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被动式太阳能建筑在民用建筑节能中应用

   日期:2010-05-26     浏览:1178    

    1、引言

    当前我国正处于快速城镇化阶段,居民消费结构不断升级,建筑的能源消耗急剧增加。但近年来,在煤和石油等自然资源的可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下,降低建筑能耗不仅意味着节约能源、保护环境,更有利于子孙后代的可持续发展。建筑节能早已成为建筑学界的研究热点,在各种节能型建筑中,太阳能建筑是一种常见的型式。太阳能是一种清洁可再生能源,用太阳能来替代常规能源在建筑中的综合利用,这就是太阳能建筑。采用太阳能建筑不仅可以有效解决传统采暖方式中能耗大、能源利用率低的问题,而且可改变目前我国城镇以热水和蒸汽为热媒的供暖方式。

    目前我国的太阳能应用与建筑有机结合的理论与施工实践大都仍处于探索阶段,以往建成的太阳能建筑大多位于农村地区,或是城市中较少数的试验性建筑。对于目前快速城市化进程中大量民用建筑的太阳能应用,还缺乏相应的理论及较为成功的范例[1-3]。太阳能技术在民用建筑节能中的应用可大致分为被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑两大类。被动式太阳能建筑指的是基础的太阳能利用,一般是通过建筑物合理的朝向、构造以及建材的运用来利用热辐射;主动式太阳能建筑则是运用光热、光电等可控技术利用太阳能资源,其代表是人们熟悉的家用太阳能热水器[4-5]。

    本文将探讨被动式太阳能建筑的施工应用,主要采用各种结构的优化以及简易的附加设施来来充分利用太阳能,其成本低,实施简单,但可大大提高人们生活空间的舒适度。

    2、被动式太阳能建筑

    被动式太阳能建筑是指利用建筑本身作为集热装置,依靠建筑方位的合理布置,以自然热交换的方式(传导、对流和辐射)使建筑达到采暖和降温目的的建筑。

    被动式太阳能建筑在建筑物上采取技术措施,而无须机械动力(有时需要借助换气风扇加强热量交换),利用太阳能进行采暖,它既不需要太阳集热器,也不需要水泵或风机等机械设备,只是通过合理布置建筑物的方位,改善窗、墙、屋顶等建筑物构造,合理利用建筑材料的热工性能,以自然热交换的方式使建筑物尽可能多地吸收和储存热量,以达到采暖的目的。被动式太阳房构造简单、造价低廉,是太阳能热利用技术在建筑中应用的一个重要方面。被动式太阳能温室(采暖房)的一般结构主要包括温室、采暖房、蓄热层和围护结构。温室在采暖房的南面,顶部向南倾斜。温室和采暖房的隔墙上下端设有通风口,温室侧隔墙表面对太阳光的吸收率较大,隔墙内为保温材料。温室顶部和东面、西面、南面为透明玻璃结构。温室及采暖房底部为蓄热床,充填岩石等蓄热介质。

    3、民用建筑被动式太阳能利用的施工应用

    3.1墙体的施工与改造

    为了提高建筑内部的舒适度,通常要求夏季尽可能减少太阳辐射和从室外传入的热量,冬季则要尽量减少室内热量的损失。

   在这方面,隔热是最有效的方法。此外,为了减少辅助性采暖和制冷时的能源消耗量,隔热也是不可缺少的。但是,过于强调高度隔热在夏天也会助长炎热程度。强化隔热的做法,不仅可阻碍热从室外进入室内,同时也阻止了热从室内向室外的散发。也就是说,夏季从窗户进入不必要的太阳辐射热和室内产生的热多时,如果不能进行有效而充分的排热,隔热就会使得室内环境更加糟糕。在这种情况下,就可设置可调节的遮阳装置,夏季通风口打开,加强通风,不使热滞留在室内就可以改善室内环境,冬季,通风口关闭,隔栅与墙体之间的空气层减缓热量的散失。在可调节的遮阳装置中,活动式遮阳板将成为首选。在被动式太阳房系统中,配合使用可开启式遮阳板将可最大限度地利用夏热冬冷地区的太阳能资源。活动遮阳扳和墙体组合起来就是一种双层墙。如图1,夏季的白天,关闭通气隔栅,反射太阳光,同时利用空气层的内的空气对流向外排热;夏季的夜晚,打开通气隔栅,使墙体中的热向室外空气散发。另一方面,寒冷的冬季,白天打开通气隔栅,利用太阳光蓄热;夜间则关闭通气隔栅,形成空气层,防止热量向室外的二次辐射。

    太阳墙(SolarWall)是太阳能热利用中的一种新型采暖技术。它与建筑结构融为一体,能够做到高效采暖、有效通风,很好的解决了太阳能建筑设计一体化的问题。太阳墙系统由集热和气流输送两部分系统组成。钢制或铝制的深色太阳墙板材覆于建筑南向,或东西外墙的外侧,板上开有小孔。太阳墙板与墙体的间距一般在200mm左右,形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连,管道中设置换气风扇,用于推动空腔内的空气与室内空气之间的能量交换。夏季,换气风扇关闭,室外热空气可从太阳墙板底部及孔洞进入,从上部和周围的孔洞流出,太阳辐射和室外的热量不会进入室内。冬季,白天室外空气通过小孔进入空腔,在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射能后,进入建筑物的通风系统,然后由管道分配输送到各层空间。板材底部不密封,受热压作用保持了太阳墙内腔的干燥,同时起到排水作用。夜晚,墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收,在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了室内外空气的流动,又补充了室内的热量,使墙体起到了热交换器的作用。太阳墙采用多孔波形金属板集热,并与换气风扇结合,与用传统的被动式玻璃集热的做法相比,具有热效率高、通风好的优势,可以广泛应用在工业、商业、居住、办公、学校、军用建筑及仓库等各类建筑上,是一项值得推广的太阳能热利用技术。

    3.2窗的施工与改造

    窗的节能改造是建筑节能中的一个重点,由于玻璃的传热系数远远高于墙体的传热系数,所以尽管窗在建筑外围表面中占的比例不如墙面、屋顶大,但通过窗损失的热量可能接近甚至超过墙体和屋顶。从太阳能利用角度来说,窗可以利用温室效应实现被动式采暖,也可通过自然通风实现被动式降温,从而具有双重效果。由于夏热冬冷气候地区阳光的双重性:在不同季节人们对阳光的需求不尽相同,甚至完全相反。冬季,尽量争取多的太阳辐射,而在夏季则要防止太阳热量进入室内。无论多么先进的玻璃都难以同时兼顾上述要求。任何玻璃都顾此失彼,难以两全,所以,必须建立可调节的遮阳窗系统。

    3.2.1可调节角度的外遮阳措施。活动遮阳的方式有很多。可调节外百叶窗系统作为一种可调节百叶外遮阳保温系统,完全能起到夏季阻挡太阳辐射热、冬季提高保温性能的作用,且不会遮挡视线,具有其它活动遮阳方式不可替代的优点,非常适于夏热冬冷气候地区住宅建筑的窗设计。

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   炎热的夏季,一方面,外遮阳阻止了大部分辐射热进入室内,使室内温度在正午可以比无遮阳方式降低5℃以上,大大降低了室内制冷能耗;另一方面,它使室内形成较均匀分布的温度场,更易于满足人对舒适度的要求。寒冷的冬季,窗在建筑节能中的作用比较特殊:白天,它将大量的太阳辐射能引入室内,减少采暖负荷;夜晚,窗的传热系数远大于墙体,因此又成为冷桥,加大了建筑的热损失。而百叶外遮阳形式可利用百叶的可调节特性,在百叶与窗之间形成一个相对封闭的空气间层,作为温度缓冲层,在冬季成为窗的保温设施。百叶与窗户之间的空气间层,是影响这个系统效率的关键。测量结果表明:当百叶与窗户之间的距离为300mm时,系统效率最高,当百叶开启45℃时的遮阳效果最好。

    3.2.2窗的多层玻璃构造。多层玻璃构造在使用玻璃幕墙的公共建筑中有很多应用,经过改造可以用于夏热冬冷地区的城市住宅的窗设计中。其基本型式是安装内外层玻璃,内外层间的空腔中设置可调节百叶遮阳,同时内外层玻璃都要设置可开启通风口。一般而言,多层玻璃构造窗的空腔厚度为500mm,遮阳百叶距离内层玻璃300mm;内层使用小间隙双层玻璃,外层用钢化玻璃,保护内部遮阳百叶;内部的百叶也可以用卷帘、窗帘等可调节的遮阳措施代替,但是百叶的效果最好。

    夏季白天,遮阳百叶闭合,阻挡太阳光辐射,同时通风口打开,利用自然通风排出空腔中的热量;夏季夜晚,百叶转动打开,以利于室内的冷辐射带走热量。冬季白天,空腔内百叶转动打开使得太阳光辐射进入室内,改善室内的光热环境,同时通风口闭合使空腔内形成密闭空气隔离层,增加窗的保温性能;冬季夜晚,百叶闭合,以减小室内冷辐射带来的热量散失。

    3.3阳台的施工与改造

    3.3.1开敞阳台。测量数据表明,从南向窗进入室内的辐射能流在正午达到最大,达150W/m2,而此时的温差能流则不足前者的三分之一,散射和反射能流占了辐射能流的主要部分;从西向窗进入室内的辐射能流则在下午15点30分左右达到最大,达500W/m2,而直射能流在下午13点10分之后就开始超过散射、反射和温差能流,构成了西向辐射能量的主要部分。

    因此,阳台及其相邻房间室内热环境状况与房间朝向密切相关,直射光和漫射光分别在不同朝向中扮演了影响室内得热的主角:对于带有南向阳台的房间,漫射光是室内得热的主要原因:而对于带有西向阳台的房间,直射光则是室内得热的主要原因。同时,由东、西两个朝向的对称性可以推断:直射光对于东向阳台热环境状况也起主导作用。

    开敞阳台的楼板可以看作是下层房间的水平遮阳板。这对带有东、西向开敞阳台的房间的热舒适度有改善作用,但是对带有南向开敞阳台的房间,水平遮阳方式并不能有效减少其得热问题,同窗的遮阳一样,应该使用可变化的遮阳措施。

    3.3.2南向封闭阳台。夏热冬冷地区很多住宅都安装了玻璃封闭的凸阳台,这在有意无意中都起到了提高冬季住宅室内温度的效果。此时,玻璃封闭阳台就作为了一种集热设施,它能有效改善阳台的热舒适性,也可为与其毗邻的房间供热,是冬季人们休息、娱乐、养花、养鱼的一种较为舒适的室内环境。值得注意的是,仅有一层高的南向封闭阳台,其所产生烟囱效应远不敌温室效应,因而在夏季会带来严重的过热问题。

   大量实测结果表明,在夏季天气阳光充足时,有玻璃封闭凸阳台的房间,室内气温比室外高,而且夜晚不易散热。因此,南向封闭阳台有必要考虑可调节的遮阳措施,其方法同前面窗的遮阳改造。

    4、结语

    民用建筑节能中应用太阳能具有两大优点,其一,节约常规能源,减少环境污染;其二,利用太阳能所创造的室内环境比利用常规能源所创造的室内环境(例如空调)具有更好的空气品质,更健康、更适合人类居住。

    本文从墙、窗和阳台等三个方面对被动式太阳能建筑的施工与改造做了深入的剖析,分别阐述了其施工与改造方法,将对太阳能建筑施工提供良好的借鉴。被动式太阳能建筑作为一种简单、经济、环保的节能建筑型式已成为建筑界节能降耗研究工作中的一个重要课题,它将与主动式太阳能建筑一起,成为我国今后建筑业发展的主流方向。

 
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