淺談太陽能的利用技術論文
摘要： 本文介紹了我國目前太陽能建筑的現(xiàn)實狀況，分析了其中的節(jié)能潛力，并介紹了太陽能建筑節(jié)能的相關內(nèi)容和實現(xiàn)技術，探討太陽能建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展道路。
關鍵詞： 太陽能 建筑 熱量
隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展，我國太陽能建筑的面積日趨增大，建筑節(jié)能是近年來世界建筑發(fā)展的一個基本趨向，也是當代建筑科學技術的一個新的生長點。抓住機遇，不失時機地推進建筑節(jié)能，有利于國民經(jīng)濟持續(xù)、快速、健康發(fā)展，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)國家發(fā)展的第二步和第三步戰(zhàn)略目標，并引導我國建筑業(yè)與建筑技術隨同世界大潮流迅速前進，太陽能建筑的節(jié)能具有很好的前景，大有可為。
我國地域?qū)拸V，房屋建筑規(guī)模巨大，約有一半建筑位于北方“三北”地區(qū)，由于氣候原因，每年約有4— 6個月的采暖期，該地區(qū)規(guī)定設置集中采暖系統(tǒng)，以往習慣稱之為集中采暖地區(qū)。中部地區(qū)（冬冷夏熱地區(qū)），即長江流域地區(qū)，雖然冬季平均氣溫高于0℃，但相對濕度較高，冬季濕冷，而夏季又酷熱。該地區(qū)屬于中國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，包括長江上游在內(nèi)，涉及18個省、自治區(qū)、直轄市，總面積180萬k平方米，人口近4 億。年工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占全國40％，人均產(chǎn)值及人均收入均高于全國平均水平。以往由于經(jīng)濟上的原因，該地區(qū)一般城鎮(zhèn)住宅圍護結(jié)構(gòu)無保溫措施，也不設置采暖設施，因此冬夏季室內(nèi)熱環(huán)境條件相當差。南方屬于亞熱帶氣候，夏季氣候炎熱，降溫則是主要解決的問題。
與發(fā)達國家相比，集中采暖地區(qū)城鎮(zhèn)住宅圍護結(jié)構(gòu)保溫、氣密性較差，供熱系統(tǒng)效率較低，單位面積的采暖能耗要高得多。我國已成為世界上建房最多的國家，近年來每年全國建成城鎮(zhèn)住宅2 億平方米以上，隨著人民生活的不斷改善，人們對于建筑熱環(huán)境的舒適性要求愈趨迫切，中部地區(qū)冬季采暖勢在必行，各地“空調(diào)熱”也日漸高漲。所以，如何盡量利用太陽能、合理建筑設計，對北方集中采暖地區(qū)可以減少采暖、空調(diào)能耗；而對于中部及南部地區(qū)，改善室內(nèi)熱環(huán)境條件，達到低水平的室內(nèi)舒適參數(shù)，已成為一個重要的課題。
我國從80 年代起，對城鎮(zhèn)多層住宅應用被動太陽能進行采暖及降溫技術已有研究，先后在石家莊、灘紡及杭州等處建成了試點建筑，較好的改善了室內(nèi)熱環(huán)境條件。當時的技術路線是由熱工外算開始，進而建造示范建筑以驗證效果。國外從70年代初期起，投入了相當?shù)牧α窟M行計算機軟件的開發(fā)工作，應用動態(tài)模擬計算，進行建筑熱工參數(shù)計算分析，進而可以預測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，獲得應用被動太陽能的最佳建筑設計方案，同時也建設示范建筑以驗證軟件的可信性。這類從合理建筑及熱工設計著手，在增加有限的建設投資下，盡量利用被動太陽能來達到低水平的室內(nèi)冬夏熱環(huán)境條件的住宅，這里稱為“節(jié)能住宅”。
一、各種參數(shù)對空溫的影響
為了進行參數(shù)研究，首先確定了一個基礎方案，即對條狀住宅建筑模型，取其南向主立面外窗的窗墻比為30.3％，單層窗，外墻與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均為0.83w／ （℃??*平方米），換氣次數(shù)為1.1次h，不考慮內(nèi)部蓄熱量。在進行參數(shù)分析時，固定其他參數(shù)，僅變化一個參數(shù)來分析對室溫的影響。
內(nèi)部蓄熱量
蓄熱量會影響室溫，特別是對最高室溫有影響。冬季，內(nèi)部蓄熱量會使月最高溫度降低，而使月最低溫度升高，至于月平均溫度，則略有升高。顯然，內(nèi)部蓄熱量可以改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件。對夏季來說，蓄熱量同樣也降低了月最高溫度及升高了月最低溫度，而月平均溫度則無多大影響。當建筑模型中一個住戶內(nèi)蓄熱量相當于100平方米、200mm厚混凝土墻時，可使八月份住宅最高溫度下降3c左右，可使一月份住宅最低溫度升高2.8℃，這將對室內(nèi)熱環(huán)境有較大的改善。
換氣次數(shù)
可以預見，增加換氣次數(shù)會使冬季室內(nèi)熱環(huán)境變差，但能改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。對夏季來說，換氣次數(shù)由1.1次h增加到10次h，可使八月份月最高溫度降低4.4℃、月平均溫度下降4.8℃，月最低溫度下降7.8C.顯然，冬季換氣次數(shù)越低越好，如果園護結(jié)構(gòu)、門窗密閉性好，換氣次數(shù)可以降低到1.5次／h，此時與1.1次h相比，室溫可提高2—3C.
增強夜間通風
降低夏季室溫的一個措施是增強夜間通風，計算了三種方案，一是全天以1. 1次／h換氣，第二種方案全天以10次／hh換氣，第三種方案則采取白天（早6一晚2l時）1.1次h換氣，夜間（晚21一晨6時）加強通風至10次h.計算結(jié)果表明，對于內(nèi)部蓄熱量較大時，第三方案與第一方案相比，月最高溫度下降3.7C，月平均溫度下降5.2℃，而月最低溫度下降達7.7℃�？梢娫鰪娨归g通風對改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境是十分奏效的。
南窗面積
窗戶開啟面積既與熱損失量有關，也與通過窗戶玻璃進入室內(nèi)的太陽得熱量有關。太陽輻射得熱量與窗戶朝向有密切的關系，相比之下熱損失與朝向的關系就不那么密切了。這里分析南向窗戶面積對室溫的影響。計算三種不同的窗墻比，它們分別是9.3％、30.3％及60.5％。冬季工況計算表明，窗墻比由19.3％增大至60.5％后，一月份最高溫度升高3.6℃，平均溫度升高2.7℃，而最低溫度提高2.5℃的夏季來說，月最高溫度、月平均溫度及月最低溫度分別要提高1.6℃、0.9℃及0.4℃。
由此可見，南向窗墻比大且具有較大內(nèi)部蓄熱量時，可以改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件；至于夏季，南向窗戶面積增大會提高一點室溫，使室內(nèi)熱環(huán)境條件略為變差—點。
主立面朝向
主立面朝向不僅對冬季有影響，而且對夏季也有影響。主立面朝東及朝西時室溫相同，與主立面朝南及朝北相比，室內(nèi)熱環(huán)境條件都要來得差。對于冬季來說，主立面朝南為最佳。
水平遮陽板伸出長度
夏季除了采用加大通風量來降低室溫外，另一條途徑是在窗戶上方設置遮陽板，以減少太陽入射量。計算了不同伸出長度（水平方向）一月及八月份室溫情況。由計算可以得出，水平遮陽板對夏季有明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用，但遺憾的是，同時也使冬季室內(nèi)熱環(huán)境變差。夏季時，水平遮陽板的伸出長度由0，0.4，0.9及1.5m變化時月平均溫度可分別降低1.0，2.0及2.2℃，但冬季卻也相應降低了月平均溫度0.2，0.7及 2.2℃。
窗戶的層數(shù)
增加窗戶層數(shù)將減少熱損失，但也在一定程度上減少了太陽得熱量。采用單層宙及雙層宙作計算比較，發(fā)現(xiàn)雙層窗對冬季室溫略有改善（一月份平均室溫增加0.9℃），但同樣使夏季室溫略有變差（八月份平均室溫升高0.7℃）。
外墻、屋面外表面顏色
外墻、屋面外表面涂成白色會有助于降低夏季室溫。進行二種方案比較計算，一種采用吸收率為o. 8的深色外表面，另一種吸收率為淺色外表面。計算結(jié)果表明，淺色表面可使夏季室內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善，但同時也使冬季情況變差。在二方案中外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均采取0.83w平方米，八月份平均室溫可降低2℃，但一月份平均室溫也降低了1.3℃。外墻與屋面保溫越好，這種影響將越小。
外墻與屋面熱工設計
采用三種方案進行比較計算，
第一方案為外墻與屋面的傳熱系數(shù)及均為0.83w／ （℃。m），
第二方案外墻K＝0.83w／（℃。m），屋面K＝0.28w／（℃。m），
第三方案外墻與屋面K值均為0.28w／（℃。平方米）。
由計算可以看出，屋面保溫對降低夏季頂層室溫的影響尤其大，第二方案與第一方案相比，八月份月最高溫度下降7℃，平均溫度下降0.4℃，但月最低溫度上升了 6℃。從冬季情況看，保溫改善有利于室溫提高，第三方案與第一方案相比，一月份平均室溫升高1.1℃，5最低溫度升高了2.4℃，但月最高溫度有所下降 （5℃）。頂層天花板表面溫度受屋面保溫影響甚大，對于屋面有很好保溫的場合K＝0.28w／（℃。m3），在年最熱日下午14時，天花板內(nèi)表面溫度僅只比室溫高0.5℃，但K＝0.83w／（℃。m）的屋面來說，要高出3.8℃。如果采用外墻及＝0.74w／（℃。m），屋面X＝0.63w／ （℃。m），并具有較大的內(nèi)部莆熱量，應用雙層窗，加強夜間通風（晚21時至凌晨6時，換氣次數(shù)為10次／h），此時最熱日下午14時室溫為37.2℃，天花板內(nèi)表面溫度只有33.6℃，室內(nèi)熱環(huán)境可以得到明顯的改善。
二、節(jié)能住宅設計原則
根據(jù)以上參數(shù)研究，提出如下設計原則：
1. 冬季換氣次數(shù)應該盡可能低，而夏季則盡可能高。
2. 如果具有較大的內(nèi)部蓄熱量，對夏季來說，較好的方案是白天（早6時至晚2l時）維持較低的換氣次數(shù)，面夜間（晚2l時至晨6時）宜加強通風增加換氣次數(shù)。
3. 內(nèi)部蓄熱量對冬、夏季來說均能減少室溫的波動幅度，即降低最高溫度，升高最低溫度，但對平均溫度影響甚小，總的來說，內(nèi)部首熱量能改善室內(nèi)熱環(huán)境。
4. 采用水平遮陽板來降低夏季室溫并不是好的措施，因為它同時較冬季室內(nèi)效環(huán)境變差，除非遮陽板在冬季時可以移開。
5. 盡管外墻、屋面外表面涂以淺色可以降低夏季室溫，但同時也降低了冬季室溫，因面不推薦這種做法。
6. 采取南立面大比例的窗墻比，并設計成具有較大內(nèi)部蓄熱量境，對夏季稍為不利。
7. 主立面窗戶朝南為最佳，朝東及朝西效果最差。
8. 窗戶、外墻及屋面保溫能改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境，特別是屋面保溫可以明顯地改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。
三、幾個推薦的節(jié)能住宅方案
被動太陽能（房）節(jié)能住宅方案
參數(shù)研究優(yōu)化計算了北京地區(qū)應用被動太陽能采暖的可能性，即研究了是否可能在不設置采暖設備時月平均室溫達到16℃。計算結(jié)果表明是可能的.，其建筑設計參數(shù)如下：
1. 南立面宙墻比60.5％。
2. 具有較大內(nèi)部蓄熱量，相當于戶（建筑面積73.1平方米）具有200mm厚混凝土墻體的苦熱量
3. 雙層窗。
4. 外墻與屋面的傳熱系數(shù)K＝0.28w／（℃。平方米）。
5. 冬季換氣次數(shù)0.5次/h，夏季早6一晚21時換氣次數(shù)1.1次/h，晚21次/h.
四、節(jié)能住宅方案設計原則
由參數(shù)研究的結(jié)果提出如下設計原則：
1. 冬季換氣次數(shù)宜低（v＝0.8次／h），夏季換氣次數(shù)宜高（v＝20次h）（借助于打開宙戶利用自然穿堂風）。
2. 從防止出現(xiàn)結(jié)露危險性觀點來看，冬季換氣次數(shù)至少保持0.8次h.
3. 增加內(nèi)部蓄熱量可使室內(nèi)溫度被動減弱，使夏季及冬季的最高溫度下降，使最低溫度升高，不過，內(nèi)部蓄熱量對平均溫度的影響甚微。總之，內(nèi)部蓄熱量可以使室內(nèi)熱環(huán)境條件得到改善。
4. 與較小的南向窗戶相比，加大南向窗戶面積，并配以相對較高的內(nèi)部蓄熱量，可以較好的改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境條件。這種做法只是稍微使夏季室內(nèi)熱環(huán)境條件變差。
5. 選擇建筑南向主立面為最佳，而主立面東向或西向為最差。
6. 南向窗戶上部的水平遮陽板對改善夏季室內(nèi)環(huán)境的作用不明顯，除非在冬季時可以移開。
7. 為了避免冬季臥室及起居室出現(xiàn)結(jié)露，在安排廚房、浴室、廁所位置時要注意與主要使用房間的隔斷，并合理利用穿堂風，最好設置機械排風裝置。
太陽能建筑的節(jié)能具有很好的前景，大有可為。但是在其發(fā)展階段，資金投入是一個主要的障礙。太陽能建筑的長遠發(fā)展必須符合市場經(jīng)濟的規(guī)律。簡單來說就是要作到“分擔投入、共享收益”。
所謂“分擔投入”就是要從多個渠道解決太陽能建筑節(jié)能所需要的前期投入。比如建筑業(yè)主承擔主要部分，專業(yè)化的節(jié)能改造公司承擔一部分，政府支持的低息銀行貸款一部分，這樣可以促進太陽能建筑節(jié)能工作的全面開展。
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