李君琨 092892 住宅建筑设计原理论文.doc

住宅建筑设计原理课程论文绿色设计之太阳能技术在住宅中的应用班级 建筑学091学号 092892姓名 李君琨摘要：随着社会的不断发展绿色，低碳，环保的生活逐渐成为人们理想的生活模式。人们的居住观念不断更新，逐渐认识到绿色的居住生态空间对人的整体健康有很大的好处。随着能源形势和生态环境的日益恶化，世界许多国家都把利用绿色可再生的太阳能作为应对能源，环境问题的重要策略。由于我国的住宅建筑的能耗在社会总能耗中占有相当大的比例，而且还有逐年扩大的趋势，因此，将太阳能技术有机的应用到住宅建筑中是缓解当前我国能源压力，实习可持续发展的重要途径。本文结合当前形势，探讨了太阳能技术在住宅中的应用问题，并提出了相应的设计方法和策略，可以为以后的相关设计作为参考。全文分为四章，第三章为本文的重点。第一章中，通过对当前能源形势分析太阳能技术在住宅应用的必要性。第二章研究太阳能技术的利用在国内外住宅建筑中的发展。第三章探讨住宅中太阳能被动式利用和主动式利用在住宅中的应用。第四章总结全文指出我国住宅中太阳能应用的向并提出一些自己的想法。关键词：绿色设计 住宅 太阳能 主动式 被动式1引言如果有一天不开空调，房间也能保持冬暖夏凉的感觉；不用燃烧料，我们也能洗热水澡；家里的电器设备的动力也可以免费获得这一理想的居住条件在过去是很难想象的，但现在它已经存在并将成为人类未来住宅的发展趋势，这就是利用太阳光提供能源的太阳能住宅。但想要把太阳能技术合理的应用到住宅建筑的设计中去，仍有一定问题。本文所探讨的就是如何将太阳能技术很好的融入到建筑设计中去。2住宅中太阳技术的应用背景分析、2.1当前能源形势及太阳能的利用随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。1990年世界国内生产总值为26.5万亿美元(按1995年不变价格计算)，2000年达到34.3万亿美元，年均增长2.7%。根据2004年BP能源统计，1973年世界一次能源消费量仅为57.3亿吨油当量，2003年已达到97.4亿吨油当量。过去30年来，世界能源消费量年均增长率为1.8%左右。自19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。初期主要是以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的生产与消费持续上升，石油于20世纪60年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。虽然20世纪70年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋势。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气的比例上升。同时，核能、风能、水力、地热等其他形式的新能源逐渐被开发和利用，形成了目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。到2003年底，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占87.7%，其中，石油占37.3%、煤炭占26.5%、天然气占23.9%。非化石能源和可再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，约为12.3%。尤其是以太阳能为主要能源的技术推广还不是很广泛。太阳能是一种可持续利用的清洁能源，在寻求人类社会持续发展的进程中，节能建筑对太阳能的利用日益受到世界各国的重视。下面就介绍一下我国对太阳能的利用状况：我国的第一幢被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，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。在20世纪80年代初，又通过国际合作项目，如中德新能源村、联合国开发署支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的建立使太阳房得到进一步发展。在“六五”、“七五”、“八五”，包括到“十一五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目，取得了一系列成效。总之，太阳能在降低建筑能耗上的作用是不可低估的，相对其他可再生能源来说，太阳能具有一些特有的优势，更利于与建筑结合，应用到建筑领域，因而大力发展太阳能是我国乃至全世界发展可再生能源、实现建筑能源管理的重要方向。由此可见太阳能技术在住宅建筑中的应用是十分必要的。3太阳能技术在国内外住宅中的发展3.1太阳能技术在国外的发展这20年来，国外的发达国家和一些发展中国家都非常重视太阳能建筑技术的发展。至20世纪中后期，太阳能技术得到了一定范围的推广。在太阳能产品的产业化、商业化、建材化等方面也取得了可喜的成果。（1） 太阳能建筑技术在美国的发展美国在大力开发利用太阳能光热发电、光伏发电，太阳能建材化、太阳能建筑一体化、产品化等方面均处于世界领先水平。早在20世纪80年代中期，美国太阳能热水器的安装面积就已超过1000万，年产值超过10亿美元。太阳能住宅建筑一体化的设计思想是美国太阳能协会创始人史蒂文斯特朗在20年前倡导的。即不再采用屋顶安装一个笨重的装置来收集太阳能，而是将半导体太阳能电池直接嵌入墙壁和屋顶内。他的这一设计思想，在当时由于太阳能电池过于昂贵，无法实施。如今，太阳能电池的价格只有当时的1/3，所以，推广的可能性就大大增加。根据史蒂文斯特朗这一设计思想，后来，美国电力供应部和能源部合作推出太阳能建材化产品，如住宅屋顶太阳能屋面板、“窗帘式墙壁”等产品。美国建筑学家设计了一幢新颖的太阳能住宅。采用了现代化的光电技术和多种新型建筑材料。该住宅安装了36块非晶硅光电池板，每块可产生50瓦电能，电池板与12个24伏的蓄电池相连接。这些电池板产生的电能可以满足厨房设备、照明和其它家用电器的用电需求。该住宅的9扇窗子的窗框表面涂有一层低辐射率的涂料，窗框中装有特制的储热物质。在白天，窗户从阳光中吸收热量，窗框中的储热物质融化，将热量储存起来；到了晚上，储热物质重新凝固，释放出所储存的热量。据测算，在一个阳光明媚的冬日里，每个窗户可以储存3165焦耳的热量，储存的总热量可满足整幢房子所需热量的一半。该住宅的太阳能热水管，由抛物面金属反射镜和热量收集器组成，可以水平和垂直两个方面跟着太阳运动，热效率高达70%，大大高于目前使用的普通平板式太阳能热水器，据测定，这种热水器在有阳光的日子里，一天就可加热约2吨水，完全可以满足一个大家庭的需要。（2）太阳能建筑技术在欧洲的发展欧共体早在20世纪80年代，就开始在建筑上大规模开发和应用太阳能技术。欧共体也积极推行“太阳能房屋计划”。计划到2010年，将安装50万套太阳能房屋，其中德国10万套。德国建筑师塞多特霍尔斯建造了一座能跟踪阳光的太阳房屋，房屋被安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮，房屋 如图1-1 底座在环形轨道上以每分钟转动3的速度随着太阳旋转，当太阳落山以后，该房屋便反向转动，回到起点位置，它跟踪太阳所消耗的电力仅为房屋太阳能发电功率的1%，而所吸收的太阳能则相当于一般不能转动的太阳能房屋的2倍。这栋造价为133000英镑的房子已经有10户居民入住，入住者感觉很好。房屋设计者，至2005年，已收到另外50个建筑订单。1997年，德国在慕尼黑贸易展览中心安装了世界最大的屋顶并网光伏系统如图1-1，容量为1.06MW。德国还建造了零能量的住房，所需能量100%靠太阳能。零能量住房向南开放的平面被设计成扇形平面，可以获得很高的太阳能辐射能，墙面采用储热能力较好地灰砂砖、隔热材料和装饰材料。阳光透过保温材料，热量在灰砂砖墙中存储起来。白天，房屋通过窗户由太阳来加热，夜间则通过隔热材料和灰砂砖墙来加热。法国国家实用技术研究所最近发明了一种建筑外墙玻璃兼作太阳能热水器的产品，这种一体化产品是一种双层中空玻璃，其中40%面积是透明的，余下的部分被盘旋状的可以通水的铜管及银反射管所覆盖，覆盖物位于玻璃内层。这种双层中空玻璃可以吸收太阳能，并利用它把水加热。对于一个大楼来说，仅仅利用建筑外墙玻璃，就能把热水问题解决，每年可以节省大量的电力和煤气。因此，具有很强的市场竞争力。丹麦北部奥尔胡斯市的塔首地区，有一个闻名遐迩的“日与风”住宅区。那里的建筑新颖独特，几乎所有房屋的门窗都朝南开，屋顶与地面成45度角，南面窗户极多，北面窗户极少，担当整个住宅区采暖重任的是一座650的太阳能集热器和一个天然气供暖中心，其太阳能集热器使这一住宅区节约了28%的能源。 奥地利维也纳新近建成了一个名叫“利奥波德城”的住宅区如图21，由狭长的69层高的公寓楼组成。这些楼房的向阳面有宽大的窗户和阳台，背阴面却只有射击孔大的小窗户，向阳面高大的窗户可使室内获得大量阳光，在寒冷的季节为室内供暖。而背阴面的小窗户有很好的隔热作用，同时，对住宅后面车辆来往的商业区也有很好的隔音效果。而各楼房之间通常要修建通道的地方现在开辟成 图2-1了广阔、安静、公园般的绿色园区。这种公寓的耗能比传统住宅楼低50%多，在冬天，可节约大量采暖能耗。3.2国内的发展状况我国太阳能建筑技术经近20年的努力，获得了可喜的发展。到2004年底，太阳能热水器年生产能力达到1350万，利用量达到6500万，占全球安装量的60%，居世界首位，并出口世界30多个国家和地区。太阳能光伏发电约达6.5万千瓦，解决了700多个乡镇，约300万偏远人口基本用电问题。如西藏已建成近400个县级和乡级太阳能光伏电站，总装机容量达近8000千瓦，成为我国集中型光伏电站最多的省区。近年来，在科研开发、住宅小区大面积推广应用、太阳能建材化、太阳能与建筑一体化设计等方面都取得了骄人的成绩。北京清上园为北京第一个全部使用太阳能热水器的板式小高层建筑住宅小区，全小区共519户，每户阳台护栏外都安装了由山东澳华电器有限公司生产的“澳华维丽亚”牌阳台壁挂式太阳能热水器；阳台内分户墙壁上安装着与电热水器一模一样的分体式水箱，管道经地下直通卫生间，业主只需轻轻扳动把手，70左右的热水便顺畅流淌，即可轻松洗浴。此系统还配有电辅助设施，无论在春夏秋冬，还是雨雪天气都可正常使用，实现了自动控制，恒温出水，达到了安全、舒适、节能的目的。据初步估算，通过利用太阳能采暖器，每平方米每年可节省近600度电。4主动式太阳能利用和被动式太阳能利用在住宅中的应用4.1主动式太阳能利用在住宅中的利用主动式太阳能的定义为用太阳能代替一往返驱动冷暖空调设备的热源，用一些特殊的方式来收集热辐射，并将其转化为有效的热能和电能的形势。主动式太阳能主要包括太阳能灶，太阳能集热器，太阳能空调等。对于太阳能供暖系统来说，首先应考虑采用热媒温度尽可能低的采暖方式，所以地板辐射采暖最适宜于太阳能供暖。太阳能供热系统可以用空气，也可以用水作为热媒，两者各有利弊。热风式集热器较便宜，热交换次数少，但集热用循环动力大，是热水式的10倍，风道和蓄热装置占据的空间也大；太阳热水集热器技术较复杂，价格较高，但综合考虑优点较多，特别是近年来真空管集热器的性能、质量有很大提高，价格不断下降，所以今后太阳能供热系统将以热水集热式为主。（1）热风集热式供热系统：在屋面上朝南布置太阳空气集热器，被加热的空气通过碎石贮热层后由风机送入房间，辅助热源为煤气热风炉，并设置控制调节装置，根据送风温度确定辅助热源的投入比例。（2）热水集热式地板辐射采暖兼生活热水供应系统：在屋顶设置的太阳能集热器，系统有集热循环水泵，辅助蓄热水箱，供热水箱，采暖循环水泵，辅助热源一燃气锅炉，辅助热源热水循环泵，辅助加热换热器，地板辐射采暖盘管。地板辐射采暖盘管的做法是，在地面上先铺设保温层，再铺设聚乙烯塑料盘管，然后再做地面面层。热媒水通过盘管向房间散出热量后温度降低，再返回蓄热水箱，由集热泵送到太阳集热器重新加热：夜间或阴天太阳热能不足时，则由辅助热源加热系统保证供暖。 图3-1（3）太阳能空调系统：兼有供暖、供冷功能，也可以只有供冷功能。夏季供冷的太阳能空调系统，制冷机为小型澳化钾吸收式制冷机，空调机为风机盘管j口需增加供暖功能，可以有两种方法：一种仍使用风机盘管作末端设备，由蓄热水箱提供热媒水给风机盘管，但水温要求较高，一般要60C另一种是风机盘管只在夏季工作，冬季则增设地板辐射采暖系统，对水温的要求可降低，30C一40C即可。两种方法各有利弊，前者初投资少，但太阳能供暖率较低，运行费用高；后者初投资高，但太阳能供暖率高，运行费低。如图3-1除了上面介绍的三类系统外，还有太阳能热泵供冷、暖系统以及把土壤作为热源或排热源的地下蓄热式供冷暖系统，即在夏季把能利用于供暖的高温热蓄积起来供冬季使用；在冬季则把能利用于供冷的低温热蓄积起来，供夏季使用。4.2被动式太阳能利用在住宅中的利用被动式太阳能技术最基本的工作机理是所谓“温室效应”。被动式太阳能的住宅的外围护结构应具有较大的热阻，室内要有足够的重质材料，如砖石、混凝土，以保持房屋有良好的蓄热性能。按采集太阳能的方式区分，被动太阳房可以分为以下几类：（1） 直接受益式冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗，直接照射至室内的地面墙壁和家具上，使其吸收大部分热量，因而温度升高。所吸收的太阳能，一部分以辐射、对流方式在室内空间传递，一部分导入蓄热体内，然后逐渐释放出热量，使房间在晚上和阴天也能保持一定温度。采用这种方式的太阳房，由于南窗面积较大，应配置保温窗帘，并要求窗扇的密封性能良好，以减少通过窗的热损失。窗应设置遮阳板，以遮挡夏季阳光进入室内。如图3-2（2） 集热蓄热墙式这种太阳房主要是利用南向垂直集热蓄热墙吸收穿过玻璃采光面的阳光，通过传导、辐射及对流，把热量送至室内。椅的外表面涂成黑色或某种深色，以便有效地吸收阳光。集热蓄热堵的形式有：实体式集热蓄热墙，花格式集热蓄热墙，水墙式集热蓄热墙，相变材料集热蓄热墙，快速集热墙等。（3）附加阳光间式阳光间附建在房屋南侧，其围护结构全部或部分由玻璃等透光材料构成。与房间之间的公共墙上开有门、窗等孔洞。阳光间得到阳光照射被加热，其内部温度始终高于外环境温度。所以既可以在白天通过对流经曲窗供给房间以太阳热能，又可在夜间作为缓冲区，减少房间热损失。（4）屋顶他式屋顶池式太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能，适合冬季不属寒冷，而夏季较热的地区。用装满水的密封塑料袋作为储热体，置于屋顶顶棚之上，其上设置可水平推拉开闭的保温盖板。冬季白天晴天时，将保温板敞开，让水袋