基于气象因素的被动式太阳房建筑方案设计

基于气象因素的被动式太阳房建筑方案设计

0被动式太阳房太阳房是一座使用太阳能加热和空调的环保环保建筑。它不仅能满足建筑物在冬季的供暖要求，还能在夏季减少和调节空气。利用被动式太阳房进行采暖是一种简单而容易实现的有效方法,许多国家都把它作为太阳能利用的重点项目。四川西部和西南部高原地区是四川省太阳能资源最为丰富的地区,也是全国太阳能资源三级分布区之一,其冬季太阳能丰富,最冷月气温大于0℃,只要建筑围护结构进行一定的保温措施,被动式太阳房完全可以达到室内热环境所要求的基本标准。本文应用综合气象因素SDM进行太阳能资源区划,采用辅助区划指标SMM作为推荐不同地区是否以被动式太阳能采暖为主、其他主动式采暖系统为辅或者采用全太阳能采暖的依据。1川西高原西部盆地区太阳能资源积累分布四川太阳能资源分布极不平衡,大致以龙门山脉、邛崃山脉和大凉山为界,东部太阳能极少,川西高原是四川省乃至我国太阳能的主要分布区。四川省太阳能资源最丰富的地区是石渠、色达至理塘、稻城、攀枝花一带,年总辐射量达6000MJ/m2以上,年日照时数在2400～2600h。太阳能较丰富地区是川西高原大部分地区,全区覆盖面较大,年总辐射量基本在5000MJ/m2以上,大部分地区年日照时数在1800h以上。太阳能较贫乏地区主要是川西高原向盆地过渡地区,年总辐射量4000～5000MJ/m2,大部分地区年日照时数在1700h以下。盆地区是四川省及我国太阳能最弱区,其总辐射量基本在4000MJ/m2以下,日照时数也少,该区太阳能利用价值不大。四川省日照分布的基本特征是高原多、盆地少,高原冬春日照多于夏秋,盆地春夏日照多于秋冬。太阳辐射年总量呈经向分布,其东西差异达一倍以上。盆地南部及西南部是四川省乃至全国太阳能资源贫乏区。川西高原是四川省太阳能资源最为丰富的地区,也是全国太阳能资源三级分布区之一,有很大的开发利用价值,为被动式太阳房的应用以及推广提供了现实的可行性,对四川省自然能源的利用具有重要意义。2动态太阳空间的设计与气象参数2.1基础温度tbb-a度日值DD数值等于基础温度和该日室外日平均气温的差值。如果室外日平均气温高于基础温度,则取该日的度日值为零。度日值和基础温度的选定高低有关,相应地,月度日值为该月各天度日值之和,采暖期的DD值是该采暖期逐月DD值的总和。nd个统计日的DD值可按下式计算:DD=∑n=1nd(Tb−Ta¯¯¯¯)n(1)DD=∑n=1nd(Τb-Τa¯)n(1)式中Tb为给定的基础温度;Ta¯¯¯¯Τa¯为月平均室外气温;小写字母n表示统计日的顺序编号;nd表示总的统计天数;括弧(Tb−Ta¯¯¯¯)n(n=1‚⋯‚nd)(Τb-Τa¯)n(n=1‚⋯‚nd)只取正值,如为负值或零值,均按零值计算。室内基础温度Tb是设计预定的室温下限,当室温低于此值时,就要向房间提供辅助热量。被动式太阳房虽在我国研究推广已有多年,但是对于其室内热环境指标、室内空气基础温度取值,仍未形成统一的认识和标准。李元哲等人将太阳房的冬季室内设计温度取14℃;文献建议被动式太阳房室内设计温度取12℃,其中夜间最低值不低于10℃;文献综合分析我国目前被动式太阳能建筑热工特性、结构构造形式及我国人民的生活方式与习惯,取昼夜平均室温T¯¯¯b=15℃Τ¯b=15℃作为室内基础温度,可基本满足人们日常工作、生活需要(日间室温高于此值,夜间低于此值)。用Fanger热舒适方程为基础评价法,包括预计平均热感觉指标PMY及预计不满意者的百分数PPD,对上述基础温度的选择进行验证,结合我国现阶段被动式太阳能建筑形式以及现阶段我国经济情况,建议选择室内基础温度15℃比较合适且可以满足目前要求。2.2日射波场的日射系数法利用中国建筑热环境分析专用气象数据集中水平面总、散日总辐射照度,按文献所提供的计算方法可计算出垂直南向面的实测日总辐射照度。南墙面上所接受到的日辐射照度:Htvs¯¯¯¯¯¯=Hb¯¯¯¯¯Rb+Hd¯¯¯¯¯(1+cosθ2)+Ht¯¯¯¯ρgr(1−cosθ2)(2)Ηtvs¯=Ηb¯Rb+Ηd¯(1+cosθ2)+Ηt¯ρgr(1-cosθ2)(2)式中Htvs¯¯¯¯¯¯Ηtvs¯——南向垂直面上总日辐射照度(kJ/m2·d);Hb¯¯¯¯¯Ηb¯——水平面上直接日射月平均日辐射照度(kJ/m2·d);Hd¯¯¯¯¯Ηd¯——水平面上散射日射月平均日辐射照度(kJ/m2·d);Ht¯¯¯¯Ηt¯——水平面上总日射的月平均日辐射照度(kJ/m2·d);ρgr——地面对日射的反射系数,一般取0.2;θ——墙面与地面间的夹角,这里θ=90°。Rb取决于不同朝向,对于南墙:Rbs=sinφcosδsinϖ′s+(π/180)ϖ′s(−cosφ)sinδcosφcosδsinϖs+(π/180)ϖssinφsinδ(3)Rbs=sinφcosδsinϖ′s+(π/180)ϖ′s(-cosφ)sinδcosφcosδsinϖs+(π/180)ϖssinφsinδ(3)式中φ——当地的地理纬度;δ——太阳赤纬角;ῶs——水平面的日落时角,ῶs=cos-1(-tanδtanφ);ῶ′s——南墙上的日落时角,即ϖ′s=min[cos−1(−tanδtanφ)cos−1(−tan(φ−θ)tanδ)]ϖ′s=min[cos-1(-tanδtanφ)cos-1(-tan(φ-θ)tanδ)]式中min表示括号中两项计算结果取最小值。太阳赤纬角可查表得出,或用公式:δ=0.006322-0.0405748cos(ῶ+0.153231)-0.005880cos(2ῶ-0.207099)-0.003223cos(3ῶ+0.620129)(rad)(4)式中ϖ=2π366N‚Nϖ=2π366Ν‚Ν为所计算日在一年中的顺序数(从1月1日算起)。3太阳室内气候区指数的建立3.1采暖期天数本文所指被动式太阳房气候分区的研究主要界定于其冬季的太阳能热利用范围,考虑最冷月的状况过于极端,而各地的采暖天数也由当地行政或主管部门规定执行。为了避免采暖期长短不同造成的干扰,考虑到本文采用的分区指标计算是以月平均为单位计算,故不采用热工设计中的采暖期天数为统计时间。基于上述原因,本文界定时间段为冬季,即气候统计学上所划分的12,1,2月作为本文的分区时间段。3.2能源行业和节能气候区的规划指标3.2.1采暖期太阳能资源区划指标衡量某一地区的气象条件是否适合被动式太阳能采暖,主要依据太阳辐射照度和室外气温。太阳辐射照度越大,室外气温越高,则越有利于太阳能采暖。为了反映采暖期的持续时间,针对整个采暖期采用了综合气象因素SDM进行太阳能资源区划,即利用采暖期南向垂直平面上月平均太阳辐射照度与月采暖度日值的比值作为四川地区太阳能应用的主要区划指标,即SDM=∑i=1nHtvsi¯¯¯¯¯¯¯/∑i=1nDDi(5)SDΜ=∑i=1nΗtvsi¯/∑i=1nDDi(5)式中Htvsi¯¯¯¯¯¯¯Ηtvsi¯——第i月入射在南墙面上的太阳总辐射照度月平均照度(kJ/m2·d);DDi——第i月度日值(℃·d);n——采暖期月数。3.2.2辅助区划指标SDM所反映的是整个采暖期的情况,但是从最冷月(1月)的采暖来看,它所展示的情况是不够周全的,因此对SDM进行了改进,引入了SMM辅助区划指标:SMM=SDMHtvs,1¯¯¯¯¯¯¯¯¯20DD1(6)SΜΜ=SDΜΗtvs,1¯20DD1(6)式中Htvs,1¯¯¯¯¯¯¯¯/DD1Ηtvs,1¯/DD1的下标1表示1月份即最冷月的比值,20是结合我国太阳房建设的实践经验加以确定的,大部分公认的太阳房适宜区,该比值大都在20上下,该比大于20,对于发挥太阳能效益越有利。3.2.3sdm和smm主要分区指标被动式太阳房气候分区是为建筑方案设计作正确决策提供帮助,在分区时采用综合分析的原则,重点考虑气候参数中太阳辐射、温度的直接影响,即太阳房南向集热面上的,即垂直南向面上的太阳辐射照度直接影响室内热环境。因此,选用上述分析SDM为主要分区指标。再次,考虑冬季最冷月采暖情况,以SMM为辅助分区指标,它反映了冬季最冷月室外气温及太阳辐射强度对被动式太阳房采暖方式的影响。显然,SMM越大,太阳能采暖效果越好,反之,太阳能采暖效果越差。因此,建议采用冬季最冷月SMM指标作为推荐不同地区是否以被动式太阳能采暖为主、其他主动式采暖系统为辅或者采用全太阳能采暖的依据。4月平均温度指标以中国气象局国家气象中心气象资料实验室和清华大学合编的中国建筑热环境分析专用气象数据集,包含全国各地270个台站的1971～2003年气象观测资料作为计算数据,根据四川省15个城市的气候数据,以节能舒适为目的的被动式太阳房区划方法和依据,确定最冷月平均温度,综合气象因素SDM,SMM作为划分适合建造被动式太阳房的区划指标,从被动式气候调控方法的角度,将四川省划分为3个被动式太阳房气候区,具体分析结果归纳见表1。通过对表1的计算分析可知,被动式太阳房气候分区必须重点考虑气候参数中太阳辐射、温度的直接影响,尤其是太阳辐射强度,它是进行被动式太阳房气候区划的前提。表中突出显示的城市为太阳能资源贫乏区,该区太阳能采暖利用价值不大,但可以利用表1中的SDM计算结果对该区进行太阳能资源对比。因此,根据对四川15个地区的综合气象因素SDM和SMM的计算结果(表1),四川太阳能采暖资源分布区为:由表1还可看出,会理和西昌地区SDM,SMM数值很大,原因在于其最冷月平均气温高,而太阳辐射强度大。故无需在冬季进行专门的被动式采暖,但可以利用被动式原理在冬季实现保温,在夏季实现隔热和通风冷却。5与被动式太阳能采暖关联的指标本文通过对四川地区被动式太阳能建筑与气候关系的分析、研究,得出如下结论:(1)被动式太阳房是冬季采暖最简单、最有效的一种形式。尤其在川西、川西南高海拔地区,冬季太阳能丰富,最冷月气温大于0℃,只要建筑围护结构进行了一定的保温措施,被动式太阳房完全可以达到室内热环境所要求的基本标准。如西昌、甘孜等地南向房外墙采用直接受益式被动太阳房,冬季可提高室温5℃～8℃;九龙等部分地区凌晨6:00时室外气温-8℃时,室温仍高达10℃,这一地区应该优先考虑被动式太阳能冬季采暖。(2)综合气象因素SDM是决定被动式太阳房采暖特性的室外综合气象参数,可作为被动式太阳房区划主要指标;辅