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淺談太陽能的利用技術(shù)

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摘要: 本文介紹了我國目前太陽能建筑的現(xiàn)實狀況,分析了其中的節(jié)能潛力,并介紹了太陽能建筑節(jié)能的相關(guān)內(nèi)容和實現(xiàn)技術(shù),探討太陽能建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展道路。

關(guān)鍵詞: 太陽能 建筑 熱量

隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國太陽能建筑的面積日趨增大,建筑節(jié)能是近年來世界建筑發(fā)展的一個基本趨向,也是當(dāng)代建筑科學(xué)技術(shù)的一個新的生長點。抓住機(jī)遇,不失時機(jī)地推進(jìn)建筑節(jié)能,有利于國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)國家發(fā)展的第二步和第三步戰(zhàn)略目標(biāo),并引導(dǎo)我國建筑業(yè)與建筑技術(shù)隨同世界大潮流迅速前進(jìn),太陽能建筑的節(jié)能具有很好的前景,大有可為。

我國地域?qū)拸V,房屋建筑規(guī)模巨大,約有一半建筑位于北方“三北”地區(qū),由于氣候原因,每年約有4— 6個月的采暖期,該地區(qū)規(guī)定設(shè)置集中采暖系統(tǒng),以往習(xí)慣稱之為集中采暖地區(qū)。中部地區(qū)(冬冷夏熱地區(qū)),即長江流域地區(qū),雖然冬季平均氣溫高于0℃,但相對濕度較高,冬季濕冷,而夏季又酷熱。該地區(qū)屬于中國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),包括長江上游在內(nèi),涉及18個省、自治區(qū)、直轄市,總面積180萬k平方米,人口近4 億。年工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占全國40%,人均產(chǎn)值及人均收入均高于全國平均水平。以往由于經(jīng)濟(jì)上的原因,該地區(qū)一般城鎮(zhèn)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)無保溫措施,也不設(shè)置采暖設(shè)施,因此冬夏季室內(nèi)熱環(huán)境條件相當(dāng)差。南方屬于亞熱帶氣候,夏季氣候炎熱,降溫則是主要解決的問題。

與發(fā)達(dá)國家相比,集中采暖地區(qū)城鎮(zhèn)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、氣密性較差,供熱系統(tǒng)效率較低,單位面積的采暖能耗要高得多。我國已成為世界上建房最多的國家,近年來每年全國建成城鎮(zhèn)住宅2 億平方米以上,隨著人民生活的不斷改善,人們對于建筑熱環(huán)境的舒適性要求愈趨迫切,中部地區(qū)冬季采暖勢在必行,各地“空調(diào)熱”也日漸高漲。所以,如何盡量利用太陽能、合理建筑設(shè)計,對北方集中采暖地區(qū)可以減少采暖、空調(diào)能耗;而對于中部及南部地區(qū),改善室內(nèi)熱環(huán)境條件,達(dá)到低水平的室內(nèi)舒適參數(shù),已成為一個重要的課題。

我國從80 年代起,對城鎮(zhèn)多層住宅應(yīng)用被動太陽能進(jìn)行采暖及降溫技術(shù)已有研究,先后在石家莊、灘紡及杭州等處建成了試點建筑,較好的改善了室內(nèi)熱環(huán)境條件。當(dāng)時的技術(shù)路線是由熱工外算開始,進(jìn)而建造示范建筑以驗證效果。國外從70年代初期起,投入了相當(dāng)?shù)牧α窟M(jìn)行計算機(jī)軟件的開發(fā)工作,應(yīng)用動態(tài)模擬計算,進(jìn)行建筑熱工參數(shù)計算分析,進(jìn)而可以預(yù)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù),獲得應(yīng)用被動太陽能的最佳建筑設(shè)計方案,同時也建設(shè)示范建筑以驗證軟件的可信性。這類從合理建筑及熱工設(shè)計著手,在增加有限的建設(shè)投資下,盡量利用被動太陽能來達(dá)到低水平的室內(nèi)冬夏熱環(huán)境條件的住宅,這里稱為“節(jié)能住宅”。

一、各種參數(shù)對空溫的影響

為了進(jìn)行參數(shù)研究,首先確定了一個基礎(chǔ)方案,即對條狀住宅建筑模型,取其南向主立面外窗的窗墻比為30.3%,單層窗,外墻與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為0.83w/ (℃??*平方米),換氣次數(shù)為1.1次h,不考慮內(nèi)部蓄熱量。在進(jìn)行參數(shù)分析時,固定其他參數(shù),僅變化一個參數(shù)來分析對室溫的影響。

內(nèi)部蓄熱量

蓄熱量會影響室溫,特別是對最高室溫有影響。冬季,內(nèi)部蓄熱量會使月最高溫度降低,而使月最低溫度升高,至于月平均溫度,則略有升高。顯然,內(nèi)部蓄熱量可以改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件。對夏季來說,蓄熱量同樣也降低了月最高溫度及升高了月最低溫度,而月平均溫度則無多大影響。當(dāng)建筑模型中一個住戶內(nèi)蓄熱量相當(dāng)于100平方米、200mm厚混凝土墻時,可使八月份住宅最高溫度下降3c左右,可使一月份住宅最低溫度升高2.8℃,這將對室內(nèi)熱環(huán)境有較大的改善。

換氣次數(shù)

可以預(yù)見,增加換氣次數(shù)會使冬季室內(nèi)熱環(huán)境變差,但能改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。對夏季來說,換氣次數(shù)由1.1次h增加到10次h,可使八月份月最高溫度降低4.4℃、月平均溫度下降4.8℃,月最低溫度下降7.8C.顯然,冬季換氣次數(shù)越低越好,如果園護(hù)結(jié)構(gòu)、門窗密閉性好,換氣次數(shù)可以降低到1.5次/h,此時與1.1次h相比,室溫可提高2—3C.

增強(qiáng)夜間通風(fēng)

降低夏季室溫的一個措施是增強(qiáng)夜間通風(fēng),計算了三種方案,一是全天以1. 1次/h換氣,第二種方案全天以10次/hh換氣,第三種方案則采取白天(早6一晚2l時)1.1次h換氣,夜間(晚21一晨6時)加強(qiáng)通風(fēng)至10次h.計算結(jié)果表明,對于內(nèi)部蓄熱量較大時,第三方案與第一方案相比,月最高溫度下降3.7C,月平均溫度下降5.2℃,而月最低溫度下降達(dá)7.7℃??梢娫鰪?qiáng)夜間通風(fēng)對改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境是十分奏效的。

南窗面積

窗戶開啟面積既與熱損失量有關(guān),也與通過窗戶玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽得熱量有關(guān)。太陽輻射得熱量與窗戶朝向有密切的關(guān)系,相比之下熱損失與朝向的關(guān)系就不那么密切了。這里分析南向窗戶面積對室溫的影響。計算三種不同的窗墻比,它們分別是9.3%、30.3%及60.5%。冬季工況計算表明,窗墻比由19.3%增大至60.5%后,一月份最高溫度升高3.6℃,平均溫度升高2.7℃,而最低溫度提高2.5℃的夏季來說,月最高溫度、月平均溫度及月最低溫度分別要提高1.6℃、0.9℃及0.4℃。

由此可見,南向窗墻比大且具有較大內(nèi)部蓄熱量時,可以改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件;至于夏季,南向窗戶面積增大會提高一點室溫,使室內(nèi)熱環(huán)境條件略為變差—點。

主立面朝向

主立面朝向不僅對冬季有影響,而且對夏季也有影響。主立面朝東及朝西時室溫相同,與主立面朝南及朝北相比,室內(nèi)熱環(huán)境條件都要來得差。對于冬季來說,主立面朝南為最佳。

水平遮陽板伸出長度

夏季除了采用加大通風(fēng)量來降低室溫外,另一條途徑是在窗戶上方設(shè)置遮陽板,以減少太陽入射量。計算了不同伸出長度(水平方向)一月及八月份室溫情況。由計算可以得出,水平遮陽板對夏季有明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用,但遺憾的是,同時也使冬季室內(nèi)熱環(huán)境變差。夏季時,水平遮陽板的伸出長度由0,0.4,0.9及1.5m變化時月平均溫度可分別降低1.0,2.0及2.2℃,但冬季卻也相應(yīng)降低了月平均溫度0.2,0.7及 2.2℃。

窗戶的層數(shù)

增加窗戶層數(shù)將減少熱損失,但也在一定程度上減少了太陽得熱量。采用單層宙及雙層宙作計算比較,發(fā)現(xiàn)雙層窗對冬季室溫略有改善(一月份平均室溫增加0.9℃),但同樣使夏季室溫略有變差(八月份平均室溫升高0.7℃)。

外墻、屋面外表面顏色

外墻、屋面外表面涂成白色會有助于降低夏季室溫。進(jìn)行二種方案比較計算,一種采用吸收率為o. 8的深色外表面,另一種吸收率為淺色外表面。計算結(jié)果表明,淺色表面可使夏季室內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善,但同時也使冬季情況變差。在二方案中外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均采取0.83w平方米,八月份平均室溫可降低2℃,但一月份平均室溫也降低了1.3℃。外墻與屋面保溫越好,這種影響將越小。

外墻與屋面熱工設(shè)計

采用三種方案進(jìn)行比較計算,

第一方案為外墻與屋面的傳熱系數(shù)及均為0.83w/ (℃。m),

第二方案外墻K=0.83w/(℃。m),屋面K=0.28w/(℃。m),

第三方案外墻與屋面K值均為0.28w/(℃。平方米)。

由計算可以看出,屋面保溫對降低夏季頂層室溫的影響尤其大,第二方案與第一方案相比,八月份月最高溫度下降7℃,平均溫度下降0.4℃,但月最低溫度上升了 6℃。從冬季情況看,保溫改善有利于室溫提高,第三方案與第一方案相比,一月份平均室溫升高1.1℃,5最低溫度升高了2.4℃,但月最高溫度有所下降 (5℃)。頂層天花板表面溫度受屋面保溫影響甚大,對于屋面有很好保溫的場合K=0.28w/(℃。m3),在年最熱日下午14時,天花板內(nèi)表面溫度僅只比室溫高0.5℃,但K=0.83w/(℃。m)的屋面來說,要高出3.8℃。如果采用外墻及=0.74w/(℃。m),屋面X=0.63w/ (℃。m),并具有較大的內(nèi)部莆熱量,應(yīng)用雙層窗,加強(qiáng)夜間通風(fēng)(晚21時至凌晨6時,換氣次數(shù)為10次/h),此時最熱日下午14時室溫為37.2℃,天花板內(nèi)表面溫度只有33.6℃,室內(nèi)熱環(huán)境可以得到明顯的改善。

二、節(jié)能住宅設(shè)計原則

根據(jù)以上參數(shù)研究,提出如下設(shè)計原則:

1. 冬季換氣次數(shù)應(yīng)該盡可能低,而夏季則盡可能高。

2. 如果具有較大的內(nèi)部蓄熱量,對夏季來說,較好的方案是白天(早6時至晚2l時)維持較低的換氣次數(shù),面夜間(晚2l時至晨6時)宜加強(qiáng)通風(fēng)增加換氣次數(shù)。

3. 內(nèi)部蓄熱量對冬、夏季來說均能減少室溫的波動幅度,即降低最高溫度,升高最低溫度,但對平均溫度影響甚小,總的來說,內(nèi)部首熱量能改善室內(nèi)熱環(huán)境。

4. 采用水平遮陽板來降低夏季室溫并不是好的措施,因為它同時較冬季室內(nèi)效環(huán)境變差,除非遮陽板在冬季時可以移開。

5. 盡管外墻、屋面外表面涂以淺色可以降低夏季室溫,但同時也降低了冬季室溫,因面不推薦這種做法。

6. 采取南立面大比例的窗墻比,并設(shè)計成具有較大內(nèi)部蓄熱量境,對夏季稍為不利。

7. 主立面窗戶朝南為最佳,朝東及朝西效果最差。

8. 窗戶、外墻及屋面保溫能改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境,特別是屋面保溫可以明顯地改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。

三、幾個推薦的節(jié)能住宅方案

被動太陽能(房)節(jié)能住宅方案

參數(shù)研究優(yōu)化計算了北京地區(qū)應(yīng)用被動太陽能采暖的可能性,即研究了是否可能在不設(shè)置采暖設(shè)備時月平均室溫達(dá)到16℃。計算結(jié)果表明是可能的,其建筑設(shè)計參數(shù)如下:

1. 南立面宙墻比60.5%。

2. 具有較大內(nèi)部蓄熱量,相當(dāng)于戶(建筑面積73.1平方米)具有200mm厚混凝土墻體的苦熱量

3. 雙層窗。

4. 外墻與屋面的傳熱系數(shù)K=0.28w/(℃。平方米)。

5. 冬季換氣次數(shù)0.5次/h,夏季早6一晚21時換氣次數(shù)1.1次/h,晚21次/h.

四、節(jié)能住宅方案設(shè)計原則

由參數(shù)研究的結(jié)果提出如下設(shè)計原則:

1. 冬季換氣次數(shù)宜低(v=0.8次/h),夏季換氣次數(shù)宜高(v=20次h)(借助于打開宙戶利用自然穿堂風(fēng))。

2. 從防止出現(xiàn)結(jié)露危險性觀點來看,冬季換氣次數(shù)至少保持0.8次h.

3. 增加內(nèi)部蓄熱量可使室內(nèi)溫度被動減弱,使夏季及冬季的最高溫度下降,使最低溫度升高,不過,內(nèi)部蓄熱量對平均溫度的影響甚微。總之,內(nèi)部蓄熱量可以使室內(nèi)熱環(huán)境條件得到改善。

4. 與較小的南向窗戶相比,加大南向窗戶面積,并配以相對較高的內(nèi)部蓄熱量,可以較好的改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件。這種做法只是稍微使夏季室內(nèi)熱環(huán)境條件變差。

5. 選擇建筑南向主立面為最佳,而主立面東向或西向為最差。

6. 南向窗戶上部的水平遮陽板對改善夏季室內(nèi)環(huán)境的作用不明顯,除非在冬季時可以移開。

7. 為了避免冬季臥室及起居室出現(xiàn)結(jié)露,在安排廚房、浴室、廁所位置時要注意與主要使用房間的隔斷,并合理利用穿堂風(fēng),最好設(shè)置機(jī)械排風(fēng)裝置。

太陽能建筑的節(jié)能具有很好的前景,大有可為。但是在其發(fā)展階段,資金投入是一個主要的障礙。太陽能建筑的長遠(yuǎn)發(fā)展必須符合市場經(jīng)濟(jì)的規(guī)律。簡單來說就是要作到“分擔(dān)投入、共享收益”。

所謂“分擔(dān)投入”就是要從多個渠道解決太陽能建筑節(jié)能所需要的前期投入。比如建筑業(yè)主承擔(dān)主要部分,專業(yè)化的節(jié)能改造公司承擔(dān)一部分,政府支持的低息銀行貸款一部分,這樣可以促進(jìn)太陽能建筑節(jié)能工作的全面開展。

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發(fā)布:2007-11-13 17:43    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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