及朝北相比，室內(nèi)熱環(huán)境條件都要來(lái)得差。對(duì)于冬季來(lái)說(shuō)，主立面朝南為最正確。

水平遮陽(yáng)板伸出長(zhǎng)度

夏季除了采用加大通風(fēng)量來(lái)降低室溫外，另一條途徑是在窗戶(hù)上方設(shè)置遮陽(yáng)板，以減少太陽(yáng)入射量。計(jì)算了不同伸出長(zhǎng)度〔水平方向〕一月及八月份室溫情況。由計(jì)算可以得出，水平遮陽(yáng)板對(duì)夏季有明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用，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(yáng)板的伸出長(zhǎng)度由0，0.4，0.9及1.5m變化時(shí)月平均溫度可分別降低1.0，2.0及2.2℃，但冬季卻也相應(yīng)降低了月平均溫度0.2，0.7及2.2℃。

窗戶(hù)的層數(shù)

增加窗戶(hù)層數(shù)將減少熱損失，但也在一定程度上減少了太陽(yáng)得熱量。采用單層宙及雙層宙作計(jì)算比擬，發(fā)現(xiàn)雙層窗對(duì)冬季室溫略有改善〔一月份平均室溫增加0.9℃〕，但同樣使夏季室溫略有變差〔八月份平均室溫升高0.7℃〕。

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外墻、屋面表面面顏色

外墻、屋面表面面涂成白色會(huì)有助于降低夏季室溫。進(jìn)行二種計(jì)劃比擬計(jì)算，一種采用吸收率為o.8的深色表面面，另一種吸收率為淺色表面面。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，淺色外表可使夏季室內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善，但同時(shí)也使冬季情況變差。在二計(jì)劃中外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均采取0.83w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1.3℃。外墻與屋面保溫越好，這種影響將越小。

外墻與屋面熱工設(shè)計(jì)

采用三種計(jì)劃進(jìn)行比擬計(jì)算，

第一計(jì)劃為外墻與屋面的傳熱系數(shù)及均為0.83w／〔℃。m〕，

第二計(jì)劃外墻K＝0.83w／〔℃。m〕，屋面K＝0.28w／〔℃。m〕，

第三計(jì)劃外墻與屋面K值均為0.28w／〔℃。平方米〕。

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，第二計(jì)劃與第一計(jì)劃相比，八月份月最高溫度下降7℃，平均溫度下降0.4℃，但月最低溫度回升了6℃。從冬季情況看，保溫改善有利于室溫提高，第三計(jì)劃與第一計(jì)劃相比，一月份平均室溫升高1.1℃，5最低溫度升高了2.4℃，但月最高溫度有所下降〔5℃〕。頂層天花板外表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＝0.28w／〔℃。m3〕，在年最熱日下午14時(shí)，天花板內(nèi)外表溫度僅只比室溫高0.5℃，但K＝0.83w／〔℃。m〕的屋面來(lái)說(shuō)，要高出3.8℃。如果采用外墻及＝0.74w／〔℃。m〕，屋面X＝0.63w／〔℃。m〕，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)〔晚21時(shí)至凌晨6時(shí)，換氣次數(shù)為10次／h〕，此時(shí)最熱日下午14時(shí)室溫為37.2℃，天花板內(nèi)外表溫度只有33.6℃，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)原那么

根據(jù)以上參數(shù)研究，提出如下設(shè)計(jì)原那么：

1.

冬季換氣次數(shù)應(yīng)該盡可能低，而夏季那么盡可能高。

2.

如果具有較大的內(nèi)部蓄熱量，對(duì)夏季來(lái)說(shuō)，較好的計(jì)劃是白天〔早6時(shí)至晚2l時(shí)〕維持較低的換氣次數(shù)，面夜間〔晚2l時(shí)至晨6時(shí)〕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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，內(nèi)部首熱量能改善室內(nèi)熱環(huán)境。

4.

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

5.

盡管外墻、屋面表面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(hù)朝南為最正確，朝東及朝西效果最差。

8.

窗戶(hù)、外墻及屋面保溫能改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境，特別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)能住宅計(jì)劃

被動(dòng)太陽(yáng)能〔房〕節(jié)能住宅計(jì)劃

參數(shù)研究?jī)?yōu)化計(jì)算了北京地區(qū)應(yīng)用被動(dòng)太陽(yáng)能采暖的可能性，即研究了是否可能在不設(shè)置采暖設(shè)備時(shí)月平均室溫到達(dá)16℃。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明是可能的，其建筑設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1.

南立面宙墻比60.5％。

2.

具有較大內(nèi)部蓄熱量，相當(dāng)于戶(hù)〔建筑面積73.1平方米〕具有200mm厚混凝土墻體的苦熱量

3.

雙層窗。

4.

外墻與屋面的傳熱系數(shù)K＝0.28w／〔℃。平方米〕。

5.

冬季換氣次數(shù)0.5次/h，夏季早6一晚21時(shí)換氣次數(shù)1.1次/h，晚21次/h.

四、節(jié)能住宅計(jì)劃設(shè)計(jì)原那么

由參數(shù)研究的結(jié)果提出如下設(shè)計(jì)原那么：

1.

冬季換氣次數(shù)宜低〔v＝0.8次／h〕，夏季換氣次數(shù)宜高〔v＝20次h〕〔借助于翻開(kāi)宙戶(hù)利用自然穿堂風(fēng)〕。

2.

從避免出現(xiàn)結(jié)露危險(xiǎn)性觀點(diǎn)來(lái)看，冬季換氣次數(shù)至少保持0.8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(guò)，內(nèi)部蓄熱量對(duì)平均溫度的影響甚微?？傊?，內(nèi)部蓄熱量可以使室內(nèi)熱環(huán)境條件得到改善。

4.

與較小的南向窗戶(hù)相比，加大南向窗戶(hù)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正確，而主立面東向或西向?yàn)樽畈睢?/p>

6.

南向窗戶(hù)上部的水平遮陽(yáng)板對(duì)改善夏季室內(nèi)環(huán)境的作用不明顯，除非在冬季時(shí)可以移開(kāi)。

7.

為了防止冬季臥室及起居室出現(xiàn)結(jié)露，在安頓廚房、浴室、廁所位置