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太阳能技术在建筑设计中的应用
太阳能技术在建筑设计中的应用
摘要：本文通过对建筑节能的背景分析,引出太阳能技术在推广应用，从解决节能建筑中采暖和通风问题入手,提出了较为完善可行、能够有效提高室内热舒适的太阳能技术设计和应用思路。为今后深入研究、推广理论,寻求适合建筑的节能设计方法打下基础。
关键词：建筑设计;太阳能;采暖;通风;技术
Abstract: Based on the analysis of the background of building energy saving, leading solar energy technology in application, starting with the solution of heating and ventilation problems in energy saving buildings, the more perfect and feasible, and can effectively improve the indoor thermal comfort in solar technology design and application of ideas.
Key words: architectural design; solar energy; heating; ventilation; Technology
中图分类号:TU2文献标识码：A文章编号： 前言
随着世界范围内能源短缺问题的突显,调整能源消费结构势在必行。在全世界的能源消耗中,建筑能耗约占社会总能耗的30%~40%。在我国,建筑能耗问题更为紧迫。据国家最新统计:我国每年城乡新建房屋建筑面积近20亿平方米,其中80%以上为高能耗建筑；既有建筑近40亿平方米,而其中95%以上是高能耗建筑。
目前我国单位建筑面积能耗是发达国家的2至3倍,对社会造成了沉重的能耗负担和严 重的环境污染,已经成为制约我国可持续发展的突出问题”。因此,有效地降低建筑能耗已经变得愈发具有现实意义。进入21世纪后,建筑节能的主题内容是建筑能源的可持续性。由此可见,高效、充分地利用太 阳能等可再生能源己经成为建筑节能
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的主要研究方向和发展方向。 1太阳能建筑技术策略的理论研究 1.1 太阳能建筑技术的原理
在建筑中进行太阳能热利用的基本原理是通过集热器吸收太阳能光热,将太阳能转换成热能或机械能,利用热能加热空气进行采暖或通风。由于太阳能具有分散性、间歇性、不稳定性、利用率相对较低,所以设计时应当从该地区太阳能资源的实际出发,因地制宜的把太 阳能技术应用到建筑中去,寻求和发展适合不同地域的太阳能应用技术,使太阳能 更充分的发抨作用。 1.2 太阳能建筑技术的设计方法
在建筑中应用太阳能技术,不仅要节能,还要实现太阳能建筑一体化。一是考虑太阳能在建筑上的应用对建筑物的彩响,包括建筑物的使用功能、围护结构的特性、建筑体型和众而的改变；二是考虑太阳能利用的系统选择,以及太阳能产品与建筑形体的有机结合。 1.2.1太阳能采援设计
太阳能采暖技术总体可分为两大类:被动式和主动式,其中每类都包括多种形式。在设 计和使用时往往采用不同形式相结合,以求合理与最优化。
(l)被动式太阳能采暖设计
被动式太阳能采暖设计是通过建筑朝向和周围环境的合理分布、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,使其在冬季能集取、保持、储存、分布太阳热能,从而解决建筑物的采暖问题。该设计的基本思想是控制阳光和空气在恰当的时间进 入建筑并储存和分配热空气。其设计的基本原则是要有有效的绝热外壳,有足够的集热面积,室内布置尽可能多的储热体,以及主次房间的平面位置合理。其典型的设计形式如图l所示。
（a) 直接受益式(b) 集热蓄热墙式 图l被动式太阳能采暖设计的典型形式 ①直接受益式
直接受益式太阳房是被动式采暖技术中最简单的一种形式，具有
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大面积玻璃窗的南向房间都可以看成是直接受益式太阳房。在冬季，太阳光通过大玻璃窗直接照射到室内的地面、墙壁和家具上，大部分太阳辐射能被其吸收并转换成热量，从而使它们的温度升高；少部分太阳辐射能被反射到室内的其他表面，再次进行太阳辐射能的吸收、反射过程。温度升高后的地面、墙壁和家具，一部分热量以对流和辐射的方式加热室内的空气，以达到采暖的目的；另一部分热量则储存在地板和墙体内，到夜间再逐渐释放出来，使室内继续保持一定的温度。为了减小房间全天的室温波动，墙体应采用具有较好蓄热性能的重质材料，例如：石块、混凝土、土坯等。另外，窗户应具有较好的密封性能，并配备保温窗帘。
直接受益式太阳房窗墙比的合理选择至关重要。加大窗墙比一方面会使房间的太阳辐射得热增加，另一方面也增加了室内外的热量交换。《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）中规定，窗户面积不宜过大，南向不宜超过0.35。但这是指室内通过采暖装置维持较高的室温状态时的要求。当主要依靠太阳能采暖，室温相对较低时（约14℃），加大南向窗墙比到0.5左右可获得更好的室内热状态。 ②集热蓄热墙式
集热蓄热墙是由朝南的重质墙体与相隔一定距离的玻璃盖板组成。在冬季，太阳光透过玻璃盖板被表面涂成黑色的重质墙体吸收并储存起来，墙体带有上下两个风口使室内空气通过集热蓄热墙被加热，形成热循环流动。玻璃盖板和空气层抑制了墙体所吸收的辐射热向外的散失。重质墙体将吸收的辐射热以导热的方式向室内传递，但另一方面，冬季的集热蓄热效果越好，夏季越容易出现过热问题。目前采取的办法是利用集热蓄热墙体进行被动式通风，即在玻璃盖板上侧设置风口，通过空气流动带走室内热量。另外利用夜间天空冷辐射使集热蓄热墙体蓄冷或在空气间层内设置遮阳卷帘，在一定程度上也能起到降温的作用。通过对位于辽宁省大连农村地区采用集热蓄热墙的被动式太阳房进行实测，表明太阳房室内温度在夏季比对比房低5 ° C。冬季高9° C。 (2)主动式太阳能采暖设计
主动式太阳能采暖设计是以太阳能的集热器、管道、散热器、风
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机或泵以及储热装置等组成强制循环的太阳能采暖系统。相对于被动式系统而言,主动式系统较为复杂,造价较高,多用于大型公共建筑,其典型的设计形式如图2所示。
a ) 空气集热式 ( b ) 液体集热式 图2主动式太阳能采暖设计的典型形式
目前在所有太阳能采暖方式中,用空气做介质的系统相对而言技术简单成熟、应用广泛、运行安全、造价低廉。 1.2.2 太阳能通风设计
随着能源短缺的加剧,自然通风这项传统技术逐渐被重视。在建筑特别是住宅中,自然通风是最经济、有效的环境调节手段。自然通风形成的条件主要有室外风速形成的压差和洞口间位置及温度造成的温差,即“风压”和“热压”。一般来讲,风压是一个不稳定因素,它随着室外风速和风向的变化有很大的波动,而热压相对来说比较稳定。
1.3 太阳墙采缓通风系统设计
太阳墙系统是近年来在欧美国家开始使用的一种新型太阳能建筑技术,原则上属于太阳能采暖系统。 （1)系统组成及工作原理
太阳墙系统是由集热器和气流输送两部分系统组成,房间是储热器。集热器系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。太阳墙板材覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔,与墙体的间距由计算确定,一般在200mm 左右,形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连,管道内设置风机,用于抽取空腔内的空气,其工作原理如图3所示。
图3太阳墙系统工作原理图 (2) 系统特点
太阳墙系统采用多孔波形金属板集热,并与风机相结合,与采用传统的被动式玻璃集热的做饭相比,有自己独到的优势和特点,主要表现为:(1)热效率高:（2)良好的新风系统:(3 )不受房间朝向与空间
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的约束；(4)经济效益好:(5) 应用范围广泛。 2太阳能采暖通风设计中的注意事项 2.1节能与舒适兼顾的太阳能采暖
太阳能采暖依靠的是白天最大限度地获取太阳光热,因此需要增大建筑向阳面,增强集热效果。但是窗户过大,会带来室内环境的不舒适,而且夜晚有热量损失,所以在建筑平面和 断面设计中,功能的设置要充分考虑到温度、热量和光照的变化。建筑外墙对光热和空气的穿透性以及墙体本身的通透程度应当是可调控的,以便可以根据气候条件的变化作出调整。另外,不同的太阳能采暖方式具有不同的特点,需要结合建筑类型与功能进行设计使用,不能生搬硬套,形式与需求的统一是实现节能与舒适兼顾的保证。 2.2适宜技术层面的通风组织
在通风设计中应当遵循“思路先行、设计统筹、技术简单”的原则。首先分析建筑所在 的环境条件,由此确定加强自然通风的措施。如果有较为理想的外部风环境,且建筑朝向夏季主导风向,房屋进深不大,则可以利用风压形成穿堂风。如果自然风不稳定,或者受高大建筑、植被的影响,建筑周围不能形成足够的风压,就要利用热压实现自然通风。因此,这两种通风手段是不可分割的,设计时要统筹安排,全面考虑,争取实现效果最优化。 3结语
我国过去主要发展的是被动式太阳能技术,建筑功能单一,技术较为简单。虽然在国家大 力倡导节能设计的大环境下建成了部分示范工程,但是推广力度不大。因此,今后政府部门在加强宣传的同时,应当发展多层次、全方位的太阳能技术,并与建筑全面结合；另外,应当在国家政策的引导和鼓励下,加强太阳能建筑技术的产业化发展、市场运作,既重视社会效益,又重视经济效益,这样才能快速推广、稳步发展。相信随着太阳能技术的大力推广,在我国终将出现房屋舒适度逐步提高、建筑物总能耗下降的趋势。 参考文献
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2.王荣光,沈天行.可再生能源利用与建筑节能[f].北 京:机械工业出版社,2004.
3.李安桂,郝彩侠,张海平.太阳能烟囱强化自然通风实验研究[J].太阳 能学报,2009.
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