太阳房的组成和基本原理

1、太阳房的组成和基本原理第二章太阳房的组成和基本原理21太阳房的定义和分类一、定义a实用？太阳房一词，最早使用于美国，有一次芝加哥报纸把一家装有玻璃太?阳能的房子称为“太阳房”，作为报导，这便是太阳房”一词的由来。这样?看来，过去欧美似乎并未有意识地考虑让阳光照到房里来。从历史上看欧洲传？统住房都是石造的，后来又是砖砌的，窗户多是纵向长，横向短，不利于利用？太阳能能这是因为西欧的住房是封闭式的，它是为了避开大自然的威胁。而中？国和日本的住房是开放式的，它与自然密切相连，因此自古以来日本的传统是?以木造房屋，木房屋都可以叫做太阳房。日本民宅的特点就是“走廊里充满着？阳光”。说明人民在建房时，自然而

2、然地意识到太阳能的必要性。我国有句民？谣“我家有坐屋，向南开门户”。因此说太阳房是太阳能热利用中一种型式，也就是说太阳能通过集热设施?及房屋的围护结构传入室内，减少房间采暖对常规能源需要量的房屋可称为太?阳房。在国内目前还没有统一的说法，有人把利用太阳能节能在50%以上的房屋?才称太阳房，低于此数的只能称为节能房。这是人们对太阳房的一些理解。作者认为太阳房的定义应该是：太阳房是利用建筑，结构上的合理布局，？巧妙安排，精心设计，使房屋增加少量投资，而取得较好的太阳能热效果，达?到冬暖夏凉的房屋，也可以说：太阳房是指有目的的采取一定措施，利用太阳？辐射能，替代部分常规能源，使环境温度达到一定的使用

3、要求的建筑物。如冬?季利用太阳能采暖的称为“太阳暖房”。夏季利用太阳能降温和制冷的称做“?太阳冷房”。通常，把利用太阳能采暖或空调的建筑物统称为太阳房。二、太阳房的分类太阳房型式有多种多样，分类方法也有不同，目前通用的有四种分类法：（一）按传热过程可分为三种：1直接受益式：阳光通过南窗玻璃直接进入被采暖的房间，被室内地板、？墙壁、家俱等吸收后，转变为热，给房间供暖。称为直接受益式太阳房。2间接受益式：阳光不直接进入被采暖的房间，而是通过墙体热传导和热？空气循环对流将太阳热能送入被采暖的房间。3隔断式采暖：太阳热只通过传热介质（空气或水）的热循环进入被采暖？的房间。（二）按集热一蓄热系统的不同分

4、为下列五种：1蓄热墙式：蓄热墙放在玻璃窗后面，蓄热墙的材料可用砼，水墙或相变?材料。2集热蓄热墙：又称特朗勃墙（Trmbewall），在南墙上除窗以外的墙面?上，复盖玻璃，墙表面涂成黑色，在墙的上、下留有通风口，以使热风自然对?流循环，把热换到室内。南墙表面的温度在阳光照射时可达60-70C。一部分热？量通过热传导把热量传送到墙的内表面，然后以辐射和对流的形式向室内供热？。另一部分热量把玻璃罩与墙体间夹层内的空气加热，热空气由于密度变小而?上升，由墙体上部分的风口向室内供热。室内冷空气由墙体下风口进入墙外的?夹层，再由太阳加热进入室内，为此反复循环，向室内供热。3附加阳光间式：这种形式也是集热

5、蓄热墙形式的发展，即将玻璃与墙之？间的夹层放宽，形成一个可以使用的空间一称为附加阳光间或称附加温室。附?加阳光间与房间之间的关系比较灵活，即可用砖石墙间隔，也可用落地窗分开？。阳光间白天可向室内供热。晚间可作房间保温层。4屋顶浅池式：这种形式是在屋顶修浅水池，利用水池集热蓄热，而后通?过屋顶板向室内传热。这种型式仅适用单层房屋。5自然循环式：集热器（空气或水）与采暖房间分开，与特朗勃墙有些相？似，这种方式对南山坡上的房屋比较适用。（三）根据太阳房的功能而分为“太阳暖房”、“太阳冷房”和“太阳能空？调房”。（四）按其所需要机械动力的有无，可分为机械的和自然的两种，也就是主？动式（active）和

6、被动式（passive）两大类。1主动式太阳房：即在太阳能系统中安装常规能源常用的推动的机械系统？，如控制系统供调节用的水泵或风机及辅助热源等设备，它可以根据需要调节?室温达到舒适的环境条件，这对人来说有主动权故称主动式太阳房。如图2-1主动式太阳房工作原量，就是首先依靠机械动力的驱动，才能把太阳能加？热的工质（水或空气）送入蓄热器，再从蓄热器通过管道与散热设备输送到室？内，进行采暖，工质流动的动力，由泵或风机提供。这是一种控制的方式，通?过集热器、蓄热器、风机或泵等设备来收集、贮存及输配的太阳能系统。与常？规供热系统所不同的只是用太阳能集热器代替了锅炉系统，如图：21所示。？在这种系统中，人

7、通过设备比较主动，室温要求多高，就可以控制多高。主动？式太阳房系统的组成有三部分：（1）集热：就是通过集热器收集太阳能，地面上每平方米的面积每小时最多?只能接收1000千卡（相当于4186.8千焦耳）左右的太阳热能。所以接受太阳能？的集热器面积要大一些，当供暖保证率在60%时，平板集热器面积应占地板面积？的50%以上，同时平板热器的效率随集热温度而变一般控制在30-60之间。（2）蓄热太阳能是一种随时变化的能源，辐射到地面上的太阳能常受气？象条件和时间的影响，因季节、昼夜、阴晴而不同，就是在一天之内早、午、？晚也不相同，因此要解决连续采暖问题，在中心处必须设有贮热设备，建筑上？的贮热多用河卵石

8、和水作蓄热材料。水是中低温太阳能系统最常用的显热贮能?介质，价廉而丰富，并且具有沸点以下时不需要加压等优良贮热性能。（3）供热：考虑到太阳能的不稳定性和经济因素，一般的太阳能供热量仅?占房屋总的热负荷的60-80%左右，（此值称为太阳能供暖保证率）。因此在主?式太阳能采暖系统中，除太阳能供暖设备外，还应有辅助能源。因此我建议在?城市采暖标准要求较高的情况下，太阳房与集中供暖系统相结合，即可解决采？暖期前后两段时间的室温舒适性又可在采暖期减少烧锅炉的时间，节约常规能?源。这种太阳能供暖系统，大致由集热器、蓄热槽、散热器、循环泵、辅助？锅炉以及连接这些设备的管道和自动控制设备构成。根据要求不同，又

9、可分为?有辅助热源和无辅助热源两种不同的工作方式。供暖系统只在冬季使用，为了？提高设备利用率，加速固定投资的回收，原则上应该供暖，供热水以及供冷系？统有机结合起来，共用一套集热器。主动式太阳房热系统的结构方式很多，现将可能采用的几种原则系统列于？表2-1供参考选用。既是原则系统，自然可见根据具体情况，结合实际需要，作?某种修改。一般来说，主动式太阳房能够较好地满足用户的生活要求，可以保证室内？采暖和供热水，甚至致冷空调。但设备复杂，投资昂贵，需要耗费辅助能源和?电功率，而且所有的热水集热系统，还需要设有防冻措施，这些缺点是主动式?太阳房目前在我国难于推广应用的原因。2被动式太阳房被动式太阳房是

10、与主动式太阳房相对而言的。太阳能向室内传递，不用任？何机械动力，不需要专门的蓄热器、热交换器、水泵（或风机）等设备，而是?完全由自然的方式（经由辐射、传导和自然对流）进行。为了与主动式太阳房？相区别，人们称之为“被动式太阳房”。简称为“被动房”。简单的说，被动式太阳能供暖系统就是根据当地的气象条件，生活习惯，？基本上不添置附加设备的条件下，经过精心设计，认真施工，通过建筑构造，？并利用材料的性能，使房屋达到一定的供暖效果的一种方式。被动太阳房在大多数情况下，集热部件与建筑结构融为一体，使房屋构件?一物多用，如南窗既是房屋的采光部件又是太阳能系统的集热部件；墙体既是?房屋的围护部件，又是太阳能系

11、统的集热蓄热部件；这样既达到利用太阳能的？目的，又是房屋结构的一部分，还可节约费用。当然经过专门设计的太阳房比？普通房屋，太阳能供热率要高的多。被动式与主动式相比较其特点是：构造简单，造价便宜，管理方便等优点？，因而用户乐于接受。其构造为图22所示。从太阳能的热利用的角度，被动太阳能供暖系统又可分为五种类型：（1）直接受益式（Diretgain）利用南墙直接照射的太阳房（如图？2-3a.b）。（2）集热蓄热墙式（Trambcwall）利用南墙进行集热蓄热（如图2-3c.d?）。（3）综合式（Synthesize）即温室和前两种相结合的方式（如图2-3e.f?）。（4）屋顶集热蓄热式（Therm

12、alslorageroofs）利用屋顶进行集热蓄热。？（如图2-3g）（5）热虹吸式又称对流环路式（COnvectiveloops）利用热虹吸作用？进行加热循环（如图2-3h）。b22太阳房的基本组成房屋是人类为了蔽风雨和防备野兽侵袭的需要而产生的，最初人们利用树？枝、石块这样一些易得的天然材料，粗略加工盖起了半穴居、石屋等原始房屋?。随着社会生产力的发展，人们对房屋的要求日益多样和复杂化，出现许多不同？的建筑类型，它们在使用功能，所用材料，建筑技术和建筑艺术等方面，都得？到很大的发展。建筑按其使用性质，可分为生产性建筑（如工业建筑、农业建筑）与非生?产性建筑（即民用建筑）。民用建筑又可分为居

13、住性建筑和公共建筑两大类。居住建筑就是供人们生活起居的房屋，如住宅、公寓、宿舍等。公共建筑就是供人们政治文化活动，行政办公及其他商业，生活服务等公？共事业所需要的房屋，如学校、图书馆、商场、电影院、车站、公园等等。太阳房，是人们在建筑业的发展中而提出的一种利用太阳热能给建筑物供?热的新奇大胆的构思，这也是在前人实践的基础上提出来的。人们在设计房屋?时，如何充分利用太阳发出的热量方面显示出了相当的独创性。房屋的基本功？能之一，是防御自然界各种气候因素的作用，为人们的生产和生活提供良好的？室内环境，太阳房也正是为了此目的，为使房屋达到冬暖夏凉而提出的。太阳房既然是房屋建筑发展的继续，因此太阳房的组

14、成也和普通房屋一样？，有屋盖、围护结构（墙或板），地面，采光部件，保温系统等部件组成，只?是在太阳房中防热御寒所用的能源来自太阳。房屋的各种部件具有双重功能，？如窗户在普通房屋中是采光部件，在太阳房中兼有集热作用，墙体是围护部件？，在太阳房中兼有蓄热保温调节室内温度波动的作用。屋顶既有防寒保温作用?同时也兼有吸热集热作用。地面同时兼有蓄热作用。由于被动太阳房是集热、蓄热、耗热的综合体，所以它的基本组成系统，？还应具备“收集”太阳能部件，然后把收集到的热量“储存”“积蓄”起来？以备使用；再把这些热量进行“分配”使用。当储存的热量不够用时，还要增？加“辅助”热量来补充。这些最基本的部分，灵活运用于

15、不同的建筑设计中，？这些基本组成部分如下：1太阳能集热器。集热器的作用就是收集太阳的热量。主要有两种：（1）是利用建筑物本身？作集热器，如南向窗户，加玻璃罩的集热墙，玻璃温室等。（2）集热器位于南?墙上，它是附加于建筑物上，并独立于建筑物的构件。为什么太阳房的集热件都采用玻璃罩呢？这是因为玻璃有一种特性，它能?通过短波（太阳辐射热）而不能透过长波（常温和低温物体表面热辐射），一?旦太阳的辐射热透过玻璃并被此空间的材料吸收，由这些材料再次辐射而产生？的热能就不会通过玻璃返回到外面，这种获取热量的过程叫做“温室效应”（？或称热箱原理）。在阳光充足的白天，南向大窗可透过阳光，使阳光照射到地?板、墙壁

16、上，它们由此吸收了热量，玻璃窗就形成了“温室效应”。2蓄热体。蓄热也是太阳能热利用的关键问题，加强建筑物的蓄热性能是改善被动太？阳房热工性能的重要措施之一，当有日照时，如果房间蓄热性能好（即热容量？大），则吸热体可以多吸收和贮存一部分多余的太阳热，在无日照时，它又能?逐渐地向室内放出热量，因而大大减小室温的波动，同时由于降低了室内平均？温度，所以也减少了向室外的散热。根据日本曾在较寒冷的札幌（北纬43。）地区一所住宅模型进行电子计算?机模拟计算结果表明，由于混凝土蓄热性优于木材，所以采用砼地板时，室内?的温度波动比采用木地板时要小得多，同时由于前者的平均室温低，所以需要的？辅助热能亦减少。蓄热

17、体可分为两类：（1）是利用热容量随着温度变化而变化的显热材料。如水、石子、混凝土？等。（2）是利用其熔解热（凝固热），以及其熔点前后显热的潜热类材料如芒?硝或冰等。蓄热体应用于太阳能采暖中，应具有下列特性：蓄热成本低（包括蓄热材料和贮存容器）；单位容积的蓄热量大；化学性能稳定、无毒、无操作危险，废弃时不会造成公害；对贮存容器无腐蚀作用；资源丰富，可就地取材；容易吸热和放热。3.分配系统。在主动太阳房中，分配系统是明显的即集热器收集的热量；用热水或热空？气，通过管道、散热器、地下盘管等传递到采暖房间。而被动式太阳房一般不?需要专设分配系统，建筑的墙、地面，天棚等构件储存的热量，以辐射、对流?和传

18、导的方式直接传递到采暖房间，自然循环式被动太阳房，则需要风道或水？管传送热量。4辅助加热设施。这是被动式太阳房不可缺少的组成部分之一，因为太阳房的太阳能保证率？不可能达到百分之百（因为这样也很不经济）所以不仅在连阴天，下雪期间，就?是正常情况下，为保证室内的设计温度，也需要辅助热源。一般可利用的热源？很广，如柴油、煤油、煤气、煤炭和电暖风机等都可作为辅助采暖的能源。另？外目前广为使用的在农村有火炕、火墙、炉、土暖气和做饭的余热等都是辅助?热源。在学校办公室多用电热风机。b23太阳房的基本原理被动太阳房是一个集热，蓄热和耗热的综合体，与热水器一样是根据温室？效应来加热房间的。所谓温室效应，是由于

19、物质表面的分子在不停地进行振荡运动（此运动表?现为温度），所有物质都在一刻不停地向各个方向放射着热能。这种热辐射与?太阳辐射不同。太阳辐射是由在很高的温度下散射的短波辐射所组成的，而这?种热辐射是由在低温度下散发的长波红外辐射所组成。玻璃具有透过“短波”（即太阳辐射热）而不透过“长波”红外热的特殊?性能。一旦阳光能通过玻璃并被某一空间里的材料所吸收，由这些材料再次辐?射而产生的热能，就不会通过玻璃再返回到外面去。这种获取热量的过程，称？之温室效应。温室效应是被动太阳房的最基本的工作原理。因此，在设计太阳？房时，要虑考虑下三条基本原则：一、尽可能增大太阳能集热量：这里有两条途径：1选择透光性好的

20、材料，增加透光量；2.扩大采光面积，争取多得热量。二、尽量减少房屋的热损失：目前我国的一些建筑外围结构均无保温措施？，墙体传热系数大，门窗气密性差，单位面积的采暖负何系数高达100千卡/米?2C天，左右，因此，被动式太阳房设计，必须在加强围护结构的保温上下？功夫。三、被动式太阳房设计必须要考虑有一定的辅助能源。目前农村常用的有？火炕、火墙、煤炉、做饭余热等。中、小学校有采用茶炉带土暖气或电热风机？。综合来看前两项原则是“开源节流”。后边一项是从经济角度出发，因为?采用辅助热源比100%的太阳供热要经济的多。b24太阳房的应用前面我们已讲过太阳房的基本组成及基本原理，下面要讲太阳房的应用，？按其

21、作用来分有“太阳冷房”和“太阳暖房”。南方为了降温可采用太阳能空？调，在日本家用太阳能空调器已成为商品。在我国还属试验研究阶段，我想不？久将会普及和推广。太阳暖房在我国已发展到大面积推广应用阶段，从东北、？华北到西北、西藏、新疆都有大量的太阳房在应用。并正在向黄河以南、长江?沿岸发展的趋势。根据目前国内已建太阳房来看，用于农村中、小学校舍和民宅的较多，同？时用太阳房作办公楼、敬老院、农业技术推广站、铁路、公路道班房等多种用？途。另外在北方寒冷地区太阳能温室、塑料大棚种植蔬菜（供应城乡冬季蔬菜？不足）也是一种太阳建筑的应用。同时近年利用太阳能修建猪舍、鸡舍等畜舍，以提高冬季猪的生长率，鸡？的产蛋

22、率，以及牛羊的繁殖生长等，这也是太阳建筑的应用。概括起来太阳房的应用有如下几个方面：1适用于农村中、小学校校舍；2农村民宅；3公共建筑如办公楼、社队企业厂房、农业技术推广站、敬老院、铁路、？公路道班房等。4农业太阳能温室、塑料大棚等；5畜牧业，太阳能畜舍如太阳能猪圈、太阳能鸡舍、太阳能接羔房等。b25建太阳房应具备的条件及前期工作做任何事情必须具备一定的客观条件，建太阳房也是一样，在建太阳房以？前首先审查其是否具备建房的条件，以防建成后达不到应有的效果。一、要想能建太阳房，应具备下列条件：1太阳能资源必须丰富，这里包括当地的气象条件、冬季日照时间要长，？太阳辐射强度要大。2要有足够的空旷场地，

23、在南向房前应没有遮挡。3建太阳房的场地，东西向应有足够的长度，因为太阳房为了多得阳光，？常常需要大开间、小进深。二、建太阳房前的准备工作。1要了解太阳辐射，确定所建房在地球上的位置，了解地球绕太阳的年轨?道，以及如何运用太阳时。2学会利用太阳路经图，去划出太阳角的图，如何绘制太阳窗的投影？。3必须懂得太阳辐射的类型与特点，这些知识会帮你确定你所建房屋中可？能得到的太阳能热量。4还应学会如何收集直射辐射、漫射辐射、反射辐射三种辐射能量，并要?懂得如何才能最大限量的收集到。5计算出你可能利用的太阳能。太阳能随地理位置而变化，所以你必须了解你所在地区太阳辐射的变化规?律与可利用的数据。中国太阳能资源

24、，已经划分为5个地区，给出了每个地区不？同方向，每个月的太阳辐射量。6确定建筑所需的能量首先要弄清什么是热？什么是温度？热能如何增加与损失：如何计算四季?热的增减量。7建筑一座能效高的建筑物。为了介绍能量利用效率问题，还应了解建筑物中空气渗透与通风问题，还？须学会温度的控制，防水与隔热问题，从这章学会三种不同的隔热结构对所建?房屋热负荷的分析。8计算你未来使用的燃料费用。你应对上章的三种热负荷作出十年燃料费分析。b26太阳房有关的术语这一节我要介绍一下与太阳房有关的技术术语、名词、和基础知识，以便？更好的理解以后的内容。一、太阳：太阳是太阳系中最大的一个行星，也是离地球最近的一个恒星。它是一个

25、？巨大的炽热气体球，其内部不断进行着热核反应，因而，释放出巨大的能量。？太阳是一团主要由氢组成的火球，直径约为1.39x108公里，质量约2.2x?1027吨（比地球重33.2万倍）体积比地球大130万倍。平均密度约为地球的四？分之一，与地球的平均距离为1.5x108公里。太阳表面平均温度为6000C。？“太阳能”的绝大部分是由这个光球发射出来的。光球以电磁波的形式向宇宙？空间辐射能量，总称太阳辐射。太阳辐射的总功率为308x10卜26瓦而到达地？面的太阳辐射总功率为1.7x1017瓦仅占太阳总能量的二十亿分之一。这一?极微小部分的能量，但足以使地面的平均温度，保持在14C左右，从而使地面？的

26、动植物得以生长繁衍。我们关心的是地球上某地采光面上所截获的太阳辐照度有多大？太阳辐照度定义：单位时间，单位面积上所截获的太阳能量，单位是：瓦?米卜2，或千卡/米2小时。太阳辐照度是我们设计热水器及太阳热利用系统时所必须提供的太阳能?资源数据。它的大小与下列因素有关：日地距离太阳对地球上某地、某时的相对位置。太阳辐射进入大气层的衰减情况。太阳能接受表面的方位和倾角。二、太阳常数：定义：在日一地平均距离时，地球大气层上界垂直太阳光线的表面上，？单位面积，单位时间内所接收到的太阳辐射能量为太阳常数l_sc,当前国际?上经过实测公认的太阳常数为：l_sc=1353瓦/米2或1.94卡/厘米2分?或1.

27、81马力/米卜2。从太阳常数这一物理量我们可以得到两个概念：1虽然太阳表面由于高温而发射的能量密度极大，约6万千瓦/米2，但？由于日一地距离极远(1.5x108公里)日一一地张角甚小，故地面上接收？到的太阳能密度是很低的。2太阳常数是地球所接受到的太阳辐照度的最大极限值，由于日地相？对位置(纬度、季节、昼夜)；大气衰减；表面方位及倾角的影响，地面上所?接受到的太阳能量密度就很小了。这就给太阳能利用带来一系列技术和经济上？的困难。三、辐射：太阳能是通过太阳向地球的光辐射而来的，地球表面上太阳辐射由两部分？组成：1直射辐射：不改变方向的太阳辐射。2散射辐射：被大气层或云层反射和散射后改变了方向的太

28、阳辐射。地球大气层上界的太阳辐射是直射辐射。当它穿过大气层时，部分散到大?气中空气分子、水蒸气和灰尘颗粒的散射，使到达地球表面的直射辐射显著减小?。同时太阳辐射的各种波长的某些波长的辐射，被大气中O_2、H_2O、？CO_2和O_3所吸收(其中主要是O_2对紫外区辐射的吸收，H_2O对红外？区辐射的吸收)，因此到达地面的直射辐射的衰减是由于大气层的散射和吸收?，而到达地面的太阳辐射等于直接辐射和散射辐射的和，它必定小于大气层上?界的太阳辐射。这种衰减据估计，反射回宇宙的能量约占总量的30%，被吸收的？约占23%，其余47%左右的能量才能到地球陆地和海洋。它们才是我们地球上能？量的主要来源，见图

29、2-4。四、特朗勃墙。特朗勃墙原名TrombeWall。这是法国奥德罗(Odeillo)太阳能研究所长？。FelixTrombe博士创始，而由建筑师MMichel设计的一种被动式太阳房。？1956下就开始研究。其结构就是利用南墙除南窗以外的墙面作玻璃复盖，使这？部分墙体变成集热蓄热墙。以后在国际上凡采用这种型式的，都叫特朗勃墙(?TrombeWall)在我国采用的也较多。也曾引起在学术上的争论。但是由于F?Trombe博士的提出扩大了被动太阳房的集热面积，对被动太阳房的热效率有所?提高，也是一次突破性的推进。只是如何因地制宜地改进特朗勃墙，提高效率？，是被动房所普遍采用的。五、黑体(全辐射体)

30、概念。不同物体的辐射能与吸收能力各不相同，能够全部吸收外来辐射的理想物？体叫做“黑体”。在相同温度下，各种物体中黑体的辐射能力也最大。物体的辐射能力可用“黑度”表示，它表示黑体接近黑体的程度。黑度在数值上等于实际物体向外辐射的能量与相同温度下黑体的辐射能量之比，其值？总小于1。各种物体的黑度均由实验测定，常用材料的黑度值见表2-1o黑体单位时间内发出的辐射能量可按斯蕊藩波尔兹曼定律计算：Q=f1p126c_bAT4式中:Q黑体辐射强度（千焦/米2时）f1p126c_b-黑体辐射常数，其值为20.5x10-8千焦/米?2时K4A-物体表面积（米2）T-绝对温度（K）上述定律表明：物体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。实际物体的辐射能力均小于相同温度下黑