《太陽能利用》第四章被動式太陽能熱利用技術(shù)第一頁，共40頁。第四章被動式太陽能熱利用技術(shù)概述被動式太陽房簡介被動式太陽房設(shè)計原則與要點被動式太陽房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計被動式太陽房保溫設(shè)計被動式太陽能建筑案例分析2第二頁，共40頁。1.概述1.1被動式太陽能熱利用技術(shù)不采用機械設(shè)備，而利用輻射、對流和傳導(dǎo)的方式，使太陽熱能能夠自然流經(jīng)建筑物，并通過建筑物本身的性能控制熱的流向，從而達到供暖或制冷效果的技術(shù)。冬季白天冬季夜晚夏季白天夏季夜晚被動太陽房工作原理示意圖3第三頁，共40頁。1.概述1.2太陽能資源分布我國太陽能資源的總體分布狀況:西部多于東部，北部多于南部；南方非供暖地區(qū)處在太陽能輻射相對弱的地區(qū)，可利用太陽能進行降溫、制冷。對于廣大北方和西部，以及冬季供暖地區(qū)來說,適合運用太陽能技術(shù)進行供暖。太陽能比較豐富的地區(qū)面積很大。太陽能資源分布4第四頁，共40頁。2.被動式太陽房簡介2.1被動房分類按照傳熱過程的不同分為:直接受益式間接受益式按集熱形式分為：直接受益式集熱蓄熱墻式蓄熱屋頂池式附加陽光間式對流環(huán)路式5第五頁，共40頁。2.被動式太陽房簡介（1）直接受益式直接受益式太陽房特點:易于制作、安裝和日常的管理與維修；有利于設(shè)備與建筑的一體化設(shè)計；集熱效率高、室溫上升快室內(nèi)溫度波動較大。（2）集熱蓄熱墻式特點:廣泛的適應(yīng)性，可用于供暖設(shè)計，又可用于被動式降溫；成本增加較多，構(gòu)造較為復(fù)雜。a)集熱墻集熱

b)集熱墻散熱6第六頁，共40頁。2.被動式太陽房簡介（3）蓄熱屋頂池式（4）附加陽光間式特點：可為自身和相鄰的空間提供熱量；布置相比直接受益式空間更加靈活；熱量的流動性較差。蓄熱屋頂池式太陽房的蓄熱物質(zhì)放在屋頂上，通常是有吸熱和儲熱功能的蓄水塑料袋或相變材料，其上設(shè)可開閉的隔熱蓋板，冬夏兼顧。a)冬季白天工況b)冬季夜間工況

a)陽光間滿足白天使用b)夜間作為熱緩沖區(qū)7第七頁，共40頁。2.被動式太陽房簡介（5）對流環(huán)路式原理類似家用太陽能熱水系統(tǒng)，對流環(huán)路板是一個平板空氣集熱器，由玻璃覆蓋著的深色金屬太陽能熱板組成。特點：集熱效果較好；且不需要人為控制；易于與建筑進行一體化設(shè)計；熱穩(wěn)定性較差；宜用于辦公室等主要在白天使用的建筑。對流環(huán)路式太陽房示意圖8第八頁，共40頁。2.被動式太陽房簡介2.2被動房適應(yīng)性形式優(yōu)點缺點直接受益式

1.景觀好,費用低,效率高,形式靈活

2.有利于自然采光

3.適合學(xué)校、小型辦公室等

1.易引起眩光

2.可能發(fā)生過熱現(xiàn)象

3.溫度波動大集熱蓄熱墻式

1.熱舒適度較高,溫度波動小

2.易于舊建筑改造,費用適中

3.高供暖負荷時,效果很好

4.與直接受益式結(jié)合限制照度級效果很好,適合于學(xué)校、住宅、醫(yī)院等

1.玻璃窗較少,不便觀景

2.不便自然采光

3.陰天時效果不好附加陽光間式

1.作為起居間有很強的舒適性和景觀性,適合居住用房、休息室、飯店等

2.可做溫室使用

1.維護費用較高

2.對夏季降溫要求很高

3.效率低蓄熱屋頂池式

1.集熱蓄熱量大,且蓄熱體位置合理,能獲得較好的室內(nèi)溫度環(huán)境

2.較適于冬季需供暖,夏季需降溫的濕熱地區(qū),可大大提高設(shè)施的使用率

1.構(gòu)造復(fù)雜

2.造價很高對流環(huán)路式

1.集熱蓄熱量大,且蓄熱體位置合理,能獲得較好的室內(nèi)溫度環(huán)境

2.適用于有一定高差的南向坡地

1.構(gòu)造復(fù)雜

2.造價很高五種被動式太陽房特點比較不同的集熱方式，適宜于不同的條件，其適宜性應(yīng)從房間使用性質(zhì)、緯度和氣象條件、經(jīng)濟條件等方面進行綜合考慮。9第九頁，共40頁。3.被動式房設(shè)計原則與要點3.1設(shè)計原則被動式太陽房設(shè)計必須滿足下列原則:主要供暖房間緊靠集熱表面和蓄熱體布置，而將次要房間圍在

北面和東西兩側(cè)；室內(nèi)布置盡可能多的蓄熱體；建筑物要具有一個非常有效的絕熱外殼；應(yīng)根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,適當考慮遮陽、通風等夏季降溫設(shè)計。10第十頁，共40頁。3.被動式房設(shè)計原則與要點3.2設(shè)計要點(1)直接受益窗集熱方式的制約因素:夏季容易引起房間過熱的現(xiàn)象；開窗面積對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計有影響；(2)集熱蓄熱墻設(shè)計要點:集熱蓄熱墻的整體以及透光材料與墻體之間的構(gòu)造設(shè)計；合理確定集熱蓄熱墻通風口的位置、面積；選擇合適的集熱蓄熱墻厚度和材料；選擇恰當?shù)耐腹馍w板的材料、層數(shù)；選擇吸收率高、耐久性強的吸熱涂層；注意夏季排氣口的設(shè)置。易形成不舒適眩光；室內(nèi)溫度波動大，舒適性差。11第十一頁，共40頁。3.被動式房設(shè)計原則與要點3.2設(shè)計要點(3)附加陽光間設(shè)計要點:南墻應(yīng)避免周圍建筑和實物對透光面的遮擋南向附加陽光間的開窗面積在不受結(jié)構(gòu)限制時，應(yīng)取最大值。屋檐突出長度A通常根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定，取最小值，以保證最冷月份屋檐不對玻璃造成遮擋，因此A的取值應(yīng)符合：A≤B/(θ+5)

式中B——陽光間開窗長度； θ——當?shù)囟寥照缣柛叨冉恰８郊雨柟忾g構(gòu)件尺寸設(shè)計12第十二頁，共40頁。3.被動式房設(shè)計原則與要點3.2設(shè)計要點附加陽光間的頂部以及兩側(cè)不宜開窗或做成透光面；附加陽光間的進深對陽光間向房間供熱效果的影響十分顯著；附加陽光間種植植物，會增加陽光間的空氣濕度，容易結(jié)露；透光外罩玻璃層數(shù)確定，夜間保溫措施的采取，與當?shù)囟竟┡热罩岛洼椛淞康拇笮∮嘘P(guān)；與相鄰房間之間公共墻的門窗開孔率不宜小于公共墻總面積的12%；附加陽光間公共墻和地面宜采用重質(zhì)材料；宜采用保溫隔熱墻作公共墻，避免室內(nèi)溫差過大；公共墻體和地面表面宜采用陽光吸收系數(shù)大和長波發(fā)射率小的顏色；采取有效的遮陽、隔熱和通風措施，防止夏季過熱。13第十三頁，共40頁。4.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計4.1集熱優(yōu)化設(shè)計(1)合理的選址與朝向太陽房的設(shè)計要因

地制宜,遵循適用、堅固、經(jīng)濟原則,并應(yīng)注意建筑造型美觀大方的原則。(2)依據(jù)太陽運動規(guī)律布局功能應(yīng)根據(jù)由于太陽運動規(guī)律形成的溫差分區(qū)來進行房間布置，將對熱環(huán)境要求相近的房間集中布置。(3)開窗集熱被動式太陽房在南面采用大面積的窗戶，北面采用較封閉的實墻。各方向太陽輻射分布[單位:kJ/(m2·h)]14第十四頁，共40頁。4.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計4.2蓄熱優(yōu)化設(shè)計(1)蓄熱體的布置位置蓄熱體的位置應(yīng)能夠長時間并直接地得到太陽輻射，地面和墻面通常是主要的蓄熱部位。墻體蓄熱可以分為直接型、間接型和混合型三種類型直接型間接型混合型15第十五頁，共40頁。4.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(2)蓄熱體數(shù)量根據(jù)蓄熱體的材料、配置、建筑室內(nèi)的溫度要求，以及建筑整體的熱平衡來設(shè)置蓄熱體的厚度和質(zhì)量；(3)蓄熱體熱性能蓄熱體表面對太陽輻射的吸收率和對長波輻射的吸收率，均對蓄熱體的有效蓄熱性有很大的影響；目前蓄熱體依據(jù)材料的不同可分為顯熱和潛熱兩類顯熱蓄熱體科爾貝特住宅采用水墻進行蓄熱蜂窩狀蓄熱體16第十六頁，共40頁。4.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計潛熱蓄熱體

相變材料是利用某些化學(xué)物質(zhì)在產(chǎn)生相變時儲存或釋放熱量來進行蓄熱，具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理性質(zhì)的能力。相變蓄熱水箱相變蓄熱球17第十七頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計5.1非透明圍護結(jié)構(gòu)保溫(1)體形控制

規(guī)整的建筑體形外表面面積小，且耗熱量小。而曲折凹凸的建筑體形，外表面面積大，耗熱量也較大。不同體形建筑耗熱量對比即建筑物與室外大氣接觸的外表面積F0(不包括地面和不供暖房間的內(nèi)圍護結(jié)構(gòu))與其所包圍的建筑體積V0比，即S=F0/V0。建筑體形系數(shù)是控制建筑能耗的重要參數(shù)18第十八頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(2)保溫構(gòu)造類型承重結(jié)構(gòu)自保溫

導(dǎo)熱系數(shù)小，機械強度滿足承重要求，又有足夠耐久性的材料，均可以成為自保溫材料，例如空心砌塊、輕質(zhì)空心砌塊、多孔磚、空心板等。多孔磚空心砌塊加氣混凝土19第十九頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計單設(shè)保溫層

通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3，并用于建筑圍護結(jié)構(gòu)的材料作為保溫材料(絕熱材料)。建筑圍護結(jié)構(gòu)有不同的構(gòu)造層次，單設(shè)保溫層是將保溫材料作為保溫層中起主要保溫作用的構(gòu)造做法。

擠塑板巖棉保溫板聚苯板20第二十頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計封閉空氣間層靜止的空氣介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此封閉空氣間層在圍護結(jié)構(gòu)中是良好的保溫層?；旌媳?/p>

采用以上多種方式來滿足保溫要求，即混合保溫構(gòu)造。顯然，混合保溫方案的構(gòu)造較復(fù)雜，但保溫效果好，適用于恒溫室等溫度要求較高的建筑類型。

垂直封閉空氣間層傳熱過程21第二十一頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計（3）外墻保溫構(gòu)造在建筑外墻上加設(shè)保溫層,是外墻保溫的常用做法。外墻為建筑垂直構(gòu)件,為了方便施工,外保溫和內(nèi)保溫構(gòu)造常采用板狀保溫材料。依據(jù)保溫層放置的位置不同,墻體構(gòu)造和施工方法存在一定差異外墻保溫層固定方法不同保溫層位置的外墻構(gòu)造圖22第二十二頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(4)屋頂保溫構(gòu)造平屋頂?shù)奈菝嫫露容^緩,宜在結(jié)構(gòu)層上方設(shè)置保溫層。依據(jù)保溫材料的憎水性能,屋面保溫構(gòu)造有正置式和倒置式兩種。正置式保溫屋面倒置式保溫屋面23第二十三頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(5)樓地面保溫構(gòu)造當上、下兩層房間存在較大溫差時，層間樓板應(yīng)進行保溫設(shè)計，以控制樓層間的熱流；底層地面是建筑與土壤直接接觸的部分，大量的熱量通過墻體附近的室內(nèi)地面向室外流失。距外墻內(nèi)表面2m以內(nèi)的地面稱為周邊地面，該處地面需加強保溫處理，而其他的建筑地面均為非周邊地面，保溫要求稍低。建筑地面及周邊土地的溫度分布周邊地面及墻角保溫構(gòu)造24第二十四頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計5.2透明圍護結(jié)構(gòu)保溫建筑透明圍護結(jié)構(gòu)指具有通視功能的外窗、外門、陽臺門、玻璃幕墻和屋頂?shù)耐该鞑糠?。透明圍護結(jié)構(gòu)太陽能光熱轉(zhuǎn)化(1)控制窗墻比

南向窗墻面積比應(yīng)依據(jù)當?shù)靥栞椛錉顩r、外氣溫等氣候條件而定；北向的窗戶在冬季主要是失熱構(gòu)件,因此在滿足采光和夏季通風要求的條件下,面積應(yīng)盡量減小。25第二十五頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(2)提高外窗保溫性能

窗戶類型

單扇窗熱阻很小，僅適用于較溫暖地區(qū)，嚴寒和寒冷地區(qū)，應(yīng)采用雙層甚至三層窗。窗框材料

①將薄壁實腹型材改為空心型材；②開發(fā)塑料構(gòu)件；③開發(fā)斷橋隔熱復(fù)合型窗框材料；④窗框與墻體之間的連接處理成彈性構(gòu)造。斷橋窗框四層玻璃窗雙層玻璃保溫木窗26第二十六頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計玻璃材料

具有保溫作用的玻璃材料主要有中空玻璃、保溫鍍膜玻璃。由多片玻璃與封閉空氣間層組成,其傳熱系數(shù)由中空層厚度、中空層數(shù)量及中空層氣體材料決定保溫鍍膜玻璃主要指低輻射玻璃和多功能鍍膜玻璃鍍膜玻璃27第二十七頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計活動保溫裝置按其材料和構(gòu)造，分為保溫窗簾和保溫窗兩類。由非透明保溫窗扇和窗框組成，其中保溫窗扇多由兩層面料之中填充芯料復(fù)合而成保溫簾多為硬質(zhì)或軟質(zhì)的復(fù)合窗簾，可通過啟閉裝置開啟或關(guān)閉保溫窗保溫窗簾28第二十八頁，共40頁。5.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(3)提高外門保溫性能

門的熱阻介于窗戶和外墻之間，因而也是建筑外圍護結(jié)構(gòu)保溫的薄弱環(huán)節(jié)。名稱傳熱系數(shù)K/[W/(m2·K)]備注木夾板門2.7雙面三夾板鋁合金玻璃門6.1~6.43~7mm厚玻璃不銹鋼玻璃門6.2~6.55~11mm厚玻璃保溫門1.7內(nèi)夾30mm厚輕質(zhì)保溫材料加強保溫門1.3內(nèi)夾30mm厚輕質(zhì)保溫材料(4)控制冷風滲透

玻璃與窗框、窗框與墻體應(yīng)采用彈性好且耐久性強的密封條密封,也可以注入密封膠密封。29第二十九頁，共40頁。6.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計6.1新型窯居窯洞民居是我國黃土高原地區(qū)獨有的一種建筑類型,具有冬暖夏涼、節(jié)約能源,就地取材、綠色建材,節(jié)約土地,施工簡便、經(jīng)濟實用等生態(tài)優(yōu)勢。新型窯洞外貌新型窯洞室內(nèi)布置30第三十頁，共40頁。6.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(1)太陽能熱利用技術(shù)

新型窯居的被動式太陽能熱利用方式有附加陽光間、直接受益窗、太陽能熱水利用和太陽能煙囪四個部分。新型窯居太陽能熱利用原理示意圖南向入口處增設(shè)陽光間；采用雙層窗或有活動保溫層的單層窗；一層屋頂設(shè)置太陽能熱水利用裝置；二層墻體內(nèi)設(shè)置儲熱水箱；陽光間采用豎向綠化遮陽；在建筑北向設(shè)置太陽能煙囪。太陽能熱利用技術(shù)策略31第三十一頁，共40頁。6.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(2)太陽能建筑一體化設(shè)計

新型窯居在原窯洞基礎(chǔ)上擴大了東西向軸線尺寸，以爭取更多的太陽能得熱量，同時縮小了南北向軸線尺寸，以避免進深過大對室內(nèi)采光和通風的不利影響。新型窯居冬季室內(nèi)16:00溫度分布圖新型窯居平面圖32第三十二頁，共40頁。6.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計(3)室內(nèi)熱環(huán)境測評

由于太陽能熱利用技術(shù)的應(yīng)用，室內(nèi)溫度明顯升高，在一層的附加陽光間內(nèi)部，溫度可以達到22℃左右。

夏季室內(nèi)溫度對比

冬季室內(nèi)溫度對比

33第三十三頁，共40頁。6.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計6.2青藏高原牧民定居點青海省剛察縣沙柳河鎮(zhèn)牧民定居點地處青藏高原地區(qū)，冬季寒冷，夏秋溫涼，晝夜溫差大，日照時間長，太陽能資源豐富，且冬季最為強烈，為主、被動太陽能熱利用提供了很好的條件。剛察示范建筑34第三十四頁，共40頁。(1)太陽能熱利用技術(shù)1)附加陽光間在客廳南墻外搭建封閉玻璃陽臺，從太陽能利用角度考慮，起到了附加陽光間的作用。6.被動房集熱蓄熱優(yōu)化設(shè)計35第三十五頁，共40頁。2)集熱蓄熱墻

集熱蓄熱墻為藏紅色，上下各設(shè)置可啟閉式通風孔，其中在集熱蓄熱墻上部設(shè)置兩個，下部設(shè)置三個。3)主動式太陽能采暖技術(shù)

主動系統(tǒng)，主要包括太陽能集熱器、蓄熱裝置、散熱裝置、管道和閥門等部件。為保證供暖系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)加入了電輔助加