太阳房的设计与建筑

太阳房的组成和根本原理

太阳房的定义和分类

一、定义

《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，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，到达冬暖夏凉的房屋，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，替代局部常规能源，使环境温度到达一定的使用要求的建筑物。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──蓄热系统的不同分为以下五种：

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，墙外表涂成黑色，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。南墙外表的温度在阳光照射时可达60-70℃。一局部热量通过热传导把热量传送到墙的内外表，然后以辐射和对流的形式向室内供热。另一局部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，由墙体上局部的风口向室内供热。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：这种形式也是集热蓄热墙形式的开展，即将玻璃与墙之间的夹层放宽，形成一个可以使用的空间─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拟灵活，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拟适用。

(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到达舒适的环境条件，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：2─1所示。在这种系统中，人通过设备比拟主动，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局部：

(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，原那么上应该供暖，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那么系统列于表2-1供参考选用。既是原那么系统，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，需要消耗辅助能源和电功率，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，根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，使房屋到达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，又是太阳能系统的集热蓄热部件；这样既到达利用太阳能的目的，又是房屋结构的一局部，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拟其特点是：构造简单，造价廉价，管理方便等优点，因而用户乐于接受。其构造为图2─2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〔Thermalslorageroofs〕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〔C0nvectiveloops〕──利用热虹吸作用进行加热循环〔如图2-3h〕。

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太阳房的根本组成

房屋是人类为了蔽风雨和防范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。随着社会生产力的开展，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，都得到很大的开展。

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，生活效劳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，是人们在建筑业的开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根底上提出来的。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。房屋的根本功能之一，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，为使房屋到达冬暖夏凉而提出的。

太阳房既然是房屋建筑开展的继续，因此太阳房的组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，所以它的根本组成系统，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。这些最根本的局部，灵活运用于不同的建筑设计中，这些根本组成局部如下：

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〔常温和低温物体外表热辐射〕，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〕，那么吸热体可以多吸收和贮存一局部多余的太阳热，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说明，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，应具有以下特性：

a.蓄热本钱低〔包括蓄热材料和贮存容器〕；

b.单位容积的蓄热量大；

c.化学性能稳定、无毒、无操作危险，废弃时不会造成公害；

d.对贮存容器无腐蚀作用；

e.资源丰富，可就地取材；

f.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、对流和传导的方式直接传递到采暖房间，自然循环式被动太阳房，那么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局部之一，因为太阳房的太阳能保证率不可能到达百分之百〔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。

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太阳房的根本原理

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，是由于物质外表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根本的工作原理。因此，在设计太阳房时，要虑考虑下三条根本原那么：

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[~2]℃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。

综合来看前两项原那么是“开源节流〞。后边一项为哪一项从经济角度出发，因为采用辅助热源比100%的太阳供热要经济的多。

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太阳房的应用

前面我们已讲过太阳房的根本组成及根本原理，下面要讲太阳房的应用，按其作用来分有“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。太阳暖房在我国已开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、长江沿岸开展的趋势。

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〔供给城乡冬季蔬菜缺乏〕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。

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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，应具备以下条件：

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，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，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。

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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、和根底知识，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。它是一个巨大的炽热气体球，其内部不断进行着热核反响，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1.39×10[~8]公里，质量约2.2×10[~27]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1.5×10[~8]公里。太阳外表平均温度为6000℃。“太阳能〞的绝大局部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308×10[~26]瓦而到达地面的太阳辐射总功率为1.7×10[~17]瓦仅占太阳总能量的二十亿分之一。这一极微小局部的能量，但足以使地面的平均温度，保持在14太阳房的总体设计

太阳房的设计，目前尚无定型的标准和公认的设计原那么规定，在技术上积累不多，经济上也有待进一步研究的问题，尽管美国丁·道格拉斯·巴尔科姆博士于1980年已经编制了《被动式太阳房设计手册》一书，但书中所介绍的数据大都是定性的，远没有像常规建筑设计那样已经形成一套标准设计方法。

总体设计一般包括：建筑方案、太阳能条件、建筑选址及太阳能利用，建筑朝向选择、热系统选择，经济指标等内容。

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建筑方案

根据建房的目的，用途来作出方案是学校还是民宅办公室。如是学校要据班级多少和组成，每班多少人，还有音乐室、体育室、试验室、图书馆等要求来决定设计大小。如是民宅，要根据居住人员组成〔人数、男、女、老少几代〕，生活方式、职业、生活水平、以及建造太阳房的自然地理条件，确定建筑方位、构造、平面布置和房屋的隔热结构。同时根据投资多少制定设计标准的上下。

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太阳能可利用的条件

根据当地的气象和房屋建筑的地理条件，计算可能提供的集热量。再根据热负荷的计算确定太阳能供给率。最后，再按照热负荷的要求，选定适宜的热系统，蓄热方式和辅助热源等。

在气象资料中全年和逐月的平均太阳日照量，是太阳房设计的最原始数据。

太阳能的供给量是很多因素的复杂函数关系。太阳能供给率，简单地说，就是所规定的某一时段内，太阳能为太阳房的总热负荷所可能提供的能量百分数。即：

这样不同构造的太阳房，其太阳能供给率是不一样的。大体上可以根据热系统中是否采用集热器来分别进行估算。

1.不采用集热器的热系统。

这种热系统，通常属于被动式太阳房，由集热墙和直接受益窗收集太阳能，一般都具有一定的蓄热作用。这是最简单的供热系统；昼夜温差较大，必须配备辅助热源，例如火炉、火炕、土暖气等。这时，太阳能供给率[f1p12]δ[c][_s]%可用下式来估算：

式中：Q──太阳房的总负荷；

A[_D]──直接受益窗的面积；

A[_W]──集热墙的面积；

I──日累计太阳辐射量；

n[_W]──吸热墙的效率。

2.采用集热器的热系统。

这种系统的太阳能供给率主要取决于系统中集热器的面积和系统中的储热量，集热器的安装倾斜角也有一定的关系，但影响不大。其太阳的供给率[f1p12]δ[c][_s]可用下式估算：

式中：I──日累计太阳辐射量；

n──集热器的效率；

A[_C]──集热器的面积；

A[_D]──直接受益南窗的面积；

Q──太阳房的总热负荷。

由此式可以看出太阳能供给率显然随所用集热器的面积的增加而增大，其大致变化如以下图3─1。

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建筑选址与太阳能利用的关系

在设计太阳房之前，首先要确定它的位置，在冬季，大约90%的太阳能量是在上午9点到下午3点〔太阳时〕这段时间内得到的。如果周围环境中有诸如建筑物、大树等物体在这段时间内遮挡阳光，就会严重影响作为热源的太阳能的利用。

建筑物的形状和方位，尤其是开窗的方位对建筑物的全年耗能有重大影响；这是因为在建筑物各朝向上接受的日照量不同。

在建筑物不同朝向的垂直面上的逐时日照量可用如下公式计算：

式中：I[_θ]──垂直面上的小时日照量；

I[_DH]·I[_αH]──水平面上的小时直射日照量和小时散射日照量；

i──阳光在垂直面上的入射角；

h──太阳高度角；

δ──太阳赤纬角；

ω──太阳时角；

γ──垂直面的方位角，即该面的法线在水平面上的投影与子午线的夹角。自南向算起，偏西为正，偏东为负。

φ──当地纬度

设计太阳房时应考虑的气象因素中最主要的是太阳。其目的是在冬季最大限度地利用太阳的热量，而夏天不使房屋过多的吸收热量〔当然在我国南方有些地方可能全年都需要遮挡房屋，以免受太阳反射〕。为了到达冬暖夏凉这两个目的，就必须根据太阳的行踪相应确实定房屋的方位。

太阳穿过天空的“运动〞有两条线路，一条是每天的东──西，另一条是一年一次的北──南线路，。在夏至〔6月21日〕这一天的太阳升起和落下都在最北面。这一天的中午升到最高点的太阳到达了全年的最高点，几乎是在头顶的正上方。到秋分〔9月21日〕为止太阳完成了定期向南移路程的一半，这天中午太阳是处在其最高和最低的中间高度。到了冬至〔12月21日〕太阳已到达最南面的位置，这天中午太阳的高度是全年最低点。在这一天太阳低低地悬挂在水平线上，约在不及天空的一半高。到春分〔3月21日〕太阳又回到它的中间位置，又踏上向北移动的路途上了。

在沿着太阳每年行走路线上的任一点太阳斜高与地平线的夹角取决于纬度──您居住的愈往北，天空的太阳就显得愈低。

因为冬天太阳从东南升起，并沿着较低的路线穿过天空在西南方落下，所以房屋得到太阳最大照射量的那一局部是南墙和屋顶。南墙和屋顶占总面积的比例愈大，且其方向愈正南，那么房屋冬季得到太阳的热量就愈多。正如美国建筑学家维克多·奥尔吉所指出的，能够最充分利作太阳热的房屋的形状〔在同一纬度和气候条件下〕是沿东向呈细长条形。如果房屋是正南偏东或偏西不超过20°，那么就适合于太阳能采暖要求，因为这个角度是在太阳的最正确照射角范围之内。另一方面任何北墙，冬天根本得不到直射的阳光照射。东、西墙分别只能在上午和下午才受到直射的阳光的照射。从而得到一条根本原那么：就是尽可能使太阳房屋面向正南。

表3-1中列出了我国冬季主要月份，不同朝向玻璃窗与南向窗得热量之比。

由上表3-1中可以看出，当集热面由南向东、西南偏转时全天阳光得热量下降，最大降至南向的三分之一左右，所以设置东西向的集热面往往是不合理的。

通过对不同纬度地区冬、夏两季太阳辐射对建筑物各个侧面的影响的观察，可以看出，沿东西方向延伸的建筑物在冬季有较长的南向侧面接受阳光，所以获得的热量最多。而在夏季不需要阳光时，又只有较短的东、西两个侧面暴露在阳光下受到辐射。在北纬32°─56°的各地区建筑物在冬季南向所接受的太阳辐射能，大约是东西向的两倍，在夏季情况正好相反，建筑物南向所接受的太阳辐射能与水平面和东西两个侧面相比就少得多了。所以说太阳房南向集热比东西或水平方向都优越。

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建筑朝向的选择

由于村镇建设总体规划要求，各类房屋的朝向有所不同，但对太阳房来看在北半球以正南方向为最有利，太阳房的朝向直接影响着太阳房性能的好坏和维护管理难易，由于不同季节太阳高度角不同，所以不同朝向进入室内太阳辐射能也有多有少，下面图3─2是一座位于北纬35°的建筑物，在冬季和夏季的一天中各方位上全天所得的太阳辐射能〔kcal/m[~2]日〕的大小，由表3─2可以看出水平面的太阳辐射能为1，那么冬季照在南正面的辐射能为1.58，而在夏季南立面的辐射能仅为水平面的0.12，因此在被动太阳房设计中，必须充分利用南窗、南墙以获取更多的太阳能，才能到达予期效果。

同时从图3─3中还可以看出在北半球较大幅度内〔23°30′─40°31′〕建筑物的南立面，冬季都能获得较多的太阳辐射能，而在夏季那么得到的辐射能又很少，我国内蒙、辽宁、华北、西北的大局部地区又正好在这个纬度幅度以内，适合于开展太阳房。

再者太阳房在不同的方向所接受的太阳辐射能量也是不同的，从下表3─3中可以看出与南向偏离角度不同而所得的辐射量也不同。但可以看出南偏东15°和南偏西15°以内都是较理想的。

在设计太阳房时，根据不同的用途，朝向也略有变化，例如在农村民宅中早饭后人们外出劳动而晚上回家，所以希望下午日照时间长些，太阳房方向可选用南偏西10─15度，而学校、办公室等，人们一上班希望室温高一点，早得阳光，故可采用南偏东10─15度。

当太阳房南侧还有房屋时，其两栋房屋之间的间距至少应为前排房屋高的两倍以防互相遮挡。单层房屋如果进深太大时也可考虑屋顶采光。

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太阳房外形对保温的影响

太阳房的外形对保温隔热有一定的影响，外围结构外表积S与建筑物体积V的比值S/V越小，通过外表出去的热量也越小。在同样体积的物体呈球形时，S/V的比值最小，但是这种球形建筑，既不美观也不适用，正方形建筑物其外围护结构面积小于等面积的矩形建筑物的面积，但是其南立面的面积，正方形又小于矩形建筑物，所以又认为正方形不如矩形建筑物接受太阳能多。在建筑设计中，当面积和体积相同时，而不同的平面形成建筑物的耗热量各异，这些比拟可以从表3─4中看出。

综上所述，太阳房的最正确形状应是沿东西向伸展的矩形平面为最好。在高纬度地区，或特殊条件下，设计的南偏东或偏西10─20度，也是合理的。

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热系统的选择

太阳房设计中，对热系统选择时，一般要考虑以下两个方面的选择。

1.系统的选择，对热系统来说，可供选择的系统大致有以下四种：

(1)热水集热、蓄热、放热供暖系统。

(2)热水集热，热水供暖系统。

(3)热水集热，热风供暖系统。

(4)热风集热，热风供暖系统。

原那么系统如图3─4。

在具体选择太阳能供热系统时，应尽可能减少系统的热交换次数，采用尽可能低而适宜的工作温度向室内供暖，以最大限度的提高系统的热效率。另外，在需要供热水时，原那么上应把供热和供热水系统有机的结合起来，以便共同使用集热器。这是因为供暖系统只在冬委使用，而供热水那么为常年需要，结合起来，可以大大加快设备投资的回收年限。

2.热水集热与热风集热的选择

在设计太阳能供暖系统时，究竟采用热水集热方式有利；还是采用热风集热方式有利，这个问题至今仍有争论。表3─5中列出这两种集热方式的大致优缺点的比拟，可作选用时参考。

一般说来，热风集热方式的优点是热风集热器结构简单价格相对廉价，系统没有冻结和腐蚀问题。其缺点是管道连接部与价格昂贵为集热器在夏季温度过高，需要解决自身放热问题，显得非常麻烦，尤其系统集热循环的功率消耗很大，风管和蓄热槽占据的空间也大。由于空气的热容量比水小的多，这样风机的消耗就大得多，通常是循环水泵的十倍。尽管热风供暖是循环加热方式，可能回收一定的热能，但从总的节能上看，是不合算的。

就集热器本身来说，热风集热器具有结构简单，价格廉价，无需防冻措施等一系列优点。但也有很多缺点，例如管道连接局部价格昂贵，为了防止集热器在过渡季节和夏季时温度过高，需要解决自身放热问题，显得非常麻烦。

根据以上这两种集热系统的技术经济比拟，初看起来似乎热风集热系统的优点更为明显。但是，如果进一步多作些分析比拟，就会发现热风集热系统实际上缺点不少。所以对一般的住户，不推荐采用热风集热供暖方式，而只在下述情况下使用较为有利。即：

(1)在学校、仓库，某些工厂和商场等建筑中，通常夜间不需供暖，对太阳能供给率要求较低，这时将集热器靠近暖房布置，不设专用的蓄热槽。

(2)在那些气候严寒而冻结问题十分严重的地区，例如我国的东北和青藏、新疆高原寒冷地带，可以采用热风供暖方式。

〔3〕某些建筑物，从本身结构上，可简单地作为空气集热室时，例如具有阁楼的单层建筑。

@b3～7

经济指标

根据太阳房额外增加的投资和可能节约的燃料运行费用，计算增投资的抵偿年数。

图3─5表示这种经济核算指标的概念图。图中曲线交叉的阴影局部，表示随物价和能量费用的上涨等变化因素而使归还年数变化的范围。太阳房热系统的设计与计算

以上讲了太阳房的总体设计，实际是讨论了太阳能建筑的各种原始数据，以下我们将根据总体设计，较详细的介绍热系统的设计与计算，以及有关具体构造的设计。

4～1

隔热设计

所谓隔热设计，原那么上就是尽量减少，太阳房的热损失，使房屋具有良好的保温性能，具体设计时，要考虑如下几个问题：

1.设计时在保证居住面积和生活条件要求的情况下，尽可能降低房屋外形的外表积，因此，应尽量防止不必要的凹进凸出面。

2.选择适宜的外墙隔热厚度。一般北方寒冷地区，如我国黄河以北，西北地区房屋隔热结构厚度，一般采用100mm以上。而在温暖地区，那么可采用60mm以上。尤其要注意在隔热墙中，不要产生“热桥〞，否那么将明显的降低隔热墙的效果。

为增大隔热墙的厚度，可采用复合保温墙体结构，能有效地提高热阻值，降低热损失，可参考表4─1。

玻璃加保温帘较好，其总体传热系数为0.98ω/m[~2]℃，透过率为0.72，当然寒冷地区与温暖地区设计上，应有所不同。

@b4～2

热负荷计算

热负荷的计算是热系统设计的根底工作，有了热负荷的数据，就能有根据地确定系统所需要的集热面积。

为了减少太阳房热系统的投资，应尽可能降低热负荷的数值，上述的隔热设计就属于此目的。

热负荷计算方法，可分为稳定传热和不稳定传热二种。

稳定传热计算方法简单，一般多用于计算长期热负荷，如在计算被动式太阳房节能率中，就是用稳定传热计算方法。

不稳定传热计算方法比拟复杂，多用于逐时模拟太阳房热过程的计算中。

在具体设计太阳房时，首先要求得建筑的隔热指数BI。对于一般的住宅，这个指数等于建筑物全部朝外构件的热损失，加上平均室内外温差条件下，由漏风造成的热损失之总和，除以建筑总面积之比值：

式中：h──建筑物全部朝外构件的总传热系数；

A[_F]──建筑物全部朝外构件的总面积；

A[_B]──建筑面积；

n──换气次数；

C[_P]──空气的定压比热；

r──空气的比重；

v──建筑的总体积

对于墙体隔热良好，并采用双层玻璃窗，或隔热木板套窗的住宅，根据已有经验，单位建筑面积，单位室内外温差的热损失，通常在2kcal/m[~2]·h·k以下。

这样，一年内的供暖热负荷Q[_F]，可按以下式计算：

Q[_F]=BI·Dt

式中：t──每天的平均采暖时数；

D──度日值；

(一)关于度日值的计算。

度日值D，是建筑热工设计中一个常用系数，用来计算建筑物的热损失。近年来有很多研究和测试结果，一致证实了度日数与建筑能耗的相关性比拟好，普遍认为用度日法估算我国建筑采暖能耗是一种简易可行的方法。

度日数的含意是以日为计算单位，在一年整个供暖期内，累计室内外温差总数。这个数值主要取决于地区的气温条件和用户对供暖的要求。地区气温愈低，用户对供暖要求愈高，那么度日值愈大。例如寒冷地区，需要供暖的时间长，室内外温差大，显然度日数值就大，相反在温暖地区，这个数值要小的多。

度日值的定义：是每日的室外平均温度与规定的基准温度，每日一度的离差。如某一天的度日数，就是该日的室外平均温度与基准温度的实际差值，即

D[_d]=t[_o]-t[_w]

式中：D[_d]──某一日的度日数，度日；

T[_w]──室外平均温度。℃；

t[_o]──度日基准温度，℃。即建筑物的“热平衡〞温度。当室外温度等于t[_o]时，靠太阳辐射和室内其他得热可以维持室内设计温度t[_n]，而不需要采暖系统运行。由于建筑物热损失Q>0，所以t[_o]<t[_n]。

用度日法估算采暖能耗的准确性在很大程度上取决于度日基准温度的合理选择。度日基准温度，不仅与室内设计温度t[_n]有关，还与建筑物的热工特性，使用情况和日射有关。至今还没有看到我国自己的度日基准温度标准。过去在统计度日数时，多是直接沿用美国的

18℃作为基准温度。这显然是不恰当的，因为美国室内设计温度t[_n]一般取22.2─23.9℃。而度日基准温度t[_o]，通常取18.3℃。英国室内设计温度t[_n]通常取18.3℃，而t[_o]取15.5℃。而我国一般建筑室内设计温度t[_n]通常是18℃，假设再以18℃

由表4─3可知，空气间层到达一定厚度后，热阻值的大小，几乎不随空气间层的厚度而变化。因此，应适中选择其厚度。

(2)有吊顶的屋顶传热系数K。

当屋顶无吊顶时，其传热数按均质多层材料壁体计算。当屋顶有吊顶时，其传热过程较复杂，通过用稳态平衡法，先求出吊顶内的温度，然后利用吊顶内温度，再求出整个屋顶的传热系数K。

如图4─1所示人字形太阳房，其屋面传热系数k[_2]与面积F[_2]，吊顶传热系数与面积分别为K[_1]F[_1]吊顶内空气温度为T[_X]那么由室内向屋顶间的传热量为：

Q[_1]=K[_1]F[_1]〔T[_b]-T[_x]〕

由屋顶间向室外的传热量为：

Q[_2]=K[_2]F[_2]〔T[_x]-T[_a]〕

根据稳定传热的热平衡有：

Q[_1]=Q[_2]=KF[_1]〔T[_b]-T[_a]〕

式中：K──屋顶的总传热系数；

由上三式联解，可得出吊顶的屋顶总传热系数K。

同理可推出如图4─2的平吊顶房的总传热系数：

(3)地面的传热系数。

冬季地板散热是通过地面下的土壤，把热量从室内传到室外，室内靠近外墙处，距离室外的传热路程较短，热阻值较小，传热系数那么较大，反之室内离外墙远的地方，向室外传热路程较长，热阻值较大，传热系数就较小。

因此，室内地面的传热系数，是随着离外墙的远近，而有变化，但在室内离外墙8m远处，其传热系数变化极小，可认为是常数。基于此情况，并考虑到地面的耗热量在房间的总耗热量中占的比重较小，一般用近似算法，即把地面沿与外墙平行的方向每宽2m化为一个地带共分成四个计算地带进行计算，如图4─3所示。各地带的传热数采用如下数值：

对于不保温地带组成地面各层材料的导热系数λ都大于1.16w/m·℃时，无论其厚度如何，均为非保温地板各地带的传热系数列于表4─5之中，第一地带靠近墙角的地面面积〔图4─3中的阴影局部〕需计算两次。

对于保温地面〔组成地面各层材料中有导热系数:

λ<1.16w/m℃〕各地带的总传热热阻R′[_o]可按下式计算：

式中:R′[_o]──保温地面总传热热阻〔m[~2]·k/w〕；

R[_o]──不保温地面总传热热阻〔m[~2]·k/w〕；

δ[_i]──地面保温层厚度〔m〕；

λ[_i]──地面保温层的导热系数。〔w/m°K〕；

对于有地下室的地面面积丈量如图4─4所示，位于地面以下的外墙其耗热量计算方法与地面的计算相同，传热地带的划分应从与室外地面相齐的墙面算起，即把地下室外墙在室外地面以下局部看作是地下室地面的延伸。

有时保温层放在外周缘，如图4─5所示，此时计算地面传热时，不能利用上述地带划分法。一种简单算法是对整个房间地面取平均传热系数或按外周缘长度进行地面耗热量表4─6推荐的按外周缘长度计算，地面热耗的传热系数可供参考。

外周缘保温时，对应于单位边长的传热系数w/m℃，由表4─6及表4─4〔有保温时〕可知，当地面保温时地面的热负荷相对来讲所占比重很小，有时也可忽略地面热负荷。

2.门窗的传热负荷Lg。

被动式太阳房中，门窗的热损失占整个房间热损失比例较大，因此门窗在夜间要采取适当的保温措施，如保温帘等，以减少热耗。这样在白天和晚上，门窗的传热系数是不同的。

不保温门、窗的传热系数为K[_d]其具体数值见表4─7，保温后的传热系数为K[_n]，保温措施本身的热阻为R，那么：

设白天门或窗的耗热量为Q[_d]，夜间耗量为Q[_n]那么有：

Q[_d]=K[_d]F[_g]〔T[_b]-T[_ad]〕·H[_d]

Q[_n]=K[_n]F[_g]〔T[_b]-T[_an]〕〔24-H[_d]〕

式中：F[_g]──玻璃窗〔或门〕的面积〔含框〕

T[_ad]，T[_an]──分别为白天和夜间的平均外温

H[_d]──一天中白天〔即未保温〕的小时数。

由上二式可以推知全天平均每小时的热耗量为Q[_g]=〔Q[_d]+Q[_n〕[f1p4]/[c]24

为计算简单起见，可近似计算：

Q[_g]=K[_g]F[_g]〔T[_b]-T[_a]〕

式中：K[_g]=〔K[_d]H[_d]+K[_n]〔24-H[_d]〕〕/24

K[_g]──为窗〔或门〕的加权平均传热系数

其全天热负荷：

L[_g]=C[_n]·Q[_g]=C[_n]·K[_g]F[_g]〔T[_b]-T[_a]〕=C[_h]·K[_g]·F[_g]·D[_d]

3.冷风渗透热负荷L[_c]。

冬季在风力及热压造成的室内外压差的作用下，室外的冷空气通过门、窗的缝隙渗入室内，被加热后又逸出室外，把这局部冷空气从室外温度加热到室内温度所消耗的热量就称为冷风渗透热负荷，是整个热负荷中一个可观的局部。

冷风渗透耗热量的大小与门、窗结构朝向、风速、风向、室内外温差、建筑物上下等因素有关，在被动式太阳房中常用换气次数法，即：

L[_c]=C[_h]·C·V[_n]n[_k]·P[_w]〔T[_b]-T[_a]〕

式中:C──冷空气比热，取C=1KJ/kg℃

〔0.24kcal/kg·℃〕；

V[_n]──房间内部体积〔m[~3]〕；

n[_k]──房间的换气次数〔次/时〕，取值见表4─8；

ρ[_ω]──室外空气密度〔Kg/m[~3]〕；

从目前我国太阳房的门窗构造来看，一般取n[_k]=1次/h

由上述外围传热损失L[_w]，门、窗全天热负荷L[_g]及冷风渗透耗热量L[_c]的计算可求出被动式太阳房全天热负荷L：

在以上计算式中，考虑到目前我国公制与国际单位制并存的状况，因此在公式中未注明单位，运用时要注意。

@b4～3

保温设计

一、最正确保温厚度确实定。

一般建筑物外围护结构的厚度，根据建筑结构要求设计的很簿，保温性能较差。在设计太阳房时必须采取适当的保温措施。太阳房外围护结构的保温性能越好，保温层越厚，那么年供暖本钱越低，但保温材料耗量增大，亦即年保温本钱增加，反之亦然，因此要对保温措施进行技术经济分析，以确定最正确保温厚度。

所谓最正确保温厚度，是指当保温厚度到达此值时，那么年供暖本钱和年保温本钱之和〔即年总费用〕最小。

1.年供暖本钱H。

H=J·Q〔元/年〕

式中：Q──房间年供暖耗热量〔10[~6]千卡/年〕；

J──供暖价格

〔元/10[~6]千卡〕；

Q=K·F·N〔t[_n]-t[_a]〕/10[~6]；

式中：F──围护结构的散热面积〔m[~2]〕；

N──年供暖小时数〔时〕；

t[_n]──室内供暖设计温度〔℃〕；

t[_a]──供暖期间室外的平均温度〔℃〕；

K──加保温材料后，围护结构的总传热系数〔千卡/米[~2]时·℃〕；

K′──围护结构未加保温材料时的传热系数〔千卡/米[~2]时·℃〕；

λ──保温材料的导热系数〔千卡/米·时·℃〕

χ──保温层的厚度〔米〕

2.年保温本钱。

保温材料为一次投资，其费用为消耗的保温材料〔F×x〕乘上其单位价格Z〔元/m[~3]〕如果太阳房回收年限为n，那么折合到每年的保温本钱，应按复利计算，其表达式如下：

式中：Z──保温材料价格〔元/m[~3]〕；

i──银行年利息率〔%〕；

3.年总费用C。

4.最正确保温层厚度x[_op]。

为使年费用到达最小值，其必要条件：

由前式可求出最正确保温层厚度为：

由上式可知最正确保温层厚度与地区，保温材料，房屋原有结构，供暖价格以及回收年限等有关。

例如：在辽南营口地区被动太阳房采暖天数为149天，假设取室内供暖设计温度t[_n]=12℃，供暖期室外的平均温度，t[_a]=-3.8℃，保温材料取珍珠岩Z=40元/m[~3]λ=0.045kcal/m·时℃，供暖价格j=40元/10[~6]kcal，太阳房回收年限n=10年，银行年利率i=10%，房屋原有结构外墙为370mm的砖墙，〔传热系数K′=1.34kcal/m[~2]·时℃〕将有关数值代入上式

计算结算，外墙的最正确保温厚度χ[_op]=120毫米，近年来辽南地区太阳房的外墙保温厚度就是采用的此数字。

在同样条件下，对于传统的泥屋顶，传热系数中

K′=1.225cal/m[~2]时℃，求得最正确保温层厚度χ[_op]=120mm。

二、窗户的保温。

在相同纬度的情况下，通过南窗进入室内的有效太阳辐射热和窗户的透光材料的物理性质，层数、尺寸的大小等有直接关系。

通过南窗获得的有效热量，等于白天有日照时，室内得到的总辐射热减去通过南窗向外散失的热量〔包括有日照和无日照时向外散失的总和〕，而冬季无日照时间，长达15小时左右，因此玻璃窗的保温措施是十分重要的。最理想的方案是白天采用单层玻璃，而无日照时加盖热阻较大的保温帘，这样能使有效获热量最大。

据了解国外曾研制镀层节能玻璃窗，采用这种镀层既不减少玻璃的透过率，又增加了玻璃的热阻。

我国也有很多单位进行过这方面的研究，如镀铅簿膜，可调百叶窗〔北京第四金属制品厂生产的JBL─25百叶窗帘〕，还有充气保温窗帘等。

据国外试验资料介绍，采用双层玻璃加保温帘后，其综合传热系数降低到0.85kcal/m[~2]h℃。

三、太阳房夏季遮阳问题。

由于地球和太阳的相对运动，冬天太阳高度角较小，而夏季太阳高度角大，所以只要设计一定的遮檐，即不影响冬季的日照，又可防止日光在夏季直射入室内，檐长〔L〕的大小，依所处的纬度不同而定。

美国加利福尼亚州采用，

@b4～4

辅助热源设计

在被动太阳房中，辅助热源是不可缺少的一局部，首先因为被动太阳房设施简单、经济，一般没有贮热设施，遇上太阳能供给缺乏，室温过低时，必须使用辅助热源，才能保证室内正常使用温度，尤其是连阴天阳光缺乏，更需要辅助热源。

辅助热源的选择应根据实际情况，如电力充足且费用低廉时，可用电炉加热最简便，学校可采用电热风，也可用火墙，或利用烧开水小锅炉带土暖气。民宅可用火炕或做饭余热作辅助热源。

我们1986年1月23日─24日在辽南太阳房中，用电炉作辅助热源，经实测的数据为：室外环温最低为-17℃，平均为-10.3℃，室内最低温度为13℃，平均为15.1℃时，房间总需热量为21638.32kcal/日，实测室内获得太阳能热量为18189.32kcal/日，占房间总需热量的84.1%，辅助热源共用电4度，折合热量为4×860=3440kcal/日约占总需热量的15.9%。

在设计中也可选择一台燃煤或燃油的锅炉，也可与热力管网相连通，以热力站的蒸汽或热水作为辅助热源。选择锅炉时要选择效率高、体积小，还要采取消烟除尘措施，否那么使用锅炉会污染集热器外表，减少太阳能收集。当然一般人认为既然已有暖气，何必再麻烦使用太阳能，但必须明确，利用太阳能是建筑上最好的节能措施，一般的讲在暖气运行前、后两个月的时间，天气已冷，暖气还没有供给或暖气已停，这时太阳房最舒适的，同时在暖气的运行中，利用太阳能暖气片可以大大减少，也就省煤，暖气运行时间也可以大大的缩短，这些节能的数量也是可观的。

辅助热源在采暖系统中不同的安装位置，有不同的工作情况。如图4─7所示，辅助加热器的三种安装。位置1中加热器。起作用时间较长，可以慢慢地对系统进行加热。但是它得加热，贮热设备中大量的不必要加热的水，还可能影响下一天集热器的效率。位置2可以将供暖回路与贮热器分开，因而当贮热温度低于所需供暖温度时，可以完全不用太阳能，如普通的采暖系统一样运行。位置3是一种最有利的方式，它具有位置2的效果，而又能将太阳能集热器作为予热器。

上述为较大的太阳能供热系统。如在单一太阳房中，也可采用简易方法，例如在学校，可以和开水房的小锅炉带土暖气相结合，也可以在人少的办公室利用电热风作辅助热源。如果是民宅一家一户也可以利用做饭的余热，与火炕相连，或者用火墙等辅助热源既省能源又方便。

@b4～5

集热器的设计

集热器的设计，主要是指在建筑某一太阳房时，如何根据当地气候资料和用户要求，选用适宜的集热器，确定集热器的面积和安装的方式。而不是指集热器本身的结构设计。下面分4点来说明：

1.型号选择。

在太阳房的热系统中，原那么上应选用单层玻璃盖板的集热器。特别严寒地区可以选用双层玻璃盖板。

2.集热温度确实定。

由于集热的温度对集热器的效率影响很大，所以在室内采暖温度允许的范围内，尽可能选用低一些。一般集热器的平均温度，选择在35°─40℃。

3.安装的倾斜角。

集热器的安装倾斜角，理论上可按当地纬度+20度左右来确定。方位以正南为最正确。但有时为了配合建筑物的屋顶结构设计，采用倾斜30°或垂直安装。但安装角小于30°，对供暖是不理想的。至于太阳能供给率，倾斜角在30─45°时根本相同，超过45°以后，那么稍有降低，其大致改变情况，如图4─6。

4.集热面积的计算。

根据负荷的要求，可以大致估算出热系统所需要的集热器面积，即

式中：A[_c]──集热器的面积；

δ[_s]──太阳能供给率取0.3─0.7；

n[_t]──总效率，定义为有效利用率〔0.75─1〕和总的集热效率〔0.4─0.5〕之乘积。其数值随不同系统而异，大致可取0.3─0.5。

I──冬季单位集热面积的全天日照量；

根据以往经验，为了满足高标准采暖要求，集热面积大致为供暖面积的40─50%。但从经济方面考虑，系统中集热器面积控制在不超过15─20m[~2]，即能根本满足冬季供暖，夏季供热水的需要。

@b4～6

日平均集热量的计算

集热器的集热量是设计太阳房热系统的一个极为重要的参量。它是瞬间热平衡进行分析的结果，这里要求算出一天的平均集热量。

太阳能集热器的日平均集热量，可以由实验或计算方法求得。目前常用的计算方法有两种，即当量室外气温法和迭代法。但无论采用那种计算方法，都只能求得一个大致的结果，最后必须在自然阳光照射下进行实物验算，以检查是否合于实际情况。限于篇幅，这里只列出的根据当量室外气温法推导出来的最终结果，即日平均集热量Q[_c]。

式中:G──流体的流量；

C[_p]──流体的比热；

T[_e]──换算温度；

h[_c]──总传热系数；

T[_e]和h[_c]，可分别按下式进行计算。

式中：h[_f]──流体和集热管之间的传热系数；

W──集热板两管之间的距离；

a──集热器外表的吸收率；

τ──覆盖集热器的透明盖板的透过率；

一般集热温度，以30─50℃为宜。

@b4～7

直接集热和有关热损失的估算

以上计算的集热量，只是在采用集热器供热的主动式太阳房热系统中，由集热器所收集的热量。实际上给太阳房供暖、供热水的热量，不仅这一项，还包括通过窗户向室内的直接太阳辐射，这在被动式太阳房中，成为主要的供暖热源。被动太阳房中的吸热墙相当于具有一定蓄热容量的空气集热器。

通过窗户的太阳辐射所直接收集的热量Q[_I]，可以表示为：

Q[_I]=A[_ω]I

式中：A[_ω]──朝阳窗户的总面积；

I──冬季单位集热面积的全天日照量，其他的热损失，包括蓄热槽和管路系统。蓄热槽的热损失太阳房的建筑结构设计

这里讨论的建筑结构设计，是指由于利用太阳能在房屋建筑，结构上，所需要特殊考虑和以往在太阳房设计中遇到的问题，而不包括常规的建筑，结构设计内容，现分述如下：

5～1

建筑设计

1.平面设计：原那么上尽量采用大开间小进深，以争取多得阳光，但有时考虑到建筑的造型，或者地形限制，又不能采用大进深时，这时对于住宅，可尽量把辅助性房间，如厨房、楼梯、厕所、库房等布置在北侧，而把居室、客厅等主要房间放在南测，对学校可把走廊放在北侧较好。

2.立面设计：太阳房要求立面尽量平整，防止凹进凸出，以免遮光，增加外外表积，增加热损失。但有时为了立面上线条的变化，美观，需要局部凸出时，凸出局部不大于900mm，且尽量不用直角，可采用斜角，园角或弧形，例如我们在海城东方红太阳能教学楼的南立面凸出局部，就采用斜角，旧堡区沙河镇陈台子小学太阳能楼南立面凸出局部为弧形。

3.层高：为了减少房屋空间热损失，降低造价，住宅层高一般采用2.8m，小学教室层高采用3m，中学教室由于人多面积大可采用3.3m，据测算层高每降低0.1m，一般教室造价可降低70元，空间可减少5.4m[~3]。

4.集热器在南立面上的位置：一般说集热器在南立面上位有两处；一是窗间墙，一是窗台下，这要看建筑立面的要求，如果房屋不高，要使其在横向上显得很长，可把集热器放在窗间墙，可在窗上、下布置横线条，例如我们在大连金州后石小学教学楼所采用的。如房屋因地面较小比拟高，窗间墙也较窄时，可采用窗台下集热器，在窗户两边布置坚线条，显得建筑物竖向很高大。

5.圈梁与构造柱：在地震区为了提高房屋的抗震能力，在7度烈度区一般隔层设置圈梁，8度烈度区每层都设圈梁，在内外墙联接或转角处应设构造柱，但圈梁和构造柱，在太阳房中又是一道“冷桥〞，常容易出现结霜等缺点，为此我们把圈梁做成L型，把构造柱包在墙内，以防“冷桥〞产生。同时在南向由于南窗较高，常把圈梁与过梁合并使用，即可减少“冷桥〞面积又可提高抗震性能，还可降低造价。

6.外窗设计：为了多得太阳的热能，太阳房要求南窗要大，为了减少热损失，又要求北窗尽量减小，但这样对建筑造型产生不良影响，使其美观与保温产生矛盾，为此我们在设计北窗时，在窗口外用砖砌出一个套子，从而改善了北立面的造型，如我们在大石桥市，桥台堡小学太阳能楼就是如此设计的如图5─1。

为了多吸收阳光，南窗面积要求尽量大，还要尽量减少窗棂，以免遮光，这在窗户开、关上又增加了困难，开始采用普通的平开，夏季风大，风钩小，玻璃容易破碎，为此，我们采取了两种措施：第一种是采用推拉窗，中间为大扇直接把玻璃镶在框上，两侧为推拉活扇，形成如图5─2，推拉窗的作法。第二种是使双层窗内外扇都向内开，便于擦玻璃，防止向外开，风大时打碎玻璃的缺点。

对于太阳能教室，由于南窗面积大，一般约占南墙面积的40─50%，因此，中午教室的光线过强，产生眩光，对学生视力有影响，因此，我们在教室的双层窗户内层采用毛玻璃，此种玻璃透光率与普通平板玻璃一样〔但不可采用茶色玻璃，这种玻璃透光率极差〕，同时也可采用南京复合材料厂生产的Filon板〔又称太阳能板〕，此种材料质轻，不易破碎，同时透光率超过玻璃。

7.教室应留气窗和翻板窗：太阳能教室，往往注意密封，保温方面多，但对换气有时考虑不够，因此在南窗必须设置气窗，以保持室内空气新鲜。同时在走廊墙的底部应设计一个300×500mm的翻板窗。使空气产生对流换气。

8.走廓窗的大小和位置：为了夏季通风换气，一般教室走廓墙中间常开一窗户，但往往由于位置不当，而影响效果，如有的走廊窗位置太低，上课时学生能看到走廊，怕影响学生听课的注意力，而不敢开窗。有的与走廊外窗、南窗不对应，互相错位，也达不到对流通风的效果，因此教室的走廊窗底边高度应在.1.4m左右位置较为适合，同时应与北边走廊外窗，教室内的南窗，南北相对应才好。

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结构设计

1.教室可选予应力大板：中、小学教室的南北进深，多采用6m，而予应力大板正好长为6m，采用此结构，可以降低层高，经济实用，节省六米的大梁，南窗的布置也不受开间的限制，比拟方便和灵活。

2.墙与窗的矛盾：在地震区抗震要求大墙垛，而太阳房要求大窗户，而南墙面积一定，对此矛盾，我们可采用墙内构造柱解决。并把构造柱包在墙内，以防出现“冷桥〞。

3.圈梁与过梁结合共用。

太阳能教学楼，由于南窗较大，较高，窗户过梁势必加大，而在同一位置又有圈梁，过梁与圈梁位置常常碰撞，在设计时，圈梁与过梁合二为一，采用大者，因为窗大垛小，故较为经济，而且抗震性能还增强，同样在也要注意冷桥的处理。

4.太阳能教室属于空旷房间，一定要注意抗震构造要求，内外墙联接处，纵横墙联接处，转角处，应设构造柱和水平拉接筋。

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保温设计

1.复合保温墙体设计：

复合保温墙由于采用两种以上材料组合成的墙体故称复合墙体，由于保温好又称保温墙。目前在太阳房设计中，在寒冷地区此类墙有两种型式：

(1)外保温法：其构造见图5─3(a)，其优点是结构层240墙在室内，有利于墙体蓄热，房间热稳定性较好，室内温差波动较小，在同样梁、板尺寸条件下，室内使用面积较大。我们设计的辽宁太阳房多数采用此种保温墙。缺点是施工麻烦。

(2)内保温法：其构造如图5─3(b)，其优点是，施工方便，可以把梁板安装完，再作保温。缺点是：保温层及保护层都要占用使用面积，在同样梁板的情况下，房屋使用面积较小，尤其对太阳房来说，减少了墙体的蓄热能力，室温波动较大。

关于复合保温墙的抗震措施：复合墙保温性能良好。但是不利于抗震，因此要有拉接措施，这是非常重要的一环。在设计中，对于平房可用砖拉接，根底上有地梁窗上有圈梁，施工时要求砂浆饱满，横向每隔1m放1φ6的U形拉接筋。而对于多层建筑，除了用圈梁把每层复合墙分开联成一体外，在竖向上每隔10皮砖放一排U型φ6拉结筋，砌在砖缝内。

在河南、华北地区，房屋外墙常用一砖墙，墙内外表在两层1:3水泥砂浆抹面之间，另加一层25mm厚的1:6水泥珍珠岩隔热层。具体做法如图5─4。

2.屋顶保温设计。

一般太阳房屋顶保温，多数采用珍珠岩保温，炉渣找坡，水泥砂浆找平，油毡防水的作法，但与普通房屋不同，普通房屋多采用水泥珍珠岩，而太阳房必须散粒干珍珠岩，不掺水泥，因为珍珠岩为吸水性材料，湿水后导热系数增加，降低其保温性能，但干法施工，也给施工上增加了困难，还必须选择好天气。雨季施工，容易使珍珠岩淋水失效。为此，我们对上述作法进行了改良，在屋顶摆成梅花点型的加气砼块，中间充填袋装珍珠岩，上面加盖予制砼小板，如图5─5，经实践证明效果不错。如辽宁省海城市西四镇中学太阳房就是按此法做的。

屋顶分为平顶和尖顶两种，上述方法为平屋顶房屋的作法，其结构如以下图5─6。

对于尖屋顶结构，一般在朝阳的人字面上开玻璃窗或放置集热器，屋顶内面作纤维板吊棚，内装珍珠岩，假设是双层吊棚，内贴铝箔纸一层。以防热辐射。

3.地面保温设计。

地面保温设计一般分为蓄放热地面和普通隔热地面两种：

(1)蓄放热地面：

这种通常用于自然采暖的被动式太阳房，阳光通过放大的窗玻璃，直接照射到地面上，具有一定的自然蓄放热作用。这种蓄放热地面的蓄热体，是在混凝土地面下辅一层300mm厚的粗砂，其结构如图5─7(a)所示。对采用集热器循环供暖的主动式太阳房，如果采用地面蓄放热结构设计，那么可在自然采暖的蓄放热地面的砂层中，埋设外径为20mm左右的软聚乙烯管，间距为200m，这样来自集热器的热水，经埋设在沙层中的塑料软管向砂层蓄热，同时经地面向室内放热，从采暖的角度来看，是一种比拟舒适的地板辐射供暖方式。

(2)普通地面。

主要应考虑一定的防水性和隔热性，使在冬季供暖期间地面枯燥，具有一定的保温性能。通常采用的几种地面结构如图5─8所示。这些地面主要底层有防水或防潮层中间设置平摆砖或河卵石、炉渣等保温层施工简单有保温蓄热功能。

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集热结构设计

太阳房中集热结构除了直接受益的南窗外，就是集热蓄热墙和集热器两个部件。

1.集热、蓄热墙的结构设计。

集热、蓄热墙实质上是利用建筑物结构本身所具有的一定的蓄热能力，主要是指砖、石结构的墙，也类似于空气集热器它是被动式太阳房中的主要供暖热源。这种部件又称特朗勃墙〔TrombeWall〕，其典型结构如图5─9，这种墙通常是砖墙，也可以是混凝土墙，或者是堆集起来的水缸，为了提高墙的集热效率，墙面上涂一屋黑板漆涂层，最好用选择性涂层，为了建筑上美观，涂层也可采用酱红色或墨绿色涂料，其运行方式如图5─10和表5─1所示。

这种形式在国内外被动太阳房中应用较广，目前国内对这种形式有两种截然不同的看法。一种是否认的看法，通过试验认为这种集热、蓄热墙得热效率太低，也就是说与直接受益式相同的集热面积，特朗勃墙的集热效果只有直接受益式的五分之一，我们的试验也证明了这一点，因此认为这种形式效果太差，建议被动式太阳房应少用这种集热蓄热墙的形式。

另一种是肯定的看法，认为特朗勃墙尽管得热量少，但是由于墙有集热兼蓄热的作用，可以在夜间无阳光时，给室内补充热量，属于“雪中送炭〞，同时可以减轻室内温度的昼夜波动，尤其在南窗开设大小有一定限度时，要扩大采光面积，特朗勃墙的形式，更是不能否认。

作者在科研攻关中全面分析了这两种意见以后，认为各有其理，但是结合我国东北寒冷地区的具体情况，认为寒冷地区的被动式太阳房主要问题是，如何提高室内得热量，至于温度波动是次要问题，因为当前我国被动太阳房室温还是较低的，所谓波动也只是在低温条件下的波动，对人体影响较大的是低温，而不是波动，因此我认为要提高室温，扩大南向采光集热面积，特朗勃墙还是必要的，但是应该改良特朗勃墙的集热效率，为此，我又分析了特朗勃墙得热量少的原因及集热的过程，其集热过程是，当太阳照射以后，首先把墙加热，然后空气集热器内温度才能升高，集热器内温度升高后，与室内形成温差，才能进行对流热交换，使房间升温，而冬季日照时间短，墙体又较厚，传热时间较长，当墙体的热还没有传到室内，太阳已经夕阳西下，尤其当墙体未加热以前，集热器内空气升温较慢，与室内温差较小，对流循环不好，因此房间得热量就少，而且日落以后室外气温常是零下十几度到二十几度，而室内气温常在零上十几度，这样墙体得到的热大局部又回流到室外散失了，为此，我在特朗勃墙面加一层隔热板，使南墙与集热器别离，在集热器周边再加一层保温板，以防热损失，这样当太阳辐射时，集热器内气温很快升高，与室内形成温差，进行对流换热，这样改良以后，升温时间短，温差大，对流换热快，室内得热量就多，这样的设想，首先在太阳房设计中使用，经过多年的实践和测试，效果是理想的，因而使被动太阳房的技术又提高了一步。具体结构见图5─11。

2.集热器的安装设计。

被动式太阳房上的集热器多数是用空气集热器，上述的高效特朗勃墙，实际也是在南墙上安装一套空气集热器。

集热器可分为有吸热板与无吸板两种，吸热板又分为有孔与无孔两种。有吸热板集热效果比无吸热板好些。有孔的吸热板传热快些，但室内尘土容易通过孔口附着于透光玻璃内侧不易去除，时间长了也影响集热效果，无孔口吸热板可使吸热板至透光板之间形成一个密封的箱体，尘土无法接触透光板，透光性好，反而集热效果又好一些，总之我们从实践中综合来看还是有吸热板不作孔口的集热器较好。

集热器的安装位置，必须结合建筑物的具体设计，如果南向窗间墙较大时可以把集热器安装在窗间墙上，如果南窗较大窗间墙较窄时，集热器可安装在南窗台下的位置。同时还要考虑建筑物立面的美观。

3.集热墙通风口的设计。

集热墙上下设通风口时，那么可利用墙体热传导和风口热风对流两种方式向室内供热，风口位置、大小对传热有直接关系。

风口的位置：根据气流的附壁效应，为了气流通畅，上、下风口应设在上、下楼板处，以减少阻力。

风口面积的大小，可按以下经验公式决定：

式中：F[_1]F[_2]──进、排风口的面积〔m[~2]〕

L，H──集热蓄热墙的宽与高〔m〕

风口面积〔A[_v]〕的大小取决于太阳能保证率的大小，如果太阳能保证率小，说明只在白天用，那么风口与集热墙面积〔A[_w]〕之比，可以取大些，

这样可以增加气流。

采用这种蓄热墙，关键是要防止夜间气流的倒流，可以在上下风口处装上塑料薄膜，当气流倒流时，可自动关闭。同时也应设计风门，以便在无阳光时，把风口关闭，停止工作，等有阳光时翻开，以便热风进入室内。太阳房的施工与管理

太阳房由于在建筑构造上，增加了集热措施，因此在施工上增加了难度，由于加强了保温措施，对施工质量要求更高。为了使太阳房系统，保持长久的正常运转和理想的效果，必须加强维护和管理。

太阳房的施工

1.施工准备。

施工准备是施工企业搞好施工管理的重要内容，也是太阳房能否取得良好效果的关键一环。同时也是保证太阳房，实现工期短，质量好，本钱低的必要前提。

太阳房在施工前，必须到达以下一些条件，才能开工。

(1)签订工程合同〔或协议书〕。

(2)施工图纸经过会审，图纸中存在的问题和失误，已经解决。

(3)施工方案已经批准并进行了交底。