别墅建筑中太阳能利用及其设计研究

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1、 本 文 针 对 北 京 某 别 墅 建 筑 工 程 ， 从 被 动 式 采 暖 和 主 动 式 采 暖 空 调 两 方 面 出发 ， 并 结 合 别 墅 建 筑 及 其 使 用 特 点 ， 分 别 对 别 墅 建 筑 设 计 ， 适 合 于 别 墅 的 太 阳 能采 暖 空 调 的 各 种 系 统 以 及 太 阳 能 集 热 系 统 方 面 进 行 分 析 和 讨 论 。!何 岳 山 潘 阳! 引 言太 阳 能 是 取 之 不 尽 ， 用 之 不 竭 的 、 非 常 丰 富 的 能 源 ， 它 不 会造 成 环 境 污 染 、 资 源 分 布 极 其 广 阔 并 且 非 常 廉 价 。 数

2、十 年 来 ， 世界 各 国 科 学 家 都 致 力 于 太 阳 能 这 一 领 域 的 研 究 。目 前 ， 在 利 用 太 阳 能 进 行 民 用 建 筑 的 采 暖 和 空 调 方 面 ， 有 太阳 能 主 动 式 采 暖 空 调 和 被 动 式 采 暖 两 种 形 式 。 所 谓 被 动 式 采 暖就 是 利 用 房 屋 结 构 本 身 来 完 成 太 阳 能 的 集 热 、 蓄 热 和 放 热 功 能 。主 要 是 利 用 南 面 或 者 屋 顶 的 窗 户 使 阳 光 进 入 室 内 ， 靠 室 内 的 蓄热 结 构 来 蓄 积 太 阳 能 ， 或 者 直 接 利 用 蓄 热 外

3、墙 来 完 成 对 太 阳 能的 蓄 积 。利 用 太 阳 能 主 动 式 的 形 式 多 样 ， 如 !在 太 阳 能 采 暖 方 面 ， 有太 阳 能 热 水 直 接 采 暖 系 统 ， 太 阳 能 热 泵 等 。 早 在 ! 世 纪 # 年 代日 本 就 将 热 泵 供 （ 冷 ） 暖 系 统 应 用 在 实 践 之 中 ， 成 功 建 造 了 热 泵供 （ 冷 ） 暖 系 统 的 太 阳 房 柳 町 太 阳 房 号【 $%!】。 #在 利 用 太 阳 能 制冷 空 调 方 面 ， 又 有 太 阳 能 吸 收 式 、 吸 附 式 、 压 缩 式 和 喷 射 式 等 制冷 形 式 。 迄

4、今 应 用 较 多 的 是 利 用 太 阳 能 为 热 源 的 溴 化 锂 吸 收 式制 冷 机 组 。 其 形 式 有 ： 自 然 循 环 式 小 型 吸 收 式 制 冷 机 组 ； 单 级 热 水型 吸 收 式 制 冷 机 组 ； 双 级 热 水 型 吸 收 式 制 冷 机 组 ； 单 、 双 效 组 合 式制 冷 机 组 。 其 中 由 于 双 效 吸 收 式 制 冷 机 要 求 太 阳 能 热 源 温 度 低 ，利 用 温 差 大 （ 达 $!&!(） 的 优 点 而 被 许 多 实 际 工 程 中 所 采 用 。 如$)* 年 %*+, 热 水 型 两 级 溴 化 锂 吸 收 式 制

5、 冷 机 已 由 广 州 能 源 研究 所 研 制 成 功 。 并 投 入 实 际 使 用 。 $) 年 ) 月 ， 北 京 市 太 阳 能 研 究所 根 据 “ 九 五 ” 国 家 科 技 攻 关 计 划 任 务 ， 在 山 东 乳 山 市 建 成 了 一 套目 前 为 止 我 国 最 大 的 太 阳 能 吸 收 式 空 调 及 供 热 综 合 示 范 系 统【 *】。近 年 来 ， 随 着 人 们 生 活 水 平 日 益 提 高 ， 别 墅 建 筑 的 大 量 涌现 ， 太 阳 能 在 别 墅 建 筑 中 的 应 用 也 成 为 势 在 必 行 。 在 国 内 ， 太 阳能 在 别 墅 建

6、 筑 中 的 应 用 少 见 报 道 。 本 文 针 对 北 京 某 别 墅 建 筑 工程 ， 从 被 动 式 采 暖 和 主 动 式 采 暖 空 调 两 方 面 出 发 ， 并 结 合 别 墅 建筑 及 其 使 用 特 点 ， 分 别 对 别 墅 建 筑 设 计 ， 适 合 于 别 墅 的 太 阳 能 采暖 空 调 的 各 种 系 统 以 及 太 阳 能 集 热 系 统 方 面 进 行 分 析 和 讨 论 。 被 动 式 采 暖 的 别 墅 建 筑 设 计别 墅 建 筑 与 其 他 民 用 建 筑 相 比 有 以 下 特 点 ： !别 墅 建 筑 面积 较 小 且 具 独 立 性 。 通 常

7、 别 墅 建 筑 为 !&* 层 单 元 式 建 筑 ， 单 元 建筑 面 积 为 $&* 平 方 米 左 右 ； #别 墅 建 筑 结 构 简 单 ， 外 形 富 于变 化 ， 多 样 ； $别 墅 建 筑 的 太 阳 照 射 条 件 好 。 别 墅 建 筑 与 其 他 住宅 或 商 用 建 筑 相 比 ， 建 筑 高 度 要 低 得 多 ， 并 且 别 墅 周 边 空 间 大 ，在 自 然 光 利 用 方 面 条 件 优 越 。 因 此 ， 别 墅 建 筑 设 计 时 充 分 考 虑 太阳 照 射 ， 并 结 合 冬 夏 太 阳 照 射 角 度 的 特 点 ， 合 理 设 计 别 墅 的

8、朝向 ， 窗 户 形 式 以 及 设 计 合 适 的 太 阳 能 贮 热 体 等 。结 合 上 述 特 点 并 考 虑 充 分 利 用 太 阳 能 的 基 础 上 ， 在 此 别 墅建 筑 设 计 采 取 如 下 措 施 ： !别 墅 坐 北 朝 南 。 有 利 于 冬 季 太 阳 照 射进 入 别 墅 内 ； #南 面 窗 采 用 双 层 高 大 的 落 地 玻 璃 。 以 扩 大 别 墅 受太 阳 光 照 射 的 面 积 ， 同 时 ， 使 用 双 层 玻 璃 使 得 从 落 地 玻 璃 损 失 得热 量 减 少 ， 都 可 以 使 冬 季 采 暖 所 需 的 集 热 器 面 积 减 小

9、； $设 置 天花 板 混 凝 土 贮 热 体 。 由 于 别 墅 朝 阳 房 间 内 地 面 经 常 被 家 具 或 地毯 等 物 所 覆 盖 ， 利 用 地 板 贮 热 收 到 很 大 的 限 制 ， 通 过 漫 射 玻 璃 或反 射 物 将 太 阳 照 射 反 射 至 天 花 板 混 凝 土 ； %双 层 玻 璃 中 间 设 置可 调 反 射 帘 ， 能 使 太 阳 照 射 反 射 至 天 花 顶 的 混 凝 土 贮 热 体 ， 可 将太 阳 照 射 能 量 储 存 以 供 后 用 。 同 时 还 可 以 使 太 阳 照 射 深 入 房 间更 深 处 。 在 夏 季 通 过 调 整 反

10、射 帘 的 角 度 可 使 不 需 要 的 阳 光 反 射回 室 外 ， 减 少 夏 季 空 调 冷 负 荷 。 如 图 $ 所 示 。# 主 动 式 别 墅 太 阳 能 采 暖 空 调 系 统*-$ 别 墅 采 暖 空 调 使 用 特 点!太 阳 的 暖 与 太 阳 能 集 热 在 时 间 上 的 交 错 性 。 采 暖 空 调 的使 用 时 间 主 要 在 晚 间 （ $.： &次 日 /： 间 的 $ 小 时 ） ， 而 太 阳能 集 热 器 的 集 热 时 间 主 要 在 白 天 （ /： &$.： ） 。 也 就 是 集 热 与别 墅 建 筑 中太 阳 能 利 用 及 其 设 计 研

11、 究用 热 处 于 一 天 中 互 补 的 时 间 区 内 。 因 此 ， 要 求 有 足 够 的 蓄 热 箱 将太 阳 能 集 热 热 水 进 行 蓄 热 （ 冷 ） 以 供 晚 间 采 暖 空 调 。!采 暖 空 调 舒 适 性 要 求 较 高 ， 并 要 求 提 供 卫 生 热 水 。本 文 别 墅 计 算 采 暖 负 荷 为 !#， 计 算 空 调 负 荷 为 !$#， 房 间同 时 使 用 系 数 %&$。 则 冬 季 设 计 采 暖 负 荷 为 (&)#， 夏 季 设 计 空调 冷 负 荷 为 *&#。 卫 生 热 水 按 +% 升 , 人 , 天 。 别 墅 按 $ 人 计算 ，

12、 热 水 量 为 !% 升 , 天 。-&+ 别 墅 采 暖 空 调 系 统 分 析从 目 前 大 量 别 墅 采 暖 空 调 形 式 上 来 看 ， 在 南 方 地 区 起 主 导地 位 的 还 是 传 统 的 风 冷 热 泵 机 组 ， 这 种 形 式 具 有 设 备 投 资 少 ， 系统 结 构 简 单 ， 操 作 维 护 方 便 等 优 点 。 但 是 ， 冬 季 运 行 制 冷 系 数 低 ，且 存 在 结 霜 的 问 题 而 致 使 系 统 无 法 运 行 。 下 面 介 绍 几 种 适 用 于别 墅 的 太 阳 能 采 暖 空 调 系 统 。太 阳 能 热 泵 （ 直 接 供 暖

13、 ） 系 统 。 这 种 系 统 是 将 太 阳 能 热 泵系 统 和 太 阳 能 直 接 供 暖 系 统 结 合 起 来 。 如 图 + 所 示 ， 当 太 阳 能 蓄热 水 箱 的 出 水 温 度 在 -$ 时 ， 热 泵 系 统 关 闭 ， 采 用 太 阳 能直 接 供 暖 系 统 ； 当 太 阳 能 蓄 热 水 箱 的 出 水 温 度 在 !%/-$ 则关 闭 直 接 供 暖 回 路 ， 启 动 热 泵 机 组 ， 利 用 !%/-$ 为 冬 季 运行 的 热 泵 的 蒸 发 器 提 供 热 源 ； 同 时 ， 空 气 冷 却 器 不 仅 作 为 夏 季 运行 的 冷 凝 器 ， 还

14、可 以 作 为 冬 季 制 热 正 常 运 行 的 辅 助 蒸 发 器 作 用 。这 种 系 统 的 最 大 优 点 是 在 充 分 利 用 太 阳 能 的 同 时 尽 量 使 系 统 效率 较 大 。 但 是 由 于 系 统 设 有 直 接 采 暖 、 太 阳 能 热 水 热 泵 采 暖 和 风冷 热 泵 采 暖 三 个 回 路 ， 系 统 切 换 控 制 较 复 杂 ， 初 投 资 也 较 大 。 另外 ， 夏 季 制 冷 机 制 冷 时 太 阳 能 集 热 器 处 于 闲 置 状 态 ， 使 用 率 低 。!空 气 式 集 热 器 的 热 泵 系 统 。 这 种 系 统 是 利 用 空

15、气 式 太 阳能 集 热 器 预 热 进 入 蒸 发 器 （ 冬 季 运 行 ） 的 空 气 ， 使 空 气 加 热 至!$ 以 便 热 泵 能 正 常 运 行 。 系 统 充 分 利 用 白 天 太 阳 能 空 气集 热 器 使 热 泵 能 制 得 足 够 的 采 暖 用 热 水 以 供 别 墅 晚 间 使 用 ， 如图 - 所 示 。#小 型 吸 收 式 制 冷 机 组 。 太 阳 能 吸 收 式 制 冷 机 是 利 用 太 阳能 集 热 器 制 得 热 水 来 代 替 传 统 用 蒸 汽 或 锅 炉 热 水 作 为 制 冷 机 组所 需 的 热 源 。 但 是 ， 在 太 阳 能 吸 收

16、 式 制 冷 机 组 方 面 ， 研 究 和 应 用较 多 的 是 较 大 型 的 机 组 ， 如 引 文 中 所 述 。 迄 今 为 止 ， 国 内 尚 未 有小 型 吸 收 式 制 冷 机 的 商 业 生 产 。 据 文 献【 !】所 述 ， 目 前 ， 在 日 本 有部 分 厂 家 出 售 别 墅 用 的 +/!% 冷 吨 小 容 量 的 单 效 吸 收 式 自 然 循环 制 冷 机 组 。 并 具 有 耗 电 量 少 ， 噪 声 及 振 动 小 的 优 点 。 但 是 这 种吸 收 式 制 冷 机 比 电 动 制 冷 机 构 造 复 杂 ， 特 别 是 小 容 量 的 价 格 较贵 。 所 以 ， 现 阶 段 小 型 吸 收 式 制 冷 机 在 国 内 外 应 用 都 比 较 少 。 但随 着 新 材 料 的 开 发 、 制 冷 技 术 及 太 阳 能 技 术 的 发 展 ， 这 种 形 式 的成 本 有 望 大 幅 度 下 降 ， 是 很 有 前 景 的 一