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浅谈太阳能的利用技术

信息来源:nooeoo.com  时间:2006-07-14  浏览次数:555

  随着改革开放和经济发展,我国太阳能建筑的面积日趋增大,建筑节能是近年来世界建筑发展的一个基本趋向,也是当代建筑科学技术的一个新的生长点。抓住机遇,不失时机地推进建筑节能,有利于国民经济持续、快速、健康发展,保护生态环境,实现国家发展的第二步和第三步战略目标,并引导我国建筑业与建筑技术随同世界大潮流迅速前进,太阳能建筑的节能具有很好的前景,大有可为。
  我国地域宽广,房屋建筑规模巨大,约有一半建筑位于北方“三北”地区,由于气候原因,每年约有4—6个月的采暖期,该地区规定设置集中采暖系统,以往习惯称之为集中采暖地区。中部地区,即长江流域地区,虽然冬季平均气温高于0℃,但相对湿度较高,冬季湿冷,而夏季又酷热。该地区属于中国经济发达地区,包括长江上游在内,涉及18个省、自治区、直辖市,总面积180万k平方米,人口近4亿。年工农业总产值占全国40%,人均产值及人均收入均高于全国平均水平。以往由于经济上的原因,该地区一般城镇住宅围护结构无保温措施,也不设置采暖设施,因此冬夏季室内热环境条件相当差。南方属于亚热带气候,夏季气候炎热,降温则是主要解决的问题。
  与发达国家相比,集中采暖地区城镇住宅围护结构保温、气密性较差,供热系统效率较低,单位面积的采暖能耗要高得多。我国已成为世界上建房最多的国家,近年来每年全国建成城镇住宅2亿平方米以上,随着人民生活的不断改善,人们对于建筑热环境的舒适性要求愈趋迫切,中部地区冬季采暖势在必行,各地“空调热”也日渐高涨。所以,如何尽量利用太阳能、合理建筑设计,对北方集中采暖地区可以减少采暖、空调能耗;而对于中部及南部地区,改善室内热环境条件,达到低水平的室内舒适参数,已成为一个重要的课题。
  我国从80年代起,对城镇多层住宅应用被动太阳能进行采暖及降温技术已有研究,先后在石家庄、滩纺及杭州等处建成了试点建筑,较好的改善了室内热环境条件。当时的技术路线是由热工外算开始,进而建造示范建筑以验证效果。国外从70年代初期起,投入了相当的力量进行计算机软件的开发工作,应用动态模拟计算,进行建筑热工参数计算分析,进而可以预测室内环境参数,获得应用被动太阳能的最佳建筑设计方案,同时也建设示范建筑以验证软件的可信性。这类从合理建筑及热工设计着手,在增加有限的建设投资下,尽量利用被动太阳能来达到低水平的室内冬夏热环境条件的住宅,这里称为“节能住宅”。
  一、各种参数对空温的影响
  为了进行参数研究,首先确定了一个基础方案,即对条状住宅建筑模型,取其南向主立面外窗的窗墙比为30.3%,单层窗,外墙与屋面传热系数均为0.83w/,换气次数为1.1次h,不考虑内部蓄热量。在进行参数分析时,固定其他参数,仅变化一个参数来分析对室温的影响。
  蓄热量会影响室温,特别是对最高室温有影响。冬季,内部蓄热量会使月最高温度降低,而使月最低温度升高,至于月平均温度,则略有升高。显然,内部蓄热量可以改善冬季室内热环境条件。对夏季来说,蓄热量同样也降低了月最高温度及升高了月最低温度,而月平均温度则无多大影响。当建筑模型中一个住户内蓄热量相当于100平方米、200mm厚混凝土墙时,可使八月份住宅最高温度下降3c左右,可使一月份住宅最低温度升高2.8℃,这将对室内热环境有较大的改善。
  可以预见,增加换气次数会使冬季室内热环境变差,但能改善夏季室内热环境。对夏季来说,换气次数由1.1次h增加到10次h,可使八月份月最高温度降低4.4℃、月平均温度下降4.8℃,月最低温度下降7.8c.显然,冬季换气次数越低越好,如果园护结构、门窗密闭性好,换气次数可以降低到1.5次/h,此时与1.1次h相比,室温可提高2—3c.
  降低夏季室温的一个措施是增强夜间通风,计算了三种方案,一是全天以1.1次/h换气,第二种方案全天以10次/hh换气,第三种方案则采取白天1.1次h换气,夜间加强通风至10次h.计算结果表明,对于内部蓄热量较大时,第三方案与第一方案相比,月最高温度下降3.7c,月平均温度下降5.2℃,而月最低温度下降达7.7℃。可见增强夜间通风对改善夏季室内热环境是十分奏效的。
  窗户开启面积既与热损失量有关,也与通过窗户玻璃进入室内的太阳得热量有关。太阳辐射得热量与窗户朝向有密切的关系,相比之下热损失与朝向的关系就不那么密切了。这里分析南向窗户面积对室温的影响。计算三种不同的窗墙比,它们分别是9.3%、30.3%及60.5%。冬季工况计算表明,窗墙比由19.3%增大至60.5%后,一月份最高温度升高3.6℃,平均温度升高2.7℃,而最低温度提高2.5℃的夏季来说,月最高温度、月平均温度及月最低温度分别要提高1.6℃、0.9℃及0.4℃。
  由此可见,南向窗墙比大且具有较大内部蓄热量时,可以改善冬季室内热环境条件;至于夏季,南向窗户面积增大会提高一点室温,使室内热环境条件略为变差—点。
  主立面朝向不仅对冬季有影响,而且对夏季也有影响。主立面朝东及朝西时室温相同,与主立面朝南及朝北相比,室内热环境条件都要来得差。对于冬季来说,主立面朝南为最佳。
  夏季除了采用加大通风量来降低室温外,另一条途径是在窗户上方设置遮阳板,以减少太阳入射量。计算了不同伸出长度一月及八月份室温情况。由计算可以得出,水平遮阳板对夏季有明显改善室内热环境的作用,但遗憾的是,同时也使冬季室内热环境变差。夏季时,水平遮阳板的伸出长度由0,0.4,0.9及1.5m变化时月平均温度可分别降低1.0,2.0及2.2℃,但冬季却也相应降低了月平均温度0.2,0.7及2.2℃。
  增加窗户层数将减少热损失,但也在一定程度上减少了太阳得热量。采用单层宙及双层宙作计算比较,发现双层窗对冬季室温略有改善,但同样使夏季室温略有变差。
  外墙、屋面外表面涂成白色会有助于降低夏季室温。进行二种方案比较计算,一种采用吸收率为o.8的深色外表面,另一种吸收率为浅色外表面。计算结果表明,浅色表面可使夏季室内热环境得到明显改善,但同时也使冬季情况变差。在二方案中外墙及屋面传热系数均采取0.83w平方米,八月份平均室温可降低2℃,但一月份平均室温也降低了1.3℃。外墙与屋面保温越好,这种影响将越小。
  采用三种方案进行比较计算,
  第一方案为外墙与屋面的传热系数及均为0.83w/,
  第二方案外墙k=0.83w/,屋面k=0.28w/,
  第三方案外墙与屋面k值均为0.28w/。
  由计算可以看出,屋面保温对降低夏季顶层室温的影响尤其大,第二方案与第一方案相比,八月份月最高温度下降7℃,平均温度下降0.4℃,但月最低温度上升了6℃。从冬季情况看,保温改善有利于室温提高,第三方案与第一方案相比,一月份平均室温升高1.1℃,5最低温度升高了2.4℃,但月最高温度有所下降。顶层天花板表面温度受屋面保温影响甚大,对于屋面有很好保温的场合k=0.28w/,在年最热日下午14时,天花板内表面温度仅只比室温高0.5℃,但k=0.83w/的屋面来说,要高出3.8℃。如果采用外墙及=0.74w/,屋面x=0.63w/,并具有较大的内部莆热量,应用双层窗,加强夜间通风,此时最热日下午14时室温为37.2℃,天花板内表面温度只有33.6℃,室内热环境可以得到明显的改善。
  根据以上参数研究,提出如下设计原则:
  冬季换气次数应该尽可能低,而夏季则尽可能高。
  如果具有较大的内部蓄热量,对夏季来说,较好的方案是白天维持较低的换气次数,面夜间宜加强通风增加换气次数。
  内部蓄热量对冬、夏季来说均能减少室温的波动幅度,即降低最高温度,升高最低温度,但对平均温度影响甚小,总的来说,内部首热量能改善室内热环境。
  采用水平遮阳板来降低夏季室温并不是好的措施,因为它同时较冬季室内效环境变差,除非遮阳板在冬季时可以移开。
  尽管外墙、屋面外表面涂以浅色可以降低夏季室温,但同时也降低了冬季室温,因面不推荐这种做法。
  采取南立面大比例的窗墙比,并设计成具有较大内部蓄热量境,对夏季稍为不利。
  主立面窗户朝南为最佳,朝东及朝西效果最差。
  窗户、外墙及屋面保温能改善冬季室内热环境,特别是屋面保温可以明显地改善夏季室内热环境。
  三、几个推荐的节能住宅方案
  被动太阳能节能住宅方案
  参数研究优化计算了北京地区应用被动太阳能采暖的可能性,即研究了是否可能在不设置采暖设备时月平均室温达到16℃。计算结果表明是可能的,其建筑设计参数如下:
  南立面宙墙比60.5%。
  具有较大内部蓄热量,相当于户具有200mm厚混凝土墙体的苦热量
  外墙与屋面的传热系数k=0.28w/。
  冬季换气次数0.5次/h,夏季早6一晚21时换气次数1.1次/h,晚21次/h.
  四、节能住宅方案设计原则
  由参数研究的结果提出如下设计原则:
  冬季换气次数宜低,夏季换气次数宜高。
  从防止出现结露危险性观点来看,冬季换气次数至少保持0.8次h.
  增加内部蓄热量可使室内温度被动减弱,使夏季及冬季的最高温度下降,使最低温度升高,不过,内部蓄热量对平均温度的影响甚微。总之,内部蓄热量可以使室内热环境条件得到改善。
  与较小的南向窗户相比,加大南向窗户面积,并配以相对较高的内部蓄热量,可以较好的改善冬季室内热环境条件。这种做法只是稍微使夏季室内热环境条件变差。
  选择建筑南向主立面为最佳,而主立面东向或西向为最差。
  南向窗户上部的水平遮阳板对改善夏季室内环境的作用不明显,除非在冬季时可以移开。
  为了避免冬季卧室及起居室出现结露,在安排厨房、浴室、厕所位置时要注意与主要使用房间的隔断,并合理利用穿堂风,最好设置机械排风装置。
  太阳能建筑的节能具有很好的前景,大有可为。但是在其发展阶段,资金投入是一个主要的障碍。太阳能建筑的长远发展必须符合市场经济的规律。简单来说就是要作到“分担投入、共享收益”。
  所谓“分担投入”就是要从多个渠道解决太阳能建筑节能所需要的前期投入。比如建筑业主承担主要部分,专业化的节能改造公司承担一部分,政府支持的低息银行贷款一部分,这样可以促进太阳能建筑节能工作的全面开展

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