被動式太陽能采暖建筑的應(yīng)用現(xiàn)狀

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(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求日益增強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境問題越來越被重視。建筑能耗是我國能源消耗的主要部分，而太陽能是取之不盡用之不竭的可再生無污染能源，每年地球表面可接收的太陽輻射可達(dá)5.6×1018MJ，相當(dāng)于近200萬億t標(biāo)煤燃燒后釋放的能量，約為現(xiàn)階段地球每年一次能源消耗量的15000倍以上[1]?；诖?，本文就太陽能在被動式太陽能建筑的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對被動式太陽能建筑進(jìn)行研究，其可以有效減少建筑能耗，所以快速發(fā)展太陽能的使用勢在必行。

1 太陽能建筑

所謂太陽能建筑(Solar Buildings)是指利用太陽能來滿足供熱、降溫等用能需求的建筑。太陽能目前的利用形式分為太陽能光電轉(zhuǎn)化和直接利用太陽能2種形式。太陽能建筑分為被動式太陽能建筑和主動式太陽能建筑。本文主要研究被動式太陽能建筑。

1.1 被動式采暖技術(shù)

被動式采暖技術(shù)是通過增加太陽輻射熱和減少室內(nèi)環(huán)境熱損失的方法保持室內(nèi)的環(huán)境溫度，可以縮減采暖季節(jié)里室內(nèi)空間的采暖時間及供暖強(qiáng)度，從而減少因采暖所產(chǎn)生的能源消耗。主要通過控制建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置，調(diào)節(jié)透光效果、建筑墻體的保溫性能等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最小限度使用機(jī)械設(shè)備的條件下，使太陽輻射的熱量傳遞給建筑物，建筑本身具有一定的采暖效果。

1.2 被動式降溫技術(shù)

被動式降溫技術(shù)是利用太陽輻射照射在透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)體由于上下空氣密度差形成太陽能煙囪效應(yīng)，室外涼爽空氣從下部進(jìn)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，從屋頂流出，帶走室內(nèi)多余的熱量進(jìn)而為室內(nèi)降溫。

2 研究現(xiàn)狀

我國太陽能在建筑中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代末，太陽能利用主要體現(xiàn)在太陽能熱水器的使用，太陽能熱水器應(yīng)用在我國是最廣泛、發(fā)展最迅速的領(lǐng)域[2]。除此之外，被動式太陽能建筑由于建筑結(jié)構(gòu)簡單、造價相對低廉、應(yīng)用效果較為顯著，也得到了較多應(yīng)用。但是我國太陽能采暖技術(shù)起步較晚，目前仍處于起步階段，由于技術(shù)不夠成熟、數(shù)據(jù)不夠健全等，沒有得到廣泛使用，大部分采暖還主要依靠常規(guī)能源。

截至2020年底，我國能源依然大量通過煤炭提供，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)仍處于主導(dǎo)地位，基于日益增長的能源需求，煤炭、石油、天然氣等一次能源的儲量將難以滿足。除此之外，環(huán)保方面由于煤炭等能源在燃燒時會產(chǎn)生大量的有害氣體如粉塵等，己成為公眾和政府日益關(guān)注的焦點(diǎn)。所以，應(yīng)加快太陽能源的發(fā)展，用二次能源及清潔能源有效地取代一次能源的消耗[3]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

由于太陽輻射受季節(jié)、地區(qū)、晝夜、天氣等不可控因素影響較大，影響了能源供給的穩(wěn)定性，從而對太陽能的應(yīng)用造成了極大困難。被動式太陽能建筑基于對太陽輻射熱收集、蓄存和使用方式的不同，可分為直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式等。

3.1 直接受益式

是被動式太陽能建筑中最為簡單直接的一種利用太陽能向室內(nèi)供暖的形式，是利用南向窗戶的透明玻璃通過太陽光直射和太陽光散射向建筑墻體、室內(nèi)地面及其它物體上，其中大部分熱量通過對流換熱和輻射換熱形式，向室內(nèi)提供熱量，并有部分熱量再次由室內(nèi)物體所吸收，進(jìn)而二次向室內(nèi)提供熱量，以維持室內(nèi)溫度的一種方式。但直接受益式建筑易受室外溫度、太陽輻射照度的影響，夏季引起白天室內(nèi)溫度過高、冬季夜間熱損失嚴(yán)重的問題，不能晝夜保證人的熱舒適度要求，只適用于白天使用的建筑物。

圖1 直接受益式工作原理圖[4]

3.2 集熱蓄熱墻式

是建筑利用朝向?yàn)槟蟼?cè)的墻體作為主要吸收并存儲太陽能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，然后通過對流、導(dǎo)熱、輻射3種換熱形式，將熱量傳入室內(nèi)以提高室內(nèi)溫度。如，為了解決太陽能供能不穩(wěn)定、普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收利用的太陽能極少，法國科學(xué)家Felix Trombe設(shè)計(jì)研發(fā)了Trombe墻[5]；Trombe墻是通過集熱蓄熱墻、風(fēng)口的啟閉來利用太陽輻射能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。太陽透過玻璃層加熱空氣層內(nèi)的空氣,通過集熱蓄熱墻體上的風(fēng)口將熱空氣導(dǎo)入室內(nèi)實(shí)現(xiàn)房間的供暖。在天氣晴朗時可以有效利用太陽輻射熱，增加室內(nèi)溫度。但是集熱蓄熱墻熱阻較低，在天氣長期處于非晴朗下，不充足的太陽輻射熱會導(dǎo)致熱量的流失。而且集熱蓄熱墻難以傳遞熱量至房間深處，導(dǎo)致室內(nèi)溫度不均，人體熱舒適性較差[6]。

圖2 集熱蓄熱墻式工作原理圖[4]

3.3 附加陽光間式

是集熱蓄熱墻系統(tǒng)的一種延伸利用溫室效應(yīng)來獲取太陽能，是在建筑南側(cè)附設(shè)陽光間，以便于更好地利用太陽能，陽光間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以透光材料組成。與以上2種不同，附加式太陽間被動式太陽能建筑對于太陽輻射熱的吸收由陽光間傳到室內(nèi)，而不是直接由室內(nèi)接收[7]。冬季，當(dāng)陽光間溫度大于室內(nèi)溫度時熱空氣可以通過上部向房間內(nèi)供熱，當(dāng)室內(nèi)溫度高于陽光間，可以隔斷與陽光間的聯(lián)系，減少室內(nèi)熱量的散失。夏季，利用太陽間可以緩沖室外太陽輻射熱對于室內(nèi)溫度的提高，從而維持室內(nèi)熱舒適性。陽光間做適當(dāng)利用并不會過于浪費(fèi)建筑面積。

圖3 附加陽光間式工作原理圖[4]

目前，集熱蓄熱墻式被動太陽能建筑應(yīng)用最廣泛。與直接受益式相比，集熱蓄熱墻式被動太陽能建筑可以提高室內(nèi)溫度穩(wěn)定性，增加對于太陽輻射熱的利用。夏季增強(qiáng)室內(nèi)空氣流動，帶走室內(nèi)的多余熱量。與附加太陽間相比集熱蓄熱墻具有集熱及蓄熱雙重功能，減少了對于室內(nèi)空間的占用，降低了初投資，增加了對于建筑面積的有效利用。

4 存在問題及解決方法

4.1 理論問題

陳其真[8]提出雖然從理論與實(shí)驗(yàn)都能驗(yàn)證太陽能被動式供暖形式可以改善室內(nèi)熱舒適性，降低采暖能耗，但是由于太陽能受室外太陽輻射、室外溫度等不可控因素影響較大，具有明顯的不穩(wěn)定性。并且，對于建筑結(jié)構(gòu)的對流換熱、輻射換熱、導(dǎo)熱等形式皆為非穩(wěn)態(tài)過程。從而使得被動式太陽能建筑熱舒適性的計(jì)算與分析成為很難解決的理論問題。

4.2 實(shí)際問題

針對于不同地區(qū)的氣候形式，太陽能輻射量有著較大的不同，如何將太陽能被動式供暖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中良好地結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀荒茉词禽^難解決與復(fù)雜的問題。胡彬[9]等人針對熱工性能運(yùn)用清華大學(xué)Dest-H軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果證明了被動式設(shè)計(jì)方案在太陽能富足地區(qū)比較理想，能在保證室內(nèi)熱舒適的要求下，基本實(shí)現(xiàn)“零采暖能耗”的目標(biāo)。孫喆[10]對比國內(nèi)外太陽能發(fā)展，提出在夏熱冬冷地區(qū)太陽能發(fā)展的前景有很多需要突破的地方，應(yīng)該以設(shè)計(jì)規(guī)范的不變適當(dāng)改變技術(shù)與觀念，不斷切實(shí)發(fā)展太陽能建筑的有效應(yīng)用，以改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)、透光性等應(yīng)對夏熱冬冷地區(qū)氣候的變化。

4.3 技術(shù)問題

由于太陽能的季節(jié)、晝夜差異，為保證冬季的室內(nèi)供暖要求，就會產(chǎn)生夏季室內(nèi)溫度過高的情況，不能同時保證夏季與冬季同時符合室內(nèi)熱舒適性。而且，集熱蓄熱墻當(dāng)室內(nèi)溫度高于墻體溫度時會造成不必要的熱量流失。針對于墻體問題，Hirayama等人用模擬方法研究了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于房間溫度的變化，研究發(fā)現(xiàn)，相變材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑物熱性能有較大的影響[11]。孫丹[12]提出利用相變材料設(shè)計(jì)出具有控溫、調(diào)節(jié)溫度的新型被動式太陽能相變集熱蓄熱墻系統(tǒng)，并通過理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3個階段，得出具有集熱砂漿層的墻體能夠在冬季白天提高室溫5.38℃，提高冬季室內(nèi)的熱穩(wěn)定性，提高人的熱舒適性；在夏季白天，相比非相變墻體降低了室溫5.32℃，有效避免了夏季室內(nèi)過熱現(xiàn)象的發(fā)生。陳其針提出采用66%的癸酸和34%的月桂酸混合物作為相變材料，在沈陽地區(qū)冬季可以相較傳統(tǒng)被動式太陽能建筑度小時值HDH18減小80.2℃·h-1，夏季提高人熱舒適性20%。

4.4 經(jīng)濟(jì)性問題

與主動式太陽能建筑、零能建筑相比，被動式太陽能采暖建筑在技術(shù)上更加成熟，適用范圍更加廣泛，經(jīng)濟(jì)性更加實(shí)用。相比之下，被動式太陽能建筑結(jié)構(gòu)簡單，不需要蓄熱設(shè)備、換熱器、水泵、風(fēng)機(jī)等，減少了初投資和運(yùn)營成本。被動式太陽能建筑，不僅節(jié)能，而且有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。但是被動式太陽能采暖建筑相對于主動式太陽能建筑供熱效果較差，且初投資較傳統(tǒng)供暖建筑高，由于太陽輻射熱的不穩(wěn)定性，不一定得到廣泛接受。因此，吳皓俊[13]利用Dest-T軟件進(jìn)行動態(tài)數(shù)值分析，最終得出被動式太陽能采暖建筑在壽命周期中節(jié)約的能耗大于初投資的費(fèi)用。所以，為了太陽能建筑被廣泛認(rèn)可，需要學(xué)者們進(jìn)行合理可靠地分析和明確地利弊權(quán)衡，才能促進(jìn)太陽能建筑進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論與展望

通過對多篇文獻(xiàn)理解與整理，對于被動式采暖系統(tǒng)進(jìn)行分析，被動式采暖系統(tǒng)是一種理想化的節(jié)能建筑，相對于傳統(tǒng)被動式建筑，新型太陽能建筑已經(jīng)可以提高太陽能利用率，增加室內(nèi)熱舒適性，雖然現(xiàn)階段我國被動式采暖系統(tǒng)仍有許多難以解決的問題，但是隨著社會的不斷關(guān)注，政策的大力支持，太陽能建筑有著廣泛的發(fā)展前景，是未來更好實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要部分。