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第四节太阳能建筑概述山东大学能源与环境研究所张立强1、太阳能建筑的起源与发展2、主动式太阳能建筑3、被动式太阳能建筑4、通风系统5、太阳墙采暖通风系统6、建筑实例1、太阳能建筑的起源与发展太阳能建筑的起源与发展自古以来.我们的祖先在修建房屋时,就懂得充分利用太阳的光和热。无论庙宇、宫殿.还是官邪、民宅,都尽可能坐北朝南布置,以增加采光和得热。这些传统建筑可以说是最原始、最朴素的太阳房。当然,这种太阳能利用还仅仅是感性、自发的,处于低级的阶段。随着生产力的发展及煤、石油、天然气等非再生能源的大量开发,人们对太阳能的依赖相应减少,使得在相当长的历史时期,太阳能在建筑中的利用技术发展缓慢。只是到了近代,人们逐渐意识到非再生能源会枯竭后,太阳能才重新受到重视,特别是20世纪70年代以来.世界各国将太阳能建筑的研究、应用、开发推向了新阶段。发展阶段据建筑朝向、环境布置、内部空间、外部形体的巧妙处理以及材料、结构的恰当选择来集取、蓄存、分配太阳热能以太阳集热器、管道、风机或泵,散热器及贮热装置组成的太阳能采暖系统或与吸收式制冷机组成的太阳能供暖和空调的建筑被动式利用太阳电池等光电转换设备提供建筑所需的全部能源,完全用太阳能满足建筑供暖、空调、照明、用电等一系列功能要求太阳能建筑的起源与发展依据利用太阳能的状况划分太阳能建筑的三个发展阶段主动式零能建筑2、被动式太阳能建筑太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房基本原理1)建筑朝向的正确选择、外部环境的巧妙布置以及建筑形体的控制2)合理的功能分区3)材料、结构的恰当选择4)冬天集取、保持、储存和分布太阳能特点1)构造简单2)造价低廉3)维护管理方便被动式设计应用范围广、造价低,可以在增加少许或几乎不增加投资的情况下完成,在中小型建筑或住宅中最为常见。美国能源部指出被动式太阳能建筑的能耗比常规建筑的能耗低47%,比相对较旧的常规建筑低60%。该项设计更适合新建项目或大型改建项目,因为整个被动式系统是建筑系统中的一个部分,设计也不能割裂开来,应该与整个建筑设计完全融合在一起。被动式太阳能建筑的分类按集热形式可分为五类:直接受益式集热蓄热墙式对流环路式附加阳光间式蓄热屋顶式太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房直接受益式•原理:房间本身是一个集热储热体,冬天阳光通过南向较大面积玻璃窗,直接照射至室内,使室内温度升高。所吸收的太阳能,一部分以辐射、对流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。•特点:直接受益式是应用最广的一种方式,构造简单,易于安装和日常维护;与建筑功能配合紧密,便于建筑立面的处理;室温上升快,但是室内温度波动较大。普通、最简单的方法——阳光透过窗户照入室内。可节省2~3%以上的非再生能源。设计标准:a)时间正确:阳光在每年需要的时间射入b)得热量与使用者舒适要求相符合(温度波动)c)选用适宜玻璃d)减小通过玻璃的热损失e)阳光射入建筑的方式与使用方式一致(直射/眩光/漫反射)太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房﹙a﹚冬季利用反射板增强光照﹙b﹚夏季反射板遮挡直射,漫射光采光图2-3利用高侧窗直接受益设计内容a)窗户b)蓄热体:材料、位置、数量c)活动保温装置:保温帘、保温板、活动百页设计实例英国圣乔治学校(北纬53.4°)太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房集热蓄热墙式•原理:向阳侧设置带玻璃罩的储热墙体,利用南向垂直集热蓄热墙吸收穿过玻璃采光面的阳光,通过传导、辐射及对流,把热量送至室内。•墙的外表面涂成黑色或某种深色,以便有效地吸收阳光•基本形式:特隆布墙太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房对流环路式南墙设置太阳空气集热(墙),利用墙体上下通风口进行对流循环的采暖形式。防止反向对流的方法:太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房集热蓄热墙式与对流环路式相结合的形式设计实例:戴维斯住宅(美国)太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房开设内外通风窗有效改善冬夏季工况﹙通风口可以用门窗代替)在向阳侧设透光玻璃构成阳光间接受日光照射,是直接受益式和集热蓄热式的组合。阳光间可结合南廊、入口门厅、休息厅、封闭阳台等设置,可作为生活、休闲空间或种植植物附加阳光间式太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房附加阳光间式•该形式具有集热面积大、升温快的特点,与相邻内侧房间组织方式多样,中间可设砖石墙、落地门窗或带槛墙的门窗。阳光间内中午易过热,应该通过门窗或通风窗合理组织气流,将热空气及时导入室内。•只有解决好冬季夜晚保温和夏季遮阳、通风散热,才能减少因阳光间自身缺点带来的热工方面的不利影响。•冬季的通风也很重要,因为种植植物等原因,阳光间内湿度较大,容易出现结露现象。•夏季可以利用室外植物遮阳,或安装遮阳板、百叶帘,开启甚至拆除玻璃扇。太阳能建筑的工作原理及特点被动式太阳房蓄热屋顶式屋顶上放置有吸热和储热功能的贮水塑料袋或相变材料,其上设可开闭的盖板,冬夏兼顾,都能工作。冬季白天打开盖板,水袋吸热,夜晚盖上盖板,水袋释放的热量以辐射和对流的形式传到室内。夏季工况与冬季相反。该形式适合冬季不太寒冷且纬度低的地区。因为纬度高的地区冬季太阳高度角太低,水平面上集热效率也低,而且严寒地区冬季水易冻结。另外系统中的盖板热阻要大,贮水容器密闭性要好。使用相变材料,热效率可提高。3、主动式太阳能建筑主动式设计是以太阳能的集热器、管道、散热器、风机或泵以及储热装置等组成强制循环的太阳能采暖系统。按照集热器与集热介质的不同,可以分为多种系统形式。相对于被动式系统而言,主动式系统较为复杂,造价较高,多应用于大型公共建筑。主动式太阳能采暖系统图1—太阳能集热器2—供热管道3—散热设备4—贮热器5—辅助热源6—风机或泵太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房主动式太阳能建筑分类空气集热式液体集热式热泵式太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房空气集热式以空气作媒介,源自被动式太阳能采暖技术因为增加了需要动力的风机和引导气流的风管,有的还包括了储热部分,所以将其归为主动式随着技术和材料的发展,该类型出现了多种形式。太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房空气集热图2-12空气集热器传统形式a.传统形式。在建筑的向阳面设置太阳能空气集热器,用风机将空气通过碎石贮热层送入建筑物内,并与辅助热源配合。由于空气的比热小,从集热器内表面传给空气的传热系数低,所以需要大面积的集热器,而且该形式热效率较低。太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房b.集热屋面把集热器放在坡屋面、用混凝土地板作为蓄热体的系统,例如日本的OM阳光体系住宅。冬季,室外空气被屋面下的通气槽引入,积蓄在屋檐下,被安装在屋顶上的玻璃集热板加热,上升到屋顶最高处,通过通气管和空气处理器进入垂直风道转入地下室,加热室内厚水泥地板,同时热空气从地板通风口流入室内。该系统也可在加热室外新鲜空气的同时热室内冷空气,但是需要在室内上空设风机和风口,把空气吸入并送到屋面集热板下。夏季夜晚系统运行与冬季白天相同,但送入室内的是凉空气,起到降温作用。夏季白天集聚的热空气能够加热生活热水太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房图2-13OM阳光住宅技术体系图2-14空气流动控制太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房图2-15屋顶预热新风并加热室内空气图2-16冬季白天工况﹙加热室外空气送入室内﹚太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房图2-17夏季白天工况﹙热空气送入热水箱﹚图2-18夏季夜晚工况﹙室外凉空气送入室内﹚c.窗户集热板系统该系统由玻璃盒子单元、百叶集热板、蓄热单元、风扇和风管等组合而成。玻璃夹层中的集热板把光能转换成热能,加热空气,空气在风扇驱动下沿风管流向建筑内部的蓄热单元。在流动过程中,加热的空气与室内空气完全隔绝。集热单元安装在向阳面,空气可加热到30~70℃。太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房图2-19窗户集热板系统示意c.窗户集热板系统集热单元的内外两层均采用高热阻玻璃,不但可以避免热散失,还可防止辐射过大时对室内造成不利影响。不需要集热时,集热板调整角度,使阳光直接入射到室内。夜间集热板闭合,减少室内热散失。适用于太阳辐射强度高、昼夜温差大的地区的低层或多层居住建筑和小型办公建筑。太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房2.液体集热式介质:水,高沸点油或防冻剂。建筑顶层设置太阳能集热器,结合水泵、水箱、辅助热源供热、供水。其中供热的散热方式有多种:1.在地板或顶棚铺设盘管,进行低温辐射采暖;2.将热水先送入中央风机盘管﹙热交换器﹚,变成管道热风后再送入房间;3.利用房间的风机盘管散热器散热;4.利用房间的板式散热器散热。根据水温不同,该系统可以起到采暖和降温的不同作用。作为供应生活热水系统,该方式已经得到了普遍推广。2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房液体集热太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房3.太阳能热泵热泵类似水泵反向使用的制冷机消耗较低能量,将低温环境的热能转移到高温环境中压缩机冷凝器蒸发器节流阀夏季-制冷机室外室内压缩机蒸发器冷凝器节流阀冬季-热泵室外室内QQQQ太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房热泵系统利用压缩机把地面、土壤、水池中的低温热能增温,加以利用。热泵系统也可以与常规平板集热器结合成太阳能热泵系统。热泵性能:性能系数=转移的热量/输入功一般在3~6之间2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点主动式太阳房太阳能热泵系统系统优点缺点直接受益式景观好,费用低,效率高,形式很灵活有利于自然采光很适合学校、小型办公室等易引起眩光可能发生过热现象温度波动大集热蓄热墙热舒适程度高,温度波动小易于旧建筑改造,费用适中大采暖负荷时效果很好与直接受益式结合限制照度级效果很好玻璃窗较少,不便观景和自然采光阴天时效果不好附加阳光间作为起居空间有很强的舒适性和很好的景观性,适合居住用房、休息室、饭店等可作温室使用维护费用较高对夏季降温要求很高效率低主动式空气集热系统可以提供新风,采暖与通风兼顾有效降低夏季热负荷新型系统热效率高北向房间也可以利用太阳能采暖集热单元可以实现工业化生产造价高技术较为复杂2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点通风设计4、通风设计2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点通风设计随着能源危机的加剧和人们对过度使用空调的反思,自然通风降温这项传统技术再度被重视和采用,并逐步被改进完善,更加适应现代建筑的要求。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,不但能降低室内温度、带走潮气、达到人体热舒适,还能提供新风,保证室内空气品质。有效的利用自然通风解决室内热舒适性和空气质量问题,在不增加投资的情况下,就能营造一个健康、舒适的室内环境。2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点通风设计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”。另外建筑物的平面布局、立面设计与三维空间布置等,都对自然通风的可应用性和效果有重要影响。一般来讲,风压是一个不稳定的因素,它随着室外风速和风向的变化有很大波动,而热压相对来说较稳定。2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点通风设计热压通风形成的主要条件是室内沿高度方向的温度场不均匀,随层高增加上下之间温差加剧,或者利用太阳照射造成温度分布不均。在竖向空间中形成热压,一般都称之为“烟囱效应”:热空气上升,从建筑上部风口排出,室外新鲜的冷空气从建筑底部被吸入。只有当室内两个垂直通风口之间的温差,大于这两个通风口之间室外的温差时,烟囱效应才会起作用。热压通风2.2图面表达太阳能建筑的工作原理及特点通风设计室内温度小于室外温度,则通风状况为由上向下通风,室内温
本文标题:太阳能建筑
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