主被动式太阳能建筑

建筑构造（二）课程论文论文题目： 主被动式太阳能建筑 姓 名 邵金鑫 学 号 2009301623 指 导 教 师 张芮 提 交 时 间 2011 年 12 月 12 日 2011 年 12 月 11 日2被动式太阳能建筑邵金鑫（西北工业大学，陕西 西安 710072）摘要：首先简介被动式太阳能建筑产生的时代背景，列举出了国内被动式太阳能建筑发展的三个时期，以实例分析了国内太阳能建筑利用现状，然后详细的分析了被动式太阳能建筑的五种形式，包括直接式，蓄热墙式，阳光 间式等，最后列举一些实例作进一步说明。关键词：；被动式；太阳能建筑；节能； ABSTRACT：This paper first brief passive solar building background of the times，citing a national passive solar building development of the three periods ,the case study of the domestic solar buildings use the status quo，then a detailed analysis of the passive solar building five forms,including direct style , thermal storage wall , sun room type , etc , and finally give some examples further illustrate .KEY WORDS：Passive；Solar building ; Architecture art；Structure ； Energy saving提纲：摘要序言一、 背景1.1 人类面临的危机 1. 2 中国太阳能建筑的出现31.3 国内太阳能建筑的发展历程1.4 国内太阳能建筑利用现状分析二、被动式太阳能建筑形式2.1 直接式2.2 蓄热墙式2.3 阳光间式2.4 蓄热屋顶式2.5 组合式三、实例分析 3.1 旧式办公房改造成太阳能建筑3.2节能小住宅结语参考文献致谢序言：21 世纪，节能和可持续发展是建筑设计的重要趋势。我国是常规能源缺乏国家，据统计，煤炭，石油，天然气的储量分别为世界平均水平的50，11,4.5。在未来的几十年里，会出现能源枯竭，形势刻不容缓。然而我国的太阳能资源却十分丰富。我国陆地面积每年接受的太阳辐射总量在3.310810kj/(.a)之间，相当于 2.410亿标准煤。全球能源调查报告显示，每年的建筑能耗约占总能耗的 3040。采取合理的结构设计和利用新技术，新设备来优化建筑设计，是未来建筑节能最主要的两种手段。太阳能建筑是利用太阳光来照明，取暖和制冷，以尽可能地减4少常规能源的消耗为目的。太阳能建筑一般分为主动式和被动式两种，主动式太阳能建筑依靠集热器获取太阳能，再通过一定的设备产生热量或冷量，被动式太阳能建筑利用太阳能提供室内供热吗，而无需其他机械装置提供能源，被动式太阳能系统依靠传导、对流、和辐射等自然热转换的过程，实现对太阳能得收集、储藏、分配和控制太阳能热量的方法，属于建筑设计的优化。被动式太阳能建筑主要通过建筑物的布置，内外造型，构造及材料的选择有效的采集，储存和分配太阳能，使建筑物具有温暖，明亮的环境。被动式太阳能建筑与一般建筑没有绝对界限，只是利用太阳能的多少，节约效益存在高低而已。5一、背景1、人类面临的危机人类面临的三大危机随时爆发。由于全球人口的急剧增长和经济的高速发展，进入二十一世纪，人类面临石油，粮食和环境三大危机。治理环境污染，发展绿色经济成为全球共识。争夺石油等资源成为欧美发达国家对外驻兵的借口；发展新能源以成为各国政府，特别是发达国家的战略国策。太阳能的利用首先开启了人类的太空之旅，然后随着太阳能技术的民用化太阳能供热和供电技术的成熟应用，太阳能以成为人类新能源利用最安全，最可靠，最广泛和最有前途的新能源，特别是今年日本大地震造成的日本核辐射，让世人再次认识核能的巨大破坏性和一旦泄露在成的危害性。2、中国太阳能建筑的出现我国的第一栋被动式太阳房建成于 1977年，地点在甘肃省民勤县。这是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙的组合式太阳房。场、体育馆及一些特殊车间使用。63、国内太阳能建筑的发展历程第一代：实现太阳能与建筑的结合四栋别墅和四栋多层，1500，2004 年建成第二代：实现建筑技术与建筑艺术的结合超级节能示范楼，1100，VIP 客房，2005 年建成第三代：综合能源解决方案皇明太阳能集团新总部大楼，50000，2010 年建成 技术特点：1 建筑主体 尽量采用自然通风及采光第一代太阳能建筑太阳能与建筑结合零能耗樱花苑第二代太阳能建筑建筑技术与建筑艺术的结合 第三代太阳能建筑综合解决方案7 良好的外围护结构，采暖和制冷负荷载均低于50w/ 高效节能热交换新风系统 能源梯级利用2 可再生能源利用的最大化 太阳能生活热水；太阳能泳池提供率100 太阳能采暖 提供率6070 太阳能与吸收式热泵相结合制冷 提供率40 4、国内太阳能利用现状分析上海世博会中国馆的60.6观景平台四周挑檐的中央部位采用双面透光中空双玻单晶硅组件，每边88块，共352块，铺设面积约1000平方米，使太阳电池组件成为整体建筑中不可分割的建筑构件和建筑材料是在屋面板上开洞，覆以透光材料构成的。采光口面积较大时则设三角形或锥形钢框架，窗玻璃斜置在钢架上。是我国目前常用屋面采光板形式。8主题馆将主要反映当今世界快速城市化和城市人口加速增长背景下得地球，城市，人三者之间的关联和互动。该建筑291m220m的巨大屋面为太阳能光伏发电系统的规模化应用提供了天然的场址条件。工程采用光伏建筑一体化设计，结合菱形屋面造型结构，建设太阳能光伏发电系统，将重点展示太阳能光伏发电系统的规模化应用和建筑一体化的设计理念 宁波 “威科水上海世博会城市未来馆9岸心境”位于宁波市姚江岸边宁波规划丽园北路东侧，是建设部发文确定的节能示范小区，其主要节能亮点在于应用了太阳能热水系统，并与建筑实现一体化；每套系统采用强制循环单水箱直接方式，集热总面积3360平方米，日产热水量210吨。工程名称:“在水一方”住宅小区地址：河北省秦皇岛市类型：阳台壁挂式系统规模：4000 台/6000施工日期：2008 年总结能(标准煤）：1.18 万吨二氧化碳减排量：2.97 万吨102、被动式太阳能建筑1、直接式直接受益式太阳能建筑与普通建筑差别最小，主要通过南窗和透明屋面来实现采暖。向阳窗面积越大，得热越多，而尽量少开不吸纳热量的窗，以削弱能量的损失。一般来说，南窗在采取了保温隔热措施后，窗墙面积比可达到 0.4.日照深度通常为窗户高度的 2.5 倍，据此控制房间的进深，同时调整开窗高度。对于大跨度建筑，内部空间很难自然采光时，可以通过安装导光板，散射板等将太阳光引入室内。透明屋面采光，采暖比垂直的窗户要好得多，但是，在夏季容易引起室温过高，可以改用中空玻璃和遮阳型玻璃，以及通过适当增加建筑层高和促进通风来改善。从屋面形式上看，坡屋面接受太阳辐射的时间和面积均多于平屋面，穹顶屋面最佳。2、蓄热墙式集热墙式对普通外墙构造的改良，墙体能更好地收集和储存太阳能。集热墙种类较多，实体式集热墙是直接在南向实墙外表涂上黑漆，再覆盖一玻璃外罩。它利用外墙蓄热，墙体内表面对室内辐射热，这样不容易控制室温。对流环路式集热墙做法从外往里通常为：玻璃层空气间层集热层加厚的重质墙体（或隔热层普通墙体） 。将玻璃和空气层设为2层，集热效果会更好，空气间层的厚度一般为3040mm。对流环路式集热墙的工作原理是：冬季或室温较低时，利用“烟囱”效应可将室内热空气通过玻璃上的夏季用风口抽出。根据空气流动的“复壁效应” ，风口位置紧贴顶棚和地面设置较好。可按需要开关风口，室内温度比较容易受控制。水墙式集热墙贮热能力强，温度分布均匀，但是构造复杂，运营管理麻烦。集热蓄热墙可以和建筑外观结合起来灵活设计，创下墙用竖向线条强调立面，窗间墙用横向线条强调立面，二者效果明显不同。集热墙的颜色一般为黑色，墨绿色等深色调，形状，纹理等可结合建筑风格来考虑。11天窗洞口形状是影响室内环境表现形态的重要因素，首先要尽可能明确需要借助于天窗实现的设计目标：是主要解决建筑的采光问题，还是主要创造特殊的3、阳光间阳光间如同南向的温室，它本身是直接受益式，通过空气对流将热量传送到建筑主体。其 本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙（带门，窗或通风孔）把房子与阳光这种附加阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳能，又可以作为一个缓冲加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，开门（或窗或墙上的通风孔）将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间，其余时间关闭，把由两个或两个以上被动式基本类型组合而成的系统称为组合式系统。不同的采暖方式结合使用，就可以形成互为补充的，更为有效的被动式太阳能采暖系统。直接受益窗和集热墙两种形式结合而成的组合式太阳房，可以同时具有白天自然照明和全天太阳能供热比较均匀的优点。附加阳光间的形式可归纳为三种：在建筑整个南面上增加透明玻璃围合大空间；建筑的中庭设置透明玻璃屋面；借建筑南面的窗户或阳台形成一个个的透明封闭空间。当室内温度低时，建筑主体与阳光间12公共墙上的门窗可打开传热，公共墙上的开孔率通常为25。同时，阳光间又可以当缓冲区，减少建筑主体内部热损失。阳光间的玻璃应尽可能开启，夜间能够全面通风，白天则通过北向 的门窗释 放废热，废气 。4、蓄热屋顶式13在建筑屋顶放置装水的黑色塑料袋，并在上面安装可水平推拉的保温隔热板。水的热容性很好，适宜作贮热材料。冬季白天，推开盖板，让水袋充分吸收太阳辐射热，贮热在传至下面房间；夜间，关闭盖板，阻止室内热量从屋面散失。夏季则刚刚好相反，白天关闭以隔绝室外热辐射，夜间打开散热。蓄水屋顶具有冬季采暖保温和夏季遮阳隔热双重作用。5、组合式上述几方面构造措施综合考虑，成为利用太阳能的组合式系统。各种措施可以互为补充，如果能同时采用夜间活动保温装置，采暖效果会更好。三、实例分析1、旧式办公房改造成太阳能建筑这是一栋位于郊区旅游度假项目的售展中心，它是在原有旧建筑的基础上进行的一个改建设计。原建筑是一栋一层的老式林场办公房，建于世纪 70 年代，14这个林场被开发成旅游度假区后，通过实地考察，发现不需要另辟场地来做新的售展楼，只需要利用原有的旧办公楼加以改建，既不破坏现有的林场绿色环境，又加以旧物利用，同时还可以建一个生态节能的小建筑。被动式太阳能的想法在这栋小建筑上进行了实践。 原有建筑使用厚土墙结构，由于厚土墙有蓄热功能，旧建筑热稳定性能强，冬暖夏凉。在新的设计中，保留老房子的主要土墙（东，西，北面的土墙） ，作为新房子的蓄热体，并在土墙的外墙面覆以 3cm 的 XPS 板，XPS 板外再覆以木装饰加以保护 XPS，这样一来，新建筑的外墙既利用了旧建筑的厚土墙，又添加了新的高效外保温措施。在旧建筑的基础上，把整个建筑改造成单坡的斜屋面，全部朝南，屋面大部分采用中空玻璃覆盖，并在玻璃上面设置电动卷帘，用于夏季遮阳。由于卷帘设在室外，风吹雨淋年长日久容易老化，所以在卷帘外套有一个不锈钢圆桶，下雨或冬季不用时，将卷帘收起，外面有不锈钢圆筒保护。这个斜屋顶的工作原理就是温室原理新建筑向南加长的延伸部分架空，并在架空的地板上设置进风格栅，在建筑北墙的最高处设置电 动开启的窗户。夏季炎热时，先放下玻璃屋顶 外的电动卷帘，再打开地板的进风格栅，并开 启北墙的电动窗，利用热空气上升形成负压原 理，及难免山坡受太阳照射，热空气沿山坡形成上升气流（山风）的原理，当夏季的热空气从进风格栅进入室内时，热空气已15经在阴凉的架空层里降低了温度，变成凉爽的空气，由于负压，空气穿过室内从北墙的高窗迅速流出，形成凉爽的穿堂风，把室内的热量带走2、节能小住宅这是一栋位于缓坡上的小住宅，400左右（包括地下层） 。因为是缓坡，首先想到能否做一个地下层，利用下沉式庭院，使地下层没有地下的感觉，同时被土覆盖的地下层又是最节能的空间，可以冬暖夏凉。在这栋小建筑中采用了四种被动式太阳能得原理。1 朝阳中空斜屋顶朝阳斜屋顶的照射面积最大，并且最直接，可以取得最大的太阳辐射。一般情况下斜屋顶是被用来放置太阳能光电板或太阳能热水器的，是主动式太阳能，而斜屋顶在被动式太阳能上使用的不多。这次利用双层中空斜屋顶是想把大面积的斜屋面作为收集热源的手段。双层屋面的上层是黑色的压型钢瓦，中间隔 80mm 的空腔，下层屋面是有保温隔热措施是木板。冬季，黑色钢板瓦被太阳照射后温度升高，同时空腔内的空气被加热而上升，在屋顶的蓄热空腔内，热空气被埋在墙体内的风管通过小功率的抽风机输送到需要热量的房间及地下室的卵石蓄热床内。这些热量可以从每个房间的地板上排出，加热整个房间，也可以使卵石储存大量的热量。这里有一个关键点，16就是每个房间及卵石床的进风口都要设置一个阀门，哪个房间需要热量，打开相应的阀门即可，但要防止风倒灌。双层屋顶在夏季的工作原理也非常简单就是把蓄热空腔的电动窗打开，利用负压，上升得热空气可以马上从电动窗排出，并带走下层屋面的热量。2 白天储存太阳能夜间分配冬季，地下室下面的蓄热卵石床可以储存大量的热量。白天，一般只需要打开卵石床的进风阀门，其他阀门关闭。热空气被抽进卵石床后，白天的太阳能就被存在卵石内，夜间打开卵石床另一边的小功率抽风机，把热量送到需要的房间，这种方法可以使房间整个夜晚始终保持温暖。抽风机的功率只有1015W，比起1500W的空调，非常省电，可以忽略不计。夏季正相反，白天北面阴凉处较凉爽的空气，经过地下风管及卵石床，使之在次降温，然后再把凉爽的空气输送到需要的房间。3 阳光屋17在二层凸出的局部设置 一个玻璃的阳光房，冬季，在太阳的照射下， 可吸收太阳辐射能，提高室内温度。夏季，