1、第四章 被动式太阳能热利用技术太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能Utilization of solar energy and building energy conservation2第四章 被动式太阳能热利用技术太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能1 1概述概述2 2被动式太阳房简介被动式太阳房简介3 3被动式太阳房设计原则与要点被动式太阳房设计原则与要点4 4被动式太阳房集热蓄热优化设计被动式太阳房集热蓄热优化设计5 5被动式太阳房保温设计被动式太阳房保温设计6 6被动式太阳能建筑案例分析被动式太阳能建筑案例分析3太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能1.概述1.1 被动式太
2、阳能热利用技术不采用机械设备，而利用辐射、对流和传导的方式，使太阳热能能够自然流经建筑物，并通过建筑物本身的性能控制热的流向，从而达到供暖或制冷效果的技术。冬季白天冬季夜晚夏季白天夏季夜晚被动太阳房工作原理示意图4太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能1.概述1.2 太阳能资源分布我国太阳能资源的总体分布状况:西部多于东部，北部多于南部；南方非供暖地区处在太阳能辐射相对弱的地区，可利用太阳能进行降温、制冷降温、制冷。对于广大北方和西部，以及冬季供暖地区来说,适合运用太阳能技术进行供暖供暖。太阳能比较丰富的地区面积很大。太阳能资源分布5太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能2.被动式太阳房简
3、介2.1 被动房分类按照传热过程的不同分为:直接受益式间接受益式按集热形式分为：直接受益式集热蓄热墙式蓄热屋顶池式附加阳光间式对流环路式6太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能2.被动式太阳房简介（1）直接受益式直接受益式直接受益式太阳房特点:易于制作、安装和日常的管理与维修；有利于设备与建筑的一体化设计；集热效率高、室温上升快室内温度波动较大。（2）集热蓄热墙式集热蓄热墙式特点:广泛的适应性，可用于供暖设计，又可用于被动式降温；成本增加较多，构造较为复杂。a)集热墙集热 b)集热墙散热7太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能2.被动式太阳房简介（3）蓄热屋顶池）蓄热屋顶池式式（4）附加阳
4、光间式附加阳光间式特点：可为自身和相邻的空间提供热量；布置相比直接受益式空间更加灵活；热量的流动性较差。蓄热屋顶池式太阳房的蓄热物质放在屋顶上，通常是有吸热和储热功能的蓄水塑料袋或相变材料，其上设可开闭的隔热盖板，冬夏兼顾。a)冬季白天工况 b)冬季夜间工况 a)阳光间满足白天使用b)夜间作为热缓冲区8太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能2.被动式太阳房简介（5）对流环路）对流环路式式原理类似家用太阳能热水系统，对流环路板是一个平板空气集热器，由玻璃覆盖着的深色金属太阳能热板组成。特点：集热效果较好；且不需要人为控制；易于与建筑进行一体化设计；热稳定性较差；宜用于办公室等主要在白天使用的建
5、筑。对流环路式太阳房示意图9太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能2.被动式太阳房简介2.2 被动房适应性形式形式优点优点缺点缺点直接受益式直接受益式1.景观好,费用低,效率高,形式灵活2.有利于自然采光3.适合学校、小型办公室等1.易引起眩光2.可能发生过热现象3.温度波动大集热蓄热墙式集热蓄热墙式1.热舒适度较高,温度波动小2.易于旧建筑改造,费用适中3.高供暖负荷时,效果很好4.与直接受益式结合限制照度级效果很好,适合于学校、住宅、医院等1.玻璃窗较少,不便观景2.不便自然采光3.阴天时效果不好附加阳光间式附加阳光间式1.作为起居间有很强的舒适性和景观性,适合居住用房、休息室、饭店等2
6、.可做温室使用1.维护费用较高2.对夏季降温要求很高3.效率低蓄热屋顶池式蓄热屋顶池式1.集热蓄热量大,且蓄热体位置合理,能获得较好的室内温度环境2.较适于冬季需供暖,夏季需降温的湿热地区,可大大提高设施的使用率1.构造复杂2.造价很高对流环路式对流环路式1.集热蓄热量大,且蓄热体位置合理,能获得较好的室内温度环境2.适用于有一定高差的南向坡地1.构造复杂2.造价很高五种被动式太阳房特点比较不同的集热方式，适宜于不同的条件，其适宜性应从房间使用性质、纬度和气象条件、经济条件等方面进行综合考虑。10太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能3.被动式房设计原则与要点3.1 设计原则被动式太阳房设计
7、必须满足下列原则被动式太阳房设计必须满足下列原则:主要供暖房间紧靠集热表面和蓄热体布置，而将次要房间围在 北面和东西两侧；室内布置尽可能多的蓄热体；建筑物要具有一个非常有效的绝热外壳；应根据当地气候条件,适当考虑遮阳、通风等夏季降温设计。11太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能3.被动式房设计原则与要点3.2 设计要点(1)(1)直接受益窗集热方式的制约因素直接受益窗集热方式的制约因素:夏季容易引起房间过热的现象；开窗面积对抗震结构设计有影响；(2)(2)集热蓄热墙设计要点集热蓄热墙设计要点:集热蓄热墙的整体以及透光材料与墙体之间的构造设计；合理确定集热蓄热墙通风口的位置、面积；选择合适的
8、集热蓄热墙厚度和材料；选择恰当的透光盖板的材料、层数；选择吸收率高、耐久性强的吸热涂层；注意夏季排气口的设置。易形成不舒适眩光；室内温度波动大，舒适性差。12太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能3.被动式房设计原则与要点3.2 设计要点(3)(3)附加阳光间设计要点附加阳光间设计要点:南墙应避免周围建筑和实物对透光面的遮挡 南向附加阳光间的开窗面积在不受结构限制时，应取最大值。屋檐突出长度A通常根据结构要求确定，取最小值，以保证最冷月份屋檐不对玻璃造成遮挡，因此A的取值应符合：AB/(+5)式中 B阳光间开窗长度；当地冬至日正午太阳高度角。附加阳光间构件尺寸设计13太阳能利用与建筑节能太阳
9、能利用与建筑节能3.被动式房设计原则与要点3.2 设计要点附加阳光间的顶部以及两侧不宜开窗或做成透光面；附加阳光间的进深对阳光间向房间供热效果的影响十分显著；附加阳光间种植植物，会增加阳光间的空气湿度，容易结露；透光外罩玻璃层数确定，夜间保温措施的采取，与当地冬季供暖度日值和辐射量的大小有关；与相邻房间之间公共墙的门窗开孔率不宜小于公共墙总面积的12%；附加阳光间公共墙和地面宜采用重质材料；宜采用保温隔热墙作公共墙，避免室内温差过大；公共墙体和地面表面宜采用阳光吸收系数大和长波发射率小的颜色；采取有效的遮阳、隔热和通风措施，防止夏季过热。14太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能4.被动房集
10、热蓄热优化设计4.1 集热优化设计(1)(1)合理的选址与朝向合理的选址与朝向太阳房的设计要因 地制宜,遵循适用、坚固、经济原则,并应注意建筑造型美观大方的原则。(2)(2)依据太阳运动规律布局功能依据太阳运动规律布局功能应根据由于太阳运动规律形成的温差分区来进行房间布置，将对热环境要求相近的房间集中布置。(3)(3)开窗集热开窗集热被动式太阳房在南面采用大面积的窗户，北面采用较封闭的实墙。各方向太阳辐射分布单位:kJ/(m2h)15太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能4.被动房集热蓄热优化设计4.2 蓄热优化设计(1)(1)蓄热体的布置位置蓄热体的布置位置蓄热体的位置应能够长时间并直接地
11、得到太阳辐射，地面和墙面通常是主要的蓄热部位。墙体蓄热可以分为直接型、间接型和混合型三种类型直接型间接型混合型16太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能4.被动房集热蓄热优化设计(2)(2)蓄热体数量蓄热体数量根据蓄热体的材料、配置、建筑室内的温度要求，以及建筑整体的热平衡来设置蓄热体的厚度和质量；(3)(3)蓄热体热性能蓄热体热性能蓄热体表面对太阳辐射的吸收率和对长波辐射的吸收率，均对蓄热体的有效蓄热性有很大的影响；目前蓄热体依据材料的不同可分为显热和潜热两类显热蓄热体显热蓄热体科尔贝特住宅采用水墙进行蓄热蜂窝状蓄热体17太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能4.被动房集热蓄热优化设计潜
12、热蓄热体潜热蓄热体 相变材料是利用某些化学物质在产生相变时储存或释放热量来进行蓄热，具有在一定温度范围内改变其物理性质的能力。相变蓄热水箱相变蓄热球18太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计5.1 非透明围护结构保温(1)(1)体形控制体形控制规整的建筑体形外表面面积小，且耗热量小。而曲折凹凸的建筑体形，外表面面积大，耗热量也较大。不同体形建筑耗热量对比即建筑物与室外大气接触的外表面积F0(不包括地面和不供暖房间的内围护结构)与其所包围的建筑体积V0比，即S=F0/V0。建筑体形系数是控制建筑能耗的重要参数19太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄
13、热优化设计(2)(2)保温构造类型保温构造类型承重结构自保温承重结构自保温 导热系数小，机械强度满足承重要求，又有足够耐久性的材料，均可以成为自保温材料，例如空心砌块、轻质空心砌块、多孔砖、空心板等。多孔砖空心砌块加气混凝土20太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计单设保温层单设保温层 通常把导热系数小于0.3，并用于建筑围护结构的材料作为保温材料(绝热材料)。建筑围护结构有不同的构造层次，单设保温层是将保温材料作为保温层中起主要保温作用的构造做法。挤塑板岩棉保温板聚苯板21太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计封闭空气间层封闭空气间层
14、静止的空气介质导热系数很小，因此封闭空气间层在围护结构中是良好的保温层。混合保温混合保温 采用以上多种方式来满足保温要求，即混合保温构造。显然，混合保温方案的构造较复杂，但保温效果好，适用于恒温室等温度要求较高的建筑类型。垂直封闭空气间层传热过程22太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计（3 3）外墙保温构造外墙保温构造在建筑外墙上加设保温层,是外墙保温的常用做法。外墙为建筑垂直构件,为了方便施工,外保温和内保温构造常采用板状保温材料。依据保温层放置的位置不同,墙体构造和施工方法存在一定差异外墙保温层固定方法不同保温层位置的外墙构造图23太阳能利用与建筑节能太阳能利
15、用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计(4)(4)屋顶保温构造屋顶保温构造平屋顶的屋面坡度较缓,宜在结构层上方设置保温层。依据保温材料的憎水性能,屋面保温构造有正置式和倒置式两种。正置式保温屋面倒置式保温屋面24太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计(5)(5)楼地面保温构造楼地面保温构造 当上、下两层房间存在较大温差时，层间楼板应进行保温设计，以控制楼层间的热流；底层地面是建筑与土壤直接接触的部分，大量的热量通过墙体附近的室内地面向室外流失。距外墙内表面2m以内的地面称为周边地面，该处地面需加强保温处理，而其他的建筑地面均为非周边地面，保温要求稍低。建筑地面及周边
16、土地的温度分布周边地面及墙角保温构造25太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计5.2 透明围护结构保温建筑透明围护结构指具有通视功能的外窗、外门、阳台门、玻璃幕墙和屋顶的透明部分。透明围护结构太阳能光热转化(1)(1)控制窗墙比控制窗墙比南向窗墙面积比应依据当地太阳辐射状况、外气温等气候条件而定；北向的窗户在冬季主要是失热构件,因此在满足采光和夏季通风要求的条件下,面积应尽量减小。26太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计(2)(2)提高外窗保温性能提高外窗保温性能 窗户类型窗户类型 单扇窗热阻很小，仅适用于较温暖地区，严寒和寒冷地区，应
17、采用双层甚至三层窗。窗框材料窗框材料 将薄壁实腹型材改为空心型材；开发塑料构件；开发断桥隔热复合型窗框材料；窗框与墙体之间的连接处理成弹性构造。断桥窗框四层玻璃窗双层玻璃保温木窗27太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计 玻璃材料玻璃材料 具有保温作用的玻璃材料主要有中空玻璃、保温镀膜玻璃。由多片玻璃与封闭空气间层组成,其传热系数由中空层厚度、中空层数量及中空层气体材料决定保温镀膜玻璃主要指低辐射玻璃和多功能镀膜玻璃镀膜玻璃28太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计 活动保温装置活动保温装置按其材料和构造，分为保温窗帘和保温窗两类。由非透
18、明保温窗扇和窗框组成，其中保温窗扇多由两层面料之中填充芯料复合而成保温帘多为硬质或软质的复合窗帘，可通过启闭装置开启或关闭保温窗保温窗帘29太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能5.被动房集热蓄热优化设计(3)(3)提高外门保温性能提高外门保温性能门的热阻介于窗户和外墙之间，因而也是建筑外围护结构保温的薄弱环节。名称名称传热系数传热系数K/W/(mK/W/(m2 2K)K)备注备注木夹板门木夹板门2.7双面三夹板铝合金玻璃门铝合金玻璃门6.16.437mm厚玻璃不锈钢玻璃门不锈钢玻璃门6.26.5511mm厚玻璃保温门保温门1.7内夹30mm厚轻质保温材料加强保温门加强保温门1.3内夹30m
19、m厚轻质保温材料(4)(4)控制冷风渗透控制冷风渗透玻璃与窗框、窗框与墙体应采用弹性好且耐久性强的密封条密封,也可以注入密封胶密封。30太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计6.1 新型窑居窑洞民居是我国黄土高原地区独有的一种建筑类型,具有冬暖夏凉、节约能源,就地取材、绿色建材,节约土地,施工简便、经济实用等生态优势。新型窑洞外貌新型窑洞室内布置31太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计(1)(1)太阳能热利用技术太阳能热利用技术新型窑居的被动式太阳能热利用方式有附加阳光间、直接受益窗、太阳能热水利用和太阳能烟囱四个部分。新型窑居太阳能热
20、利用原理示意图南向入口处增设阳光间；采用双层窗或有活动保温层的单层窗；一层屋顶设置太阳能热水利用装置；二层墙体内设置储热水箱；阳光间采用竖向绿化遮阳；在建筑北向设置太阳能烟囱。太阳能热利用技术策略32太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计(2)(2)太阳能建筑一体化设计太阳能建筑一体化设计新型窑居在原窑洞基础上扩大了东西向轴线尺寸，以争取更多的太阳能得热量，同时缩小了南北向轴线尺寸，以避免进深过大对室内采光和通风的不利影响。新型窑居冬季室内16:00温度分布图新型窑居平面图33太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计(3)(3)室内热环境测
21、评室内热环境测评由于太阳能热利用技术的应用，室内温度明显升高，在一层的附加阳光间内部，温度可以达到22左右。夏季室内温度对比 冬季室内温度对比 34太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计6.2 青藏高原牧民定居点青海省刚察县沙柳河镇牧民定居点地处青藏高原地区，冬季寒冷，夏秋温凉，昼夜温差大，日照时间长，太阳能资源丰富，且冬季最为强烈，为主、被动太阳能热利用提供了很好的条件。刚察示范建筑(1)(1)太阳能热利用太阳能热利用技术技术1)1)附加阳光间附加阳光间 在客厅南墙外搭建封闭玻璃阳台，从太阳能利用角度考虑，起到了附加阳光间的作用。35太阳能利用与建筑节能太阳能利用
22、与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计2)2)集热蓄热墙集热蓄热墙 集热蓄热墙为藏红色，上下各设置可启闭式通风孔，其中在集热蓄热墙上部设置两个，下部设置三个。3)3)主动式太阳能采暖技术主动式太阳能采暖技术 主动系统，主要包括太阳能集热器、蓄热装置、散热装置、管道和阀门等部件。为保证供暖系统安全性和稳定性，系统加入了电辅助加热系统。36太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计37太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计(2)(2)太阳能建筑一体化设计太阳能建筑一体化设计1)1)建筑选址建筑选址 将场地选在阳坡上,地形总体北高南低,可让建筑物接受
23、的太阳辐射最大化。2)2)建筑朝向建筑朝向 定居点建筑单体的朝向为南偏西6.8,保证了最佳太阳能利用。3)3)日照间距日照间距 该工程建筑日照间距为14m,建筑高度为4.7m,而且后排与前排地形高差约为1m,满足最小间距要求。4)4)建筑体形建筑体形 选择东西轴长、南北轴短的平面形态，且建筑平面短边与长边之比控制为1:1.51:4为宜。5)5)功能布局功能布局 功能布局根据自然形成的北冷南暖的温度分区特点,将主要房间(卧室、客厅)布置在南侧暖区,并尽量避开边跨。38太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能6.被动房集热蓄热优化设计(3)(3)室内热环境测评室内热环境测评阳光间温度波动幅度较大阳
24、光间对室温起到较好的加热作用安装集热蓄热墙的卧室温度波幅明显小于附加阳光间卫生间位于建筑北面,无太阳能得热,室内日平均温度为-5.8被动式太阳能利用效果测评注:室外空气温度在-5-30,平均值为-16.939太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能思考题简述被动式太阳能热利用技术的定义和内容。根据集热形式的不同,被动式太阳房有哪些类型?每种类型具有什么特点?影响被动式太阳房适宜性的因素有哪些?从被动式太阳能热利用技术的角度,论述被动式太阳房的设计原则。被动式太阳房的蓄热优化设计应该包括哪些内容?简述被动式太阳房保温设计内容。Thank You!太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能Utilization of solar energy and building energy conservation
