該章節(jié)主要介紹了被動式太陽能系統(tǒng)基本類型以及設(shè)計過程中對選址、方位、建筑平面布置、維護結(jié)構(gòu)等要求。同時，詳細介紹了太陽能采暖系統(tǒng)分類及運行原理，太陽能集熱裝置與住宅屋頂、墻面的一體化設(shè)計。

  1、被動式太陽能裝置與建筑一體化設(shè)計

  (1)被動式太陽熱能應(yīng)用系統(tǒng)概述

  被動式太陽能建筑系統(tǒng)設(shè)計主要是依靠建筑物本身(房間的位置、建筑空間的合理布局、利用建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料的吸熱性能等)來完成太陽能的集熱、儲熱和散熱功能。其設(shè)計基本思想就是將各方面的積極因素調(diào)動起來，使日光、空氣、熱量僅在有益時進入建筑。其口的是通過控制陽光和空氣在恰當?shù)臅r間進入建筑并合理儲存和分配熱空氣和冷空氣，從而使能源得到有效的利用，并且增加人們的舒適度。

 

  其設(shè)計策略可以簡單的概括為：被動式采暖和被動式降溫。利用太陽能采暖是日前太陽能應(yīng)用中最普遍的方式之一，也是技術(shù)最成熟的方式之一。因為建筑采暖所需的溫度不高，與太陽能所能提供的溫度相匹配，因此不需特別復(fù)雜的技術(shù)。

  1) 被動式太陽能采暖系統(tǒng)

  被動式太陽房集蓄熱構(gòu)件與建筑構(gòu)件為一體，一次性投資少、運行費用低，但這種集熱方式受晝夜溫度波動較大。太陽能集、蓄熱構(gòu)件設(shè)計是被動式太陽能設(shè)計的核心，它包括直接得熱系統(tǒng)和間接得熱系統(tǒng)。直接得熱系統(tǒng)的工作原理是，冬季讓太陽輻射熱直接從南面窗射入房間內(nèi)部，用樓板層、墻及家具設(shè)備等作為吸熱和儲熱體，當室溫低于這些儲熱體表面溫度時，這些物體就會象一個大的低溫輻射器那樣向室內(nèi)供暖；間接得熱系統(tǒng)有集熱、蓄熱墻和毗連日光間等形式，

 

  這種裝置的主要工作原理是利用設(shè)在墻體本身的集熱、蓄熱材料，集蓄太陽熱能，使太陽能輻射熱通過傳導(dǎo)、輻射和對流，把熱量送到室內(nèi)。集熱、蓄熱墻又按其熱量的傳導(dǎo)、輻射和對流的不同，形成了多種形式，如實體式集熱蓄熱墻、快速集熱墻、花格式集熱墻、相變材料集熱蓄熱墻等。夏季則通過構(gòu)造措施隔絕太陽能輻射熱進入室內(nèi)。

  按照太陽能在建筑中的獲取方式，可以將被動式太陽能系統(tǒng)分為兩種基本類型：直接得熱式和間接得熱式。

  a. 直接受益式太陽能采暖系統(tǒng)

  直接受益式指陽光直接透過南向窗戶進入房間，室內(nèi)構(gòu)件(墻壁、地板、家具等)作為吸熱和儲熱體將這些熱量吸收，當室溫低于這些構(gòu)件表面溫度時，這些構(gòu)件就會像一個大的低溫輻射器向室內(nèi)的空氣輻射熱量，從而達到采暖的目的。在這個過程中，房間本身就是一個能量收集、貯存和分配的系統(tǒng)。無論從設(shè)計和構(gòu)造來講，直接受益式都是最簡單的被動式采暖措施，這種方式的優(yōu)點是房間升溫快，構(gòu)造簡單，不需增設(shè)特殊的集熱裝置，與一般建筑的外形無多大差異，建筑的藝術(shù)處理也比較靈活。同時這種太陽能建筑的投資較小，管理也較方便，是最易推廣的被動式采暖措施。直接得熱式最大的問題是升溫快，但是降溫也快。因此為了減少房間熱損失，夜間必須用保溫窗簾或窗戶蓋板將窗戶覆蓋。

  b. 集熱蓄熱墻式太陽能采暖系統(tǒng)

  集熱蓄熱墻式的基本形式有特朗伯集熱墻、水墻和附加陽光間。

  B1 特朗伯墻式

  特朗伯墻由透光玻璃、集熱板、集熱墻體(磚墻)組成。

 

  在集熱墻體上、下部適當位置設(shè)置風口。其工作原理是：陽光透過玻璃照射到集熱板上，集熱板被加熱，并有一部分熱量蓄積在集熱墻體內(nèi)。當上下風口打開時，房間的冷空氣由下風口進入集熱板和墻體間的空腔，在空腔中受熱上升，再由上風口回到房間。這種周而復(fù)始的熱循環(huán)過程使室內(nèi)溫度得以提高。天熱時，可以通過控制風口閘門啟閉，來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使室內(nèi)溫度不致過高。而房屋的兩側(cè)面、背面及屋頂和底層地板則按照保溫節(jié)能要求進行設(shè)計。

  特朗伯墻式主要是通過建筑外維護結(jié)構(gòu)的蓄熱性進行采暖的方式，其工作原理是將集熱墻向陽的一面涂以深色的選擇性涂層加強吸熱并減少輻射散熱，在離集熱墻外表面10cm左右裝上玻璃或者透明塑料薄片，使該墻體成為集熱和儲熱器，在夜間又成為放熱體。儲熱墻通常為混凝上墻或?qū)嵭拇u墻，這些重質(zhì)量的墻體熱容大、惰性大，因此儲熱多、放熱慢，墻體的溫度波動相對于室外的溫度波動有較長時間的延遲，有利于減緩夜間室內(nèi)溫度下降。儲熱墻的厚度因用途而異。

  B2 水墻式集熱蓄熱墻

  水墻式集熱蓄熱墻簡稱水墻如圖3.5。作為蓄熱材料的水通常置于屋內(nèi)的一面墻中，稱為“水墻”，水墻應(yīng)該建在房間里一天中大部分時間陽光能夠直接照射到的地方。用來建造這種“水墻容器的材料一般為塑料或金屬。圖3.6是北京曾研究和實踐過窗水墻被動式太陽房，采用大面積裝水玻璃墻作為太陽輻射能收集器，設(shè)于玻璃窗的下部，當陽光穿過玻璃窗及水墻時，使室內(nèi)空氣溫度不斷升高。水墻具有較好的蓄熱能力，可保持一定時間熱穩(wěn)定性，造價低，很受歡迎，但主要問題是運行管理比較麻煩。

  c. 附加陽光間式

  附加陽光間被動式太陽房是集熱蓄熱墻系統(tǒng)的一種發(fā)展，將玻璃與墻之間的空氣夾層加寬，形成一個可以使用的空間——附加陽光間。這種系統(tǒng)其前部陽光間的工作原理和直接受益式系統(tǒng)相同，后部房間的采暖方式則雷同于集熱蓄熱墻式。

  附加陽光間式太陽房的工作原理是將作為集熱部分的陽光間附加在建筑南向房間的外面，陽光間靠室外一側(cè)全部設(shè)置玻璃，利用陽光間和房間之間的集熱墻作為集熱構(gòu)件，冬季陽光進入附加陽光間后，集熱墻將熱量吸收并對陽光間內(nèi)的冷空氣進行低溫輻射，溫度升高后，空氣因密度減小而升并由集熱墻上部的開口進入室內(nèi)，同時陽光間的底部形成了負壓，室內(nèi)的冷空氣被吸入陽光間進行加熱，這樣陽光間內(nèi)的空氣和室內(nèi)的空氣因為對流而達到房間采暖的目的。附加陽光間作為室外和室內(nèi)的緩沖空間，在夜晚可以關(guān)閉集熱墻頂部和底部的通風口以減少房間的熱損失，房間的溫度波動相應(yīng)減小。除了起到采暖的作用以外，附加陽光間也可以作為白天人們的休息、活動的空間。另外，在冬季時，由于玻璃的保溫能力非常差，如無適當?shù)母郊颖卮胧?，則日落后或者在陰雨天氣室內(nèi)氣溫將會大幅度下降。而在夏季，如果沒有適當?shù)母魺岽胧郊雨柟忾g內(nèi)的氣溫將會過高。以上這些問題，必須在設(shè)計這種設(shè)施以前充分考慮，并提出解決這些問題的相應(yīng)措施。

  d. 貯熱屋頂式

 

  貯熱屋頂式太陽房兼有冬季采暖和夏季降溫兩種功能適合冬季不屬寒冷，而夏季較熱的地區(qū)。用裝滿水的密封塑料袋作為儲熱體，置于屋頂頂棚之上，其上設(shè)置可水平推拉開閉的保溫蓋板。冬季白天晴天時，將保溫板敞開，讓水袋充分吸收太陽輻射熱，水袋所儲熱量，通過輻射和對流傳至下面房間。夜間則關(guān)閉保溫板，阻止向外的熱損失。夏季保溫蓋板啟閉情況則與冬季相反。白天關(guān)閉保溫蓋板，隔絕陽光及室外熱空氣，同時用較涼的水袋吸收下面房間的熱量，使室溫下降。夜晚則打開保溫蓋板，讓水袋冷卻。保溫蓋板還可根據(jù)房間溫度、水袋內(nèi)水溫和太陽輻照度，進行自動調(diào)節(jié)啟閉。

  e. 混合式

  以上簡述的幾種基本類型的被動式太陽能建筑都有它們的獨特之處。我們把由兩個或兩個以被動式基本類型組合而成的系統(tǒng)稱為混合式系統(tǒng)。不同的采暖方式結(jié)合使用，就可以形成互為補充的、更為有效的被動式太陽能采暖系統(tǒng)。采用最普遍、最經(jīng)濟實用的就是直接受益式、集熱蓄熱墻式的混合式。

  (2) 被動式太陽能利用的適應(yīng)性設(shè)計

  1) 總的原則

  在太陽能建筑的規(guī)劃設(shè)計中，有許多因素與太陽能的利用及規(guī)劃目標有關(guān)。它們可被分為兩類：一類與場地的地理和自然情況有關(guān)，如：緯度、地形和氣候條件，這些都會對建筑群體和單體產(chǎn)生影響；另一類與設(shè)計有關(guān)，包括建筑的間距、高度、構(gòu)造及朝向等。

  對于建筑師來講，太陽能建筑設(shè)計就是要在建筑設(shè)計的同時，考慮以下兩個方面的問題：一是，太陽能在建筑上的應(yīng)用對建筑物的影響，包括建筑物的使用功能，圍護結(jié)構(gòu)的特性，建筑體型和立面的改變；二是，考慮太陽能利用的系統(tǒng)選擇，太陽能產(chǎn)品與建筑形體的有機結(jié)合。

  2) 對建筑選址的要求

  如果建筑處于山地地區(qū)，應(yīng)避免在山坡的北面布置建筑，可布置在南向山坡的中部，以避免山頂為冷風和山腳的冷空氣的“冷池”效應(yīng)。避免在多風地區(qū)布置建筑，如山頂。

  3) 對方位的要求

  方位是住宅設(shè)計中關(guān)系到景觀、采光、通風以及太陽能利用最關(guān)鍵的因素。方位不同時，建筑表面收到的地面反射量也不同，方位的變化對建筑接受地面反射的影響為32%。太陽能建筑對方位的要求是為了使盡量多和快的得到太陽能輻射熱，在冬季，太陽能輻射熱在9:00-15:00是全天輻射熱的90%左右，因此，在這段時間內(nèi)要保證足夠的日照時間是非常重要的，為了充分發(fā)揮太陽能輻射熱的效能，可根據(jù)太陽能建筑的特征進行方位調(diào)整。例如：學(xué)校的教室上午希望室溫盡快上升，而夜間室內(nèi)無人，可將方位角南偏東5-15度；居住建筑由于夜間住人，下午盡量使太陽能輻射熱進入室內(nèi)，可將方位角南偏西5-15度。

  建筑布置在南向、東南向和西南向，要絕對避免植被和人造構(gòu)筑物遮擋南向窗，避免在南向近距離種植常青樹木，在西南向和東南向可種植落葉樹。

  4) 對建筑表面積與體型的要求

  從利用太陽能的角度考慮，應(yīng)使南墻面吸收較多的太陽能輻射熱，且盡可能的大于其它向外散失的熱量，以將這部分熱量用于補償建筑的凈負荷。如果使除南墻面之外的其它墻面的熱工質(zhì)量是相同的，則不難看出，建筑的凈負荷是與面積的大小成正比的。因此，從節(jié)能建筑的角度考慮，對建筑節(jié)能的效果以外圍護結(jié)構(gòu)總面積越小越好這一標準來評價是不夠的，而應(yīng)以南墻面足夠大，其他外表面盡可能小為標準來評價，即表面面積系數(shù)(建筑物其它外表面面積之和與南墻面積之比)，這就是被動式太陽能建筑對圍護結(jié)構(gòu)面積的要求。

  建筑外界面與其體積之比，即體型系數(shù)：K=A/V，是表征建筑熱工性能的重要參數(shù)。建筑的體型系數(shù)是圍護的手段(外界面)與圍護的結(jié)果(空間)之間的數(shù)量比值，因此它不僅僅是一個熱工性能參數(shù)，而且還體現(xiàn)了作為手段的外界面對空間的建構(gòu)圍護效率，因而體型系數(shù)也是一個界面圍護效率系數(shù)。由于熱工能耗與建筑的外表面積成線性正比，而對于正多面體而言，表面積與體積呈幾何基數(shù)關(guān)系，此時建筑的體積，即空間的量與維持室內(nèi)氣候的能耗之間不是線性關(guān)系，而是幾何關(guān)系，因此建筑在體積擴大時可以只投入較小的能耗增量而獲得較多的舒適空間增量，這意味著減小體型系數(shù)可以降低舒適空間的平均成本。通常可以通過加大建筑進深，規(guī)整建筑體型，集中建筑體量等途徑來減小建筑的體型系數(shù)。

  除此之外，還要用建筑物的表面面積系數(shù)來研究建筑體型對節(jié)能的影響，從獲得更多的太陽能輻射熱，降低能耗的觀點來看，長軸朝向東西的長方體體型最好，正方形次之，長軸朝向南北的長方體體型的建筑節(jié)能效果最差。

  5) 對建筑平面布置的要求

  由于人們對各種房間的使用要求不同，對房間熱環(huán)境的需要也各異，應(yīng)當根據(jù)實際需要合理分區(qū)，推行建筑平面的“溫度分區(qū)法”。熱環(huán)境質(zhì)量要求較低的房間，如住宅中的附屬用房(廚房、廁所、走道等)布置于冬季溫度相對較低的區(qū)域內(nèi)，而將環(huán)境質(zhì)量好的向陽區(qū)域布置居室和起居室，使其具有較高的室內(nèi)溫度。并利用附屬用房減少居室等主要房間的散熱損失，以最大限度地利用能源，做到“能盡其用”，通過室內(nèi)的溫度分區(qū)，滿足熱能的梯級應(yīng)用，運用建筑設(shè)計方法，使住宅空間成為熱流失的阻隔體，達到節(jié)能目的。楊經(jīng)文常采用外置交通核來減弱熱濕氣候區(qū)灼人的太陽輻射對建筑主要使用空間的劇烈影響；厄斯金設(shè)計的位于寒冷地區(qū)的Gadelius別墅則把北向不利地帶作為車庫及貯藏空間，成為其起居室北向緩沖空間。這些都是運用平面熱建筑節(jié)能的成功案例。通過增加層級，可以減弱沖突，這具有普遍的適用意義。

  為了保證主要空間的室內(nèi)熱舒適環(huán)境，可在舒適度要求較高的空間與惡劣的外界氣候之間，結(jié)合具體使用情況設(shè)置過渡空間區(qū)域，又可稱為“溫度阻尼區(qū)”(Buffel Zone)。對于位居平面核心部位的空間而言，溫度阻尼區(qū)可以視作外界面向建筑內(nèi)部的縱深擴展，由于溫度阻尼區(qū)與外界的溫差要小于熱舒適度高的中心部位空間與外界的溫差，亦即外界面的內(nèi)外溫差減小，所以，可使建筑的傳導(dǎo)和輻射熱損失顯著減少，這對于冬季采暖和夏季使用空調(diào)都是有利的。南向的溫度阻尼區(qū)在白天還可作為附加陽光間使用，是改善冬季室內(nèi)熱舒適環(huán)境的一個有效措施，當然，夏季也可以打開門窗進行自然通風，使之成為一個可調(diào)節(jié)、可應(yīng)變的緩沖空間。玻璃和墻之間設(shè)置保溫窗簾，墻體向室內(nèi)輻射熱量并與室內(nèi)空氣對流換熱。

  按照冷暖區(qū)的時間和空間分布布置房間，如臥室布置在白天處于冷區(qū)的位置，起居室布置在夜間處于冷區(qū)的位置。合理布置緩沖空間，如輔助空間(儲藏室、樓梯間、健身房等)布置在北側(cè)，陽光間可以用作南側(cè)的緩沖空間。減少開口，主要開口布置在下風向利用門斗、旋轉(zhuǎn)門窗減少冷風滲透。室外活動空間布置在南向。

  6) 對圍護結(jié)構(gòu)材料與構(gòu)造的要求

  我國第一棟被動式太陽房建成于1977年，地點在甘肅省民勤縣，是一棟南窗直接受益結(jié)合實體集熱蓄熱墻組合式太陽房。截至1977年底，全國已經(jīng)建成740萬6平方米的太陽房，主要分布在山東、青海和西藏等地的農(nóng)村地區(qū)，總面積達50萬平方米。這些太陽房的建筑類型，大部分為農(nóng)村和城市住宅等。在“六五”、“七五”、“八五”期間，國家科技攻關(guān)計劃中都列入了太陽能建筑項目，這些科研項目的攻關(guān)內(nèi)容，涉及到被動式太陽房各個領(lǐng)域，既有基礎(chǔ)理論研究、模擬試驗、熱工參數(shù)分析等，又有材料、構(gòu)件開發(fā)和示范房屋及工程建設(shè)。使用外保溫做法，避免冷橋影響和結(jié)構(gòu)構(gòu)件暴露在室外創(chuàng)造梯度。

  儲熱墻通常為混凝土墻或?qū)嵭拇u墻，這些重質(zhì)墻體熱容量大、熱惰性大，因此儲熱多、放熱慢，溫度波動延遲時間較長，有利于減緩夜間室內(nèi)溫度下降。儲熱墻的厚度因用途而異，Trombe等人認為混凝土墻厚度為400-500mm最適宜，美國Balcomb等指出，如果室溫在18-24℃波動，則300mm混凝土墻最理想。

  7) 對窗、墻面積比的要求

  太陽能建筑對窗、墻面積比的要求是一個綜合問題，一要考慮窗戶的大小對直接集熱的影響；二要考慮窗戶既是得熱構(gòu)件，又是耗能的主要環(huán)節(jié)；三要考慮窗間墻的大小、位置給墻體集熱蓄熱帶來的影響。在被動式太陽能建筑中，居住建筑，南向窗墻面積比一般在40%左右，比節(jié)能建筑標準的要求略有提高；學(xué)校建筑中考慮到早晨希望室內(nèi)升溫快南向窗墻面積比在50%左右，對其它朝向的窗戶，應(yīng)在滿足房間光環(huán)境的要求下，適當減少開窗面積并采取措施降低窗戶的傳熱系數(shù)、減少空氣滲透量。要增強門窗處的密封性，可使用氣密性好的的門窗，還可以使用雙層或三層玻璃，低輻射玻璃，或活動保溫板以減少散熱。

  8) 對場地坡度的要求

  場地坡度與建筑密度無關(guān)，但卻對太陽能的利用有影響。其影響程度取決于其方向和坡度，在保證同等日照水平下要獲得較高的建筑密度，陽坡場地優(yōu)于陰坡場地。當場地坡度給定時，地面反射的影響比平坦場地大約高42%。

  (3) 集熱蓄熱墻式太陽能建筑的一體化設(shè)計

  與直接得熱式和陽光間式比起來，特朗伯墻在中國大部分的小住宅中應(yīng)用很少，原因主要是特朗伯墻與太陽室對太陽輻射能量的收集和分配過程是相似的，兩者只有造價和設(shè)計立面表現(xiàn)的差別，太陽室可以創(chuàng)造更宜人的半室外環(huán)境，特朗伯墻的立面設(shè)計比較封閉，除了在室外條件比較寒冷的地區(qū)以外，人們更傾向于應(yīng)用陽光室來改造自己的生活環(huán)境。

  以丹麥的一處兩層高的連排住宅為例，在每棟住宅的南立面設(shè)有一條面積為6m2—8.4m2的垂直特朗伯墻。

  在此設(shè)計中，特朗伯墻被分成兩個部分。墻體下部用以預(yù)熱從墻體底部吸入的新鮮空氣，同時墻體的上部獲得的熱量被儲存在290mm厚的混凝土墻體里。如果墻內(nèi)的空氣溫度達到30度以上，風機開啟將熱空氣吸入裝有空氣循環(huán)管的蓄熱墻內(nèi)，在夜間，蓄熱墻又放出熱量保證住宅室內(nèi)的舒適性。在墻體的頂部設(shè)有排氣窗，夏季，當風機關(guān)閉且不再需要熱量時，排氣窗打開使熱空氣逸出，防止了墻體過熱。

  (4)陽光間式太陽能建筑的一體化設(shè)計

  1) 陽光間式太陽能采暖系統(tǒng)

  “附加日光間”是一種太陽能直接受益系統(tǒng)，是由于直接受益獲得太陽能而使得溫度產(chǎn)生較大波動的空間。過熱的空氣可以立即用于加熱相鄰的房間，或者可以把它貯存起來，隨后可以在沒有太陽照射時使用。實際上在一天的所有時間，附加日光間的溫度都比室外高。這一較高的溫度，可以減少建筑物的熱損失。日光間既可以供給太陽能，又可以作為一個緩沖區(qū)，減少熱損失，使建筑物與日光間相鄰的部分，獲得一個溫和的室外環(huán)境。

  附加陽光間屬一種多功能的房間，除了可作為一種集熱設(shè)施外，還可用作為休息、娛樂、養(yǎng)花、養(yǎng)魚等空間，是冬季讓人們置身于大自然中的一種室內(nèi)環(huán)境，也是為其毗連的房間供熱的一種有效設(shè)施。附加陽光間除最好能在南向墻面全部設(shè)置玻璃外，還應(yīng)在毗連的主房坡頂部分加設(shè)傾斜玻璃。這樣做可大大增加進熱量，但傾斜部分的玻璃擦洗比較困難。另外，當夏季時，如無適當?shù)母魺岽胧?，陽光間的氣溫往往變得過高。當冬季時，由于玻璃的保溫能力非常差，如無適當?shù)母郊颖卮胧?，則日落后室內(nèi)氣溫將會大幅度地下降。以上這些問題，必須在設(shè)計這種設(shè)施之前充分考慮，并提出解決這些問題的具體措施。

  在集合住宅中可以利用挑陽臺和凹陽臺安裝玻璃，將其封閉成日光間，除作為蓄熱罩外，還可用于種植花卉、娛樂休息等，這種方式很受居民歡迎，且使建筑外觀別具一格，但日光間存在溫度波動大的缺陷，應(yīng)考慮夜間保溫和夏季遮陽設(shè)施。

  2) 附加陽光間的優(yōu)點

  a 有附加陽光間的年度熱損失只相當于無該陽光間的一半；

  b 附加陽光間的管理比特朗伯墻簡單；

  c 可以種花卉、果樹，成為毗連種植溫室，。同時還可晾曬衣服；

  d 開闊視野，舒展心情；

  e 夏季可開窗通風，并設(shè)窗簾等遮陽，防止直射熱。

  3) 工程實例

  這幢位于瑞士比爾郊區(qū)的公寓高三層，由8套大小不同的住宅單元所構(gòu)成，所處位置能夠俯瞰整個小鎮(zhèn)，具有極佳的視野。下面的部分是躍層式的二層公寓，上面一層則是普通公寓。樓頂為公共活動區(qū)域，設(shè)有孩子們的游戲室，其屋頂形式與相鄰的建筑風格頗為近似。

  在夏天，陽光間用作普通花房；到了冬天，陽光間不但無需供熱，還可以作為熱緩沖空間。天氣炎熱時，可將玻璃房的外層玻璃窗打開，形成一個熱通道，使建筑物后面的涼空氣穿堂而過；而在陽光燦爛的冬日，又可將居室與暖房之間的里層玻璃窗打開，以給室內(nèi)供暖。建筑的混凝土實體將以此種方式收集到的熱量蓄留起來，并在夜間再釋放出來，為室內(nèi)供暖?？傊?，用于供熱的能量消耗比一般建筑減少了20%-30%。

  2、主動式太陽能集熱裝置與建筑的一體化設(shè)計

  (1)主動式太陽能集熱裝置概述

  1) 主動式太陽能系統(tǒng)

  主動式太陽能系統(tǒng)是一種構(gòu)造較復(fù)雜，造價較高，需要用電作為輔助能源的建筑。它是一種以太陽能集熱器與風機、泵、散熱器等組成的太陽能采暖系統(tǒng)或者與吸收式制冷機組成的太陽能空調(diào)及供熱系統(tǒng)的建筑。

  主動式太陽能在住宅中的應(yīng)用主要是通過高效集熱裝置來收集獲取太陽能，然后由風機或者盤管將熱量送入住宅內(nèi)用以采暖或是用以加熱家庭需要的熱水，同時住宅中設(shè)有一定的蓄熱裝置，用以保存太陽熱能以備后用。一套完整的主動式太陽能系統(tǒng)是由太陽能集熱器、儲熱裝置、循環(huán)管路和一些輔助裝置組成。

  a 太陽能采暖系統(tǒng)概述

  利用太陽能加熱的系統(tǒng)，既可以為用戶提供生活熱水，又可以為住宅供暖。在低溫建筑中冬季需要采暖，太陽能采暖系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)的進一步發(fā)展。實際上，太陽能采暖系統(tǒng)通?？梢愿柲軣崴到y(tǒng)聯(lián)合使用。在此情況下，一方面要適當增加太陽集熱器的的采光面積：另一方面由于采暖是在寒冷季節(jié)才需要，因而要使用防凍或抗凍的真空管集熱器。目前在十分重視環(huán)境保護的歐美國家，已經(jīng)建成大批集太陽能熱水和太陽能采暖于一體的太陽能綜合系統(tǒng)。

  采暖降溫系統(tǒng)由太陽集熱器、風機、泵、散熱器及貯熱器等組成。

  b 太陽能采暖系統(tǒng)分類及運行原理

  在太陽能組合系統(tǒng)中，一般都有2套能源設(shè)施(太陽能及其輔助能源設(shè)施)，用于提供2個熱負荷(采暖負荷和生活熱水負荷)所需要的熱量只要白天有足夠的太陽輻射，就由太陽集熱器提供熱量；否則，就由輔助能源(油、氣、電、木材等)補充太陽能的不足。

  該系統(tǒng)可分為三個循環(huán)回路：集熱回路，主要包括集熱器、貯存器、集熱器熱交換器、過濾器、循環(huán)泵等部件。在該回路中采用差動控制，使用兩個溫度傳感器和一個差動控制器，其中一個溫度傳感器(熱敏電阻或熱電偶)安裝在集熱器吸熱板接近傳熱介質(zhì)出口處，另一個溫度傳感器安裝在蓄熱水箱底部接近收集回路回流出口，當?shù)谝粋€傳感器溫度大于第二個傳感器時，集熱泵就開啟。在這種情況下流體從貯存器經(jīng)集熱泵入集熱器，同時空氣從集熱器置換進入貯存器中；相反，當蓄熱水箱出口溫度與集熱器吸熱板溫差達到一定程度時集熱泵就關(guān)閉。

  3、太陽能集熱裝置與住宅屋頂?shù)囊惑w化

  太陽能裝置與屋頂結(jié)合有其特有的優(yōu)勢：a、日照條件好，不受朝向影響，不易受到遮擋，可以充分地接受太陽輻射；b、系統(tǒng)可以緊貼屋頂結(jié)構(gòu)安裝，減少風力的不利影響；c、可以代替保溫隔熱層遮蔽屋面，減少屋頂夏天的熱負荷。

  (1) 太陽能裝置與坡屋頂?shù)慕Y(jié)合

 

  與坡屋頂組成一體的太陽能集熱器，其主要特點是在做好防水處理的屋面上，鋪設(shè)屋面與集熱器共用的防滲漏的隔熱保溫層，在隔熱保溫層上放置太陽能集熱部件，這種屋面由于綜合使用材料，不但降低了成本，單位面積上的太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)施的價格也可以大大降低，有效地利用了屋面的復(fù)合功能。

  1) 分類

  a 天窗式：

  在夏熱冬冷地區(qū)，由于冬季寒冷，最好能盡量擴大房間內(nèi)部直接受熱的可能，可以考慮在屋頂上開天窗，在冬季，增加了接受太陽輻射的可能，又可以改善室內(nèi)的熱舒適性。在夏季又必須考慮到遮陽問題，結(jié)合太陽能集熱板的一體化設(shè)計，我們可以在屋頂天窗的兩端設(shè)置滑軌，讓太陽能集熱器可以在上滑動，“集熱遮陽兩不誤”，夏天的時候遮蔽天窗，遮擋輻射；冬天的時候，滑離天窗，貼屋面在天窗下部吸收太陽能輻射熱。

  將集熱器鑲嵌在建筑坡屋面上緊貼固定，覆蓋部分屋面，形態(tài)類似坡屋面的天窗，與建筑渾然一體。此種方式及熱氣與建筑的整合具有極高的靈活性。對于在舊房改造中使用提供了可能。由于平板式集熱器的罩面玻璃比較特別，是透光率95%以上的透明漫反射玻璃太陽高度較低時也不易產(chǎn)生鏡面反射，仍能透過大部分的太陽光。

  b 階梯嵌入式：

  將集熱器呈階梯狀陣列鑲嵌在建筑坡屋頂上，覆蓋整個屋面，形成具有層次感的屋面形態(tài)。

  c 整體式：

  將集熱板覆蓋整個坡屋面，其材質(zhì)和色彩構(gòu)成了屋面形態(tài)。如圖在荷蘭的一處聯(lián)排住宅中，設(shè)計者在屋面上適宜接受陽光的角度做了堅固的標準化框架體系，這種標準構(gòu)件將建筑屋面結(jié)構(gòu)與采光窗、太陽能集熱板巧妙組合成一個整體，形成了科技含量較高的新型整合屋面體系，不僅使太陽能系統(tǒng)與建筑達到了有機的結(jié)合，同時也創(chuàng)造出了一種全新的外觀形象。

  d 飄板式：

  將集熱器用鋼結(jié)構(gòu)支撐在平屋頂上，形成造型獨特的飄板，加強了標識性，避免了里面的單調(diào)。適用于平屋頂多層住宅。

  e 太陽能涼棚：

  與飄板式類似，集熱器面積較小，造型更精致，可以與屋頂構(gòu)架相結(jié)合，形成人們納涼的場所。

  4、 太陽能集熱裝置與住宅墻面的一體化

  (1) 原則 

  對于集合住宅而言，外墻是與太陽光接觸面積最大的外表面。單從太陽能利用角度而言，太陽能集熱器可以結(jié)合集熱墻設(shè)計，讓整個墻體都成為集熱器；或者作為附屬構(gòu)件依附于外墻表面。  

  考慮到住宅立面，一般采用后一種方式與墻面結(jié)合。目前多高層采暖住宅建筑的層高一般為2800mm至3000mm，陽臺欄板高度為900mm至1200mm不等。集熱器與多高層采暖住宅建筑需要統(tǒng)一結(jié)合、實現(xiàn)工業(yè)化，首要的前提就是成為建筑的一個構(gòu)造單元，與建筑模數(shù)統(tǒng)一。所以推薦使用寬度900mm、高度600mm與寬度900mm、高度800mm兩種集熱器組成集熱單元。  

  多高層采暖住宅建筑中的集熱器安裝面積取決于建筑南立面的可利用墻面的面積大小。對于進深為12m-15m的多高層采暖住宅建筑，建筑面積與所有南墻面面積的比值在7.9:l至5.3:1不等。但多高層采暖住宅建筑中集熱器的安裝不可能使用所有的南墻面面積，因為這樣會對整個系統(tǒng)造成混亂，而且對建筑的整體外觀造成負面影響。在使用寬度900mm、高度600mm與寬度900mm、高度800mm兩種集熱器的前提下，強調(diào)外觀感覺為橫向的多高層采暖住宅建筑，建筑面積與集熱器面積比值在16:1至20:1左右s,強調(diào)外觀感覺為豎向的多高層采暖住宅建筑，建筑面積與集熱器面積比值在14:1至16:1左右。在這樣的太陽能集熱器作為附屬構(gòu)件依附于外墻表面，在立面上形成一定的韻律，經(jīng)過設(shè)計成為良好的美學(xué)元素。  

  色彩是影響我們對于建筑外觀感覺的重要因素，利用特殊的色彩設(shè)計，是達到可識別性立面設(shè)計的手段之一，也是建立居住區(qū)領(lǐng)域感的前提。傳統(tǒng)的集熱器為了提高太陽能吸收率，一般將外表面涂成黑色。但是這樣會影響到建筑美觀，特別是大面積使用時對人們心理上造成壓抑感，不利于太陽能建筑的推廣。這時，可根據(jù)建筑主體的色彩，嘗試選用別的顏色與黑色或其他深色搭配使用，豐富建筑立面，雖然可能犧牲了部分太陽熱能的吸收，卻能避免其景觀上的乏味和不良影響，營造出活潑宜人的建筑環(huán)境。  

  (2) 墻體型太陽能集熱器  

  墻體型太陽能集熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其實質(zhì)是平板集熱器的一種變型。本集熱器由外到內(nèi)分別由透光保溫涂層、光熱轉(zhuǎn)化層、外墻支撐及導(dǎo)熱層、集熱管、發(fā)泡保溫層、內(nèi)墻支撐層、內(nèi)墻涂抹層等部分組成。為加強內(nèi)外支撐層的連接強度及氣體性由拉筋連接內(nèi)外支撐層，拉筋與外圍墻支撐層采用焊接，與內(nèi)墻支撐層的連接采用掛扣一卡扣連接。發(fā)泡保溫層采用整體發(fā)泡工藝制成，使外墻支撐及導(dǎo)熱層、集熱管、拉筋、內(nèi)墻支撐層詐接為一個椎體。  

 

  墻體集熱器的工作原理為，陽光沿其一角度人射墻面，按有效投影截面獲取的有效光能透過透光保溫涂層，人射至光熱轉(zhuǎn)化層，在光熱轉(zhuǎn)化層內(nèi)完全或選擇性地轉(zhuǎn)化為熱。在制造過程中，選擇光熱轉(zhuǎn)化層具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，使在轉(zhuǎn)化  

  層產(chǎn)生的熱A及時傳導(dǎo)給外墻支撐及導(dǎo)熱層。支撐及導(dǎo)熱層采用具有高機械強度、高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料制成。其上采用焊接工藝連接有集熱管束，保證熱量有效地通過管壁傳遞給管內(nèi)流動的液體。由于光熱轉(zhuǎn)化層、外堵支撐及導(dǎo)熱層、集熱管均被導(dǎo)熱系數(shù)很小的材料所包圍，其中產(chǎn)生的熱量僅能通過集熱管內(nèi)的液體向外輸送，達到集熱的目的。  

  由于集熱器又是墻體的一部分，它需要足夠的強度、外觀美學(xué)效果及保溫效果。本墻體型集熱器與常用平板集熱器的區(qū)別在于其結(jié)構(gòu)強度、厚度均較大，為了增加強度還設(shè)置了加強筋。由于墻體型集熱器的安裝位置，除屋頂外，基本只能垂直安裝，且朝向既可能是南北向，也可能是東西向，甚至是東南、西南等斜向朝向，受光的有效受光截面較小，日照時數(shù)也較短，加上不可調(diào)整角度，所以要求采光面積較大。  

  盡管墻體型太陽能集熱器存在上述問題，但由于集熱墻體緊鄰用戶，成本低，可以做出較大的采光面積。而對應(yīng)于春夏秋冬的角度不可調(diào)問題，在夏季，太陽的高度角很大，墻體正南向時有效投影截面很小，但夏季初始水溫高，在天津地區(qū)常達25℃---30℃，而此時僅需升溫10℃---20℃，供洗浴等使用就已足夠；在冬季初始水溫較低，天津地區(qū)常在1 0℃---5℃之間波動，但由于此時太陽高度角較低，集熱墉體有效投影截面較大，可以補償水溫低、日照弱及時間短的問題。  

  太陽墻使用多孔波型金屬板集熱，并與風機結(jié)合，與用傳統(tǒng)的被動式玻璃集熱的做法相比，有自己獨到的優(yōu)勢和特點。熱效率高可以獲得良好的新風經(jīng)濟效益好引用范圍廣住宅上太陽能集熱器的重復(fù)安置可以形成有韻律感的連續(xù)立面，以其特有的韻律感形成太陽能建筑特有的立面。  

  因為太陽墻設(shè)計方便，作為外墻，美觀耐用，所以應(yīng)用范圍廣泛，可用于任何需要輔助采暖通風或補充新鮮空氣的建筑，建筑類型包括工業(yè)商業(yè)居住辦公學(xué)校軍用建筑及倉庫等，還可以用來烘干農(nóng)產(chǎn)品，避免其在室外晾曬時因雨水或昆蟲而損失。另外，該系統(tǒng)安裝簡便，能安在任何不燃墻體的外側(cè)及墻體現(xiàn)有開口的周圍，便于舊建筑的改造。  

  (3) 雙層皮幕墻技術(shù)  

  “雙層皮幕墻”是當今生態(tài)建筑中普遍采用的一項先進技術(shù)，被譽為“可呼吸的皮膚”，它主要針對以往玻璃幕墻高耗能的問題，用雙層體系(一般為玻璃)作圍護結(jié)構(gòu)，利用玻璃對陽光的通透性，冬天吸收太陽輻射熱，降低能耗。“雙層皮幕墻”種類繁多，但其實質(zhì)是在雙層皮之間留有一定寬度的空氣間層，形成一個溫度緩沖空間。夏季，太陽直射外層玻璃幕墻，空氣間層內(nèi)的熱空氣自下向上流動，帶走玻璃幕墻內(nèi)的熱量，降低內(nèi)側(cè)幕墻表面溫度?？諝忾g層里面可以根據(jù)需要安裝遮陽裝置，防止過多的太陽輻射進入室內(nèi)(圖)。冬季，把空氣間層上下關(guān)閉，陽光照射形成溫室，通過溫室效應(yīng)來提高內(nèi)側(cè)幕墻外表面溫度，減少取暖費用。  

  雙層皮幕墻可以看作是一個縮小的附加日光間，是最簡單、最直接利用太陽能為建筑供暖的一種發(fā)誓，具有廣泛的氣候適應(yīng)性，在世界上的大多數(shù)地方都有實際應(yīng)用。隨著材料技術(shù)的進步，高性能玻璃如Low-E玻璃，光電玻璃等在雙層皮外墻上的應(yīng)用，雙層皮外墻技術(shù)更是朝著越來越有利于提高太陽能利用效率，節(jié)約能源的方向發(fā)展。  

  (4) 太陽墻(SAH系統(tǒng))技術(shù)  

  SAH系統(tǒng)是當今世界上最新的太陽能墻體技術(shù)，正在歐美一些國家悄然興起，并迅速推廣。在我國SAH系統(tǒng)還沒有得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)的參考文獻很少。  

  SAH系統(tǒng)由集熱和氣流輸送兩部分系統(tǒng)組成。其構(gòu)造有些類似于雙層皮(圖6.14)，但工作原理不一樣。冬季，白天室外空氣通過小孔進入空氣腔，在流動過程中獲得板材吸收的太陽輻射，受熱壓作用上升，進入建筑物的通風系統(tǒng)，然后由管道分配輸送到各層空間。夜晚，墻體向外散失的熱量被空腔內(nèi)的空氣吸收，在風扇運轉(zhuǎn)的情況下被重新帶回室內(nèi)。這樣既保持了新風量，又補充了熱量。夏季，風扇停止運轉(zhuǎn)，室外熱空氣可以從太陽墻底部及孔洞進入，從上面和周圍的孔洞流出，熱量不會進入室內(nèi)。  

  此外，太陽墻理想的安裝方位是南向及南偏東西20度以內(nèi)，也可以考慮在東西墻面上安裝。坡屋頂也是設(shè)置太陽墻的理想位置，它可以方便地與屋頂?shù)乃惋L系統(tǒng)聯(lián)系起來。  

  (5) 透明隔熱材料  

  充分利用太陽能和減少圍護結(jié)構(gòu)散熱是建筑節(jié)能的兩個主要途徑。在太陽能建筑中，廣泛使用兩種傳統(tǒng)的建筑材料—玻璃和巖棉。玻璃能使太陽輻射進人，并能阻止紅外線輻射。巖棉等保溫材料具有良好的絕熱性能，常用于減少圍護結(jié)構(gòu)散熱。但是，這兩種材料都有缺點：玻璃雖透光但因傳熱系數(shù)大成為節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，為了節(jié)約采暖能耗不得不限制其面積，但這樣又不利于太陽能的利用。保溫材料雖然絕熱性能好，但屬于非透明材料，阻止太陽光的入射和利用。于是  

  人們便試圖研制具有透光功能和絕熱功能的新型材料。透明絕熱材料是近年來研制成功的新型太陽能材料，它大致可分為疊合式透明絕熱材料、氣凝膠透明絕熱材料、透明熱反射薄膜、光譜自調(diào)制涂層四大類。本文主要介紹疊合式透明絕熱材料和透明熱反射薄膜。  

  透明隔熱材料不僅傳熱損失小，而且由于它的朝向，還是一個熱源。測試表明，其太陽得熱大于透明隔熱與整個墻系統(tǒng)的熱損失，能避免過熱。  

  1)KAPIPANE透明絕熱材料  

  KAPIPANE透明絕熱材料是由透明塑料管垂直排列成蜂窩狀，管子直徑大約3.5mm，在切斷過程中其開口端融在一起形成一個單元(圖6.19)。它的基本材料是透明聚丙烯(PMMA)。  

  2)KAPILUX一H透明絕熱材料  

  KAPILUX一H是一個由兩片玻璃組成的密封的平板玻璃單元，在空腔內(nèi)有KAPIPANE毛細管狀板并充氣。  

  由透明絕熱材料和墻體組成的透明隔熱垮綜合了傳統(tǒng)的隔熱技術(shù)和太陽能集熱器的優(yōu)點。太陽輻射能透過透明絕熱材料到達吸熱墻，與此同時，該材料極好的保溫性能最大限度地阻止從內(nèi)部到外部的熱損，短波輻射被墻吸收、儲存并作為長波熱輻射輸送給建筑物。