太阳能利用被动式太阳能建筑

第十章第十章： 太阳能利用太阳能利用水墙水墙 水的比热是水的比热是3J/(kgK)，其他一般建筑材料，其他一般建筑材料如砖，混凝土，土坯，木材等比热都在水的比热的如砖，混凝土，土坯，木材等比热都在水的比热的1/5左右，故用同质量的水贮热比其他材料贮存的热量多，左右，故用同质量的水贮热比其他材料贮存的热量多，反过来要贮存一定的热量，所用水比其他材料重量轻，反过来要贮存一定的热量，所用水比其他材料重量轻，这就是引起人们研究，发展水墙的主要原因。这就是引起人们研究，发展水墙的主要原因。发展水墙的原因何在？发展水墙的原因何在？水墙太阳能房示意图水墙太阳能房示意图如图是早在如图是早在20世纪世纪70年代美国年代美国steve bear住房试验的水墙太阳能房。住房试验的水墙太阳能房。水盛于钢桶内，外表有黑色吸热层，放在向阳单层玻璃窗后。玻璃窗水盛于钢桶内，外表有黑色吸热层，放在向阳单层玻璃窗后。玻璃窗外设有隔热盖板，冬季白天放平可作为反射板，将太阳辐射能反射到外设有隔热盖板，冬季白天放平可作为反射板，将太阳辐射能反射到钢桶水墙上去，增加吸收热，冬夜则关上，减少热损失。夏季则相反，钢桶水墙上去，增加吸收热，冬夜则关上，减少热损失。夏季则相反，白天关上以减少进热，晚上打开，以便向外辐射降温。白天关上以减少进热，晚上打开，以便向外辐射降温。关于水墙的尺寸，颜色及材料的选择：关于水墙的尺寸，颜色及材料的选择： 1.尺寸：一般水墙的容积可按太尺寸：一般水墙的容积可按太阳房的窗的玻璃面积乘以阳房的窗的玻璃面积乘以30cm左右来左右来进行估算。进行估算。 2.颜色：水墙容器表面的颜色以颜色：水墙容器表面的颜色以黑色最好，蓝色和红色容器的吸热能黑色最好，蓝色和红色容器的吸热能力比黑色容器分别少力比黑色容器分别少5%-9%。 3.材料一般可用金属和玻璃钢制材料一般可用金属和玻璃钢制成。容器表面常做成螺纹的圆柱体，成。容器表面常做成螺纹的圆柱体，以增加刚度。以增加刚度。水幕太阳能墙水幕太阳能墙:摆脱对空调的依赖摆脱对空调的依赖 画面左侧为设置了循环流水系统的玻璃外墙，右侧为太阳能外墙，墙上铺满鲜花和绿植画面左侧为设置了循环流水系统的玻璃外墙，右侧为太阳能外墙，墙上铺满鲜花和绿植 世博园阿尔萨斯案例馆的水幕玻璃世博园阿尔萨斯案例馆的水幕玻璃 位于浦西世博园位于浦西世博园“城市最佳实践区城市最佳实践区”一角的阿尔萨斯案例馆，被青枝绿叶覆盖着，但这栋建一角的阿尔萨斯案例馆，被青枝绿叶覆盖着，但这栋建筑最新奇的不是绿墙，而是筑最新奇的不是绿墙，而是“水幕太阳能墙水幕太阳能墙”。“墙体墙体”包括三个层面，外层为太阳能电板和包括三个层面，外层为太阳能电板和第一层玻璃，中间层为密闭舱，第三层为水幕玻璃。水幕太阳能墙向世人展示了一种建筑第一层玻璃，中间层为密闭舱，第三层为水幕玻璃。水幕太阳能墙向世人展示了一种建筑本身具有的气候调节机制，尤其适用于冬冷夏热的地区。阿尔萨斯案例的原型是法国阿尔本身具有的气候调节机制，尤其适用于冬冷夏热的地区。阿尔萨斯案例的原型是法国阿尔萨斯布克斯韦尔中学的太阳墙，在当地主要应用于冬季供暖。但考虑到上海夏季高温潮湿萨斯布克斯韦尔中学的太阳墙，在当地主要应用于冬季供暖。但考虑到上海夏季高温潮湿的气候特点，这一走进的气候特点，这一走进“城市最佳实践区城市最佳实践区”的案例又增添了夏季功能。太阳能水幕墙夏天运的案例又增添了夏季功能。太阳能水幕墙夏天运行时，密闭舱会打开。密闭舱中的空气和沿着立面往下流的水幕相连，加上太阳能墙产生行时，密闭舱会打开。密闭舱中的空气和沿着立面往下流的水幕相连，加上太阳能墙产生的阴影，起到给建筑降温的效果。利用太阳能水幕墙的原理，可以在夏季有效降低室内温的阴影，起到给建筑降温的效果。利用太阳能水幕墙的原理，可以在夏季有效降低室内温度，在冬季补充室内温度，极大地降低对空调的依赖。常规空调是不是不够绿色环保？能度，在冬季补充室内温度，极大地降低对空调的依赖。常规空调是不是不够绿色环保？能否让建筑具有自动调温功能？在否让建筑具有自动调温功能？在2010年上海世博会上，来自法国阿尔萨斯的案例给出了一年上海世博会上，来自法国阿尔萨斯的案例给出了一个肯定的答案。个肯定的答案。充水墙充水墙 前面讲的水墙是用钢桶或钢管或塑料管盛水作为储热物质，与现砌特朗伯墙比，前面讲的水墙是用钢桶或钢管或塑料管盛水作为储热物质，与现砌特朗伯墙比，其优点是，第一次投资减少，体积一定时储热容量较多，同时，采用较大的体积可能其优点是，第一次投资减少，体积一定时储热容量较多，同时，采用较大的体积可能提高太阳能对年需热量供应的百分比。缺点是维修费较高，向墙内侧传热的延迟性较提高太阳能对年需热量供应的百分比。缺点是维修费较高，向墙内侧传热的延迟性较小，这是由于水有对流的缘故，致使室内温度较实心墙体时波动更大。小，这是由于水有对流的缘故，致使室内温度较实心墙体时波动更大。 为了获取实心墙与冲水墙两者的优点，研究人员进行了大量试验。最终确定采用为了获取实心墙与冲水墙两者的优点，研究人员进行了大量试验。最终确定采用总尺寸为总尺寸为1200mm2400mm250mm的混凝土水箱，箱壁厚为的混凝土水箱，箱壁厚为50mm，水盛在箱内，水盛在箱内密封塑料袋内，这种水墙称为特朗伯墙。有的设计者认为，将来这种墙应再厚些增大密封塑料袋内，这种水墙称为特朗伯墙。有的设计者认为，将来这种墙应再厚些增大储热量，以便在长时阴云天气时保持墙体温度。储热量，以便在长时阴云天气时保持墙体温度。 能适合这种设想的一种做法是，采用预制混凝土空心板作为载水墙，水就盛在装能适合这种设想的一种做法是，采用预制混凝土空心板作为载水墙，水就盛在装于板空腔内的薄塑料管里。有一种空腔直径于板空腔内的薄塑料管里。有一种空腔直径250mm，厚，厚300mm的板，差不多占墙体积的板，差不多占墙体积的一般都是水，与实心混凝土墙比，储热容量增加了约的一般都是水，与实心混凝土墙比，储热容量增加了约50%，比用混凝土墙空腔造价，比用混凝土墙空腔造价要少，又由于断面要少，又由于断面50%是混凝土，故比金属管冲水墙传热过墙的时间延迟较长，墙内是混凝土，故比金属管冲水墙传热过墙的时间延迟较长，墙内侧温度波动较小。由于储热容量增大，就能从太阳能获取更多需要的热量。侧温度波动较小。由于储热容量增大，就能从太阳能获取更多需要的热量。 这种设想还需从技术和经济两方面进一步研究，混凝土技术方面可能存在的问题这种设想还需从技术和经济两方面进一步研究，混凝土技术方面可能存在的问题是，外侧表面与其相邻的混凝土是，外侧表面与其相邻的混凝土水内表面之间会产生较陡的温度梯度，最大温度水内表面之间会产生较陡的温度梯度，最大温度可能达到可能达到33度。总之这种设想很值得进一步研究。度。总之这种设想很值得进一步研究。附加阳光间附加阳光间 附加阳光间属一种多功能的房间，除了可作为一种集热设施外，还可以用来作为附加阳光间属一种多功能的房间，除了可作为一种集热设施外，还可以用来作为休息、娱乐、养花、养鱼等的空间，是寒冬季节让人们有如置身于大自然中的一种室休息、娱乐、养花、养鱼等的空间，是寒冬季节让人们有如置身于大自然中的一种室内环境，也是为其毗连的房间供热的一种有效设施。内环境，也是为其毗连的房间供热的一种有效设施。利用附加阳光间获得太阳能利用附加阳光间获得太阳能 附加阳光间除最好能在墙面全部设置玻璃外，还应在毗连主房坡顶部分加设倾附加阳光间除最好能在墙面全部设置玻璃外，还应在毗连主房坡顶部分加设倾斜的玻璃。这样做可以大大增加集热量，但倾斜部分的玻璃擦洗比较困难。另外，斜的玻璃。这样做可以大大增加集热量，但倾斜部分的玻璃擦洗比较困难。另外，当夏季时，如无适当的隔热措施，阳光间内的气温往往将变得过高。当冬季时，由当夏季时，如无适当的隔热措施，阳光间内的气温往往将变得过高。当冬季时，由于玻璃墙的保温能力非常差，如无适当的附加保温设施，则日落后的室内气温将会于玻璃墙的保温能力非常差，如无适当的附加保温设施，则日落后的室内气温将会大幅度地下降。以上这些问题，必须在设计之前充分考虑，并应提出解决这些问题大幅度地下降。以上这些问题，必须在设计之前充分考虑，并应提出解决这些问题的具体措施。的具体措施。附加阳光间有以下优点：附加阳光间有以下优点： 有附加阳光间的年度热损失只相当于无该阳光间的年度热损失的一半；有附加阳光间的年度热损失只相当于无该阳光间的年度热损失的一半； 附加阳光间的管理比特朗伯墙简单；附加阳光间的管理比特朗伯墙简单； 可以种花卉、果树，成为毗连种植温室，同时还可晒衣物；可以种花卉、果树，成为毗连种植温室，同时还可晒衣物； 开阔视野，舒畅心情；开阔视野，舒畅心情； 夏季可开创通风，并设窗帘等遮阳物，防止直射热。夏季可开创通风，并设窗帘等遮阳物，防止直射热。我们针对北方农村民居使用火炕采暖的传统生活习我们针对北方农村民居使用火炕采暖的传统生活习惯，设计了一种新型太阳炕系统。利用太阳能低温惯，设计了一种新型太阳炕系统。利用太阳能低温地板辐射采暖技术改造传统火炕。在保持传统火炕地板辐射采暖技术改造传统火炕。在保持传统火炕风貌的同时，进一步提高了采暖舒适度，消除了传风貌的同时，进一步提高了采暖舒适度，消除了传统火炕固有的一些缺陷，赋予了其新的内涵，形成统火炕固有的一些缺陷，赋予了其新的内涵，形成了一套太阳能采暖、热水双联供系统。是一次利用了一套太阳能采暖、热水双联供系统。是一次利用新技术对传统做法进行承扬的新探索新技术对传统做法进行承扬的新探索。 太阳炕系统太阳炕系统人居，生态，旅游人居，生态，旅游获得技术获得技术专项奖。专项奖。对传统火坑进行了创新的改造，对传统火坑进行了创新的改造，创造了创造了太阳坑太阳坑这种农村新型采暖这种农村新型采暖方式，受到了专家的一致好评。方式，受到了专家的一致好评。人居，生态，旅游人居，生态，旅游传统火炕一般将火炕与灶台相连，传统火炕一般将火炕与灶台相连，以植物秸秆，茅草及少量的煤为以植物秸秆，茅草及少量的煤为燃料，通过与炕相连的灶炊事产燃料，通过与炕相连的灶炊事产生的高温烟气引导到烟道中来加生的高温烟气引导到烟道中来加热炕体，使炕表面温度升高，以热炕体，使炕表面温度升高，以整个炕面作为散热面均匀地向室整个炕面作为散热面均匀地向室内辐射热量而达到取暖效果。随内辐射热量而达到取暖效果。随后，烟气从设于炕体另一端的烟后，烟气从设于炕体另一端的烟囱口排出。传统火炕构造简单，囱口排出。传统火炕构造简单，施工方便，采暖效果好，深受人施工方便，采暖效果好，深受人们的欢迎，是一种非常符合养生们的欢迎，是一种非常符合养生学的生态建筑做法。学的生态建筑做法。太阳炕透视图太阳炕透视图结合现代的地板结合现代的地板辐射采暖技术对辐射采暖技术对传统火炕形式进传统火炕形式进行再创新。行再创新。太阳能低温地板辐射采暖是一种以可再生能源太阳能低温地板辐射采暖是一种以可再生能源-太阳能作为热源，通过敷设于地板中的盘管加热地板，太阳能作为热源，通过敷设于地板中的盘管加热地板，利用辐射和对流对房间进行供暖的新型太阳能采暖系利用辐射和对流对房间进行供暖的新型太阳能采暖系统。因此，传统的火炕建造理念与太阳能低温地板辐统。因此，传统的火炕建造理念与太阳能低温地板辐射采暖技术结合，由太阳能作为主要能源，辅以沼气射采暖技术结合，由太阳能作为主要能源，辅以沼气等其他辅助能源，在保留传统火炕采暖舒适性好等优等其他辅助能源，在保留传统火炕采暖舒适性好等优点的同时彻底克服了其存在的缺点，并增加了生活热点的同时彻底克服了其存在的缺点，并增加了生活热水供应等新的功能，形成了一种新型的采暖系统水供应等新的功能，形成了一种新型的采暖系统-太阳炕系统太阳炕系统。太阳炕构造示意图太阳炕构造示意图太阳炕是太阳炕系统的核心部件，由于太阳炕与低温太阳炕是太阳炕系统的核心部件，由于太阳炕与低温地板辐射采暖的设计原理相似，因此我们在低温地板地板辐射采暖的设计原理相似，因此我们在低温地板辐射采暖构造的基础上，结合传统火炕的特点，进行辐射采暖构造的基础上，结合传统火炕的特点，进行太阳炕的构造设计。太阳炕的构造设计。太阳炕下部架空，可避免传统火炕因下部落地引起大量太阳炕下部架空，可避免传统火炕因下部落地引起大量热量向地面的散失以及地面寒气的上升，同时可以作为热量向地面的散失以及地面寒气的上升，同时可以作为储藏空间使用。储藏空间使用。结构层由传统火炕的土坯改成混凝土预制板，一方面增加结构层由传统火炕的土坯改成混凝土预制板，一方面增加了结构层的强度及耐久性，另一方面也大大减少了施工量了结构层的强度及耐久性，另一方面也大大减少了施工量节约了时间。在混凝土预制板上部，节约了时间。在混凝土预制板上部，设有聚苯乙烯保温层和锡箔反射层，设有聚苯乙烯保温层和锡箔反射层，主要作用是加强太阳炕的保温性能，主要作用是加强太阳炕的保温性能，使热量尽量向炕面方向辐射。使热量尽量向炕面方向辐射。太阳炕的发热构件热水盘管敷设太阳炕的发热构件热水盘管敷设在结构层中。结构层采用泡沫水在结构层中。结构层采用泡沫水泥植物纤维复合板，该板是一种泥植物纤维复合板，该板是一种新型围护结构保温材料，在农村新型围护结构保温材料，在农村就地取材即可预制，也可现场发就地取材即可预制，也可现场发泡。因此，安装时可采用现场发泡。因此，安装时可采用现场发泡的方式将太阳能热水管固定结泡的方式将太阳能热水管固定结构层中，施工速度快，保温蓄热构层中，施工速度快，保温蓄热效果好。效果好。