被动式太阳能建筑（精选9篇）
被动式太阳能建筑 篇1
0 引言
按照参考文献[1]的规定, 西藏大部分属于气候严寒或寒冷地区, 随着西藏地区经济的发展和生活水平的提高, 自2003年起以拉萨为代表的大部分城市被列入了供暖区域, 各企事业单位也陆续开始对偏远县城营业楼进行供暖建设。但是由于长期认识不足, 这些地区的绝大多数建筑均未采取任何保温及蓄热措施, 导致各建筑的能耗普遍远远高于国家节能标准;同时由于工程所在地的环境特殊以及常规能源的缺乏等原因, 采暖系统在应用过程中产生了诸多问题, 甚至是系统瘫痪。
西藏作为全国日照时间最长、辐射强度最大的地区之一, 利用太阳能这一免费且环保资源的条件得天独厚。该地区作为一片高原净土, 利用太阳能资源实现绿色建筑甚至零能耗建筑的目标, 终将会被提上日程。太阳能资源具有能源密度较低的特点, 只有当围护结构保温性能较好时, 才能有效维持建筑内温度。因此太阳能建筑首先必须是保温性能较好的节能建筑。目前太阳能采暖建筑在我国还没有大范围推广, 究其原因主要为相对于常规供热采暖系统, 太阳能供热采暖系统初投资大 (主要是针对保温性能的建筑节能改造, 以及太阳能系统自身的投资) 。
本文借鉴前期工程的经验与教训的同时, 在建筑节能改造的基础上, 利用被动式太阳能技术对西藏偏远县城建筑下一阶段的供暖方案进行优化, 与此同时对改造后系统的节能效果以及投资回收年限进行分析, 以便于用户综合考虑。
1 被动式太阳房简介及在本工程应用中注意的问题
目前对太阳能采暖系统的利用主要为主动或被动式太阳房两类:主动式太阳房是利用安装于屋面或地面等部位的集热装置收集太阳能, 然后将能量通过泵或风机输送至各用户的系统。因此其需要一定的能量输入, 来驱动系统运行;被动式太阳房是利用合理的建筑朝向、房间布局以及合理的建材选择等, 自然的获取和利用太阳能的建筑。该系统的主要优点是系统组成相对简单, 没有复杂的设备系统、没有动力装置, 因此系统初投资低、不需要进行日常维护。西藏偏远县城建筑环境特殊 (在漫长的冬季由于大雪封山, 接近半年的时间完全与世隔绝) 以及常规能源的奇缺 (很大一部分站点, 冬季没有稳定的电力及自来水供应) , 因此被动式太阳能房无疑是该区域最佳的系统选择。
被动太阳房按照收集太阳能方式的不同, 可以分为下列三个大类:
1.1 直接受益式
直接受益式的主要特点为:南向的窗墙比较大, 太阳光可透过窗户大量直接照射进室内。南向有玻璃窗的房间, 都可以看作是简单的直接受益式太阳房。直接受益式太阳能房如图1所示。
1.2 集热蓄热墙式
集热蓄热墙式太阳能房的主要特点为:在南向设有垂直的集热蓄热墙, 用以吸收穿过采光面的阳光, 然后以辐射、传导及对流的形式, 将热量释放至室内。为了高效地吸收阳光, 墙的外侧一般涂成深色;有时为了延长并稳定集热蓄热墙的热量吸收和释放, 会在集热蓄热墙内增加相变材料。集热蓄热墙式太阳能房如图2所示。
1.3 附加阳光间式
附加阳光间指的是直接获得太阳辐射能量的空间, 形同于南向封闭阳台如图3所示。
对于工程应用而言, 被动太阳房在设计中应注意以下问题:太阳能的能源密度较低, 对围护结构保温性能的改造是其应用前提;相对于新建建筑而言, 既有建筑的被动太阳房改造的难度更大。不但同样要考虑到运行效果以及改造成本, 还要做到减少对用户的使用造成影响;传统的被动太阳房采暖最大的缺点是受建筑朝向影响, 房间昼夜温差大、房间内南北朝向热不平衡等, 因此应根据建筑的不同形式选择被动式太阳能系统。
营业楼类建筑的性质决定其均为白天使用, 而且要求对既有建筑的改造最小, 投资也最省。根据这些要求, 直接受益式被动太阳房无疑是最佳的选择。在本工程中, 只需将南向各房间的窗墙比改造到0.5左右, 便可利用透过窗户的太阳辐射热使这些房间成为被动式太阳房。同时针对被动太阳房采暖的缺点, 各房间进深不宜过大 (进深从5.1 m增加到8.1 m时, 温度降低值约为3℃[3]) ;在建筑的总体布局上应将需要保证房间温度的, 如会议室、营业大厅、办公室等都布置在南向, 而将走廊、库房、卫生间等次要房间布置在北向。
2 现有建筑的基本情况
2.1 项目所在地的气候特点
隆子县某营业楼位于拉萨偏远地区, 建筑面积420 m2, 所在地气象数据如表1、图4。
从表1中可见:该地区的采暖期接近半年的时间;全年温度均较低, 即使在夏季温度仍低于采暖室内设计温度18℃的要求;该地区的年日照时数高达2 984 hr, 太阳能资源极其丰富。
同时根据一期试点工程的系统运行情况, 该县城冬季水、电供应不稳定, 冬季无法运进常规能源及损坏后需要更换的零部件。
2.2 现有建筑围护结构热工性能分析
根据直接受益式被动太阳房能源密度低的特点, 首先应对建筑围护结构的保温性能进行判断。根据规范要求, 影响建筑室内热环境与建筑能耗的四个因素为:建筑体型系数、建筑窗墙面积比、围护结构传热系数、建筑门窗的密封性能, 对上述四个因素进行计算与分析, 得到结果如表2~表5。
从表2的计算结果可以看出, 该营业楼建筑的体型系数大于0.3, 说明现有建筑的单位面积所对应的外表面积大, 热损失大。
从表3的计算结果可以看出, 该营业楼的西向的窗墙面积比大于0.35, 热损失较大。且南向房间的窗墙比仅为0.19, 说明设计者当初未考虑直接受益式被动式太阳能的利用。
从表4的计算结果可以看出, 外墙传热系数比国家标准大5倍左右;屋顶传热系数比国家标准大1.7倍左右。
从表5的计算结果可以看出, 外门窗传热系数比国家标准高2倍左右;外门窗密封性能很差, 远大于国家标准为0.5 h-1的要求。
基于上述系列热工性能计算, 可以得出该建筑的热工性能非常差, 各项指标均远大于国家对于寒冷地区的限值要求。导致由于维护结构的冷壁面辐射, 室内的热环境较差;由于建筑的保温性能很差, 建筑能耗非常大。因此针对本工程而言, 在进行直接受益式被动太阳房改造工程前, 应先增强围护结构的保温性能。
3 现有建筑的被动太阳能房改造
3.1 建筑围护结构保温改造
考虑到营业楼的能源供应的不稳定, 因此应保证在24 h停止采暖的条件下, 房间最低温度应不低于5℃ (规范要求的防冻温度) 。经计算满足此要求时的围护结构保温性能应比国家标准高20% (表6) 。
改造后的负荷及能耗如表7。
改造后可节约一多半的能耗及运行费用, 而且维护结构节能改造后可以极大地提高室内的热舒适度, 进而提高工作人员及顾客的满意度, 还可以提高采暖系统的可靠性。
3.2 建筑被动太阳房改造
建筑的非透明围护结构部分通常是由混凝土或砖等热惯性很大的建筑材料组成。因此当温度波动时, 伴随着自身的蓄放热过程, 可起到温度延迟及衰减的作用。建筑的透明围护结构, 通常由投光率较高的透明材料组成。这类材料的特点是自身的热惯性小, 太阳辐射透过率大。
被动太阳房主要利用围护结构等存在热惯性, 达到将蓄存的能量用来维持建筑内温度的目的。现有建筑非透明围护结构为砖石砌体结构, 在进行保温改造后, 该重质墙可较好的实现蓄放热的功能。直接受益式被动太阳房的南窗选择是工程的重点, 因为该窗在白天必须使太阳辐射顺利的通过, 使太阳能在室内蓄存;但在夜间因其为散热面, 必须具有良好的保温性能, 以维持室内温度。
综合以上因素, 现有建筑非透明围护结构进行保温改造后可满足被动太阳房的要求;南窗在采用高透光率玻璃、尽量加大窗户的同时, 也应考虑有效的保温措施, 必要时应加保温窗帘等。南窗可采用6+12+6 mm中空玻璃或保温型low-E中空玻璃, 但不宜采用高遮阳系数的low-E玻璃 (见表8) 。
3.3 建筑改造经济性分析
通过上述一系列分析得出, 现有建筑进行节能改造与应用被动太阳能房取暖后, 相对于原有系统, 不但具有极好的经济效益, 还具有良好的可靠性及社会效益。在不考虑原有系统维修成本的情况下, 仅需2.4年就可收回比原有系统多投入的资金。
4 结论
进行围护结构保温改造后的直接受益式被动太阳房, 是西藏偏远县城营业楼供暖的有效方式, 具有良好的节能、经济效益, 同时针对该地区的缺水少电的情况, 还具有稳定的可靠性。结论如下:
(1) 由于太阳能的能源密度较低, 围护结构保温改造是其应用前提, 保温性能比国家标准高20%后, 能耗及运行费用可节约50%以上;
(2) 现有建筑非透明围护结构在进行保温改造后可满足被动太阳房的要求;南向应进行改造以增大窗墙比及采用高透光率的保温型玻璃;
(3) 在不考虑原有系统维修成本的情况下, 仅需2.4年就可收回比原有系统多投入的资金。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.公共建筑节能设计标准:GB50189-2005[S].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
[2]WREN newsletter, Final Report of the World Renewable Energy CongressⅦ, Renewable Energy, 28, 2003:667-682.
[3]王磊.西藏地区被动太阳能建筑采暖研究[D].成都:西南交通大学, 2008.
[4]王磊, 冯雅, 曹友传, 等.西藏地区太阳能采暖建筑热工性能优化研究[J].土木建筑与环境工程, 2013, 35 (02) :86-91.
[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[6]中华人民共和国国家标准.太阳能供热采暖工程技术规范:GB50495-2009[S].北京:中国建筑工业出版社, 2009.
[7]邢艳艳, 刘艳峰, 易赛兰.拉萨市民用建筑采暖热源经济性分析[J].节能技术, 2008, 26 (1) :41-44.
被动式太阳能建筑 篇2
住宅与人们的生活息息相关，住宅场所的选取至关重要，对于住宅场所的选址应先对当地的地形进行考察，结合住宅所需满足的要求，充分利用有利的地形因素和当地的气候特征进行选择。建筑选址的基本原则为不破坏当地的保护区(自然景观、文物、湿地、农田)，远离自然灾害经常发生的地带，避免周围有大的噪声和其他危险源。与主要自然因素的关系如下所示：选址与光照：光照是影响当地气候的重要因素，光照中的红外线具有大量辐射热，是住宅建筑的外部热源，光照时间的长短直接影响温度，同时，光照中的紫外线具有杀菌的作用，如何获得充足的光照与选址有关。选址与风：风是另外一个重要的自然环境，夏季充足的风可以起到降温的`作用，但也不能选择太大、灰尘太多的风环境场所，在山区容易形成“风口”这种灾害，选址时应避免，同时也不宜选择低洼场地，这样会造成通风不足。对于风这个因素应该考虑冬季风较小，夏季风较大的地方。
2.2建筑群体的布局与节能
在建筑群体布局上，根据当地的环境因素进行合理的规划，通过改善建筑群体的布局可以改善建筑与建筑之间的微气候，从而达到节能的效果。将建筑群体按统一的朝向进行布置的方式成为行列式，这样的布局有序，显得比较整齐，可以获得充足的光照，利于建筑与建筑之间的通风，这种布局方式应用比价广泛。将住宅沿着街道进行布局称为周边式布局，这种布局容易造成住宅得不到足够的光照，建筑之间通风也不畅快，适合寒冷的地区。将住宅前后进行交错式排列称为自由式布局，这种方式在节约土地的同时，还可以得到足够的光照，增加了住宅室外活动的空间。
2.3建筑单体的设计与节能
设计光照分区：对于用户来说，不同的房间对光照的需求不同，一般的按用户活动时间长短将房间划分，其中主卧活动时间最长，次卧次之，然后是书房等房间。在对住宅建筑设计时，首先要根据光照因素设计用户主要活动的房间，将光照弱的区域设置为次要房间。设计采光分区：在设计住宅时，将对采光需求大致一样的房间布局到一块儿，比如主卧和起居室对采光要求较高可设置为南向，而对光照需求较低的厨房和卫生间可设置为北向。通风设计：在小户型的住宅中，常会出现卧室和客厅缺风、厨房的油烟无法全部排除等问题，这与设计之初对通风的设计有关，为了达到较好的通风，需要对住宅进风和出风口进行合理设计。根据对进风口和出风口的大小和位置的设计区别，获得的通风效果也不一样，为了获得充足的通风，在布局时要尽量减少气流迂回，尽量保持进风口与出风口对位。设计动静分区：在满足用户建筑使用功能的前提下，将对噪音要求类似的房间布局在一起，比如厨房、卫生间对噪音要求较小可设计在一起，而卧室和书房对噪声要求较高，可设计布局在一起。墙层保温设计：建筑墙层保温主要包括外立面和外墙内保温和外墙外保温，外立面主要是通过颜色来实现保温，当采用浅色墙面的时候，建筑对光照反射的作用会加强，而采用深色则会降低墙面的反射作用。
2.4建筑窗户的设计与节能
建筑中的窗户连接着建筑的外部和内部，光照、通风等都是通过窗户来进行的，窗户的设计在整个建筑设计中起到关键的作用。根据建筑所在地的不同，对窗户的面积、朝向等的设计也会不同。建筑的窗墙比为建筑窗户的总面积比上建筑的总面积，由于窗户具有高的耗热特性，当窗占比较大时，室内散热量也会增大，但室内的采光和通风比较好，当窗占比较小时，散热量减小，同时室内的采光和通风也会随之下降，如何设置窗占比，应该结合当地的气候环境和住户对采光和通风的要求来综合考虑。
2.5建筑绿化与节能
探索中国特色的被动式建筑 篇3
这3个小区都获得了住建部科技发展促进中心和德国能源署被动房质量标识，成为被动式建筑在中国的典型。
被动房既节能又舒适
据了解，“被动房”概念源于上世纪90年代的德国，是指在制冷和采暖最大程度避免使用传统化石能源，仅靠建筑自身被动性地产生的能量以及合理利用太阳能、地源等再生能源，以满足室内气候环境要求的舒适度的一种房屋。主要是通过高隔热隔音、密封性强的建筑外围护结构、热回收75%以上新风系统和可再生能源实现。
住房和城乡建设部建筑节能中心国际合作交流处处长张小玲向记者介绍，被动式建筑必须具备明确的室内环境指标及能耗指标。如果不满足这些条件，就不能被称之为被动房，要防止市场上偷换概念的现象。
张小玲强调，在资源和环境越来越紧张的情况下，被动房的出现恰恰是为人们提供舒适室内环境而又将能源消耗控制到最低和不增加环境压力的房屋，是可以留给子子孙孙的房屋。国家层面还没有被动式房屋的政策或资金支持，但越来越多的开发商和建设单位愿意自担风险建设被动房。这说明，被动房是可以靠市场本身发展起来的。如果我们进行被动式房屋改造，则可以逐步减少和消灭雾霾。
精细化是关键
3个小区成功拿到住建部科技发展促进中心和德国能源署被动房质量标识来之不易，其间反复整改，每个开发商都有一堆的故事可以讲述。这对我国建筑行业本身带来巨大的挑战，当然也收获了很多宝贵的经验。其中精细化设计，精细化施工，以追求房屋性能来选择和改造技术、产品要求是极为重要的。
张小玲介绍说，被动房必须遵守无热桥原则，并应充分利用当地资源条件、自然通风、自然采光。因此，在设计阶段特别要强调精细化，所有节点都要进行非常认真仔细的能耗负荷计算，以确定保温层厚度、窗户的性能、选择新风机组等。建筑师和设备工程师要紧密配合才能达到花最少钱，达到最好效果的目标。
在施工阶段，以往粗放式的施工完全没办法来做被动房，其中要处理好每个洞口、缝隙，铺好每一块保温板、做好每一个连接节点。这对我国施工技术和管理队伍的建设也带来了巨大挑战。每一个成功项目的背后都有建设方所付出的心血，3个项目的老总无一例外地亲自在工地上监督检查工程质量，督促整改。张小玲强调，建设被动房切忌急功近利，不能边设计、边施工。只有设计方、建设方、施工方的紧密合作才能建造出合格的被动房。
并且，被动房对每一种产品都有明确的指标。要求从满足被动房的性能出发选择技术和产品。有些建筑部品无法满足需求而不得不从德国进口，例如窗户与墙体连接处的防水透气膜、窗户的密封材料等。
在张小玲看来，被动房屋对建筑部品的精细化和高品质要求，导致整个建材行业的产业升级乃至行业革命。
因地制宜发展
张小玲认为，被动式房屋是一种理念，它是在当地气候条件下所能做到的最节能的建筑。充分利用当地的资源条件发展被动式建筑是被动式房屋的一大优点，如青海的被动房就会充分利用太阳能资源来解决采暖、新风预热和生活热水，哈尔滨的被动房会利用当地丰富的生物质燃料来满足冬季新风预热的需求。
国家建筑材料工业技术情报研究所常务主席、中国被动式集成房屋材料产业发展联盟副总编刘思敏向记者介绍说，由于被动房引入我国时间较短，部分消费者不了解，误以为被动式建筑是“高大上”的建筑。其实，被动式建筑的整体造价与传统建筑相比较，仅仅是高出大概10%左右，是能够被大多数普通消费者所接受的。而且因为它的节能环保特点，价格高出来的那部分也能在3到5年的时间节省下来。
“未来，被动式房屋是绿色建筑发展的一个方向，其中关键一点是降低成本，包括整个生命周期的成本。欧洲的节能技术的确值得我们学习，但是一国有一国的国情，我们不能完全照搬，一定要把我们的人均居住面积，对环境的要求、能源结构、生活习惯等建筑因素考虑进去，做中国的节能解决方案。”作为节能建筑的优秀企业家，北京海林节能设备股份有限公司董事长李海清对被动房寄予更多厚望。
抓住机遇，不断探索
新型城镇化为我国被动式建筑的发展带来难得的机遇。国务院发展研究中心社会研究部第二研究室主任周宏春认为，其中对太阳能发电及相关设备和材料，隔热、隔音、隔水等新型建材，以及新技术、新产品的开发带来了新的需求。因此，绿色建筑的发展在为相关产业创造需求的同时，也会带动我国的经济增长。
刘思敏介绍，基于被动式建筑开发的被动式建筑材料和能源环境系统在我国也取得了部分突破。比如，2012年国内窗企森鹰集团与德国“被动式节能屋研究所”合作，研制出一款符合被动式房屋用窗标准的产品。而国内知名企业清华同方推出的被动式建筑能源环境系统，采用热回收技术、低温空气源热泵技术和空气过滤等多功能空气处理技术，不仅实现了夏季制冷、冬季制热、提供生活热水等功能，还能有效控制室内温度，并可以全天候不间断输送新风，同时将空气流动所产生的灰尘、污染物降到最低；热回收效率达到75%以上。上述材料与系统，已成功运用于中德合作的被动式建筑示范项目之中。
被动式房屋太阳能综合解决方案 篇4
太阳能综合解决方案涉及建筑围护结构、遮阳、照明、亮化、热水、新风及供热制冷等领域。通常被动式节能房屋通过采取保温材料降低墙体导热系数, 降低建筑能耗。较早时期, 设计师在南立面光照充足之处安装呼吸墙, 其功能为:夏季降低阳光直射辐射能量, 减少太阳辐射对冷负荷的波动峰值;冬季将该部分能量通过空气流通送至室内, 降低采暖冷负荷。近几年随着太阳能设备的日益成熟, 南立面通常选择安装成品设备, 提供建筑能用热或用电能量。
传统式被动式节能房屋往往设计阳光间, 阳光间采取南向大面积采光, 从而提高冬季太阳辐射的能量, 降低热负荷, 对于冬季供暖能量的消耗提到积极的作用, 但夏季容易造成阳光间温度过高, 且影响空气南北方向流通, 即使采取通风措施, 仍有相当部分辐射热量无法消除。采用真空管集热器安装在阳光间外的型钢构件上, 根据安装角度和建筑所在地不同季节太阳高度角调整各支真空管的间距, 在夏季中午前后3~4小时阳光不能直射入阳光间 (图1) , 降低阳光房的辐射能量。冬季太阳高度角较低, 阳光可以通过真空管之间的空隙进入阳光间 (图2) 。
通过采用真空管集热器遮阳措施既保持了传统阳光间的优势, 又避免了夏季高温的劣势, 改良了传统阳光间, 提高室内舒适度。图3为案例室外实景, 图4为室内实景。
建筑房屋的遮阳种类繁多, 分类方式根据安装位置 (室内、室外) 、固定方式 (固定、可调) 、控制方式 (自动、手动) 等进行分类。与传统遮阳构件单一遮阳功能不同, 太阳能设备遮阳既能实现传统遮阳的效果同时还能将该部分能量转化为有效利用能源。在规划、设计初期设计遮阳方案不仅消除事后安装的视觉影响, 还能丰富建筑南立面造型, 做到既美观又节能。太阳能产品有光伏产品遮阳 (图5) 和光热设备遮阳 (图6) 两大类型。可调节遮阳系统夏季SC=0.3, 可以有效遮挡阳光, 降低制冷负荷;冬季SC=0.7, 可以充分利用阳光提高室内的温度, 降低采暖负荷。
新风系统为调节室内新鲜空气的温度与湿度, 满足室内住宅生活条件, 保证空气清新指数。太阳能新风系统分为两类处理工艺。
其一, 直接利用太阳能收集热量, 改变空气密度差, 形成热拔风, 将太阳能收集热能转化为新风流动动力, 加速空气流通, 改善室内空气质量。气流组织:室外空气——地道——室内——太阳能烟囱——室外。冬季利用地道风作为新风, 通过杀菌、除尘、加热后送入室内, 改善室内空气质量, 有效避免因开窗通风带来的热量损失。地道风管道埋深5m, 管材为混凝土管, 管径600mm。
据初步测算, 在山东地区室外温度5℃以上时, 采用地道风+太阳能烟囱可升温约12℃, 能够提供18℃以上新风, 此时无需启动供暖系统, 大大降低了采暖能耗。
夏季送风温度22℃, 可实现夏季不使用空调设备, 通过采用该系统, 夏季空调能耗由5.5k WH/m2降低为0.59k WH/m2。
其二:利用转轮除湿机降低空气湿度并适当调整空气温度, 转轮分为吸湿区和再生区。空气中的水分在吸湿区被除掉后, 鼓风机将干燥后的空气送入室内。吸收了水分的转轮移动到再生区, 这时从逆方向送入的再生用空气 (经太阳能加热升温) 将驱除水分, 使转轮连续工作。
供暖系统中, 确定热负荷后, 热媒温度的设定对太阳能的保证率影响非常大, 主要从两个方面影响, 首先热媒温度的提高, 导致太阳能集热系统进、出口的温度提高, 从而降低集热器的集热效率;其二, 在管路、保温措施不变的情况下, 热媒的升高必然导致系统的热损增大。供暖系统中热媒的设定温度, 取决于设备散热设备的选型种类:表1为室内散热设备的热媒参数要求。
通过不同散热设备中热媒的温度设定对比, 在太阳能供暖系统中优选毛细管网, 其次地板辐射采暖, 再次风机盘管系统, 不建议采用散热器做为室内散热设备。
当建筑冬季需要供暖、夏季需要制冷时, 考虑设备的通用性, 优先选用毛细管网 (配合新风系统) , 其次选用风机盘管系统。
太阳能制冷系统通常采用吸收式空调机组或吸附时空调机组与太阳能集热系统配合, 在制冷系统中, 机组的高温驱动介质温度通常要求在80℃以上, 可以选择中、高温集热设备 (譬如槽式集热器、菲涅尔式集热器) , 该类集热器的尺寸较大, 需要较大平整场地, 考虑到民用建筑安装集热器的场地尺寸较小, 且比较零散, 一般很少采用中、高温型集热器。在实际工程中, 多采用玻璃——金属集热器 (“U”型管或热管) , 集热系统设计为承压系统, 且配备缓冲水箱, 在太阳能辐照三类区域即可驱动空调机组正常工作。
考虑到太阳能间断性和不稳定性, 无论供暖、制冷均需要配备辅助能源 (稳定能源) , 选择时可结合工程所在地稳定能源的供给情况和工程运行费用等条件, 综合考虑、优化选择。辅助能源的设计装机容量按最大供给负荷选择, 不考虑太阳能贡献率, 确保最不利条件下, 保证建筑内的设计参数指标。
采用太阳能作为综合能源解决方案的建筑中, 热水不再单独自成系统, 通常与采暖、制冷统一考虑, 辅助能源相互补充, 减少设备投资。
照明、亮化系统:二者均属于太阳能光伏系统, 近年多采取并网发电系统。通过城市电网与电力的综合配送, 提高设备利用率, 提高收益率。
在地下车库等24小时需要照明的场所, 亦可以安装光导管 (屋面部分图7, 室内部分图8) , 降低能耗, 减低运行费用。
以上部分介绍被动式节能房屋常用太阳能技术点, 在实际工程设计中, 需综合考虑建筑设备投资与运行费用两项因素, 综合考虑太阳能为建筑能源消耗提供能量占比。下面以山东德州地区所建工程为例进行说明。
工程位于中国德州太阳谷内, 隶属“七星”别墅建筑群中的“土星”别墅。在项目规划阶段, 大胆构思——借鉴传统陕北窑洞的节能理念, 结合工程所在地地形采取覆土建筑模式, 降低建筑能耗。
建筑能源设计理念:天地结合互补:天——太阳能;地——土壤源。开源、节流并重:开源——尽量利用太阳能为主的可再生能源;节流——做好建筑维护结构, 最大限度地减少建筑能量负荷。
“土星”别墅主要节能技术点 (图9~12) 分为主动和被动两大部分, 能源供给采用以太阳能为主的综合解决方案。
建筑设计指标
建筑耗热量指标:<10W/m2
建筑自身节能:>75%
综合节能率:>90%
被动式太阳能建筑 篇5
太阳能作为可再生能源,在建筑中的应用日益广泛。特别是20世纪90年代以来,太阳能建筑受到世界各国的普遍重视。我国太阳能建筑应用研究始于20世纪70年代末。1976年我国甘肃省民勤县建成第一座被动式太阳房。“六五”、“七五”、“八五”计划期间,国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目。因此我国太阳能建筑得到了迅速发展。应用于建筑中的太阳能技术包括主动式太阳能技术和被动式太阳能技术。根据我国北方地区住宅建筑的特点以及目前的经济技术水平,被动式太阳能技术以其低技术,低造价,不需借助其他动力,对太阳能利用的直接性等优点,成为目前北方地区住宅建筑中切实可行的太阳能利用方式。
但是,目前我国的住宅建筑体系缺乏与被动式太阳能技术的一体化设计。出现了被动式太阳能系统使用效率低、破坏住宅主体结构、设备管线不易维护、不易与建筑体系结合等问题,不能充分做到住宅建筑体系的可持续发展。由此可见,对国内现有集合住宅建筑体系的改进势在必行。
本文旨在现行住宅体系中引入SI住宅的思考方法,研究寒冷地区多层住宅中适合于被动式太阳能技术应用的室内构成原则和构法体系。在南向房间、南北房间二个层面上研究被动式太阳能技术,在多层住宅中的应用方式和工作原理,并探讨其与SI住宅体系结合的可能性。研究的具体方法是在对被动式太阳能技术和SI住宅体系深入理解的基础上,通过对多层住宅的分解,按从局部到整体的方法,首先从南向房间分析其构成及各种节能构件性能;进一步引申到南北房间的能量循环。同时,结合剖面图分析和国外相关实例,对被动式太阳能技术与SI体系结合的适应性做深入探讨。
2、被动式采暖技术与SI体系结合的适应性
被动式太阳能采暖是指不依赖于机械功,通过建筑的朝向、材料、构造和结构的适宜选择,使其在冬季能集取、贮存、分布太阳能,从而解决建筑物的采暖问题的技术。
SI住宅的原型“开放住宅”是荷兰学者哈布拉肯教授在1960年提出的理论,此理论将住宅分为承重结构部分(S=Skeleton)和除此之外的内装、设备部分(I=填充体Infill),由此简称SI住宅;SI住宅主张强化S部分,尽可能延长其寿命,并将I部分设计成可最大限度进行自由改变的系统。其精髓就是提高承重部分的耐久性和填充体部分的可变性、更新性。
以下本文将根据SI住宅体系和研究方法,将多层住宅体系分解成南向房间、南北房间二个层面进行分析,论述住宅空间与太阳能利用之间的关系。
2.1 南向房间
多层住宅南向房间可以看做是由结构体、外围护结构、天花及楼板、和内墙体等几部分构成。在SI住宅体系中结构体作为住宅的承重部分是不可变的;而外围护结构、天花及楼板和内墙体都可作为住宅的填充体部分实现部品化生产。因此,下面本文将探讨这三者与SI住宅体系结合的可能性。
2.1.1 围护结构
外围护结构作为住宅的重要组成部分,对于住宅的冬季保温有着重要的作用。近年来,关于通过设置外挂构件改善住宅外围护结构,降低住宅能耗和改善室内热环境的相关研究已比较多。比较常用的外挂采暖构件包括集热模块和阳台等。
集热模块的构造如图1所示由外至内分别为玻璃盖板,自动卷帘,及由吸热板和苯板组成的集热保温板。在玻璃盖板与集热保温板之间设空气间层,自动卷帘位于空气间层上方。在集热模块的上下都设有通风口和温控风门。集热模块可安装在南向房间窗户两侧,并固定在上下楼板之间,同时与墙体留有一定的空气间层。采用集热模块的集热蓄热墙工作原理如图2所示:冬季晴朗白天卷帘卷起,夹层内空气被加热,上下风门开启,热空气由上风口进入室内,室内低温空气由下风口进入夹层,形成热循环加热房间,同时集热蓄热墙体向室内传热并储存部分热量。冬季夜间,卷帘放下,阻挡热辐射散失,上下风门关闭,依靠墙体储存热量释放到室内加热房间。
与集热蓄热墙体不同的是,阳台起初作为住宅的半室外活动空间设计,并不具有更多的节能作用。阳台有时与南向的起居室结合设置,有时则与南向卧室结合设置。但是,由于北方地区冬季气候寒冷,绝大多数用户习惯将阳台完全封闭变成室内空间。这种做法客观上使阳台成为了南向房间的附加阳光间,某种程度上实现了附加阳光间式太阳能利用。需要指出的是,当南向房间设置封闭阳台时,会对该南向房间集热模块和遮阳构件的设置产生影响,因此可以考虑在南向起居室或卧室的围护结构外,一个设置封闭式阳台,另一个则设置集热模块和遮阳构件,从而使两个南向房间的室内热环境都得到改善。
在现有住宅建筑体系下,这些外挂采暖构件在安装时都要在住宅施工完成后进行,并没有做到与建筑体系的一体化设计,对外围护结构有一定的破坏。若南向房间采用SI住宅体系,那么南向房间的外围护结构就变成为SI体系中的立面填充体。因此,当南向房间采用集热模块作为外围护结构的外挂节能构件时,集热模块和遮阳构件就可以与SI立面填充体结合,实现部品化生产,从而使立面填充体成为具有冬季采暖的新型的集热蓄热墙式外围护结构。而当南向房间设有封闭阳台时,则可使其成为附加阳光间,并利用SI体系的特点,实现封闭阳台的部品化,便于与住宅体系相结合,如图3所示。同时也解决了由住户自行封闭安装带来的阳台密闭保温性能较差和阳台封闭样式参差不齐影响住宅整体形式的问题。
2.1.2 天花及楼板
SI体系的结构支撑体耐久度和强度较高,有利于无梁楼板的使用,这样就为双层天花或双层楼板系统的设置提供了有利条件。而双层天花、楼板系统,则适应隔墙位置变更的被动式通风及传热系统或多功能空调系统。下面以集热蓄热墙式南向太阳房在冬季白天的能量循环为例,对不同建筑体系与SI住宅体系传热效率对比下能量利用效率进行分析。如图6所示,在现有住宅体系下,可以看到,热空气进入室内后,由于压强小,而且没有管道引导,导致热空气的温度与速度迅速衰减。被降温后的空气沿着壁面下降,直接由下风口进入集热模块。集热模块输送的热空气不能充分与室内的空气进行热交换,形成了热量的短路。这是为何许多集热模块虽然有很高集热效率,但是室内热状况依然不良的主要原因。而在SI住宅体系下,双层天花系统可以为集热模块提供一个送风管道,将热量输送到室内中心位置,使得室内内侧的人也能感受到集热模块的供暖效果。大连理工大学陈滨教授通过建设实验房实测调查、单体实验、数值模拟计算等方法,系统对比研究了影响采暖效果的因素及在改善策略下的运行效果,证明了没有风机的条件下采用管道输送热量的实验房比没有管道输送的对比实验房的湿度要高出20%左右。管道输送热量的实验房在室外温度零下14度的冬季,室内温度仍然达到了11度,没有管道输送的实验房室内平均温度相比之下低1～1.5度。但是房间深处即远离集热器一侧,二者温度相差则在2～3度左右。
2.1.3 内墙体
采用SI体系的南向房间的内墙体可以灵活分割,这样对于室内能量传递是十分有利的。例如当南向房间利用封闭阳台作为附加阳光间进行热量收集时,可以在阳台和相邻房间之间设置SI填充墙体,这样,封闭式阳台与相邻房间之间的分割就可以由用户的需要自主设置:白天将隔墙打开,阳台与周围房间形成一个整体利于收集的太阳热并将其传递到其他的房间;夜间将隔墙封闭,此时的阳台作为一个缓冲区可以避免白天收集到的热量在夜间损失。
2.2 南北房间能量传递
经过本文之前的论述可知,通过利用集热模块和封闭阳台可以与SI体系相结合,可以有效改善南向房间在冬季的室内热环境。但是在寒冷地区,住宅北向房间由于缺少日照在冬季仍然十分的阴冷。而如果能将南向房间收集到的热量通过某种渠道传递到北向房间,就可以改善北向房间在冬季的室内热环境,从而进一步降低住宅的能源消耗。下面便是笔者尝试运用SI住宅体系以集热蓄热墙式太阳房及其北侧房间为研究对象,为实现南北房间的能量传递所做的相关研究。
2.2.1 能量传递原理
由剖面图可知,南北向房间能量传递的主要障碍是南北房间的分隔墙。如果能够建立一个送风管道让热量传递不受墙体限制,那就可以让北向房间也分享到集热模块的供热效果。本文之前关于南向房间被动式太阳能利用论述中提出了利用SI住宅双层天花系统作为送风管道传递热量的办法。这种方法也可以适用于南北房间的能量传递。具体做法是:在顶棚下方200mm处设置天花板,二者通过南北向的条形骨架连接。SI住宅的南北分隔墙由于采用轻质填充墙体,因此可以直接固定在天花板和地板之间而不需通到顶棚,同时无梁楼板的采用使双层天花之间没有横梁的阻挡,这样就形成了由顶棚与天花板所组成的高200mm的传输管道。集热蓄热墙体的上通风口开在双层楼板之间,下通风口位于地板上方。在管道内部,分隔墙对应的位置设可控风门。
具体工作原理,在冬季白天,空气在夹层中被加热后上升,通过温控风门进入双层天花所形成的管道,向北传递,通过隔墙上方的可控风门进入北向房间,在传递的过程中通过管道向房间内散热,冷却下来的空气通过南北房间隔墙下方的可控风门回到南向房间,从而完成整个住宅能量循环过程。冬季夜间的原理与白天大致相同,不同的是卷帘放下且热量的来源主要通过集热蓄热墙体的散热。
2.2.2 实例介绍——日本舞滨样板房C栋
日本舞滨样板房C栋,是东京大学松村秀一教授为研究住宅的环境及节能技术所建设的实验性住宅,采用SI体系。由于场地条件的限制,样板房采用了独栋小住宅作为研究对象,而不是集合住宅,但是仍有一定的借鉴意义。住宅的通风技术较好的与住宅建筑体系结合。样板房采用管道输送的办法把经过热交换机处理过的空气输送到位于北侧的实验室内,同时在房间隔墙的下方开通风口,实现空气在整个住宅中的换气循环。而在住宅地板的下方,专门设置了通风道,并且与住宅北侧外墙内的拔风空气层相连,从而在夏季带走热量,实现外墙内换气。由此可见,在舞滨样板房中,无论是主动式通风换气系统还是被动式通风系统都能够比较好的结合,这也说明了SI住宅体系与可持续节能技术的结合具有一定适应性。
3、结语
寒冷地区被动式太阳房的设计 篇6
1 太阳房的平面设计
1.1 太阳房的朝向与外形
在被动式太阳房中, 只有充分获得太阳能, 并把它予以储存、释放, 才能达到被动采暖的效果, 在我国北方以朝南向为好, 因房屋的不同方位和不同的形状接受太阳辐射量不同, 因此太阳房以偏东, 西15°最为理想。其最佳形状是沿东西向伸展的矩形平面为最好。
1.2 被动式太阳房屋内设计格式要求
1.2.1 起居室
要求位于整幢太阳房的中间, 南向单独设置或与卧室内外相连;面积大于其他房间;不设火炕, 或安装户用暖气、生火炉, 或设火墙。用于会客、读书、进餐、安放家具之用。
1.2.2 卧室
住宅中的最主要房间, 一幢太阳能住宅中可分成大小不等的几室, 南向布置, 面积10~16m2, 卧室要求有充足的阳光和良好的通风。
1.2.3 厨房
厨房占地面积不大, 要求有直接对外的采光通风, 有便于物料进出的通道, 厨房内炉灶要与卧室的火炕、火墙相连, 厨房主要用于家庭炊事, 兼做洗衣、畜禽饲料的加工加热之用。
1.2.4 卫生间
近几年很多村镇安上了自来水, 有的农户在自家厨房内打了管井, 设计建造太阳房时, 考虑在卫生间内设置洗澡间、预留安装水洗厕所的位置, 还需考虑设置排水系统, 以备将来配套使用。卫生间的平面布置应密切与设备配合, 尺寸大小要紧凑, 避免浪费面积, 还应注意人在室内活动所需的基本尺寸, 并留有一定余地。卫生间最后直接采光通风, 寒冷季节应防止管道冻坏。
1.2.5 储藏间
可在房屋的背阴面单设一小间, 或设库房, 或打壁橱、吊柜。
1.2.6 平面组合
在太阳房平面布置上, 主要房间与辅助房间紧密相联, 其交通纽带是走廊过厅, 这些纽带应力求简短而实用。主要房间的卧室、起居室要朝南向布置。对于温度要求较低的房间如厕所、卫生间、储藏间尽量布置在建筑物北侧或非南向, 且要设置辅助热源, 使之在太阳房受寒面围成保护区, 从而增加了建筑物的保温措施, 提高太阳能利用率。
2 被动式太阳房的立面、剖面设计
为了完整地反映太阳房的全貌, 在进行平面设计的同时, 还要解决房屋竖向的一系列问题, 这就是太阳房的立面、剖面设计。太阳房的立面设计强调造型美观, 但不能孤立地考虑太阳房的外观形式而忽略以下几点:要以满足使用要求为前提;要适应太阳房的性质、规模、性质量标准和造价投资;要充分考虑结构的合理性和构造的可能性。
3 被动式太阳房的结构设计
3.1 墙体
寒冷地区被动式太阳房对传统的490mm厚的墙体进行了改进, 变成中空的或中间填充保温材料的复合保温墙, 其基本构造是:在房屋的东、北、西面墙体的室内一侧采用240mm厚实体砖墙承重, 墙体室外一侧采用120mm厚保护墙, 中间120mm厚的地方, 采用空气层或填充膨胀珍珠岩、矿棉、聚苯乙烯泡沫塑料板等保温材料。在寒冷地区太阳房屋的南墙表面, 由于冬季能获得较多的太阳辐射能, 通常设计成太阳能构件即集热蓄热墙, 它是由蓄热性能好的混凝土、砖或盛水的容器构成, 其外表面涂成黑色或深色, 离墙外侧100mm处加装两道密闭的透明盖层, 使其形成一个空气夹层, 在该墙的上下端, 各开一个小通风口通入室内, 当太阳光透过盖层照射在集热墙上时, 空气夹层内的空气变热而上升, 通过上下两端通风孔与室内空气进行自燃循环, 经过循环往复, 室温即可逐渐得到提高, 达到采暖的目的。寒冷地区太阳能集热蓄热墙的设计参数:面积0.43~1m2集热墙/m2地板;厚度, 砖250~370mm, 混凝土300~450mm, 水150~500mm;上下循环通风口的面积:1%~3%×集热墙面积。
3.2 窗
窗是获得太阳辐射能的主要构件, 同时也是房屋热损失最大的构件, 在太阳房的设计中, 关键是要处理好各朝向窗的配置、尺寸、构造和隔热措施。配置和尺寸:由于北方冬季太阳高度角低, 南立面阳光强烈, 而北面照不到太阳, 所以, 太阳能房的正确朝向是向南, 在房屋的南面应多开窗, 构造允许的前提下, 尽量开大南窗 (直接受益窗) , 在朝北或非南向的墙面应适当开设, 即不开、少开窗, 开小窗。只有这样才能收集到更多的太阳能, 同时减少热损失。构造:选用太阳能透过率高的玻璃;合理采用2层或3层窗;采用分档少玻璃面积大的正方形固定窗;密封处理, 防止冷风渗透;将金属窗框做成空心断面或分开, 中间填充保温材料;夜间增加聚苯保温板或保温窗帘。
3.3 屋顶
屋顶是建筑热耗面积最大的部位, 因此在进行太阳房屋顶设计时尤为注意, 其热阻值应不小于围护结构的外墙, 有时甚至使其保温性能高于外墙, 它的保温层须放在承重层外侧, 太阳房一般选择平屋顶, 其设计结构从屋顶外层起依次是:防水层;1:3水泥砂浆找平层;细石砼板 (500×500) 20mm厚;空气夹层;塑料袋装膨胀珍珠岩保温层;1:3水泥砂浆找平层;1:8白灰炉渣找坡最薄处30mm厚;屋面板。
3.4 地面
地面是集热蓄热的重要部件, 可设计成保温地面, 也可设计成普通地面, 保温地面结构:1:2.5水泥白石子;水泥砂浆结合层一道;1:8水泥珍珠岩保温层;防潮层;碎 (卵) 石灌M2.5混合砂浆垫层素土夯实。普通地面结构:1:2.5水泥砂浆抹面压实、赶光;素水泥浆结合层一道;C10混凝土垫层60mm厚;碎 (卵) 石灌M2.5混合砂浆100mm厚;粗砂垫层300mm厚;素土夯实。
辅助热源被动式太阳房不可能百分之百地依靠太阳能达到采暖的目的, 在设计中应考虑配置辅助热源, 常用的辅助热源有火炕、火墙、家用土暖气以及电暖气等, 用户可根据自身条件合理搭建和配置。
摘要：文中针对北方寒冷的气候条件, 将被动式太阳房的外部形体以及内部结构进行了全面的调整和优化, 使其最大限度地收集太阳能, 最大限度地减少热量损耗, 以达到节能环保, 经济高效的目的。
被动式太阳能建筑 篇7
池塘移动式太阳能增氧机在推广过程中取得了良好的效果,但也发现了一些诸如在长时间运行时存在水面行走机构换向不灵敏、维修不方便、钢丝绳磨损严重等问题。为了进一步提高移动式太阳能增氧机的可靠性和经济性,对行走机构和控制系统进行了改进,采用非接触式换向和陶瓷套管的方法,减小钢丝绳的摩擦损耗;对光敏传感器进行优化,以简化控制系统。本文对原池塘移动式太阳能增氧机(以下简称原型机)的水面行走机构和控制系统进行了改进及试验。
1 行走机构的改进
1.1 改进前后的结构
原型机的水面行走机构包括机构舱、导电滑环、直流小电机、牵引轮、牵引轮罩壳、导向机构、限位块组件等,安装在动力组件的支架上(图1)。
然后将牵引绳绕在牵引轮上,通过连杆,并在牵引绳上固定2个限位块。最后将牵引绳固定在池塘两侧。当导向机构碰到限位块时,内部弹簧受挤压,连杆内部磁铁碰到PVC板上的片式磁性接近开关,则直流小电机可实现换向功能[8]。但这种挤压式换向结构,在长期运行过程中出现换向不灵敏的现象,而且钢丝绳的损耗较大。
改进后的结构如图2所示,主要的改进内容为:(1)取消原来的导向机构,实现了非接触式换向,由牵引绳两端各固定一个永磁铁,在距离磁性接近开关4~5 cm时小电机就可以实现换向功能。此换向可减少摩擦损耗,而且灵活性、稳定性较高;(2)牵引轮由水平改为竖直,少了导杆限位组件,导杆中间有2个是陶瓷套管,这样就减少了牵引绳的磨损,在移动过程中更加灵活,而且还能使换向更加容易,损耗达到最小;(3)原型机的直流电机放在机构舱内部,改进后将电机放在了罩壳内部,使内部结构更加简单、接线方便、节省空间。
1.2 控制系统
原型机的控制系统如图3所示。
采用遥控方法,可以自动控制运行。系统由控制电路板、升压模块、降压模块、无线接收模块、电压调速模块组成,当光照强度达到17 000 Lx时,控制器开始检测电压是否达到可运行的工作电压,如果达到则增氧机电机启动,延迟10 s后小电机运行,并且可以实现自动换向;如果没有达到工作电压则停止工作。虽然这些功能可遥控实现,操作方便,但系统设计复杂,需要36 V、24 V、5 V三组电源,并且程序编写复杂,维修不方便。
改进后的控制系统采用光控和遥控[9],主要由光控模块、时间继电器模块、小型继电器、遥控模块组成。当光照强度达到17 000 Lx时,光控传感器满足条件,设备启动和运行,然后通过遥控模块WCM,可在45 m距离开启或关闭设备,控制变得更加高效。改进后的控制系统更加简化,可实现全部功能,并且程序编写简单、维修方便。控制系统原理如图4所示。
控制过程:在池塘试验时,液位开关SB1自动闭合,遥控模块打开,光照强度达到要求时,光敏传感器KM1导通,导通后通过时间延迟继电器KT延迟,增氧机电机M1的运行通过分压模块来控制,选择分压电阻R2为8.2 kΩ和R3为2 kΩ,得到控制电压为0~5 V,同时换向电机M2启动,行走机构开始运行,当磁铁碰到常开接近开关TCK2时,KM2继电器闭合,其常开触点打开,常闭触点闭合,行走机构换向,实现来回行走的功能。当光照强度和电压不能满足要求时,液位开关打开,遥控关断,设备停止运行。其控制流程如图5所示。用Solidworks软件设计的改进后的系统结构如图6所示。
2 试验结果
2.1 行走机构
行走机构可实现来回往复行走,移动作业面大,覆盖范围广。为了验证行走机构的可靠性,在池塘试验前先进行实验室模拟运行试验。给行走机构24 V直流电进行试验,小电机转动,5 min后用永磁铁靠近导杆的一端,在4 cm左右处,小电机反转,再将永磁铁靠近导杆另一端,小电机正转。由此证明,永磁铁可以作为一个换向信号,并且换向动作灵敏。在池塘试验过程中,选择行走机构的行程距离分别为2 m和3 m,对比原先的行走机构数据[8],每天运行5 h,分别记录带负载时的单程运行时间、累积次数、平均速度,结果见表1。
从表1可以看出,改进后的行走机构在负载情况下,单程运行时间要比原型的短,运行速度更快,累积次数更多,这主要是因为行走机构由原来的挤压式换向改为非接触式换向,挤压式换向摩擦系数大,而且会出现不灵敏现象。
2.2 光敏传感器优化
光敏传感器[10]是控制系统的关键设备。一般的光敏传感器太过敏感,在有光照的情况下就能启动,而且必须在光线很暗的情况下才会停止运行,不满足试验需要,因此有必要对光敏传感器进行优化处理。记录试验过程中不同时间点、不同光照度下的阻值及电路导通状态(表2)。
从表2可以看出,光敏传感器阻值在任何时间段和光照度下,控制电路都能保持在一个接通状态,不能满足要求。而优化后的光敏传感器在光照度达到17 000 Lx、10:00—16:00时间段内导通(10:00和16:00,光照度<17 000 Lx),且阻值≤4.2 kΩ(中间阻值<4.2 kΩ)。当在8:00和18:00时,光照度不足,并且这时的光敏传感器阻值大于4.2 kΩ,不足以达到导通的要求,控制电路关断。
2.3 增氧机性能
在同一池塘、同一时间段、同一光照度下,检测改进后和原型机的性能,分别记录叶轮转速、输入电压及电流、水波波长等参数(表3)。由表3可知,在输入电压为24 V时,原型机的转速为35 r/min,波长1.82 m,改进后的转速为34 r/min,波长1.80 m,两者相差不大。但当光照强度不是很高、输入电压为12 V时,原型机的转速比改进后的要快3圈,但改进后的可满足20 r/min的最低转速要求。由输入电压和电流可得到,当输入电压为24 V时,得到控制电压为:
原输入功率为480 W,改进后的为444 W,优化有效果。
3 讨论与分析
3.1 行走机构
原型机采用挤压式,触碰磁性开关实现换向,有时挤压过度导致不能换向,行程2 m时的运行时间为68.9 s。而改进后使用了陶瓷套管和非接触式换向,减小了钢丝绳的摩擦阻力,磨损明显降低,换向灵敏准确,行程2 m时的运行时间为65.5 s。改进后将小电机放在了保护罩内部,使得结构更加简单,接线更方便。
3.2 控制系统
原型机的控制机构虽然设计合理,但模块较多,维修不方便,改进后实现了最大化精简,通过多次试验和设计优化,保留了原有的控制技术要求,设备安装和维修也得到了简化。同时,在高电压和低电压的情况下,虽然改进后的转速比原型机的慢1~3圈,但转速能满足20 r/min的最低实际应用要求。改进后增氧机控制系统的材料成本(350元)和人工费(500元)只有原型机的一半,实现了设计预期。因此,控制系统设计合理。
4 结论
太阳能增氧机利用太阳能作为能源,运行范围大、运行时间长,一天能够运行6 h左右,符合低碳环保的设计理念。测试结果显示,改进后的结构组成更加简单、接线更方便;用陶瓷套管和非接触换向降低了牵引绳的磨损;控制系统结构简化、元器件简单、维修方便、性价比高;在行走相同距离时,改进后的水面行走机构运行时间短,行走次数多;最低转速达到21 r/min,可满足实际需要。改进后的移动式太阳能增氧机提高了使用效率,降低开发成本。
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被动式太阳能建筑 篇8
1 应用现状和存在的问题
自1975年在甘肃武威地区建成了我国第一座小型太阳能建筑以来, 各地又建成了许多太阳能建筑, 但绝大部分为被动式太阳能建筑。被动式太阳能建筑是通过建筑朝向和周围环境的合理配置以及建筑材料和结构的恰当选择, 依靠房屋本身来完成集取、储存和分配太阳能的建筑形式。它的优点是建造技术简单, 先期投资少;但它对太阳能的利用效率低, 冬季室内温度较低且温度日波动大, 室内舒适性差, 难以满足人们对房间舒适度的要求;加之所需集热体面积大, 浪费建筑空间, 无法应用于多层及高层建筑。因此, 尽管专家学者一再大力推广被动式太阳能建筑, 在城市中却始终无法推广开来。
主动式太阳能建筑是通过高效集热装置来收集获取太阳能, 然后由热媒将热量送入建筑物内的建筑形式。它对太阳能的利用效率高, 不仅可以供暖、供热水, 还可以供冷;而且室内温度稳定舒适, 日波动小, 在发达国家应用非常广泛。但因为它存在着设备复杂、先期投资偏高, 阴天有云期间集热效率严重下降等缺点, 在我国长期未能得到推广。
2 主动式太阳能房的设计
太阳房是指利用太阳能进行供暖 (或制冷) 的建筑, 它一般由集热部件、贮热部件、散热部件和辅助热 (冷) 源构成。根据太阳房在供热过程中是否采用动力, 可将太阳房分为主动式和被动式两种。主动式太阳房是以太阳能集热器、管道、散热器、风机或泵以及储热装置等组成的强制循环太阳能采暖系统;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合理处理, 以及建筑材料和结构、构造的恰当选择, 使其在冬季能采集、保持、贮存、分配太阳能, 从而解决建筑物的采暖问题。为考虑高太阳能利用率和高性价比, 本设计采用主被动结合式并以主动式为主。
太阳能供暖方式如图1所示:太阳能空气集热器在阳光的照射下可使-20℃冷空气最高加热到120℃以上。当集热器内空气温度加热到30℃时, 主送风机自动启动, 把房间阴面的低温空气经集热器进风口 (进风口安装空气滤清器) 引到集热器内加热后, 先通过总分配阀进入棚内管道, 把热空气分配到需要的房间并同时在分配阀内加热“热水加热器”, 水温达到设定要求时, 热水循环泵启动使热水加热“蓄水箱”内的水并供室内使用。当设定的房间温度超过设计温度 (18℃) 时棚内管道阀关闭, 同时自动打开通地下蓄水储热池的管道阀使热空气进入地下蓄水储热池加热水储能, 如室外气温很低, 主副风机可同时并用增强风速加快热空气循环, 当室内温度低于设定温度 (18℃) 时, 自动关闭通地下蓄水储热池的管阀, 并同时开通棚内通风管阀, 当夜间室内空气温度低于地下蓄水储热池内水温时集热器出风管自动关闭, 地下蓄水储热池慢慢释放储存的热量。
冬季如果有阴天、雪天, 无阳光的时候, 可利用辅助能源秸秆气化空气加热器、电加热、火炕、火炉给室内供暖。
夏天太阳能还可使室内降温, 调节室内温度。当夏季天气热时, 太阳能空气集热器的进风管道关闭, 并打开棚下进风口使室内的热空气进入太阳能集热器 (太阳能集热器在阳光的照射下利用热虹吸, 使集热器的空气自动流动, 会把进风口的空气自动吸入) , 集热器加热空气后进入总分配阀并打开通室外烟囱的阀门, 由烟囱加速热空气排出室外, 热空气经过总分配阀时同时加热热水 (由于总分配阀与热水蓄水箱都做保温, 因此不会影响室内的温度) , 此时阴面墙根的冷空气经进风口进入室内降低室温。
3 构造节能设计
3.1 外墙
基础采用毛石基础, 墙体采用砖墙砌筑, 外墙外皮抹50mm厚珍珠岩保温砂浆。
3.2 外门、外窗
南向有阳光室外门、外窗均可设单层, 无阳光室东侧居室设单层塑钢中空玻璃窗, 内侧附加一层涤纶薄膜, 它的保温性能与双层窗相近, 而透过率达0.65~0.70, 比双层窗要好。门窗四周均设密封条, 南面大窗户设置窗帘。窗帘用厚织物制作。内附1层镀铝塑料薄膜, 既可反射热长波, 又可阻挡冷风渗透。
3.3 地面及屋面
地面-60mm处抹防水水泥砂浆20mm厚作为防潮层。室内沿外墙内侧1m范围内, 地面结构层下铺200mm厚炉渣保温。
屋面板采用YZJ轻体保温板, 保温效果好造价低, 屋面和防水层参照吉林地区的镀锌铁皮防水屋面, 不但防水性能好防风密闭性也优越。造价低廉, 是瓦屋面的三分之一, 寿命可达到30年以上, (也可采用彩板防水, 或者瓦屋面) 。此种坡屋面是平屋顶苯板保温、卷材做防水的做法成本的三分之二, 而且保温性能和防水性能更优越。
4 技术与经济效益分析
本设计采用复合材料一体成型太阳能空气集热器, 集热器面积:建筑面积=1:8, 若建造一幢120m单层农村民房, 120m房屋用15m2集热器, 太阳能集热器400元/平方米, 集热器6000元+配套设备8000元=14000元, 14000-5000 (原暖气) -3000 (热水器) =6000元。风机400W功率平均每天使用4小时, 合计耗电每天1.6度, 每度电0.5元, 每天耗电0.8元, 以5个月采暖期计共用电费用为120元。500元/平方米*120平方米=60000元增6000元计66000元。传统采暖每户每年用煤3.0t, 采用太阳能采暖每户每年只需要辅助采暖0.4t煤, 用电费用合计0.24t煤, 因此每户每年可节煤2.36t, 每吨煤以500元计, 则不考虑物价上涨等因素, 太阳能房所增加的6000元费用4年可收回 (6000÷ (500元×3) =4年) 。北方寒冷地区农村人口现有约15000万人, 按每户3口人计算, 共有50000万户, 每户每年可节煤2.36t, 如果全部建成太阳能房, 每年全东北地区农村可节煤118000万吨, 节约资金5900亿元。因此在东北农村建造太阳能房, 具有巨大的经济效益, 同时减少了大量的燃煤废烟气排放, 也将获得较好的环境效益。
结语
随着我国乡村生活水平的提高, 农村居住建筑的耗能量也在不断上涨。为了改变传统农村住宅热工性能差、建筑耗能大的现状, 在北方寒冷地区农村建造主动式太阳能房, 使室内保持稳定、舒适的温度, 其推广应用前景非常乐观, 可有效的缓解我国能源紧缺局面, 改变广大农民千百年来传统取暖方式, 显著提高农民生活水平, 对广大农村普及应用节能住宅具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。
参考文献
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[4]王立雄.建筑节能[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.
主动式太阳房的设计应用 篇9
太阳能作为新能源, 目前已经成为国内外研究的热点。比利时的LV.Polle通过实验方法分别测定和比较了玻璃和塑膜内壁凝结对太阳能透射率的影响[1]。北京林业大学研制的太阳能用于木材干燥系统验证了太阳能应用于木材干燥工艺的流程及效果[2];繆恩等介绍了太阳能干燥室干燥硬杂木的工艺[3]。
1 主动式太阳房
主动式太阳房的设备主要包括:太阳能集热器、储热水箱、辅助热源及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等。主动式太阳能建筑就是通过高效集热装置 (太阳能集热器) 来获取太阳能, 然后通过媒介 (空气或水系统) 将收集到的热量送入建筑内的建筑形式。
2 太阳能集热器
按集热管产品划分可以将集热器分为平板式、全玻璃真空管式、热管真空管式等[4]。平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器是目前市场上比较常见的两种集热器类型[5]。
3 别墅建筑采暖系统实例
3.1 工程概况
本文以大连市一栋占地面积为196.87 m2的单栋双层别墅型建筑为对象进行设计。相关参数如表1所示, 计算结果见表2。
3.2 太阳能采暖系统原理
太阳能采暖系统原理图见图1。
3.3 自动控制系统
本设计采用半自动控制系统, 主要包括自动监测水温、自动监测水位、定温进水、贮水箱水满后自动转入温差循环、早上8点自动开启热泵系统等。
当T1>50℃时, 控制器启动水泵, 水进入集热器中加热, 并将集热器中的热水压入水箱中。当T1<40℃时, 水泵停止工作, 同时为了防止集热器夜间的损失加上止回阀。当蓄热水箱温度T3>45℃时, 开启水泵进行采暖。当阴雨天或冬季光照强度弱的时候, 开启三通阀, 利用辅助热源加热。
3.4 太阳能采暖系统主要参数
根据选定的建筑, 可以确定太阳能采暖系统的主要参数 (如表1所示) 。根据这些参数可以计算出太阳能集热器面积和储热水箱有效容积。太阳能集热器面积的确定依据是建筑供热负荷和集热器有效集热强度。建筑供热负荷可由当地采暖热指标和建筑面积确定, 本文依据国标确定大连地区建筑采暖热指标为40 W/m2[6]。平板集热器在大连地区的有效集热强度需要通过具体测试数据获得, 这里取0.242 k W/m2[7]。
3.5 太阳能建筑采暖方式
针对我国目前采暖技术的发展现状, 采暖方式一般采用低温热水地板辐射采暖系统, 这种系统以不高于60℃的热水作热媒 (适合太阳能集热温度不高的特点) , 在埋设于地面填充层中的加热管内循环流动, 通过加热地面, 然后以辐射传热方式向室内供热。
3.6 采暖热负荷计算
民用建筑采暖热负荷计算有两种方法, 一种是理论计算法, 根据太阳房耗热量, 围护结构散失热量, 空气渗透量等计算采暖热负荷;另一种是指标估算法, 民用建筑节能设计标准给出了大部分城市的面积热指标, 所以工程中也可以通过简单的面积热指标估算法来计算采暖热负荷[8]:
其中, Q热为建筑耗热量, k J;AR为建筑面积, m2;qzb为面积热指标, 40 W/m2。代入数据得:Q热=3.6×393.74×40×24=1 360 765 k J/d。
3.7 贮热水箱容量计算
水箱的容水量要根据太阳能地板采暖日需热水量进行设计。贮热水箱与集热器上下水管相连, 供热水循环用。由于生活用水温度较高, 所以在贮热水箱内部设立一个水箱与生活用水相连, 将该水箱与空气源热泵相连。为了避免生活用水温度过高, 在洗浴热水管路上设置自来水进口, 以实现混合降温的目的。只要系统循环水不出现漏失, 就不需要对供热循环水箱进行补水。在夜间无太阳能工作的情况下, 为了更大程度的节约能源, 将系统设计为夜间供热的热量全部由贮热水箱提供, 由下式计算得出:
其中, Th为贮热水箱最高水温, ℃;T1为贮热水箱最低水温, ℃;Δτ为贮热水箱供热时段长度, h;qzby为日间供热折合单位面积热指标, W/m2;QRy为夜间供热负荷, k J。
代入数据得:日间供热负荷QRR=393.74×10×3.6×10=141 746 k J。
夜间供热负荷QRy=1 360 765-141 746=1 219 018 k J。
贮热水箱容量mc=1 219 018/ (4.187×10) =29 114 kg。
3.8 集热器面积的计算
太阳能集热器的面积可以根据建筑日间供热量和夜间所需贮存量之和, 即每天太阳能集热器的有效集热量和太阳能集热器的平均集热强度之比[9]计算:
其中, A为集热器面积, m2;Qout为太阳能集热器有效集热量, k J;I为太阳能集热器的平均集热强度, k J/m2。代入数据得:集热器面积A=1 360 765/ (3 600×0.242×10) =156 m2。
3.9 生活用水的相关计算
1) 太阳能热水系统设计小时耗热量的计算公式为:
其中, Qh为设计小时耗热量, k J/h;qr为热水用量定额, L/ (人·d) 或L/ (床·d) ;m为用水计量单位数, 人数或床位数;C为水的比热, C=4.187 k J/ (kg·℃) ;tr为热水温度, 65℃;tl为冷水温度, 7℃;ρ为热水密度, kg/L;T为每日使用时间, h;Kh为小时变化系数。代入数据得:Qh=4.0×8×80×4.187×58×0.981/24=25 411.4 k J/h。
2) 太阳能热水系统设计小时供热量的计算公式为:
其中, Qg为设计小时供热量, k J/h;T1为热泵机组每日设计工作时间, h;K1为安全系数, 1.05~1.10。代入数据得:Qg=1.05×8×70×4.187×58×0.981/12=11 673.4 k J/h。
3) 生活用水贮热水箱容积计算。
全日制集中热水供热系统贮热水箱有效容积, 应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定, 当其因素不确定时宜按下式计算:
其中, Vr为贮热水箱有效容积, L;Qh为设计小时耗热量, k J/h;Qg为设计小时供热量, k J/h;η为有效贮热容积系数, 0.85~0.90;K2为安全系数, 1.10~1.20。
代入数据得:Vr=1.1× (25 411.4-11 673.4) ×24/ (0.85×58×4.187×0.987) =1 780 L。
3.1 0 辅助热源系统
为了保证阴雨天或冬季光照强度弱的时候系统正常运行, 设计了辅助能源系统, 作为辅助热源的能源种类繁多, 但为了使系统的构成简单化, 一般使用电能的居多, 在储热水箱中设置电加热器, 在太阳能无法满足建筑采暖要求时, 启动电加热器作为补充。
4 结语
在对大连某别墅的设计计算过程中, 本文以前人的研究成果为基础, 阐述了主要的计算方法。可以发现主动式太阳能热泵系统的可行性, 不仅节约了能源还起到了环境保护的作用, 用更复杂的设备组合和更精确的控制系统满足居民对环境质量舒适度的要求, 太阳能的应用必将成为日后的发展趋势。
摘要：以一栋小规模别墅为对象, 提出了以太阳能—热泵为热源供热的方法, 确定了太阳能集热器的面积和贮热水箱的容量, 解决了太阳能的不可控制性等问题, 对节约能源以及环境保护有重要的作用。
关键词：主动式太阳房,集热器,贮热水箱,热泵
参考文献
[1]LV.Polle, F.P.Thoen, J.G.Pieters.Solarenergy availability in greenhouses as affected by condensation on cladding materials Renewable Energy, 1999 (16) :769-772.
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[6]CJJ 34—2010, 城镇供热管网设计规范[S].
[7]旷玉辉, 王如竹, 于立强.太阳能热泵供热系统的实验研究[J].太阳能学报, 2002, 23 (4) :408-413.
[8]聂磊.太阳能采暖技术及应用研究[D].秦皇岛:燕山大学, 2014.