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1、太阳房的组成和基本原理第二章 太阳房的组成和基本原理2 1 太阳房的定义和分类一、定义a实用? 太阳房一词，最早使用于美国，有一次芝加哥报纸把一家装有玻璃太?阳能的房子称为“太阳房”，作为报导，这便是“ 太阳房” 一词的由来。这样? 看来，过去欧美似乎并未有意识地考虑让阳光照到房里来。从历史上看欧洲传?统住房都是石造的，后来又是砖砌的，窗户多是纵向长，横向短，不利于利用? 太阳能，这是因为西欧的住房是封闭式的，它是为了避开大自然的威胁。而中?国和日本的住房是开放式的，它与自然密切相连，因此自古以来日本的传统是?以木造房屋，木房屋都可以叫做太阳房。日本民宅的特点就是“走廊里充满着?阳光”。说明人
2、民在建房时，自然而然地意识到太阳能的必要性。我国有句民? 谣 “我家有坐屋，向南开门户”。因此说太阳房是太阳能热利用中一种型式，也就是说太阳能通过集热设施?及房屋的围护结构传入室内，减少房间采暖对常规能源需要量的房屋可称为太?阳房。在国内目前还没有统一的说法，有人把利用太阳能节能在 50%以上的房屋?才称太阳房，低于此数的只能称为节能房。这是人们对太阳房的一些理解。作者认为太阳房的定义应该是：太阳房是利用建筑，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，
3、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做 “?太阳冷房”。通常，把利用太阳能采暖或空调的建筑物统称为太阳房。二、太阳房的分类太阳房型式有多种多样，分类方法也有不同，目前通用的有四种分类法：(一) 按传热过程可分为三种:1.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、家俱等吸收后，转变为热，给房间供暖。称为直接受益式太阳房。2.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。3.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
4、? 的房间。(二) 按集热蓄热系统的不同分为下列五种：1.蓄热墙式：蓄热墙放在玻璃窗后面，蓄热墙的材料可用砼，水墙或相变? 材料。2.集热蓄热墙：又称特朗勃墙（Trmbe wall），在南墙上除窗以外的墙面?上，复盖玻璃，墙表面涂成黑色，在墙的上、下留有通风口，以使热风自然对?流循环，把热换到室内。南墙表面的温度在阳光照射时可达 60-70。一部分热? 量通过热传导把热量传送到墙的内表面，然后以辐射和对流的形式向室内供热?。另一部分热量把玻璃罩与墙体间夹层内的空气加热，热空气由于密度变小而?上升，由墙体上部分的风口向室内供热。室内冷空气由墙体下风口进入墙外的?夹层，再由太阳加热进入室内，为此反
5、复循环，向室内供热。3.附加阳光间式：这种形式也是集热蓄热墙形式的发展，即将玻璃与墙之? 间的夹层放宽，形成一个可以使用的空间称为附加阳光间或称附加温室。附? 加阳光间与房间之间的关系比较灵活，即可用砖石墙间隔，也可用落地窗分开?。阳光间白天可向室内供热。晚间可作房间保温层。4.屋顶浅池式：这种形式是在屋顶修浅水池，利用水池集热蓄热，而后通? 过屋顶板向室内传热。这种型式仅适用单层房屋。5.自然循环式：集热器（空气或水）与采暖房间分开，与特朗勃墙有些相? 似，这种方式对南山坡上的房屋比较适用。 (三) 根据太阳房的功能而分为“太阳暖房” 、“太阳冷房”和“ 太阳能空?调房” 。(四) 按其所需
6、要机械动力的有无，可分为机械的和自然的两种，也就是主?动式（active ）和被动式（passive）两大类。1.主动式太阳房：即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 2-1主动式太阳房工作原量，就是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。这是一种控制的方式，通?过集热器、蓄热器、风机或泵等设备来收集、贮存及输配的太阳能系统。与常?规
7、供热系统所不同的只是用太阳能集热器代替了锅炉系统，如图：21 所示。?在这种系统中，人通过设备比较主动，室温要求多高，就可以控制多高。主动?式太阳房系统的组成有三部分：(1) 集热：就是通过集热器收集太阳能，地面上每平方米的面积每小时最多?只能接收 1000 千卡（相当于 4186.8 千焦耳）左右的太阳热能。所以接受太阳能 ?的集热器面积要大一些，当供暖保证率在 60%时，平板集热器面积应占地板面积?的 50%以上，同时平板热器的效率随集热温度而变，一般控制在 30-60之间。(2) 蓄热：太阳能是一种随时变化的能源，辐射到地面上的太阳能常受气?象条件和时间的影响，因季节、昼夜、阴晴而不同，
8、就是在一天之内早、午、?晚也不相同，因此要解决连续采暖问题，在中心处必须设有贮热设备，建筑上?的贮热多用河卵石和水作蓄热材料。水是中低温太阳能系统最常用的显热贮能?介质，价廉而丰富，并且具有沸点以下时不需要加压等优良贮热性能。(3) 供热：考虑到太阳能的不稳定性和经济因素，一般的太阳能供热量仅?占房屋总的热负荷的 60-80%左右，（此值称为太阳能供暖保证率）。因此在主?式太阳能采暖系统中，除太阳能供暖设备外，还应有辅助能源。因此我建议在?城市采暖标准要求较高的情况下，太阳房与集中供暖系统相结合，即可解决采?暖期前后两段时间的室温舒适性又可在采暖期减少烧锅炉的时间，节约常规能?源。这种太阳能供
9、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。主动式太阳房热系统的结构方式很多，现将可能采用的几种原则系统列于?表 2-1 供参考选用。既是原则系统，自然可见根据具体情况，结合实际需要，作?某种修改。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
10、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。2.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”。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。被动太阳房在大多数情况下，集热部件与建筑结构
11、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。其构造为图 22 所示。从太阳能的热利用的角度，被动太阳能供暖系统又可分为五种类型：(1) 直接受益式（Diret gain）利用南墙直接照射的太阳房（如图 ?2-3a.b）。(2) 集热蓄热墙式（Trambc wall）利用南墙进行集热蓄热（如图
12、2-3c.d?）。(3) 综合式（Synthesize）即温室和前两种相结合的方式（如图 2-3e.f?）。(4) 屋顶集热蓄热式（Thermal slorage roofs）利用屋顶进行集热蓄热。 ?（如图 2-3g）(5) 热虹吸式又称对流环路式（C0nvective loops） 利用热虹吸作用 ?进行加热循环（如图 2-3h）。b 22 太阳房的基本组成房屋是人类为了蔽风雨和防备野兽侵袭的需要而产生的，最初人们利用树?枝、石块这样一些易得的天然材料，粗略加工盖起了半穴居、石屋等原始房屋?。随着社会生产力的发展，人们对房屋的要求日益多样和复杂化，出现许多不同?的建筑类型，它们在使用功能，
13、所用材料，建筑技术和建筑艺术等方面，都得?到很大的发展。建筑按其使用性质，可分为生产性建筑（如工业建筑、农业建筑）与非生?产性建筑（即民用建筑）。民用建筑又可分为居住性建筑和公共建筑两大类。居住建筑就是供人们生活起居的房屋，如住宅、公寓、宿舍等。公共建筑就是供人们政治文化活动，行政办公及其他商业，生活服务等公?共事业所需要的房屋，如学校、图书馆、商场、电影院、车站、公园等等。太阳房，是人们在建筑业的发展中而提出的一种利用太阳热能给建筑物供?热的新奇大胆的构思，这也是在前人实践的基础上提出来的。人们在设计房屋?时，如何充分利用太阳发出的热量方面显示出了相当的独创性。房屋的基本功?能之一，是防御自
14、然界各种气候因素的作用，为人们的生产和生活提供良好的?室内环境，太阳房也正是为了此目的，为使房屋达到冬暖夏凉而提出的。太阳房既然是房屋建筑发展的继续，因此太阳房的组成也和普通房屋一样?，有屋盖、围护结构（墙或板），地面，采光部件，保温系统等部件组成，只?是在太阳房中防热御寒所用的能源来自太阳。房屋的各种部件具有双重功能，?如窗户在普通房屋中是采光部件，在太阳房中兼有集热作用，墙体是围护部件?，在太阳房中兼有蓄热保温调节室内温度波动的作用。屋顶既有防寒保温作用?同时也兼有吸热集热作用。地面同时兼有蓄热作用。由于被动太阳房是集热、蓄热、耗热的综合体，所以它的基本组成系统，?还应具备“收集” 太阳能
15、部件，然后把收集到的热量“储存”“ 积蓄” 起来，? 以备使用；再把这些热量进行 “分配”使用。当储存的热量不够用时，还要增?加“ 辅助”热量来补充。这些最基本的部分，灵活运用于不同的建筑设计中，?这些基本组成部分如下：1.太阳能集热器。集热器的作用就是收集太阳的热量。主要有两种：(1) 是利用建筑物本身?作集热器，如南向窗户，加玻璃罩的集热墙，玻璃温室等。(2) 集热器位于南?墙上，它是附加于建筑物上，并独立于建筑物的构件。为什么太阳房的集热件都采用玻璃罩呢？这是因为玻璃有一种特性，它能?通过短波（太阳辐射热）而不能透过长波（常温和低温物体表面热辐射），一?旦太阳的辐射热透过玻璃并被此空间的
16、材料吸收，由这些材料再次辐射而产生?的热能就不会通过玻璃返回到外面，这种获取热量的过程叫做“温室效应” （?或称热箱原理）。在阳光充足的白天，南向大窗可透过阳光，使阳光照射到地?板、墙壁上，它们由此吸收了热量，玻璃窗就形成了“温室效应 ”。2.蓄热体。蓄热也是太阳能热利用的关键问题，加强建筑物的蓄热性能是改善被动太?阳房热工性能的重要措施之一，当有日照时，如果房间蓄热性能好（即热容量?大）， 则吸热体可以多吸收和贮存一部分多余的太阳热，在无日照时，它又能?逐渐地向室内放出热量，因而大大减小室温的波动，同时由于降低了室内平均?温度，所以也减少了向室外的散热。 根据日本曾在较寒冷的札幌（北纬 43）地区一所住宅模型进行电子计算?机模拟计算结果表明，由于混凝土蓄热性优于木材，所以采用砼地板时，室内?的温度波动比采用木地板时要小得多，同时由于前者的平均室温低，所以需要的?辅助热能亦减少。蓄热体可分为两类：(1) 是利用热容量随着温度变化而变化的显热材料。如水、石子、混凝土?等。(2) 是利用其熔解热（
