被动式太阳能利用在建筑设计中的运用

发表时间:2017/8/11   来源:《基层建设》2017年第11期   作者:林猛
[导读] 摘要:目前,建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列,成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。随着城市的发展,建筑将超越工业

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        摘要:目前,建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列,成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。随着城市的发展,建筑将超越工业、交通等其他行业而最终居于社会能源消耗的首位。因此,如何提高建筑中各种能源利用效率,降低建筑能源消耗成为急需解决的课题[1][2]。本文将针对被动式阳光间进行设计、优化及测试[3]。
        关键词:被动式阳光间;建筑设计;节能效率
        前言
        本文针对北京农村地区建筑采暖系统投资大、供暖效果差等问题,对被动式阳光间进行了一系列的优化设计,实现对太阳能的有效利用,并通过实例进行测试分析,为被动式太阳能利用技术提供借鉴和参考。
        1被动式阳光间的优化设计方案
        被动式阳光间在一些农宅中早已应用,但由于多数农宅围护结构没有保温,被动式阳光间的节能效果并不明显。被动式阳光间的结构示意及传热过程如图1所示[4]。
        冬季1月1日,采用两种方案的比较如图2所示。
        从图2中可以看出:①无太阳辐射时,采用传统屋而的阳光间基础室温要比采用透明阳光板的基础室温高1℃左右,传统屋而的蓄热性能好;②下午太阳辐射较强时,两阳光间基础室温一样,说明屋顶得热与散热总体情况相同;③采用传统屋而时,房间温度高出1℃左右。
        夏季8月1日,采用两种方案的比较如图3所示。
        从图3中可以看出:①无太阳辐射时,有无阳光板对室温影响不大,两者温度相差无几;②太阳辐射较强时,由于透明阳光板可以增加太阳辐射热量,导致阳光间最高温度高出2 ℃;③客厅和卧室温度相差不多。由于通风次数相同,足够排除太阳辐射带入的热量。
        当农宅冬季室内温度维持14℃时(根据调研数据,室内14℃是多数农民认为的比较理想的室内温度,符合其生活模式),可以训一算出两种方案的全年热负荷如图4中所示,可以看出阳光间采用传统屋而时,可相对于采用透明阳光板的负荷降低6%左右。
        综合以上基础室温与全年负荷的分析比较,可以得到结论:被动式阳光间适宜采用传统屋而。
        (2)优化设计二:公用墙是否增加保温。设定两个方案中窗墙比都为0.4、都采用不透明阳光板、都采用单层玻璃,只是比较是否对南墙进行保温的情况下建筑热负荷的情况,在DeST一h上做了模拟及分析。
        冬季1月1日,是否对南墙进行保温两种方案下的基础室温进行了对比,得出:①基础室温基本相同;②由于进行保温增加了墙体反射,同时由于阳光间温室效应,热量会通过窗户透射或传热进来,从而导致两者室温相差无几。
        夏季8月1日,是否对南墙进行保温两种方案下的基础室温进行了对比,得出:在炎热的夏季,两者也没有什么区别。
        当农宅冬季室内温度维持14℃时,可以训一算出南墙无保温的全年热负荷为7881.4kW • h,南墙有保温的全年热负荷为7910.16 kW • h,考虑到经济性,南墙无保温比较合理。
        (3)优化设计三:公用墙窗墙比对阳光间效果的影响。设定三个方案中南墙都无保温、都采用不透明阳光板、都采用单层玻璃,只是比较在窗墙比改变、考虑冷风渗透的改变(南向)的情况下,如表1中所示,建筑热负荷的情况,在DeST一h上做了模拟及分析•


        冬季1月1日,对不同窗墙比下三种方案下的基础室温进行了对比,可以得出:①阳光间主要受到室外的影响,所以阳光间的基础室温没有变化;②在夜晚,窗户成了散热构件,窗墙比小,可以有利于减少冷风渗透和传热量;③在白天,窗户可以透过太阳辐射,窗墙比大的房间会使房间温度更高。但温度升高的程度很小。
        夏季8月1日,对不同窗墙比下三种方案下的基础室温进行了对比,可以得出:由于夏季采用的通风次数都是相同的,而且通风次数足以带走白天太阳辐射热量,所以导致室内的基础温度相差无几。
        当农宅冬季室内温度维持14℃时,可以训一算窗墙比0.4,0.6,0.8时的全年负荷分别为7881.4,8043.98,8136.64kW • h,可以看出:当窗墙比0.6时,热负荷比窗墙比0.4时增大2.1%;当窗墙比0.8时,热负荷比窗墙比0.4时增大3.2%。
        综合以上基础室温与全年负荷的分析比较,可以得到结论:在满足采光需求下,窗户而积应该尽量小一点,窗墙比选为0.4比较合理,即加强公用墙的蓄热性能对提高阳光间的利用效率有一定帮助。
        (4)优化设计四:阳光间立而是否采用双层玻璃。设定两个方案中南墙都无保温、都采用不透明阳光板、窗墙比都为0.4,只是阳光间是否采用双层玻璃的情况下建筑热负荷的情况,在DeST一h上做了模拟及分析。
        冬季1月1日,对阳光间是否采用双层玻璃下两种方案下的基础室温进行了对比,可以得出:①在白天,由于两层阳光间之间的反射,玻璃透射系数减小,导致房间温度的差别;②在夜晚,由于冷风渗透的原因导致室温差别,但两者渗风量相差不多,所以室内温度无太大差别。
        夏季8月1日,对阳光间是否采用双层玻璃下两种方案下的基础室温进行了对比,可以得出:①在炎热的夏季,阳光间两层玻璃之间的反射导致太阳辐射衰减及通风的影响,使得内层阳光间温度比外层阳光间温度低8℃,外层阳光间比单层阳光间高6℃;②双层阳光间使得阳光的透射系数减小,在通风次数相同的情况下,客厅(双层)比客厅(单层)低1度左右;夜晚无太阳辐射,两者温差有所减少,温差只有0.5℃左右。
        当农宅冬季室内温度维持14℃时,可以训一算出单层阳光间的全年负荷为7881.4kW •h,双层阳光间的全年负荷为7691.96kW •h,可以看出:①双层阳光间的保温作用(减少传热及冷风渗透)会使得全年负荷降低2.4 %;②相对于阳光间的初投资,回收期过长,经济性欠佳;③双层阳光间节能效果不明显,经济性不好,采用单层阳光间比较合适。
        2被动式阳光间测试分析
        (1)实验住宅信息。实验住宅为房山区二合庄村的一户典型农宅,正南而建有阳光间。冬季连续供暖,容忍温度下限140,控制温度下限160;北向窗墙比0.3;南向客厅窗墙比0.5;南向卧室窗墙比0.4。
        (2)测量结果及分析。改造后的农宅基本在12 -2月供热,改造结果如表2所示。
        从表2可以看出,改造后农宅保温性能有大幅度的提升,室内温度提高6 ℃,采暖耗煤量节省44 %综合节能率达到60 %。采暖时间缩短,基本在12 -2月,因此该技术方案测试时间为上述三个月。
        经测试得到太阳辐射量、进入室内的太阳辐射量以及辅助供热量的数据,并根据这些数据计算出被动式阳光间的得热负荷比以及太阳能贡献率,具体的训一算结果如表3所示。
        从表3可以看出,阳光间集热效率相对较高,在30%以上,但是采暖贡献率较低,仅有16%,说明大部分热量集中在了阳光间内,对需要采暖的房间提供热能力较差,这和人们的感觉是一致的。为加强白天阳光间同采暖房间的换热效果,可以采取白天开窗或加装风扇强制对流的方式,改善阳光间过热而室内温度相对偏低的情况。
        3结语
        本文对北京市房山区二合庄村的某农户被动式阳光间的热性能做了分析。可以得到以下结论:①改造后农宅室内温度提高6 ℃,采暖耗煤量节省44 %综合节能率达到60%;②该系统的热效率在31%左右,而且随着室外太阳辐射强度的增加而增大;③虽然阳光间热效率较高,但对采暖方而贡献率较低,仅为16%左右,可采用白天开窗或加装风机来改善阳光间和采暖房间的换热效果。
        参考文献:
        [1] 张东.高层建筑节能改造技术研究[J].山西建筑,2011.37(6):172一174.
        [2] 王玲,田稳等,工丽洁.被动式太阳能生态住宅设计研究[J].工业建筑,2011.41(5):53一57.
        [3] 张群,朱轶韵,刘加平,等.西北乡村民居被动式太阳能设计实践与实测分析[J].西安理工人学学报,2010.26(4):477 -481.
        [4] 庚汉成,党建国.高寒地区被动式太阳能采暖技术应用的调查与分析[J].业建筑,2010.40(12):22 - 25.
        [5] 张群,梁锐,刘加平.乡村民居被动式太阳能设计与热环境分析[J].西安科技人学学报,2011.31(2):172 -176

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