被动式太阳房设计

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【摘要】能源的利用推动着现代社会文明的进程，并深刻地影响着一个国家的社会与经济发展，我国能源供应正面临着前所未有的严峻形势。地球上的环境由于大量燃烧矿物能源已产生明显的变化，人们世代赖以生存的环境正在逐步恶化。面对能源短缺与环境污染的双重压力，大力发展具有清洁和分布广泛等特点的可再生能源的廉价高效利用技术，成为一项长远的战略方针，也是一项现实的紧要任务。
【关键词】节能；集热；蓄热；结构设计；太阳房
与主动太阳房的区别：被动式太阳房是与主动式太阳房相对而言的，主动式太阳房能够较好地满足用户的生活要求，但设备复杂，投资昂贵，需要耗费辅助能源和电动率，而且所有的热水集热系统还需要设有防冻措施，这是主动式太阳房在我国难于推广应用的原因。被动式太阳房不需要专门的蓄热器，热交换器，水泵等设备，而是完全由自然的方式经由辐射，传导和自然对流进行。
被动式太阳房在大多数情况下，集热部分与建筑结构融为一体，使房屋构件一物多用，如南窗既是房屋的围护结构，又是太阳能系统的集热蓄热部件。这样既达到利用太阳能的目的，又是房屋结构的一部分，还可节约费用。当然经过专门设计的太阳房比普通房屋，太阳能供热率要高得多。
由于被动式太阳房是集热，蓄热，耗能的综合体，所以它的基本组成系统还具备“收集”太阳能部件，然后把收集到的热量“储存”“积蓄”起来，以备使用，再把这热量进行“分配”使用。当储存的热量不够用时，还要增加“辅助”热量来补充。这些最基本的部分灵活运用于不同的建筑设计中，这些基本结构组成部分包括以下几个方面：
1太阳能集热气：集热器的作用就是收集太阳的热量。主要有两种：
（1） 利用建筑物本身做集热器，如南向窗户，加玻璃罩的集热墙玻璃温室等；
（2）集热器位于南墙上它是附加于建筑物上，并独立于建筑物的构件。
为什么太阳房的集热件都采用玻璃罩呢？这是因为玻璃有一种特性，它有选择性透射的能力。它对与短波，太阳辐射十分透明，几乎可以完全透过，进入密闭容器，可加热容器内的物质，但对于容器内已被加热的物质所发射的是波长较长的红外线，却并不透明，因为热量不易透过玻璃。大气层外的太阳辐射，它的绝大部分能量集中在0.2～4um。而地面上所接收到的太阳能基本上在0.3～3.0um，其中0.47um波长的最多。由太阳光谱及玻璃透光光谱可明显的看出地面上接收到的0.3～3.0um的光波有80%左右可以透过玻璃墙，而大于3um的波则透过玻璃的值极少。被太阳加热的物体所辐射的波长一般都大于3um，因此不宜透过玻璃散失掉。被阳光加热的物质于其热量不易透过玻璃散失掉，起到了有效利用太阳辐射热的作用，所以温度就会逐步升高，这种效果就是温室效应效果，常用的玻璃有磨砂玻璃，特厚玻璃砖，防爆玻璃，目前可用玻璃有机玻璃。
2蓄热体：蓄热体也是太阳能热利用的关键问题，加强建筑物的蓄热性能是改善被动式太阳房工性能的重要措施之一，当有日照时，如果房间的蓄热性能好（即热容量大）则吸热体可以多吸收和储存一部分多余的太阳能；在无日照时，它又能逐渐的向室内放出热量，因而大大的减少室温的波动，同时降低了室内的温度，所以减少了向室外的散热。
建筑材料的蓄热性能取决于导热系数，比热容，容重以及热流波动的周期，材料的容重越大，蓄热系数就越大，则储存的热量就越多，因此建筑材料的蓄热系数是设计建筑物围护结构中不可缺少的热性能参数。目前，国内太阳能建筑物中常采用砖石结构及混凝土结构本身就是较好的蓄热体。鉴于太阳房采暖往往存在室内昼夜温度波动较大的现象。在设计太阳房时除了考虑建筑物围护结构所采用的建筑材料蓄热性能之外。研究人员一直寻求利用材料的有效显热和潜热储存方法来解决太阳房采暖过程中存在的温度波动现象。
显热储存：显热储存材料的储热量主要取决于材料的比热容和质量的变化。常用的显热储热材料中水的比热容最大，利用水进行显热储存，特别适用于太阳能建筑的水墙储热，在低温液态显热介质中，水的物化及力学特性相对稳定，传热及流体性能相当好。常用流体中，其比热容最大，热胀系数以及粘滞性小等特性，它非常适合于自然对流和强制循环方式，利用水作为显热储热材料时，储能密度低，湿度波动幅度大，材料来源丰富，成本低易获取，热性能稳定等优点，制作储热空器的材料可以选用不锈钢。
潜热储存：潜热储存方式是利用储能密度高和温度波动小的储热材料，潜热储存里是通过物质发生相变时需要吸收（或放出）大量热量的性质来进行热量储存，通常称为相变储热或溶解热储存。潜热储存的常用材料主要有无机盐的水合物、有机化合物和饱和盐水溶，潜热储存的特点恰好可以克服显热储存的主要缺点，针对太阳能建筑采暖的实际应用，1948年，美国人Telkes指导并建造了一座太阳房，其中利用十水硫酸钠作为储热材料进行了实验性研究，利用十水硫酸钠作为被动式太阳房的相变储热材料，在相同情况下，与无储热材料的对比房相比，对比房昼夜温度波动值为7.8℃，储热房只有1.7℃，能减小室内昼夜温差6.1℃，因此采用不同十水硫酸钠储热介质具有十分广泛的应用前景。
3分配系统 ：在主动式太阳房中，分配系统是将集热器收集的热量用热水或热空气通过管道散热器，地下盘管等传递到采暖房间，而被动式太阳房一般不需要专设分配系统。建筑的墙、地面、天棚等构件储存热量以辐射，对流和传导的方式直接传递到采暖房间，按照各房间的使用要求对热，光，高度的不同需要，住宅主要房间，如起居室，餐厅，卧室等，舒适度要求高的，室温可以在16-20℃范围，而次要辅助房间，如厨房，走道，楼梯间，储藏间，厕所等布置在阴面，室温可以定得低些，以便可以节约能源。
房屋围护结构的能耗占房屋能耗的绝大部分。屋面、墙体、门窗的能耗几乎占到全部能耗的50%-80%左右。因而施工质量的好坏直接影响围护结构的保温性能。常用复合保温墙、粘土砖（内层，一般承重）+保温材料+粘土砖（外层，一般为半砖厚）。保温材料有聚苯乙烯泡沫夹心板、膨胀珍珠岩，及干燥处理的秸秆、稻壳。
结束语：在绿色建筑成为科学发展重要内容新形势下，相信不久一栋栋有效利用太阳能、节能、环保、舒适、健康、安全、绿色的建筑将会像雨后春笋一样，在我国广大城乡涌现，为我国社会主义新农村建设提供有益的帮助。
参考文献
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