光伏建筑一体化(六)

光伏建筑一体化太阳房的组成和基本原理太阳房的定义和分类太阳房的基本组成太阳房的基本原理太阳房的应用太阳房的定义和分类太阳房的定义：利用建筑，结构上的合理布局，巧妙安排，精心设计，使房屋增加少量投资，而取得较好的太阳能热效果，达到冬暖夏凉的房屋；也可以说：太阳房是指有目的的采取一定措施，利用太阳辐射能，替代部分常规能源，使环境温度达到一定的使用要求的建筑物。如冬季利用太阳能采暖的称为“太阳暖房”。夏季利用太阳能降温和制冷的称作“太阳冷房”。通常，把利用太阳能采暖或空调的建筑统称为太阳房。荷兰阿姆斯福特太阳能村以建筑节能为中心的、装机容量名列世界前茅的太阳能发电居住区，是当今荷兰住宅建设的示范项目。太阳能利用是该项目的重点，辅以配套的建筑节能技术，达到节约能源和社区可持续发展的目标。太阳能村共有6000幢住宅，10余万人，太阳能光伏发电能力达1.3兆瓦。太阳房的定义和分类太阳房形式多种多样，分类方法也不同，目前通用的有四种分类法：四种分类方法按传热过程分类按集热—蓄热系统的不同根据太阳房的功能分按其所需要机械动力的有无分太阳房的定义和分类按传热过程分类：直接受益式：阳光通过南窗玻璃直接进入被采暖的房间，被室内地板、墙壁、家具等吸收后，转变为热，给房间供暖。称为直接受益式太阳房。间接受益式：阳光不直接进入被采暖的房间，而是通过墙体热传导和热空气循环对流将太阳热能送入被采暖的房间。隔断式采暖：太阳热只通过传热介质（空气或水）的热循环进入被采暖的房间。1.太阳房的定义和分类按集热—蓄热系统的不同分类：蓄热墙式集热蓄热墙式附加阳光间式屋顶浅池式自然循环式根据太阳房的功能太阳暖房太阳冷房太阳能空调房太阳房的定义和分类按其所需要的机械动力的有无分类：主动式太阳房：在太阳能系统中安装常规能源常用的推动的机械系统，如控制系统供调节用的水泵或风机及辅助热源等设备，它可以根据需要调节室温达到舒适的环境条件，这对人来说有主动权故称主动式太阳房。如图所示。太阳房的定义和分类工作原理：首先依靠机械动力的驱动，才能把太阳能加热的工质（水或空气）送入蓄热器，再从蓄热器通过管道与散热设备输送到室内，进行采暖，工质流动的动力，由泵或风机提供。主动式太阳房的组成与特点主动式太阳房的主要组成部分供热集热蓄热组成：这种太阳能供暖系统，大致由集热器、蓄热槽、散热器、循环泵、辅助锅炉以及连接这些设备的管道和自动控制设备构成。根据要求不同，又可分为有辅助热源和无辅助热源两种不同的工作方式。供暖系统只在冬季使用，为了提高设备利用率，加速固定投资的回收，原则上应该供暖，供热水以及供冷系统有机结合起来，共用一套集热器。主动式太阳能采暖原理图主动式太阳能采暖应用实例太阳能采暖办公楼主动式太阳能采暖应用实例太阳能采暖别墅主动式太阳能采暖应用实例太阳能采暖宾馆及加油站主动式太阳能采暖应用实例西藏居民采暖及辅助热源（生物质锅炉）主动式太阳能采暖内部装饰内部结构、采暖控制器、辅助电热设备主动式太阳房的组成与特点特点：一般来说，主动式太阳房能够较好地满足用户的生活要求，可以保证室内采暖和供热水，甚至致冷空调。但设备复杂，投资昂贵，需要耗费辅助能源和电功率，而且所有的热水集热系统，还需要设有防冻措施，这些缺点是主动式太阳房目前在我国难于推广应用的原因。德国BRAMFELD生态小区这个小区123户人家所有面南的斜屋顶，都统一做成超大型太阳能集热热水供应系统。这个太阳能集热热水系统属于当地一家热能供应公司，总集热面积是小区热水总需求量的5倍，屋顶多余的热水可达95度。这个系统是把夏天的热能存到冬天使用。为了避免冬天热水不足的现象，小区后来另外盖了一间小型紧急热水供应站。各户独立的雨水收集系统、厨余桶是必备的设计。而各户的后花园则相连在一起，共同使用。太阳房的定义和分类按其所需要的机械动力的有无分类：被动式太阳房：被动式太阳房是与主动式太阳房相对而言的。太阳能向室内传递，不用任何机械动力，不需要专门的蓄热器、热交换器、水泵（或风机）等设备，而是完全由自然的方式（经由辐射、传导和自然对流）进行。为了与主动式太阳房相区别，人们称之为“被动式太阳房”。简称为“被动房”。太阳房的定义和分类简单的说，被动式太阳能供暖系统就是根据当地的气象条件，生活习惯，基本上不添置附加设备的条件下，经过精心设计，认真施工，通过建筑构造，并利用材料的性能，使房屋达到一定的供暖效果的一种方式。截至2004年底，中国北方农村地区被动式太阳房的建筑面积约为1800万m2，依据辽宁省大连农村被动式太阳房实测结果，即按每年可节省冬季采暖用煤50%、通常平均每户家庭冬季采暖用煤3吨左右进行推算的话，每年节约折合标准煤27万吨。据德国等欧洲国家的被动式太阳房的节能效果统计，相对于传统建筑，被动式太阳能建筑可节约冬季采暖能耗达90%。被动式太阳房的组成与特点被动太阳房在大多数情况下，集热部件与建筑结构融为一体，使房屋构件一物多用，如南窗既是房屋的采光部件又是太阳能系统的集热部件；墙体既是房屋的围护部件，又是太阳能系统的集热蓄热部件；这样既达到利用太阳能的目的，又是房屋结构的一部分，还可节约费用。当然经过专门设计的太阳房比普通房屋，太阳能供热率要高的多。被动式与主动式相比较其特点是：构造简单，造价便宜，管理方便等优点，因而用户乐于接受。被动式太阳房的分类直接受益式集热蓄热墙式附加阳光间式组合式利用南墙直接照射的太阳房利用南墙进行集热蓄热的太阳房在房屋主体南面附加一个玻璃房被动式采暖技术组合而成，不同形式互为补充以获得最佳采暖效果被动式太阳房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，也是最接近普通房屋的形式，其示意图如下。具有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：被动式太阳房集热蓄热墙是由法国科学家特朗勃（Trombe）最先设计出来的，因此也称为特朗勃墙。特朗勃墙是由朝南的集热墙体与相隔一定距离的玻璃盖板组成。在集热墙体上、下部适当位置设置风口。特朗伯墙式主要是通过建筑外维护结构的蓄热性进行采暖的方式，其工作原理是将集热墙向阳的一面涂以深色的选择性涂层加强吸热并减少辐射散热，在离集热墙外表面10cm左右装上玻璃或者透明塑料薄片，使该墙体成为集热和储热器，在夜间又成为放热体。集热蓄热墙式：被动式太阳房工作原理：在冬季，太阳光透过玻璃盖板被表面涂成黑色的集热墙体上，集热板被加热，并有一部分热量被吸收并储存起来，墙体带有上下两个风口使室内空气通过特朗勃墙被加热，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。集热墙体将吸收的辐射热以导热的方式向室内传递。集热墙通常为混凝上墙或实心砖墙，这些重质量的墙体热容大、惰性大，因此储热多、放热慢，墙体的温度波动相对于室外的温度波动有较长时间的延迟，有利于减缓夜间室内温度下降。储热墙的厚度因用途而异。被动式太阳房但另一方面，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，通过如图（c）-(d)所示的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5C。集热蓄热墙式太阳房实例丹麦的一处两层高的连排住宅为例，在每栋住宅的南立面设有一条面积为6m2~8.4m2的垂直特朗伯墙。在此设计中，特朗伯墙被分成两个部分。墙体下部用以预热从墙体底部吸入的新鲜空气，同时墙体的上部获得的热量被储存在290mm厚的混凝土墙体里。如果墙内的空气温度达到30℃以上，风机开启将热空气吸入装有空气循环管的蓄热墙内，在夜间，蓄热墙又放出热量保证住宅室内的舒适性。在墙体的顶部设有排气窗，夏季，当风机关闭且不再需要热量时，排气窗打开使热空气逸出，防止了墙体过热。丹麦某连排住宅外立面特朗伯墙设计清华大学环境楼的特朗伯墙被动式太阳房附加阳光间实际上就是在房屋主体南面附加的一个玻璃温室，示意图如下。从某种意义上说，附加阳光间被动式太阳房是直接受益式（南向的温室）和集热蓄热墙式（后面带集热蓄热墙的房间）的组合形式。附加阳光间式：被动式太阳房附加阳光间冬季示意图附加阳光间式太阳房的工作原理是将作为集热部分的阳光间附加在建筑南向房间的外面，阳光间靠室外一侧全部设置玻璃，利用阳光间和房间之间的集热墙体作为集热构件。冬季阳光进入附加阳光间后，集热墙将热量吸收并对阳光间内的冷空气进行低温辐射，温度升高后，空气因密度减小而升并由集热墙上部的开口进入室内，同时阳光间的底部形成了负压，室内的冷空气被吸入阳光间进行加热，这样阳光间的空气和室内的空气因为对流而达到房间采暖的目的。被动式太阳房附加阳光间夏季示意图附加阳光间作为室外和室内的缓冲空间，在夜晚可以关闭集热墙顶部和底部的通风口以减少房间的热损失，房间的温度波动相应减小。除了起到采暖的作用以外，附加阳光间也可以作为白天人们的休息、活动的空间。另外，在冬季时，由于玻璃的保温能力非常差，如无适当的附加保温措施，则日落后或者在阴雨天气室内气温将会大幅度下降。而在夏季，如果没有适当的隔热措施，附加阳光间内的气温将会过高。附加阳光间式太阳房实例这幢位于瑞士比尔郊区的公寓高三层，由8套大小不同的住宅单元所构成，所处位置能够俯瞰整个小镇，具有极佳的视野。下面的部分是跃层式的二层公寓，上面一层则是普通公寓。楼顶为公共活动区域，设有孩子们的游戏室，其屋顶形式与相邻的建筑风格颇为近似。附加阳光间式太阳房实例公寓中的每一个居住单元都有一个阳台，但建筑最为重要的绿色特征则是其南面的阳光间。这些阳光间位于每一个单元之前，与住宅紧密地联结在一起，它们可以最大程度地收集和利用来自于太阳的能源。跃层式单元的阳光间贯通二层，阳光间的设置使楼中居民可以分享阳光。附加阳光间式太阳房实例在夏天，阳光间用作普通花房；到了冬天，阳光间不但无需供热，还可以作为热缓冲空间。天气炎热时，可将玻璃房的外层玻璃窗打开，形成一个热通道，使建筑物后面的凉空气穿堂而过；而在阳光灿烂的冬日，又可将居室与暖房之间的里层玻璃窗打开，以给室内供暖。建筑的混凝土实体将以此种方式收集到的热量蓄留起来，并在夜间再释放出来，为室内供暖。总之，用于供热的能量消耗比一般建筑减少了20%-30%。被动式太阳房总结：在我国，目前被动式太阳能采暖技术（被动式太阳房）主要应用在农村地区，作为北方农村地区节能的三个重要途径（沼气、太阳房、节能灶炕）之一，得到了较为广泛的应用。但是，由于缺乏专业的施工队伍、相关的科学数据及良好的维护管理，使得这项技术的应用缺乏科学的指导。国家“十一五”期间已加大投入进行太阳能与建筑集成技术的研究开发，其研究成果将会对被动式采暖降温技术在广大农村地区更加科学合理的应用提供参考依据。被动式太阳房实例在临泽县，去年开始的农村太阳能采暖技术示范点业已建成，200多户居民住进了采用被动式太阳能采暖技术的新住宅。在倪家营乡南台村，全村自2007年以来，累计建成被动式太阳能采暖房72户，展三年来新建房户86户的83%。被动式太阳房实例被动式太阳能采暖技术的效益非常明显，房间的冬季平均温度比常规住宅提高5℃，夏季平均降低4℃；即使在最冷的元月中旬的早晨，没有任何热源的情况下，南侧卧室内最低温度也能达到8℃以上，如果采用悬空火炕或炊事煤炉