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1、温塘镇某别墅主被动采暖设计及评价 建筑环境与设备工程 建环(低碳)121班 摘要：本课题是基于对建筑节能课程所学基础上，进行研究和设计，现应用于河北省石家庄市平山县温汤镇某别墅的主动及被动采暖设计和评价。被动式采暖直接利用太阳能冬季采暖、夏季遮阳散热，通过建筑环境和周围环境的合理设计、内部空间和外部形体的处理，充分合理获取太阳能。主动式采暖利用集热器、蓄热器、管道、风机及水泵等设备来收集、存储及输配太阳能。本文主要应用的技术有：被动太阳能技术、水源热泵技术、太阳能集热-储热-供暖技术和自然通风换气技术等。关键词：能源 太阳能技术 节能指标 热泵技术一、引言人类面临的三大危机随时爆发。由于全球人
2、口的急剧增长和经济的高速发展，进入21世纪，人类面临石油、粮食和环境三大危机。治理环境污染，发展绿色经济已成为全球共识。争夺石油等资源已成为发达国家对外驻兵的借口。发展新能源成为各国政府，特别是发达国家的战略国策。太阳能的利用首先开启了人类的太空之旅，现太阳能已成为人类利用最安全、最可靠、最广泛和最有前途的新能源。环境问题也变得十分受重视，国家和政府曾多次强调要关注环境，治理环境迫在眉睫。本文基于对国家号召的节能减排的响应所设计的是利用主动及被动采暖技术相结合的采暖技术，夏季利用水源热泵来向室内提供冷量的低能耗建筑。应用这些新兴技术主要是为了减少对环境的污染和资源的消耗，达到国家所要求的新的标
3、准。新技术的使用对于节约能源、保护环境、提高居住质量、推动建筑业建材业技术进步，实现经济和社会发展，都具有十分重要的意义。二、设想方案的阐述、被动式节能建筑基本设计该单体建筑位于河北省石家庄市平山县温汤镇。建筑面积为,四个卧室,一个仓库,两个卫生间,一客厅,一书房。规范要求严寒地区的居住建筑窗墙面积比限值：北，东、西，南。从细部构造设计入手，有效利用隔热保温、遮阳和自然通风等被动式节能技术，改善建筑室内微环境。由于外围护墙体的热工性能比玻璃窗户要好。尽管外窗面积比外墙面积要小得多，但通过外窗得失热量却占外围护结构得失热量的40%左右，因此合理控制窗墙比，以达到降低建筑耗热量。建筑围护结构的热工
4、性能直接影响建筑耗热量的大小，其中墙体结构的传热系数是节能设计的重要指标。本设计墙体保温层是由水泥抹面； 挤塑型聚苯板； 炉渣空心砌块； 石灰砂浆内抹灰组成，通过保温材料的作用，减少建筑物耗热量而达到节能目的。各构造的传热系数见下表：名名称 构造做法传热系数K传热面积 屋顶坡面 陶瓦 ； 挤塑聚苯板保温层； 现浇钢筋混凝土楼板；平均传热数坡顶面积 外墙水泥抹面；挤塑型聚苯板；炉渣空心砌块；石灰砂浆内抹灰平均传热系数 外窗窗户类型为中空玻璃窗，窗框材料为塑料，玻璃为发射率的Low-E中空玻璃（间隔层厚度，间隔气体为氩气 平均传热系数（南）；（西）；（东）；（北面）地面厚水泥砂浆抹面；厚混凝土平均
5、传热系数门三防保温门平均传热系数经查表，以上所有围护结构K值均要达到节能标准JGJ26-2010。附加阳光间：这种太阳房是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙(带门、窗或通风孔)把房子与阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，开门(或窗或墙上的通风孔)将阳光间的热量通过对流传入相邻的
6、房间，其余时间关闭。附加阳光间外部结构附加阳光间内部结构在只有附加阳光间无其它辅助热源情况下, 通过面积为 4.64 的阳光间和 4 块 1 1.5 平板型空气集热器集热供热共同作用, 我们对室内可达到的空气温度进行了预测。室内平均气温 () Tr =Ta/NLC 式中 : 月平均室外气温, ;被动部分月有效得热量, ;主动部分月有效得热量, ;M 每月天数, d ;通过其它围护结构得热量, 由围护结构热工计算得出, / d ;由室内照明, 人等产生的热量, 室内按一人常活动, =10368 / dMLC 房间净负荷系数, 由热工计算得到。 其 NLC=4815 / d ; 由计算结果可知,
7、在太阳辐照最不利的 12 月份, 可使室内气温比室外气温提高 15 , 在辐照最好的 2 月份, 可提高24.1。 依靠太阳热能采暖, 极大地改善了室内热环境。 但由于室外气温太低, 例如最冷的一月份平均室外气温为 -17 , 致使 12 月、1 月份室内气温仅能达到 0.9, 1.6 , 仍较低。 这说明在极严寒地区, 仅靠太阳能采暖而无其它辅助很难达到民用建筑采暖内温度要求的。 如果要进一步改善生活工作条件, 达到采暖设计目标, 必须增设其它辅助热源。此外还应采用自然通风换气技术，自然通风是指利用空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。这是一项传统的建筑防热技
8、术，在世界各地的传统民居中，得到了广泛的应用。在湿热地区，我们看到的传统民居往往有这样的外表：建筑都有开阔的窗户；采用轻便的墙体；深远的挑檐；高高在上的顶棚并且设置有通风口；建筑往往架空，以避开地面的潮气和热气，采集更多的凉风这样形象的背后，隐藏着劳动人民对利用自然通风技术的朴素观念。自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。空调的产生，使人们可以主动的控制居住环境，而不是象以往一样被动的适应自然；空调的大量的使用，使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天，迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下，全球的科学家不得不重新审视自
9、然通风这一传统技术。在这样的背景下，把自然通风这一传统建筑生态技术重新引回现代建筑中，有着比以往更为重要的意义：自然通风不仅能够有效的实现室内环境的降温，还能够节约常规能源、减少环境污染，同时还能够极大的改善室内环境品质。自然通风是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技 术，采用自然通风方式的根本目的，就是取代(或部分取代)空调制冷系统。而这 一取代过程有三点至关重要的意义：一是实现有效被动式制冷。当室外空气温湿 度较低时，自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下，降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适。即使室外空气温湿度超过舒适区，需要消耗能源进行降温降湿处理，也可以利用
10、自然通风输送处理后的新风，而省去风机能耗，且 无噪声。这有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气(新风)，有利于人的生理和心理健康。室内空气品质的低 劣，在很大程度上是由于缺少充足的新风。空调所造成的恒温环境，也使得人体 抵抗力下降，引发各种“空调病”。而自然通风可以排除室内污浊的空气，同时，还有利于满足人和大自然交往的心理需求。三是提高空间利用率，自然通风，主要通过建筑设计来实现，无需庞大的设备和管道。用于实现自然通风的构件，大约仅占楼层建筑面积的0.3%左右。考虑到这些构件往往具有多重功能，比如窗户即能采光，也能通风。因此，这些占用的面积几乎可以忽略
11、。然而，典型的机械通风系统要占用楼层面积的4-7%，此外，通风管道还会占用约层高的15%。如果采取自然通风策略，可以节省出可观的建筑面积和空间，让室内空间更加宽敞。自然通风换气原理图 自然通风环境下的热舒适与空调稳态环境下的情况有较大区别,由于人的适应性使人们在实际建筑中能忍受更高的温度,使得自然通风房间的热舒适区要宽于空调房间。 综上所述，用基于自然通风条件下人体的热舒适来评价自然通风系统更客观、全面,而 且能够为自然通风建筑的控制系统提供参考依据。（二） 、主动式节能设计方案太阳能集热-储热-供暖技术：工程概况及系统设计：该别墅，共 2 层，供暖面积 200 ，建筑围护结构主要参数如表 1
12、 所示。太阳能集热器安装方向为南向，倾角45，太阳辐照度为全年3 438 MJ /，年日照时数 1 109 h，12 月平均环境温度 7. 3，用热水人数按农村平均 7 人计算，平均日用水定额 50 L /人。表 1 建筑围护结构主要参数 体形系数外墙传热系数 屋面传热系数窗墙比 外窗传热系数 0. 5 1 0. 9 0. 4 3. 5查12 月份建筑热量组成，可以看出该建筑冬季通过窗口获得的太阳能热量变化幅度很大，白天获得热量较多，对流换热量次之，通过围护结构带走的热量相对比较稳定，而空气渗透引起的热损最小，变化不大。单位面积热负荷取 25 W，日平均供暖负荷为 = 25 320 = 8 0
13、00 W日平均热水负荷： = ( )/86 400 式中: 为热水负荷，W; m 为用水人数; q 为热水用水定额，按照 GB500152003( 2009 年版) 建筑给水排水设计规范，取 50 L; 为水的密度， ; c 为水的比热，4 187 J/( kg) ;为冷水计算温度，按最冷月平均水温确定，取 15 ; 为热水计算温度，查GB500152003( 2009 年版) 建筑给水排水设计规范，取 60 。根据式计算得出热水负荷为 763W。系统总负荷为 与 之和，即 8 763 W。太阳能集热器集热器面积： 式中:为系统总负荷，W ; f为太阳能保证率，根据太阳辐照条件，系统经济性及用
14、户要求等确定，一般取 30% 80% ，河北地区太阳能资源属于一般区，取 30% ; 为当地集热器采光面上平均日太阳辐照量， ，本次计算取 10 ；为集热器平均集热效率，一般取 25% 50% ; 为管路及贮热装置热损失，取 20% 30% ;所以太阳能集热器集热器面积为： ；储热水箱的设计： 按照短期储热太阳能供热供暖系统的水箱与集热器配比推荐，系统配置水箱容积 60 51 0. 5 = 1530 L 供暖 1 台不锈钢水箱。 系统方案设计：石家庄地区属于夏热冬冷地区，夏季炎热冬季寒冷，且湿度大，本文采用太阳能和空气源热泵联合运行方式进行全年的热水供应和冬季的供暖，如图所示是该系统构成，主要
15、设备参数如前所述。太阳能供暖供热水系统示意图 太阳能集热系统运行; 在夏季供热水及季天气晴朗，太阳辐射充足情况下，安装在集热器出口的温度控制器测试出出口水温，当温度在 40 60 时，太阳能集热循环泵开启系统循环，加热蓄热水箱中冷水，加热后的热水供冬季供和生活热水。经其它单体建筑反映的全年入射在集热器采光面上的总辐照量分析，平板式集热器要大于热管式真空管集热器，全年太阳能保证率平板式集热器小于热管式真空管集热器。 在该别墅应用的太阳能供热系统，不管采用平板式集热器还是热管式真空管集热器，都能取得很好的热舒适效果，室内温度分布基本均匀，照射在平板式集热器上的辐照量较高，平板集热器太阳能保证率较热管式真空管低，集热器出口温度、供给蓄热水箱的太阳能均低，这种差距在太阳辐照度越高的情况下
