被動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)與建造

第1章 太陽(yáng)房的分類和基本原理

1.1 太陽(yáng)房的分類

1.2 太陽(yáng)房的基本結(jié)構(gòu)

1.3 太陽(yáng)房的熱工原理

1.4 建造太陽(yáng)房的基本條件

1.5 太陽(yáng)房有關(guān)的術(shù)語(yǔ)

第2章 太陽(yáng)房的總體設(shè)計(jì)

2.1 建筑計(jì)劃

2.2 太陽(yáng)能可利用的條件

2.3 建筑選址與太陽(yáng)能利用的關(guān)系

2.4 建筑朝向的選擇

2.5 太陽(yáng)房外形對(duì)保溫的影響

2.6 熱系統(tǒng)的選擇

2.7 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)估算

第3章 被動(dòng)式太陽(yáng)房熱工設(shè)計(jì)2100433B

本書(shū)系統(tǒng)介紹了被動(dòng)式太陽(yáng)房的基本構(gòu)造與原理、總體設(shè)計(jì)要?jiǎng)t以及熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，包括熱負(fù)荷計(jì)算、熱平衡分析以及溫度預(yù)測(cè)等；還介紹了被動(dòng)式太陽(yáng)房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建筑材料選擇和被動(dòng)式太陽(yáng)房的施工管理及注意事項(xiàng)；給出了已建成的住宅利用太陽(yáng)能的設(shè)計(jì)改造基本原則。本書(shū)還利用較大篇幅向讀者介紹了國(guó)內(nèi)外的被動(dòng)式太陽(yáng)房以及工程實(shí)例，以便讀者對(duì)照參考和使用。

本書(shū)適合于對(duì)太陽(yáng)房技術(shù)感興趣的專業(yè)人員使用。

國(guó)外被動(dòng)式太陽(yáng)房多由建筑師自行設(shè)計(jì)和建造,已建的被動(dòng)式太陽(yáng)房種類繁多，尚無(wú)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。各種資料上對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)房的分類方法也不相同。

如果從對(duì)太陽(yáng)熱能利用的角度來(lái)區(qū)分，被動(dòng)式太陽(yáng)房大致可分為下述五種典型型式：1.利用南窗直接接受太陽(yáng)輻射能的被動(dòng)式太陽(yáng)房（直接受益式）（右圖a,b）；2.利用南墻進(jìn)行集熱和蓄熱的被動(dòng)式太陽(yáng)房（集熱蓄熱墻式（Trombe墻））（右圖c,d）；3.混合式被動(dòng)太陽(yáng)房（組合式）（右圖e,f）；4.利用屋頂進(jìn)行集熱和蓄熱的被動(dòng)式太陽(yáng)房（屋頂集熱蓄熱式）（右圖g）；5.利用熱虹吸作用(自然循環(huán))的被動(dòng)式太陽(yáng)房（對(duì)流環(huán)路式（集熱墻式））（右圖h）。

但是應(yīng)該指出，目前被動(dòng)式太陽(yáng)房主要用來(lái)解決冬季的采暖問(wèn)題，很多國(guó)家對(duì)它進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)并逐步過(guò)渡到實(shí)用階段；至于如何利用被動(dòng)技術(shù)解決夏季的降溫問(wèn)題困難還比較多，尚處于探索階段。只有第四種利用屋頂進(jìn)行集熱蓄熱的型式，采取一定的措施后，才能有降溫作用 。

被動(dòng)式太陽(yáng)房直接受益式

直接受益式太陽(yáng)房是讓太陽(yáng)光通過(guò)透光材料直接進(jìn)入室內(nèi)的采暖形式，是被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖中和普通房差別最小的一種太陽(yáng)房。該類太陽(yáng)房升溫快、構(gòu)造簡(jiǎn)單、建筑形式美觀、熱效率較高、造價(jià)低且管理方便。但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，很容易引起室溫日波動(dòng)大，白天溫度較高，晚上較低，舒適性差，輔助能耗增多；此外，白天室內(nèi)的眩光問(wèn)題不容易解決，僅適用于綜合氣象因數(shù)值SDM大于20的地區(qū)。因此，直接受益式適宜建于氣候比較溫和的地區(qū)，用于寒冷地區(qū)效果較差。適用于白天要求升溫快的房間或只是白天使用的房間，如商店、學(xué)校、辦公室、住宅的起居室等。若窗戶有較好的保溫措施，也可用于住宅的臥室等房間 。

以拉薩市拉薩市直接受益式太陽(yáng)房設(shè)計(jì)為例，南向窗墻面積比的提高有利于獲得較高的室內(nèi)平均溫度，但是需要注意晝夜溫差的問(wèn)題。拉薩市南向房間進(jìn)深增大會(huì)引起南北向房間室內(nèi)平均溫度的降低。在保證窗墻比不變的條件下，增大建筑開(kāi)間不會(huì)引起室內(nèi)平均溫度的變化，但是室內(nèi)溫度波動(dòng)明顯變大。外墻保溫性能的改善能有效改進(jìn)南北向房間的室內(nèi)平均溫度。外窗熱工性能有效改善南北向房間的室內(nèi)熱環(huán)境，良好的外窗熱工性能能夠提高南北向房間室內(nèi)平均溫度，同時(shí)降低室內(nèi)溫度波動(dòng)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的蓄熱性能對(duì)維持室內(nèi)熱穩(wěn)定有顯著的作用。在居住建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇厚重材質(zhì) 。

被動(dòng)式太陽(yáng)房集熱蓄熱墻式（Trombe墻）

實(shí)體式集熱蓄熱墻式與直接受益式相比具有較好的蓄熱能力。水墻式集熱蓄熱墻運(yùn)行管理相對(duì)麻煩，我國(guó)較少采用。相變材料蓄熱墻式與水墻式的結(jié)構(gòu)形式相似，只是蓄熱物質(zhì)采用的是相變材料而不是水，目前的主要問(wèn)題是相變材料的相變溫度和相變時(shí)間難以隨房間采暖需要進(jìn)行有效控制，技術(shù)未完全成熟，而且施工較復(fù)雜，造價(jià)較高，目前國(guó)內(nèi)還很少應(yīng)用?；ǜ袷郊療嵝顭釅蛯?shí)體式集熱蓄熱墻的主要區(qū)別是前者墻體上遍布了通風(fēng)孔。采用集熱蓄熱墻式被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)溫度波動(dòng)小，居住舒適，但熱效率較低，常和其他形式配合使用，可以調(diào)整集熱蓄熱墻的面積，滿足各種房間對(duì)蓄熱的不同要求，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，玻璃夾層中間易積灰，不好清理，影響集熱效果，且成本高，立面顏色較深，外形不太美觀，推廣有一定的局限性 。

集熱蓄熱墻式被動(dòng)太陽(yáng)能建筑的理論研究主要包括穩(wěn)態(tài)理論研究和動(dòng)態(tài)理論研究。目前以穩(wěn)態(tài)研究居多，主要是由于穩(wěn)態(tài)理論研究在條件上可以一定程度的簡(jiǎn)化，獲取更直觀的數(shù)學(xué)模型，便于計(jì)算。而動(dòng)態(tài)理論研究的模型計(jì)算量大，手工完成較困難，采用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，受外界環(huán)境因素影響明顯，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在較大誤差 。

目前，集熱蓄熱墻式被動(dòng)太陽(yáng)能建筑的研究熱點(diǎn)主要集中在百葉式集熱蓄熱墻、多孔式集熱蓄熱墻、熱管式集熱蓄熱墻和花格式集熱蓄熱墻等類型 。

百葉式集熱蓄熱墻是在傳統(tǒng)Trombe墻的空氣夾層懸掛可翻轉(zhuǎn)的百葉窗簾，如圖2所示。窗簾的葉片一面涂有高吸收率涂層，一面涂有高反射率涂層。視覺(jué)效果上，百葉式集熱蓄熱墻使建筑外墻更加美觀，同時(shí)，任意角度翻轉(zhuǎn)可提高墻體的集熱效果。運(yùn)行原理是：夏季，關(guān)閉室內(nèi)出風(fēng)口，開(kāi)啟室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口和室外出風(fēng)口，將涂有高反射率涂層的百葉窗簾葉片外翻，提高可見(jiàn)光的反射率，減少南墻得熱量，防止室內(nèi)溫度過(guò)高，如圖2a所示；冬季白天，關(guān)閉室外出風(fēng)口，開(kāi)啟室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，將涂有高吸收率涂層的葉片外翻，提高太陽(yáng)輻射吸收率，通過(guò)對(duì)流和導(dǎo)熱的方式將熱量傳送至室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度，如圖2b所示；夜間，關(guān)閉室內(nèi)進(jìn)、出風(fēng)口，閉合的百葉簾將空氣夾層分為兩個(gè)空氣窄層，抑制對(duì)流，增加墻體熱阻，降低室內(nèi)向室外環(huán)境損失的熱量，減少室內(nèi)溫度下降速率，如圖2c所示。

多孔式集熱蓄熱墻主要有兩種形式：一是在集熱蓄熱墻內(nèi)添加多孔介質(zhì)；二是在南墻外表面安裝涂有選擇性涂層的多孔金屬板。多孔式集熱蓄熱墻能夠最大限度地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱后的空氣在浮升力和風(fēng)機(jī)作用下流入室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度，同時(shí)置換室內(nèi)空氣，起到通風(fēng)換氣的作用 。

熱管式集熱蓄熱墻是將熱管布置在被動(dòng)式太陽(yáng)能墻體中用于供暖，具有傳熱速度快、熱能利用率高等特點(diǎn)。其工作原理為：在蒸發(fā)段，工作液吸熱后由液態(tài)轉(zhuǎn)為蒸汽態(tài)，在壓力差作用下通過(guò)內(nèi)腔進(jìn)入冷凝段，將熱量傳遞給冷源，并凝固為液態(tài)；在重力作用下工作液回流至蒸發(fā)段，進(jìn)而完成熱量的傳遞 。

被動(dòng)式太陽(yáng)房屋頂集熱蓄熱式

屋頂集熱蓄熱式有兩種設(shè)計(jì)方案，即使用充滿水的塑料袋或相變儲(chǔ)熱材料。這種太陽(yáng)房在冬季采暖負(fù)荷不高而夏季又需要降溫的情況下使用比較適宜。但由于屋頂需要有較強(qiáng)的承載能力，隔熱蓋的操作也比較麻煩，目前實(shí)際中應(yīng)用較少 。

集熱蓄熱屋頂是將平屋頂或坡屋頂?shù)哪舷蚱旅孀龀杉療嵝顭釅π问?，其主要結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)依次為：玻璃蓋板，空氣夾層、涂有吸熱材料且開(kāi)有通風(fēng)孔的重質(zhì)屋頂。目前，南向集熱蓄熱墻主要依靠熱壓作用帶動(dòng)空氣循環(huán)流動(dòng)加熱室內(nèi)空氣。但由于屋頂豎向高差較小，熱壓作用不明顯，為克服上述缺點(diǎn)并改善對(duì)流換熱性能，在出風(fēng)口位置安裝小型軸流風(fēng)機(jī)，使夾層空氣在玻璃蓋板和重質(zhì)屋頂之間以強(qiáng)迫對(duì)流的方式進(jìn)行流動(dòng)，提高供熱效率。集熱蓄熱屋頂太陽(yáng)房物理模型如圖所示 。

被動(dòng)式太陽(yáng)房附加陽(yáng)光間式

與集熱蓄熱墻式相比，附加陽(yáng)光間增加了地面作為集熱蓄熱體；與直接受益式相比，附加陽(yáng)光間式的采暖房間溫度波動(dòng)和眩光程度得到有效降低。陽(yáng)光間不僅起到了減少風(fēng)沙侵入、集熱保溫的作用，而且還可以作為白天休息活動(dòng)場(chǎng)所和溫室花房，容易和整個(gè)建筑融為一體。這種太陽(yáng)房適用于民用住宅，越來(lái)越受到人們的重視，成為一種適合村鎮(zhèn)地區(qū)建設(shè)的被動(dòng)式太陽(yáng)房。附加陽(yáng)光間式被動(dòng)式太陽(yáng)房一般與直接受益式配合使用，但投資較高，不易采取保溫措施，可用于有條件的起居室門廳、公共建筑的大廳等房間，不宜大面積采用 。

附加陽(yáng)光間式太陽(yáng)房是由直接受益式和儲(chǔ)熱墻相結(jié)合的太陽(yáng)房形式。建筑物由被儲(chǔ)熱墻隔開(kāi)的兩個(gè)受熱區(qū)域組成：一是直接受益式陽(yáng)光間，一是間接被加熱的空間。陽(yáng)光透過(guò)玻璃窗一部分直接照射在采暖房間，一部分被陽(yáng)光間的地面和公共墻吸收，通過(guò)熱空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間，起到太陽(yáng)能供暖作用。由于陽(yáng)光間的設(shè)計(jì)易和整個(gè)房屋的建筑設(shè)計(jì)融為一體，因此這種太陽(yáng)房越來(lái)越受到人們的關(guān)注 。

被動(dòng)式太陽(yáng)房對(duì)流環(huán)路式（集熱墻式）

對(duì)流環(huán)路式集熱墻接受陽(yáng)光后升溫較快，白天向室內(nèi)供熱較多，較適合于白天使用的房間，如教室、辦公室、醫(yī)院門診部等。對(duì)流環(huán)路卵石床蓄熱式（熱虹吸式）太陽(yáng)房性能很好，但投資較大，目前也較少應(yīng)用 。

集熱墻式太陽(yáng)房的采暖效果好壞由熱對(duì)流現(xiàn)象的好壞來(lái)決定，而熱對(duì)流的好壞則由集熱氣隙中空氣上下兩端的溫差和空氣流動(dòng)的阻力來(lái)決定。所以，在設(shè)計(jì)中可以有以下幾條原則：1.盡量增加集熱墻高度，以增大空氣的溫差。2.在結(jié)構(gòu)允許條件下，盡可能使上、下對(duì)流化分別設(shè)置在集熱墻的最頂端和最下端。3.上、下對(duì)流口的總面積應(yīng)相等。除此之外，太陽(yáng)房的氣隙厚薄，集熱墻厚度和對(duì)流孔尺寸等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)尚須根據(jù)外界條件來(lái)具體確定 。

被動(dòng)式太陽(yáng)房組合式

以上幾種基本類型都有各自的獨(dú)特之處。通常把由兩個(gè)或兩個(gè)以上被動(dòng)式基本類型組合而成的系統(tǒng)稱為組合式系統(tǒng)。不同的采暖方式結(jié)合使用，就可形成互為補(bǔ)充、更為有效的被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng) 。

目前，太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的研究日益深化，為今后太陽(yáng)房的建造開(kāi)辟了更廣闊的前景。如美國(guó)麻省理工學(xué)院新型被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑、熱二極管集熱板等 。

本書(shū)對(duì)數(shù)字化技術(shù)與信息集成下的建筑、設(shè)計(jì)與建造進(jìn)行較為系統(tǒng)的理論分析和總結(jié)，從建筑學(xué)專業(yè)的研究客體——建筑、設(shè)計(jì)主體——建筑師、設(shè)計(jì)與表現(xiàn)、設(shè)計(jì)與建造等主要方面，及各方面之間相互影響的關(guān)系，對(duì)數(shù)字化技術(shù)與信息集成下建筑、設(shè)計(jì)與建造的現(xiàn)狀與走向進(jìn)行總結(jié)、剖析與展望，并在此基礎(chǔ)上探尋其中所蘊(yùn)含的分化、整合與集成等主要特征的來(lái)龍去脈。本書(shū)內(nèi)容豐富，講解深入淺出，具有很強(qiáng)的可讀性和實(shí)用性。