太陽房集熱與建筑節能

【摘 要】文章從能源節約角度出發，分析了太陽房與建筑節能之間的關系，探討了在新形勢下太陽能光伏—建筑一體（BIPV）化發展的巨大潛力。

【關鍵詞】能源危機；建筑節能；太陽房集熱；太陽能光伏—建筑一體化（BIPV）

隨著經濟的高速發展，常規資源的日益緊張，“太陽能光伏建筑一體化”已成為我國建筑節能領域的重要議題。太陽能作為可再生的綠色資源，取之不盡用之不竭。

從太陽能利用的形式看，主要有三種：非聚合的電磁能轉變成聚合電磁能；電磁能轉變成熱能；電磁能轉化成電能。其中第二種形式的太陽能利用較為廣泛，也適合住宅太陽能利用的特點，下面主要針對太陽能被動房進行分析。

“被動式太陽能”是指不借助工具而對太陽能進行收集、貯存和再分配的系統。通常是通過建筑朝向和環境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和構造的恰當選擇使其在冬季能集取、保持、貯存、分布太陽熱能，從而解決建筑的采暖問題，同時在夏季又能遮蔽太陽輻射，散逸室內熱量從而使建筑降溫。

太陽房建筑熱工措施期望達到的主要目的是：使房間在冬季有盡量多的太陽得熱量，盡量少的熱損失及必要的熱穩定性，并處理好以上三者的關系，既要使房間的冬季溫度符合采暖要求，又要使太陽能熱工措施的投資盡量少，單位投資的節能效益盡量顯著。對于被動式太陽房建筑設計的技術可行性，應該滿足四點：建筑物具有有效的絕熱外殼；南向設有足夠數量的集熱表面；室內布置盡可能多的貯熱體；主要采暖房間緊靠集熱表面和貯熱體布置。

目前較為流行的被動太陽能空間熱量采集方式可分為三種：直接受益式、集熱蓄熱墻和附加日光間。

1.直接受益式

直接受益式是讓太陽光通過透光材料直接進入室內的采暖形式。原理是通過增大南向玻璃窗，增加太陽射入房間的熱量。冬天陽光通過大面積的南向玻璃窗，直接照射到室內的地面、墻壁和家具上，使其吸收大部分熱量而溫度升高。被圍護結構內表面吸收的太陽能，一部分以輻射和對流的方式在室內空間傳遞，一部分導入蓄熱體內，然后逐漸釋放出熱量，使房間在晚上和陰天也能保持一定的溫度。為了使太陽能采暖房在冬季有較高的室內平均溫度和較小的室內空氣溫度波動，采用這種方法時，房屋南面應安裝較大面積的玻璃窗，同時要求窗扇的密封性能較好并配有保溫窗簾。另外，要求外圍護結構具有較大的熱阻，室內要有足夠蓄熱，性能好的重質材料，以便集熱多，熱損失較少。在夏季，如果夜晚比較涼爽，則重質材料也能夠在白天保持涼爽。這首先是由于它具有熱惰性，因為厚實的墻在白天能夠阻滯熱量傳到室內；其次是由于夜間室外空氣流進室內，使重質材料冷卻。

窗戶是利用太陽能的關鍵部位，所以它的設計非常重要。窗體尺度大，有利于采光，而夜晚散熱也大，所以應該有一定的保溫措施。在夏天要防止過多的太陽能進入室內，可以考慮加置活動遮陽板在夏季遮擋陽光進入。

2.集熱蓄熱墻

這種太陽房是利用南向垂直集熱蓄熱墻吸收穿過玻璃的陽光，把熱量傳送至室內。集熱墻的形式較多：

2.1 實體式集熱蓄熱墻：一般利用在南向實體墻外覆蓋玻璃罩蓋，在墻體的上、下部開設通風孔。太陽輻射通過玻璃，除少部分被玻璃吸收外，大部分被集熱墻體吸收。集熱墻體吸收的太陽輻射通過兩種途徑傳入室內：其一是墻體熱傳導，把熱量從墻體外表面傳往墻體內表面，再由內表面通過對流及輻射將熱量傳入室內；其二由集熱墻外表面通過對流方式將熱量傳給集熱墻玻璃罩蓋和墻體外表面之間的夾層空氣，再由被加熱后的夾層空氣通過和房間空氣之間的對流（經由集熱蓄熱墻上、下風口），把熱量傳給房間，達到采暖的目的。夏季關閉集熱墻上部的通風口，打開北墻調節窗和南墻玻璃蓋層上通向室外的排氣窗用夾層的“熱煙筒”作用，將室內熱空氣抽出，達到降溫的目的。

2.2 對流環路式集熱墻：在南墻設置空氣集熱器，或在墻體外表面和其玻璃罩蓋之間，緊貼墻體外表面敷設保溫層及保護層，利用墻體上下通風口和室內進行空氣對流循環加熱的采暖形式。對流環路式集熱墻與集熱蓄熱墻相比，接受陽光后升溫較快，白天向室內供熱多，適合于白天使用頻率較多的房間。

2.3 水墻式集熱蓄熱墻簡稱水墻。作為蓄熱材料的水通常置于屋內的一面墻中，稱為“水墻”，水墻應該建在房間里一天中大部分時間陽光能夠直接照射到的地方。用來建造這種“水墻”容器的材料一般為塑料或金屬。主要問題是運行管理比較麻煩。

2.4 相變材料蓄熱墻式，常將相變材料裝封，設置成垂直集熱墻或花格墻，置于陽光能直射到的地方。其主要問題是相變材料的相變溫度和時間難以隨采暖需要進行控制，技術還不是很成熟，且施工復雜，造價較高。

3. 附加日光間

附加日光間是直接受益和集熱墻技術混合的產物，是將日光間建在建筑南側，中間用一堵墻（帶門、窗或通風孔）把建筑主體與日光間隔開。過熱的空氣可以用于加熱相鄰的房間，或者貯存起來，在沒有太陽照射時使用。實際使用中，附加陽光間內的溫度一直都比室外溫度高，因此，陽光間既可以供給房間以熱能，又可以作為緩沖區，減少房間的熱損失。由于陽光間直接得到太陽的照射和加熱，所以它本身就是直接受益系統。白天當陽光間內空氣溫度大于相鄰的房間溫度時，通過開門（窗或通風孔）將陽光間的熱量通過對流傳入相鄰的房間，其余時間關閉。

與集熱蓄熱墻式相比，附加陽光間增加地面作為集熱蓄熱體；與直接受益式相比，采暖房間的溫度波動小。在加建日光間中，布置貯熱體最容易的位置是地板。混凝土、地磚等都有很大的貯熱容量，從而使溫度波動減弱。在新建筑中，日光間與建筑物之間的墻體，是設置貯熱體最有效的部位。這些墻體在冬季充分接受太陽照射，并把熱量一部分傳給住宅，一部分用來溫暖日光間。用單層玻璃把墻覆蓋起來，可以為建筑物收集更多的熱量，而使日光間保持較低的溫度。

此外，日光間本身可設計為休息活動室或溫室花房等，易與整個建筑的功能布局融為一體。尤其像在我國青海、西藏等高海拔，日照充足的地區應用尤為廣泛，我院承接的玉樹災后重建居住項目中，日光間的概念被極大的推廣到了工程實踐中，也收到了良好的效果。

4. 太陽能光伏—建筑一體化（BIPV）

BIPV分成兩種形式：光伏屋頂結構和光伏墻系統。BIPV系統由光伏陣列（電池）、陣列與墻面（屋頂）間的空氣流道、固定支架、空氣入口、空氣出口、一級墻體和屋面組成。完整的BIPV系統還應該包括負載，有時還帶有蓄電池、逆變器及有利于系統控制盒調節的復雜裝置。空氣流道在BIPV系統中是不可缺少的，良好的空氣冷卻是保證光伏發電高效率的有效途徑。

不論從建筑、技術或經濟角度出發，BIPV均有諸多優點：有效利用圍護結構表面，無需占有土地：原地發電、使用，節省送電網投資：增強供電可靠性：可確保建筑全部或大部分用電。如果把光伏陣列墻作為建筑的玻璃幕墻，采用大尺度的新型彩色光伏模塊代替昂貴的外裝飾材料，不僅降低了建筑造價，還呈現了獨特的建筑魅力。

太陽能由于其自身的諸多缺點，常規利用技術還存在很多問題和難點，應該說任何一種太陽能利用技術都不是完全獨立的，只有加強各技術間的綜合應用，才能夠克服單一技術的缺陷，實現更好更高效利用太陽能的目標，隨著人們對可再生能源認識的提高以及太陽能市場的逐漸成熟，太陽能光電轉換，光熱轉換以及太陽能熱電聯用等，在建筑節能上的應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]諾伯特.萊西納. 建筑師技術設計指南-采暖.降溫.照明. 北京：中國建筑工業出版社，2004 年8 月

[2]楊宏興，季節，婁承芝，太陽能光伏建筑一體化（BIPV）[J].新能源。1999，21（1）：27-30