建筑節(jié)能改造課程設(shè)計

2016至2017學(xué)年第一學(xué)期建筑新能源利用課程設(shè)計任務(wù)書一、概況某別墅位于蘭州近郊，見圖紙（104）。利用所學(xué)可再生能源知識為其進(jìn)行節(jié)能改造。二、設(shè)計要求1）提出可再生能源應(yīng)用的可行性方案；2）方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較；3）方案設(shè)計4）設(shè)備選型；5）施工、運(yùn)行等方面的具體要求。三、圖紙要求一張系統(tǒng)工作原理圖，3#圖紙。四、設(shè)計說明書要求要點：按照畢業(yè)設(shè)計說明書格式書寫，中英文摘要、目錄、緒論（1頁紙內(nèi)容）、工程概況、可再生能源建筑應(yīng)用方案、可再生能源建筑系統(tǒng)設(shè)計、施工、運(yùn)行及維護(hù)管理。五、設(shè)計時間安排1月10日提交說明書和圖紙，1月11日答辯。建筑新能源利用一節(jié)能改造摘要：太陽能資源在我國分布廣泛應(yīng)用技術(shù)日益提高，蘭州地處太陽能資源豐富地區(qū)。本設(shè)計旨在對既有建筑(三層別墅)進(jìn)行建筑節(jié)能改造，提出可再生能源應(yīng)用的可行性方案并進(jìn)行設(shè)計計算，綜合考率確定增設(shè)太陽房、太陽墻和太陽能集熱器，太陽墻技術(shù)既節(jié)約了采暖耗能，又解決了冬季保溫與通風(fēng)問題，太陽房可使建筑節(jié)約少量采暖能耗還可以提供花草種植場地，綠色環(huán)保零排放，太陽能集熱器可全年提供熱水節(jié)約燃?xì)夂兔禾肯牧?。本設(shè)計還在提供方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行太陽墻流量、集熱量和結(jié)構(gòu)計算；對附加陽光間高度、角度和外形的選擇；對集熱器進(jìn)行面積、安裝角度、安裝傾角和間距計算。關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能改造、太陽墻、附加陽光間、太陽能集熱器、集熱量、集熱面積。Constructionofnewenergy use—EnergysavingreconstructionAbstract:thesolarenergyresourcesinourcountryhasbecomeincreasinglywidespreadapplicationtechnology.Lanzhouislocatedintheabundantsolarenergyregion.Thisdesignisaimedattheexistingbuildings(threelayers)villabuildingenergyefficiencyrenovation,proposesthefeasibilityoftherenewableenergyapplicationschemeanddesigncalculation,comprehensiveexaminationratetodeterminethesunroom,wallandsolarcollector,solarwalltechnologyisbothsaveheatingenergyconsumption,andsolvedtheproblemsofwinterheatpreservationandventilation,solarhousecanmakethebuildingtosaveasmallamountofheatingenergyconsumptioncanalsoprovideflowersplantingarea,zeroemissionsofgreenenvironmentalprotection,solarcollectortoprovidehotwaterallyearroundtosavegasandcoalconsumption.Thisdesignalsoofferssolutionsinthesunonthebasisofthewallflow,heatandstructurecalculation;Theadditionalheight,Anglebetweenthesunandshapechoice;Thecollectorarea,installationAngleanddistancecalculation,installationAngle.Keywords:buildingenergyefficiencyreformation,solarwall,additionalsunrooms,solarcollector,heat,setshotarea.、可再生能源應(yīng)用分析1?1我國太陽能資源的分布據(jù)估算，我國陸地每年接受的太陽能輻射量約為5.02X1022J相當(dāng)于1.7萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，數(shù)量是非常巨大的。全國各地太陽能年輻射總量達(dá)3340?8370MJ/m2,中值為5860MJ/m2。因此，研究和發(fā)展太陽能的利用對我國今后能源與電力的發(fā)展有著特別重要的意義。我國太陽能資源分布的主要特點是：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯220~350這一帶，青藏高原是高值中心，那里平均海拔在4000m以上，大氣透明度好，緯度低，日照時間長。全國以四川省的年輻射總量最小，那里雨多、霧多、晴天較少。西部地區(qū)的太陽年輻射量高于東部地區(qū)，褚喜藏和新疆兩個自治區(qū)外基本上是南部低于北部。在北緯300~400地區(qū)，我國太陽能分布情況與一般太陽能隨緯度變化的情況規(guī)律相反，由于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，太陽輻射能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加而增加。下表綜合考慮日照時數(shù)和平均氣溫等因素將我國太陽能分為四個區(qū)：資源豐富區(qū)、資源較豐富區(qū)、資源一般區(qū)和資源貧乏區(qū)。表1-1全國太陽能利用區(qū)劃系統(tǒng)及區(qū)分特征分區(qū)A用輻照度■年）主要地區(qū)月平均氣溫孑田雪，[I照時地孑6小時天數(shù)資源豐富區(qū)>6280新疆南部.甘前西北--角275左右新馳南縹，西疲北部、西海27S-325甘肅西部，內(nèi)蒙古巴頓浦爾世西都、青籍一部分275-325青海南部青海西南部 _125Q7751250-300內(nèi)蒙古.內(nèi)弋集土盟.巴題海不盟及伊克昭昭i一分卜3M

南東南一部分云南西南一部分江西前南東部和廣西大部分江蘇南部廣東北部湖南西部、廣西北部一部分太卬能院海?！杭伟滋柲苜Y源??股區(qū)w太陰能廉謝茴芝區(qū)加5■275S02(｝介二的I】?廣均，觸1啟＞《眼曬刎￡275南東南一部分云南西南一部分江西前南東部和廣西大部分江蘇南部廣東北部湖南西部、廣西北部一部分太卬能院海?！杭伟滋柲苜Y源??股區(qū)w太陰能廉謝茴芝區(qū)加5■275S02(｝介二的I】?廣均，觸1啟＞《眼曬刎￡275左小尤陽蝌腐發(fā)?Miru'.旬)斯密北播___ ———內(nèi)簟古呼150—200175--?00225左右J25-P5L50-175125—175150-175四川，城州大部分成酈平原湖北、河南西部四川西部班州西部，有南東南一隅、國西部tiSV4小口 _- ——— —r京麗碼鳥竺察布、-―>275r*l-4UHPLIk _ - -T占林,遼寧】性自山地區(qū)-C225『山西北郡，.澗.II』部：/R部介、河北大部分,北摩，大:淖、山東西北部”。-275—■■■■-■^Lill西南部、河南大部故宜做，由東、江芯部分 _2IJ0-Z5O內(nèi)■蒙古伊克哂盟大郵辦_,275-300一陜北沒力市跖制一部分225-275押海斯加，1」肅南都，四川20031內(nèi)國都——四川南部、X南南部"部分200-旬西藏東部*/川西邰和孟鬲北部一部分?<250—175左右i、n、in類地區(qū)是我國太陽能資源較豐富地區(qū)，占全國總面積的2/3以上，都具有利用太陽能的有利條件。1?2太陽能供暖的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性1＞太陽能供熱采暖的技術(shù)可行性我們從能量品位、能量總量、能量儲存和輔助熱源4個方面來分析太陽能供暖在技術(shù)上的可行性。能量品位:建筑供暖用能，對采用散熱器形式的系統(tǒng)來說，一般需要60?70℃的低溫?zé)崮?。近些年興起的地板輻射換熱系統(tǒng)，只需要30?40℃的低溫?zé)崮?，這為太陽能供熱提供了必要條件。能量總量：一般一個家庭可按100m2左右的建筑面積估算，每平方米建筑面積所需要供暖熱能一般是20?30w，我們按30w估算則需要3000w的熱能沒填24h供應(yīng)，考慮到冬季較好的日照時間只有6h,要保證全天24h供暖，太陽能集熱器要提供的熱能應(yīng)是3000X(24^6)=12000w在晴朗的天氣，太陽的輻射強(qiáng)度約為1000w,一般天氣可按700?800w估算，太陽能集熱器的熱效率按照40%?50%估算，則每平方米太陽能集熱器的有效功率為300?400w,1200w供熱量需要30?40m2集熱器來提供。從上面的簡單計算可知，一個普通家庭100m2的建筑面積，有30?40m2的集熱器?即可滿足其供熱需求。這點可用一個簡單的比值來描述：集熱器面積：房屋采暖面積=1：2.5、1：3可見只有一層或兩層的低房屋建筑，可提供足夠的位置安裝這30?40m2的集熱器能量儲存：太陽能的一個主要缺點就是它的間歇性，不僅有白日夜晚之分，還有陰天、雨雪天氣無太陽能的情況，可采用以下方法解決1、設(shè)置一個較大的保溫水箱，能儲存白天收集太陽能的50%以用作夜晚供應(yīng)。比如一組40m2的集熱器，用1?2t的水箱即可。2、不特殊設(shè)計大水箱，而是利用房間的本身儲熱功能儲熱，對太陽能采暖房間要求較好的保溫隔熱措施。理論和計算多次試驗、示范證明，對一個隔熱保溫較好的房間，一個晚上的溫度只降低1℃左右，對房間舒適度影響極小。3、地下儲熱：這是一種現(xiàn)實可行的長期儲熱方法，可以實現(xiàn)季節(jié)性的儲存熱能，基本途徑是利用地下的土壤或者水窖來儲存熱能，在春夏秋季把水窖中的水加熱，水窖中的水又把周圍的土加熱，這樣在水窖周圍的土壤形成一個高溫區(qū)，這里的土壤既是儲熱材料又是隔熱材料，當(dāng)冬季水窖向房間供熱時，水窖內(nèi)的水溫會降低當(dāng)水窖內(nèi)的水溫低于周圍土壤溫度時，土壤中的溫度就會向水窖傳導(dǎo)，返回到水中向房間供熱。經(jīng)過理論分析和實驗證明，這是一種現(xiàn)實可行的有效的太陽能利用形式。4、輔助熱源：就是當(dāng)無太陽時用其他能源補(bǔ)充上，常用的有電輔助加熱，燃煤、燃?xì)狻⑷疾癫蒎仩t，熱泵加熱等。電加熱設(shè)備簡單，造價低用電熱管直接加熱即可但耗電量大在甘肅、陜西、河北等地方使用；用燃柴鍋爐符合低碳經(jīng)濟(jì)甚至零碳經(jīng)濟(jì)成本較低，現(xiàn)在的問題是如何充分利用；在天氣不太寒冷的地區(qū)可用熱泵做為輔助熱源，其冬季效能一般在2.0以上即消耗1kw的電能至少可得到2kw的熱能，比電加熱節(jié)省一半電能。從以上分析可以看出，用太陽能供熱采暖技術(shù)在技術(shù)上是完全可行的，太陽能的間歇性等問題已有辦法解決。2＞太陽能供熱采暖的經(jīng)濟(jì)可行性對于太陽能采暖經(jīng)濟(jì)可行性問題，我們從太陽能產(chǎn)品成本的降低、綜合系統(tǒng)成本的節(jié)約、傳統(tǒng)礦石能源價格上漲和環(huán)境效益幾個方面分析。1、太陽能產(chǎn)品成本大幅度降低：經(jīng)過三十多年的發(fā)展，我國已經(jīng)形成一個很大的太陽能產(chǎn)業(yè)，大大提高了生產(chǎn)效率降低了生產(chǎn)成本，降低了單件產(chǎn)品價格，以最基本的集熱元件玻璃真空管為例20世紀(jì)80年代一根真空管大約四五十元，而那時一個普通職工的工資也就四五十元，現(xiàn)在一根真空管不到十元，一個普通民工的月工資也有兩千元，其相對成本降低了數(shù)倍。太陽能產(chǎn)品成本的大幅度減低為大面積利用太陽能采暖打下經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，提供了經(jīng)濟(jì)上的可能性。2、綜合系統(tǒng)成本和管理成本得到節(jié)約：一家一戶的太陽能采暖要求與建筑相匹配相結(jié)合、相匹配。如果我們從房屋的建筑設(shè)計上就考慮到太陽能集熱器的安裝那么太陽能呢過采暖系統(tǒng)可采用小水箱或者無水箱設(shè)計，以降低系統(tǒng)成本。此外，采用地下季節(jié)性長期儲熱系統(tǒng)的設(shè)計，可以大幅度減少集熱器的面積，若整個系統(tǒng)設(shè)計合理，隨著水窖技術(shù)的設(shè)計完善、成熟也有可能降低系統(tǒng)造價。太陽能采暖一般需要的集熱面積都較大，每家每戶都是一個太陽能工程，一旦這項技術(shù)推開，則每個村幾十幾百戶都可能裝有大面積的熱水器，每個村鎮(zhèn)就有可能設(shè)置專門的維護(hù)人員，這即可能提高集熱器的使用質(zhì)量，也必將大大降低單位集熱面積的維護(hù)成本，從而降低單位面積的造價。3、傳統(tǒng)礦石能源價格的上漲：隨著社會的發(fā)展，人類對能源的消耗將不斷增加，這是一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。汽油已從幾年前的每升一元多上漲到現(xiàn)在的6元多，生活用煤已從幾年前的每頓以一百多元上漲到一千多元，僅從經(jīng)濟(jì)上看用太陽能采暖已具有競爭力。4、環(huán)境效益提高和居住環(huán)境改善：太陽能供暖對整個社會的環(huán)境效益及對低碳經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)是有目共睹的。如果我國大部分的地區(qū)都用太陽能采暖，每年就會節(jié)省數(shù)億噸的煤炭等礦石能源減少億噸的碳排放。廣大農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的冬季采暖基本上是三種形式，一種是原始的柴草燒火炕取暖，一種是在房間我是直接燃燒煤爐炭火取暖，另一種是靠土暖氣供暖。前兩種很不穩(wěn)定夜晚爐火熄滅溫度會很快降下來而且會產(chǎn)生大量煙氣污染室內(nèi)環(huán)境，腐蝕墻壁、衣物、家具飾品還可能導(dǎo)致中毒事件，長期生活在這種環(huán)境下人們的發(fā)病率會增高，冬季發(fā)病率和死亡率的升高，供暖條件差是其主要原因，安裝土暖氣的家庭條件較好些但燃燒狀況時好時壞，室內(nèi)溫度很不穩(wěn)定而且安裝在室內(nèi)也會污染環(huán)境。太陽能供暖可以完全避免煤灰煙氣對室內(nèi)的污染，而且自動控制系統(tǒng)會大大提高其供熱質(zhì)量?？傊?，采用太陽能供暖，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面都已具備與傳統(tǒng)能源的競爭力，必將迅速的發(fā)展起來。?3蘭州地理位置及資源狀況分析蘭州處北緯36.030地處資源較豐富地區(qū)，月平均氣溫三10℃、日照時數(shù)三6小時天數(shù)在200?300天，太陽能保證率為30%?50%（短期蓄熱）、40%?60%（長期蓄熱），室外平均溫度為-2.8℃計算采暖天數(shù)為132天，耗熱量指標(biāo)為20.8W/m2,耗煤指標(biāo)為13.2kg/m2該別墅總面積為157m2共三層。二節(jié)能方案技術(shù)比較2?1總體設(shè)計原則綜述2-1-1合理確定太陽能熱利用技術(shù)類型應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)是建筑節(jié)能設(shè)計的重要技術(shù)手段，太陽能熱利用系統(tǒng)與建筑一體化就是其設(shè)計工作的關(guān)鍵。規(guī)劃中要結(jié)合建筑單位體或群體的功能特點及對太陽能熱利用的需求來確定太陽能熱利用系統(tǒng)的技術(shù)類型，包括太陽能提供熱水、利用太陽能供熱采暖、利用太陽能制冷空調(diào)以及綜合利用等。在總體規(guī)劃設(shè)計師需要充分調(diào)研、仔細(xì)分析、科學(xué)評估、統(tǒng)籌規(guī)劃。實際工作要綜合分析環(huán)境氣候特點、太陽能資源、常規(guī)輔助能源以及供給條件，再與建筑功能需求和投資多少結(jié)合起來，做經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，權(quán)衡利弊，找出最佳的可行的應(yīng)用方式，科學(xué)合理地確定太陽能利用技術(shù)類型。這是太陽能熱利用與建筑一體化規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)考慮的首要問題。2-1-2建筑設(shè)計與太陽能熱利用系統(tǒng)設(shè)計同步進(jìn)行應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)的單體建筑或建筑群體，無論在做規(guī)劃布局設(shè)計還是在做單體布局設(shè)計時，均應(yīng)與太陽能熱利用系統(tǒng)設(shè)計同步進(jìn)行，以保證所選的太陽能熱利用系統(tǒng)各個部分及其輔助設(shè)施與建筑規(guī)劃布局直至單體建筑設(shè)計能夠有機(jī)結(jié)合，成為建筑規(guī)劃設(shè)計中合理的不可分割的部分。2-1-3建筑設(shè)計應(yīng)滿足的技術(shù)要求應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)的建筑或建筑群體，規(guī)劃設(shè)計中，除像一般規(guī)劃設(shè)計要考慮的建筑功能，場地條件，周邊環(huán)境等制約規(guī)劃設(shè)計的諸多因素外。確定建筑布局、群體組合和空間環(huán)境時還特別需要結(jié)合場地的地理條件、當(dāng)?shù)氐赜虻臍夂驐l件、日照條件（太陽能資源）等因素來確定和設(shè)計建筑的朝向、建筑之間的間距以及建筑形體組合，最大限度的滿足太陽能熱利用系統(tǒng)設(shè)計和安裝的技術(shù)要求。2?1?4太陽能集熱系統(tǒng)選型太陽能集熱系統(tǒng)的選型是應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)建筑規(guī)劃設(shè)計的重要內(nèi)容，設(shè)計者不僅要創(chuàng)造新穎美觀的建筑體形及立面造型，合理設(shè)計太陽能集熱系統(tǒng)各組成部分的安裝安放位置，還要結(jié)合建筑功能及其對熱水供應(yīng)方式的需求，綜合考慮太陽能資源常規(guī)輔助能源類型，可供給的方式與條件，施工條件等因素，比較不同類型太陽能集熱系統(tǒng)的性能、優(yōu)缺點、造價，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。在充分綜合比較后，酌情選擇適用的、性能價格比高的太陽能集熱系統(tǒng)。2?1?5太陽能集熱器的設(shè)置太陽能集熱器是太陽能集熱系統(tǒng)的重要組成部分，也是應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)建筑設(shè)計中需重點設(shè)計的內(nèi)容，在建筑上合理設(shè)計太陽能集熱器的安裝位置尤為重要。太陽能集熱器一般設(shè)置在建筑屋面（平、坡屋面）、陽臺欄板、建筑外墻面上或設(shè)置在建筑的其他部位，如女兒墻、建筑屋頂?shù)呐苌稀⑸趸蛟O(shè)置在建筑的遮陽板上、建筑物的屋頂飄板等能充分接受陽光的位置。建筑設(shè)計需將所設(shè)置的太陽能集熱器作為建筑的組成元素，與建筑有機(jī)結(jié)合，保持建筑統(tǒng)一、和諧的外觀，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。設(shè)置在建筑任何部位的太陽能集熱器應(yīng)與建筑錨固牢靠，保證其安全堅固，同時不得影響該建筑部位的承載、防護(hù)、保溫、防水、排水等相應(yīng)的建筑功能。2-1-6既有建筑改造增設(shè)太陽能熱利用系統(tǒng)在既有建筑物上增設(shè)或改造應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)，必須經(jīng)建筑結(jié)構(gòu)復(fù)核，滿足建筑結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的安全性要求，不得破壞建筑物的結(jié)構(gòu)，影響其建筑物承受荷載的能力，也不得損害建筑的外形及室內(nèi)外的附屬設(shè)施，更不得破壞屋面和地面的防水構(gòu)造。同時，建筑物改造安裝太陽能熱利用系統(tǒng)，不得降低相鄰建筑的日照標(biāo)準(zhǔn)。為確保系統(tǒng)的安全性系統(tǒng)安裝后應(yīng)滿足其避雷設(shè)計的要求。2-1-7考率太陽能熱利用系統(tǒng)的維護(hù)應(yīng)用太陽能熱利用系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計，其重要組成部分的太陽能集熱器使用壽命有限，一般在10年左右，而建筑的壽命通常在50年以上。太陽熱利用系統(tǒng)各個部件在使用中不僅需要安全安裝維護(hù)，如太陽能集熱器還需要保養(yǎng)更換。為此，建筑設(shè)計不僅要考慮地震、風(fēng)荷載、雪荷載、冰霉等自然破壞因素，還應(yīng)為太陽能熱利用系統(tǒng)的日常維護(hù)尤其是太陽能集熱器的安裝、維護(hù)、日常保養(yǎng)、局部更換提供必要的安全便利條件。2?2太陽能建筑應(yīng)用技術(shù)2-2-1集熱蓄熱墻體技術(shù)集熱蓄熱墻體就是在直接受益式太陽墻和窗的后面筑起一道重型結(jié)構(gòu)墻，利用重型結(jié)構(gòu)墻的蓄熱能力和延遲傳輸?shù)奶匦垣@取太陽的輻射熱。這種形式的太陽房在供熱機(jī)理上與直接受益式不同，屬于間接受益太陽能采暖系統(tǒng)。墻體吸收太陽輻射熱，一部分通過透明蓋層向外損失，另一部分加熱夾層內(nèi)的空氣，從而使夾層內(nèi)的空氣與室內(nèi)空氣密度不同，托通過上下通風(fēng)口形成自然對流由上通風(fēng)孔將熱空氣送進(jìn)室內(nèi)，第三部分則通過集熱蓄熱墻體向室內(nèi)輻射熱量。這種集熱蓄熱墻體式太陽房已成為目前廣泛應(yīng)用的被動式太陽房采暖形式之一，集熱蓄熱墻式與直接受益式相結(jié)合，即可充分利用南墻集熱又可域建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并且室內(nèi)晝夜溫度波動較小，墻體表面涂成深色、墻體與玻璃之間的夾層安裝波形鋼板和透明熱阻材料都可以提高系統(tǒng)集熱效率?？赏ㄟ^模擬計算或選擇經(jīng)驗數(shù)值確定空氣間層的厚度及通風(fēng)口的尺寸，這是影響集熱效果的重要數(shù)值。集熱蓄熱墻體的特點是在充分利用南墻面的情況下，能使室內(nèi)保留一定的南墻面，便于室內(nèi)家具的布置，可適用不同房間的使用要求，與直接受益窗結(jié)合使用，即可充分利用南墻集熱又能與磚混結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求相適應(yīng)：用磚石等材料構(gòu)成的集熱蓄熱墻體，墻體蓄熱在夜間向室內(nèi)輻射，使室內(nèi)晝夜溫差波幅小；在頂部設(shè)置夏季向室外的排氣口，可降低室內(nèi)溫度。集熱墻外表面涂有吸收層，與集熱墻體本身相比，吸收率增大，但伴隨表面墨度的增大，墻的長波輻射熱損失也有所增多，部分的抵消了吸收率提高所產(chǎn)生的增益，總起來說，采用涂層能使蓄熱墻效果增強(qiáng)，為了在提高吸收率的同時降低表面黑度，人們開始研究采用選擇性涂層，實驗表明，采用選擇性涂層的效果非常顯著?，F(xiàn)在選擇性涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽能熱水器集熱器的制作。熱體在室內(nèi)設(shè)置在陽光直射到的地方是最理想的。地板是最佳位置，但地板面積往往被家具遮擋，所以，需熱體配置在東、西、北墻或內(nèi)墻也是可以的。2-2-2墻體保溫隔熱技術(shù)(1)不管是新房還是舊房，都可采取墻壁的外墻保溫法，即在外墻壁上輔掛6?8cm的聚苯乙烯泡沫塑料隔熱材料。這種方式隔熱性能最好，沒有熱橋產(chǎn)生，且整個墻壁都能成儲熱體。(2)屋頂也要采取隔熱措施，最好在房頂外層鋪覆隔熱層。對舊房也可采用吊頂?shù)姆椒ㄤ伕哺魺釋印?3)對新房可采用夾芯墻，即把隔熱材料放置在內(nèi)外墻中間。屋頂可根據(jù)大陽能集熱器的安裝的需要來設(shè)計。2-2-3附加陽光間被動式太陽房是不用機(jī)械動力而在建筑物本身采取一些措施后，直接利用太陽輻射能采暖的房間。附加陽光間式就是在向陽側(cè)設(shè)透光玻璃構(gòu)成陽光間接受日光照射，陽光間與室內(nèi)空間由墻或窗隔開，蓄熱物質(zhì)一般分布在隔墻內(nèi)和陽光間地板內(nèi)。因而從而室內(nèi)供熱來看，其機(jī)理完全與集熱墻式太陽房相同，是直接受益式和集熱蓄熱式的組合。隨著對建筑造型要求的提高，這種外形輕巧的玻璃立面普遍受到歡迎。陽光間的溫度一般不要求控制，可結(jié)合南廊、入口門廳、休息廳、封閉陽臺等設(shè)置，心用來養(yǎng)花或栽培其他植物，所以附加陽光間式太陽房有時也稱為附加溫室式天陽房。與集熱墻式被動房相比，該形式具有男集熱面積大、升溫快的特點，與相鄰內(nèi)側(cè)房間組織方式多樣，中間可設(shè)磚石墻、落地門窗或帶檻墻的門窗；但由于附加陽光間將增大透明蓋層的面積，是散熱面積增大，因而降低所收集陽光的有效熱量。在陽光間結(jié)構(gòu)上作些改進(jìn)，也可以收到較好的效果。2-2-4蓄熱體在被動式太出房中需設(shè)置一定數(shù)量的蓄熱體。它的主要作用是在有日照時吸收并蓄存過剩的太陽輻射熱；而當(dāng)百天無日照時或在夜間(此時室溫呈下降趨勢)向室內(nèi)放出熱量，以提高室內(nèi)溫度，從而大大地減小室溫的波動。同時由于降低了室內(nèi)平均溫度，所以也減少了向室外的散熱。蓄熱體的構(gòu)造和布置將直接影響集熱效率和室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。對集熱體的要求是：蓄熱成本低，單位容積的蓄熱量大；對儲存器無腐蝕和或腐蝕作用小；資源豐富，當(dāng)?shù)厝〔?；容易吸熱和防熱；耐久性高。蓄熱材料分為顯熱和潛熱兩天類：(1)顯熱類蓄熱材料：顯熱是指物質(zhì)在溫度上升或下降時吸收或放出熱量，在此過程中物質(zhì)本身不發(fā)生任何其他變化。顯熱類蓄熱材料有水、熱媒等液體及卵石、砂、土、混凝土、磚等固體。它們的蓄熱量取決于材料的容積比熱值(V?C)。(2)潛熱類蓄熱材料：潛熱蓄熱又稱相變蓄熱或溶解熱蓄熱，是利用某些化學(xué)物質(zhì)發(fā)生相變時吸收或放出大量熱量的性質(zhì)來實現(xiàn)蓄熱的。相變材斜具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。一般有兩種：1、固體一液體：物質(zhì)由固態(tài)溶解成液態(tài)時吸收熱量；其相反，物質(zhì)由液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)時放出熱量。2、液體一氣體：物質(zhì)出液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)時吸收熱量；其相反，物質(zhì)由氣態(tài)冷凝成固態(tài)時放出熱量。2-2-5集熱屋面把生熱器放在玻屋面、用混凝土地板作為蓄熱體的系統(tǒng)，冬季，室外空氣被屋面下的通氣槽引人，積蓄在屋檐下，被安裝在屋頂上的玻璃集熱板加熱，上升到屋頂最高處，通過通氣管和空氣處理器進(jìn)入垂直風(fēng)道轉(zhuǎn)入地下室，加熱室內(nèi)厚水泥地板，同時熱空氣從地板通風(fēng)口流入室內(nèi)。該系統(tǒng)也可在加熱室外新鮮空氣的同時加熱室內(nèi)冷空氣，但是需要在室內(nèi)上空設(shè)風(fēng)機(jī)和風(fēng)口，把空氣吸入并送到屋面集熱板下。夏季夜晚系統(tǒng)運(yùn)行與冬季白天相同，但送人室內(nèi)的是涼空氣，起到降溫作用。2-2-6太陽墻采暖新風(fēng)技術(shù)太陽墻系統(tǒng)由集熱和氣流輸送兩部分系統(tǒng)組成，房間是儲熱器。集熱系統(tǒng)包括垂直墻板、遮雨板和支撐框架。氣流輸送系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)和管道。太陽墻板材覆于建筑外墻的外側(cè)，上面開有小孔，與墻體的間距由計算決定，一般在200mm左右，形成的空腔與建筑內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的管道相連，管道中設(shè)置風(fēng)機(jī)，用于抽取空腔內(nèi)的空氣。沖壓成型的太陽墻板在太陽輻射作用下升到較高溫度，同時太陽墻與墻體之間的空氣間層在風(fēng)機(jī)作用下形成負(fù)壓，室外冷空氣在負(fù)壓作用下通過太陽墻板上的孔洞進(jìn)入空氣間層，同時被加熱，在上升過程中再不斷被太陽墻板加熱，到達(dá)太陽墻頂部的熱空氣被風(fēng)機(jī)通過管道系統(tǒng)送至房間。與傳統(tǒng)意義上的集熱益熱墻等方式不同的是，太陽墻對空氣的加熱主要是在空通過墻板表面的孔縫的時候，面不是空氣在間層上升的階段。太陽墻板外表面為深色（吸收太陽輻射熱），內(nèi)表面為淺色（減少熱損失）。在冬季天氣晴朗時，太陽墻可以把空氣溫度提高30℃左右。夜晚，墻體向外散失的熱量被空腔內(nèi)的空氣吸收，在風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下被重新帶回室內(nèi)。這樣既保持了新風(fēng)量，又補(bǔ)充了熱量，使墻體起到了熱交換器的作用。夏季，風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，室外熱空氣可從太陽墻版底部及孔洞進(jìn)入，從上部和周圍的孔洞流出。熱量不會進(jìn)人室內(nèi)，因此不需要特別設(shè)置排氣設(shè)置。太陽墻板材是由1-2mm厚的鍍鋅鋼板或鋁板構(gòu)成，外側(cè)涂層具有強(qiáng)烈吸收太陽熱、阻擋紫外線的良好功能，一般是黑色或深棕色，為了建筑美觀或色彩協(xié)調(diào)，其他顏色也可以使用，主要的集熱板用深色，裝飾遮板或頂遞的飾業(yè)用社充色。為空氣流動及加熱需要，板材上打有孔洞，孔洞的大小、間距和數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑物的使用功能與特點、所在地區(qū)緯度、太陽能資源、輻射熱量進(jìn)行計算和實驗確定，能平衡通過孔口流人的空氣量和被送人距離最近的風(fēng)扇的空氣量，以保證氣流持續(xù)穩(wěn)定均勻，以及空氣通過孔洞獲得最多的熱量。不希望有空氣滲透的地方，例如接近頂部處，可使用無孔的同種板材及密封條。板材由鋼框架支撐，用自攻10螺栓固定在建筑外墻上。?3最終方案確定蘭州處北緯36.030地處資源較豐富地區(qū)，月平均氣溫三10℃、日照時數(shù)三6小時天數(shù)在200~300天，太陽能保證率為30%~50%（短期蓄熱）、40%~60%（長期蓄熱），該別墅總面積為157m2共三層。方案如下：在東墻附加太陽墻提供客廳、臥室以及娛樂場所供暖；在屋頂安裝太陽能集熱器提供熱水，墻體采用保溫隔熱材料以達(dá)到能量儲存，不需要設(shè)置儲熱設(shè)備，輔助熱源為電加熱；二樓陽臺增設(shè)陽光間。三、方案設(shè)計計算及經(jīng)濟(jì)效益分析?1太陽墻設(shè)計計算太陽墻的計算是基礎(chǔ)，因此在進(jìn)行太陽墻的熱壓作用、傳熱換熱性能分析計算，太陽墻內(nèi)的速度場、溫度場，維護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場數(shù)值模擬之前，首先對太陽墻經(jīng)行簡單的計算。它包括太陽墻參數(shù)及性能的指定，太陽墻的集熱量、送風(fēng)量及結(jié)構(gòu)尺寸的計算等3-1-1太陽墻參數(shù)及性能住宅條件蘭州地區(qū)某3層的居民別墅，三個需供暖房間住宅樓尺寸長m寬m高層高房間數(shù)層數(shù)11.514.2521333面積157m2（每層）3-1-2太陽墻板設(shè)計美國能源部國家可再生能源實驗室（NERL）對太陽墻的定義：是一種深色的帶孔的金屬薄板，以他為材料的墻體吸收太陽輻射，在建筑風(fēng)機(jī)的抽吸作用下加熱進(jìn)入自身的小孔的外界新鮮空氣。3-1-3太陽墻材料結(jié)構(gòu)太陽墻的主要材料是一種深色的褶皺的多孔的鍍鋅鋼薄板或鋁制薄板，它被豎直的平行的安裝在距建筑外墻15cm—20cm處，褶皺的目的是為了增加板材的強(qiáng)度，其形狀可以不同，空洞的形狀和數(shù)目應(yīng)根據(jù)建筑的使用功能、太陽能資源進(jìn)行計算和實驗確定。典型的有0.8mm厚的鋁板，上有直徑1.6mm圓孔的板材。3-1-4太陽墻性能經(jīng)加拿大美國相關(guān)部門的跟蹤測試，太陽墻的運(yùn)行效率在75%[1]以上，依據(jù)不同的流量，空氣溫升為16℃—40c它除了吸收直射輻射外，還吸收漫射輻射。太陽墻選用0.8mm厚的鋁板，上有直徑1.6mm圓孔的板材，取太陽墻的運(yùn)行效率為75%。3-1-5太陽墻的集熱量、送風(fēng)量及結(jié)構(gòu)尺寸1、根據(jù)單位面積熱指標(biāo)法估算住宅樓的熱負(fù)荷Q=q-FX10-3Q----建筑物的供暖設(shè)計熱負(fù)荷，KW；q----建筑物供暖面積熱指標(biāo)，W/m2F----建筑物的建筑面積，m2本設(shè)計取建筑物供暖面積熱指標(biāo)q為60W/m2,三層的住宅樓的建筑面積F為471m2。由此可得建筑的供暖設(shè)計熱負(fù)荷Q為28.26KW；2、太陽墻的集熱面積、集熱量表3-2冬季太陽總輻射照度（W/m2）一月北緯36.03大氣透明度五級時亥U810121416太陽總輻射照度115432557432115假設(shè)建筑物南立面全部布置太陽墻系統(tǒng)，太陽墻的集熱面積F=117.6m2，考慮到太陽墻的集熱效率為75%由公式w=F?I?nX10-3W——太陽墻集熱量，KW;I----冬季太陽輻射照度W/m2n 太陽墻的集熱效率；因此可得在不同時刻的集熱量如下表:時亥U810121416太陽墻集熱量10.1438.149.1338.110.14可知太陽墻平均集熱量為29.12kw>28.26kw,即該墻體的集熱量滿足別墅的熱負(fù)荷要求。3、冬季太陽墻送風(fēng)量西寧冬、夏空調(diào)室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)表3-4舒適型空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計算參數(shù)12參數(shù)冬季夏季溫度1826風(fēng)速0.20.3相對濕度5050表3-5室外計算參數(shù)地名年平均溫度冬季空調(diào)室外相對濕度室外計算干球溫度（℃）夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度（℃）冬季夏季采暖空氣調(diào)節(jié)最低日平均通風(fēng)通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)日平均計算日較差蘭州11.437-7.5-9.8-7-83033.629.18.826.3送風(fēng)量可利用余熱量中的顯熱部分和送風(fēng)溫差來計算。即G二 QX1.01（to-tn）G 送風(fēng)量kg/s;QX----顯熱量kw; 近似取為熱負(fù)荷值/——室內(nèi)溫度℃ 室內(nèi)設(shè)計溫度18℃；t0----送風(fēng)溫度℃ 送風(fēng)溫度取為28℃；由此可得：G=2.7kg/s經(jīng)換算G=2.3m3/s；選擇軸流式風(fēng)機(jī)，三個送風(fēng)管800X1800流速4.67m/s太陽墻內(nèi)溫升：由冬季空調(diào)室外設(shè)計溫度（-9.8℃）、送風(fēng)溫度之差可確定太陽墻內(nèi)的溫升為37.8℃。4、冬季太陽墻結(jié)構(gòu)尺寸計算已知太陽墻在不同時刻的集熱量，由W=1.01?m-At可得太陽墻內(nèi)的質(zhì)量流量mW——太陽墻集熱量，KW;M----太陽墻內(nèi)的質(zhì)量流量kg/s;At----太陽墻內(nèi)的溫升℃;

表3-6冬季太陽墻在不同時刻時太陽墻內(nèi)的流量時亥U810121416太陽墻0.270.991.290.991.9內(nèi)的流量kg/skg/skg/skg/skg/s(0.21(0.77(1(0.77(0.21m3/s)m3/s)m3/s)m3/s)m3/s)根據(jù)上表的數(shù)據(jù)，由連續(xù)性方程可得太陽墻在各個流量下不同截面尺寸（長義寬）（m2）下的流速（m/s）表3-7冬季太陽墻在不同時刻不同流量不同截面尺寸時，太陽墻內(nèi)的流速(m/s)時亥U810121416太陽墻0.270.991.290.991.9內(nèi)的流量kg/skg/skg/skg/skg/s(0.21(0.77(1(0.77(0.21m3/s)m3/s)m3/s)m3/s)m3/s)截面尺寸（40義0.10）（m2）0.0520.1920.2500.1920.052截面尺寸（40義0.15）（m2）0.0350.1280.1670.1280.035截面尺寸（40義0.20）（m2）0.0330.0960.1250.0960.033下表1-2層是太陽墻，3-8層是圍護(hù)結(jié)構(gòu)層，在太陽墻與維護(hù)結(jié)構(gòu)層之間是空氣層2材料名稱厚度(mm)導(dǎo)熱系數(shù)W/m?℃密度kg/m3比熱KJ/kg?K1鋁0.820327000.922空氣2000.0261.1351.013花崗巖石板材253.4928000.924水泥沙漿200.9318001.055聚苯乙烯泡沫塑料600.042301.386純石膏板100.3310501.057純石膏2001.7425000.9214板8水泥砂漿200.9318001.053?2附加陽光間3-2-1太陽房的建設(shè)地點、朝向和房間距的確定正確確定太陽房的建設(shè)地點、朝向和房間距，是能否充分利用太陽能，達(dá)到冬暖夏涼的關(guān)鍵，建房前一定要在當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門允許的情況下，合理地選擇建設(shè)地點、朝向和房間距。.被動式太陽房的建設(shè)地點被動式太陽房的建設(shè)地點最好選在背風(fēng)向陽的地方；周圍沒有高大建筑物或樹木遮擋：附近沒有粉塵污染嚴(yán)重的工廠，如水泥廠等。建造太陽房的地區(qū)，應(yīng)該是太陽能資源豐富或可利用的地區(qū)，在同一個地區(qū)還應(yīng)該注意建造太陽房的小區(qū)環(huán)境，要注意闖圍環(huán)境對太陽房的不利影響。同時，注意太陽房的室外綠化，構(gòu)成所謂“生物氣候”，這也是一種太陽的利用。本設(shè)計在別墅二樓陽臺增設(shè)陽光間，采光面積良好，面積充足。.被動式太陽房的朝向被動式太陽房應(yīng)朝向正南方，在偏東、偏西15”范圍內(nèi)效果也較好。因為從太陽房設(shè)計的需要來看，在北半球正南朝向的房屋是有利于太陽能采暖的主要條件之一，是能否有效地利用太陽能的關(guān)鍵問題，它直接影響太陽房性能的好壞。設(shè)計合理的太陽房，在采暖季節(jié)里它的南向房間可以受到最多的直射陽光，而在夏季時照入室內(nèi)的直射陽光又最少。不同緯度的房間南立面接收的太陽輻射能不同。不同方位接收太陽輻射能是不同的，比如在同樣月份，建筑物由于偏南角度不同，接收太陽輻射能的情況也是不同的。偏南角度00100150200300400500600700800900輻射情況10098979388797059494134雖然被動式太陽房建設(shè)的朝向是在南偏東、偏西150范圍內(nèi)效果最好，但也要符合建筑物總體規(guī)劃的要求。根據(jù)多年的觀測，白天要求升溫快的房間或只是白天使用的房間，如教室、辦公室等。向偏東為好，最好的朝向是南偏東5°?10”之間；晚上要求溫度高的房間，如住宅的臥室。朝向偏西為好，最好的朝向是南偏西5°?10°之間。.被動式太陽房與前棟房屋之間的間距由于被動式太陽房要求在冬至日從上午9時至下午3時有6個小時的光照條件。由下式可以計算出兩棟房屋之間的日照間距：Do=H,cosY/tanh=H式中：Do——兩棟房屋之間的日照間距，當(dāng)前棟建筑物有挑檐時，計算后的15Do應(yīng)加挑檐長度：H——前棟建筑物的遮擋高度；Y——冬至日9時太陽光線方向與房屋南墻面法線之間的夾角；h.——冬至日9時太陽高度角，是太陽光線與水平面之間的夾角：——冬至日9時日照間距系數(shù)，部分城市經(jīng)緯度及冬至日上午9時正南朝向房屋日照間距系數(shù)可查表本設(shè)計為別墅不考慮遮擋情況，朝向是在南偏東15°.太陽房的外部形狀與內(nèi)部房間的布置太陽房的外部形狀對集熱、保溫、隔熱都有影響，因為南墻是被動式太陽房的主要集熱部件，南墻面積越大，所獲得的太陽能越多，因此，被動式太陽房的最佳平面形式是沿東西方向伸展的矩形平面形式。雖然矩形平面形式對集取太陽能有利，但是矩形平面形式的陰面面積也同樣增大，散熱面積增多，散熱量加大，因此，為了充分利用室內(nèi)收集的有限的太陽能資源，對太陽房的維護(hù)結(jié)構(gòu)要進(jìn)行保溫處理。另外，考慮到太陽能房屋立面造型的美觀、靈活，平面形式可進(jìn)行適當(dāng)凸凹變化，但變化不宜太大、太多，否則影響采光窗采光。根據(jù)建筑抗震要求，太陽房的平面形狀也不宜變化太大，否則影響建筑物的抗震能力。太陽房的內(nèi)部房間布置應(yīng)根據(jù)房間的用途來確定，應(yīng)將主要房間如住宅的臥室、起居室和學(xué)校的教室、辦公室等放在陽面，將輔助房間如住宅的廚房、廁所、雜物間和學(xué)校的走廊、樓梯等放在陰面。.太陽房的高度要求在太陽房面積確定的情況下，房屋越高，散熱面積越大，耗熱量越多。因此，在確保太陽房使用功能的情況下，應(yīng)盡量減小房屋高度，這樣對太陽能供暖是有利的。以住宅為例，一般太陽能供暖住宅層高不宜超過2.8m，層數(shù)不宜超過5層，6層以上因風(fēng)速增加，抵消了熱量，不宜采用太陽能采暖技術(shù)。本設(shè)計太陽房高度位2.8米，形狀為矩形。3?2?2太陽房墻體的設(shè)計墻體是建筑物的最主要部分。墻體除了具有承重功能外，還具有維護(hù)和分隔房間的作用太陽房的墻體除了具有一般墻體的功能外，還具有集熱、蓄熱和保溫的作用。墻體是太陽房的重要集熱部件，同時也是較大的散熱部件，其熱損失占整個房屋熱損失的30%左右。一般民用住宅在確定外墻的保溫設(shè)計時，是以內(nèi)墻皮不結(jié)露為原則，因而外維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻值普遍偏低。我國北方地區(qū)通用的一磚半墻（370mm）及二磚墻（490mm）,其熱阻值僅分別為0.86?1.15m2-K/W。所以，實體磚墻必須進(jìn)行改革或改革墻體構(gòu)造，滿足外維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，這主要是靠選用導(dǎo)熱系數(shù)小的維護(hù)結(jié)構(gòu)材料、增加墻體的熱阻值來達(dá)到的。膨脹珍珠巖、礦棉、聚苯乙烯泡沫板等（在氣候干燥的地區(qū)，也可以利用經(jīng)過防腐處理的高梁殼、棉秸稈、牛馬干糞等）。該做法稱為“夾芯復(fù)合保溫墻”。保溫層的厚度由熱工計算給出。材料熱阻R的計算公式為：16R=6/人式中：6——材料厚度，mm；入一一材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m-K)。復(fù)合墻體總熱阻等于各層材料熱阻之和，查表可知常用復(fù)合墻體的熱阻值。表3-2各緯度地區(qū)墻體保溫層厚度參考值緯度450以北430~440400~420370~390360以南保溫層厚度(mm)>120100~12080~10060~80<60本設(shè)計為蘭州地區(qū)北緯36.03。故取60mm，材料選擇珍珠巖，保護(hù)墻以120mm磚墻計算得熱阻值為1.79。被動式太陽房的墻體一般采用兩種復(fù)合保溫墻體，一種是夾心復(fù)合保溫墻體，一種是外墻保溫復(fù)合保溫墻體。.夾芯復(fù)合保溫墻體夾芯復(fù)合保溫墻體的結(jié)構(gòu)如大圖所示。通常做成里外兩層墻體中間放保溫材料。一般做法是里側(cè)砌240mm厚的承重墻，中間放置60?120mm厚的保溫材料，外側(cè)砌60mm或120mm厚的保護(hù)墻，里外兩墻體用拉結(jié)筋拉在一起，形成一個整體。將承重墻放在內(nèi)部有兩方面的好處：一是承重墻墻體厚，儲存的熱量多，有利于保持室內(nèi)溫度；二是有利于建筑結(jié)構(gòu)，承重墻置于保層內(nèi)部，使承重墻沒有凍融循環(huán)，因為磚受凍融循環(huán)15次，其抗壓強(qiáng)度降低25%左右，影響墻體的承載力。.外墻保溫復(fù)合保溫墻體這種方法是在墻體建成后，再在外側(cè)貼聚苯乙烯泡沫板，然后掛鋼絲網(wǎng)抹水泥沙整保護(hù)層。外墻保溫的特點是隔熱性能好，沒有“冷橋”產(chǎn)生，整個墻體都可成為儲熱體，增大房屋的儲熱功能，使房間溫度波動性減小。其缺點是外墻壁施工難度較大，其耐久性差。墻體材料可采用實體磚，也可采用空心構(gòu)件和輕混凝土制品，如空心磚、加氣混凝土砌塊、陶?；炷涟宀牡?。本設(shè)計選擇外墻保溫復(fù)合保溫墻體四、相關(guān)設(shè)備選擇4?1太陽能集熱器的選型4-1-1集熱器面積的確定1、供暖保證率根據(jù)用熱量來確定集熱器的面積，這似乎是個簡單的問題，但是由于太陽能有其間歇性不穩(wěn)定性、能量密度較低等特點，往往單靠太陽能不能獨立完成任務(wù)，常常要設(shè)置輔助熱源，所以就提出保證率問題，即太陽能所提供的熱量占所需總熱量的百分比。到底太陽能的保證率應(yīng)是多少合適?不同的地區(qū)、不同的條件、不同的節(jié)能理念有很大的不同。建設(shè)部編寫的“太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范”中提出的采暖保證率如表所示。資源區(qū)分短期蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率季節(jié)蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率I三50%三60%II30%?50%40%?60%III10%?30%20%?40%w5%?10%10%?20%我國大部分地區(qū)屬于n、i類資源較豐富和資源尚可的一般地區(qū)。根據(jù)表2-5提出的太陽能供熱采暖的保證率，11類資源較富區(qū)達(dá)到30%就達(dá)標(biāo)了，I、II類資源一般區(qū)達(dá)到10%就達(dá)標(biāo)了。這顯然是一個比較低的達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，可能是考慮到全國各地各種不同的條件都能使用。北京地區(qū)在奧運(yùn)會前后幾年也搞了不少太陽能采暖工程，例如何梓年等主編的《太陽能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊》中收錄了北京市幾家太陽能采暖工程，太陽能的采暖保證率都在30%?40%之間。2、采熱負(fù)荷計算下面我們用計算的方法來分析太陽能采暖的保證率和集熱器面積。該別墅可按157m2（除去車庫為方便近似為100m2）的建筑采暖面積計算，其中包括2?3間臥室，另有中廳和廚房等（人口多的可適當(dāng)增加面積）為保證太陽能采暖的建筑有較好的采暖效果，要對房屋進(jìn)行隔熱保溫處理，一般方法是在房屋外墻粘鋪一層5?8cm厚的聚苯乙烯泡沫板隔熱層，以降低其散熱量。對這類房屋的采暖供熱量，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（參看附錄蘭州市），大都在每平方米約26W。不過這些標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)城市的樓房制定的，樓房的散熱面平均到每個南北跨度的大房間，一般只有南墻和北墻兩個較小的散熱面，左右和上下四面樓板和墻壁大都是與其他房間共有的，理論上不存在散熱問題。但對平房而言，除南墻北墻外，至少還有一個屋頂面散熱問題，在同樣對外墻進(jìn)行隔熱保溫的情況下，其熱損失肯定要大些。因此，我們把平房的能耗按25?30W/m2來估算。按30W/m2計算，則100m2采暖面積每天的總用熱量為：30W/m'X100m2X（3600sx24h）-259200000J?62200kca若按25亞加'計算，則100m’采暖面積每天的總用熱量為：25W/m2X100m2X（3600sX24h）-216000000J=51600kca3、太陽能集熱器面積在晴朗的天氣里，在地球表面，垂直于太陽光輻射平面上的太陽輻射能大約是1000W/mm2,考慮到大氣中常有灰塵、云霧等影響其透明度，我們可按700?800W/m2計算。由于是在冬季采暖，我們?nèi)∶刻斓娜照諘r間為6h來計算，即取當(dāng)?shù)卣嫣枙r上午9點至下午3點。（實際日照時間要長些，9點前和下午3點后也有日照，正可補(bǔ)充接近3點和9點時陽光斜射造成的不足。）太陽能集熱器的集熱效率可按40%計算，則太陽能集熱器的有效功率為：700?800W/m2x40%=280?320W/m2為計算方便，我們?nèi)√柲芗療崞鞯挠行Чβ蕿?00W/m2?，F(xiàn)在該別墅的建筑面積為100m,冬季采暖需要30W/m2的供熱量，則其所需要的集熱器面積為：259200000J+（300W/m2X3600sX6h）=40m18若按25亞/002的采暖供熱量計算，則其則所需要的集熱器面積為：216000000J+(300W/m2X3600sX6h)=33m2集熱器面積與采暖面積之比約為：40:100=122.5和 33:100^1:3.0即每1m2集熱器可向2.5?3.0m2的房間供暖。在太陽能資源不同的地區(qū)，各地陰云天氣占一定比例有很大差異，上述比值可根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行修正，在日照較好的地區(qū)可取1:2.5?1：3,在日照較差的地區(qū)可取1：2~1：2.5。由于各地的日照情況差別比較大，太陽輻射的有效功率會有較大的差異，故上述計算結(jié)會有一定的不確定性，但至少從計算中可以看出，由太陽能承擔(dān)主要的供暖功能是完全可能的。綜上:本設(shè)計集熱器面積約為52.3m2而房屋頂面積約為61.58m2故能夠滿足集熱器布置。4?1?2集熱器類型的確定不同的太陽能集熱器有其不同的性能特點和優(yōu)勢，不同地區(qū)不同的氣候條件和不同的采暖需求，決定了如何選擇不同性能的集熱器。(1)在高寒地區(qū)，比如在冬季氣溫下降到-20℃以下的地區(qū)，在夜晚或連陰天氣，有可能會把用水做工質(zhì)的太陽能集熱系統(tǒng)凍壞，因此在這些地區(qū)可以采用空氣集熱器?？諝饧療崞飨到y(tǒng)內(nèi)流動的工質(zhì)是空氣，其抗凍性能最好。(2)在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、小村莊，若當(dāng)?shù)貨]有維修力量，或距維修店很遠(yuǎn)，不宜采用以水工質(zhì)的集熱器。若采用以水為工質(zhì)的集熱器，一旦出現(xiàn)小的運(yùn)行故障，比如真空玻璃管漏水，若不能及時維修，整個系統(tǒng)的水就可能會漏光，從而造成大的故障。而由外地人員去維修，則會產(chǎn)生太大的維修成本，綜合費(fèi)用更高。在這類地區(qū)宜采用空氣集熱器，因為空氣集熱器不宜產(chǎn)生故障，即使出現(xiàn)漏氣等小故障，一般也不影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。(3)一般采暖地區(qū)采暖應(yīng)采用真空管集熱器，其隔熱性能好，尤其在低溫條件下，一般比平板型集熱器集熱效率高。另一方面，真空管集熱器在冬季抗凍能力強(qiáng)，經(jīng)成千上萬戶的真空管熱水器用戶多年的使用證明，在我國北緯40。線以南大部分地區(qū)，真空管熱水器大都能越冬使用。(4)對于室內(nèi)是普通散熱器的用戶，應(yīng)采用聚光型真空管集熱器。由于與地板輻射散熱相比，普通散熱器的散熱面積較小，故要求供熱溫度高。普通真空管集熱器在冬季較難達(dá)到較高的集熱溫度，即使達(dá)到較高的集熱溫度，其集熱效率也會下降；而聚光式真空管集熱器很容易實現(xiàn)較高的集熱溫度。(5)要想提高太陽能供暖的保證率，增大集熱器的面積，同時又不想在夏季產(chǎn)生大量的難以消化掉的熱能，可以采用固定式聚光集熱器(參看下章聚光器)，因為固定式聚光集熱器在夏季將失去聚光功能，其集熱面積只有冬季的1/3,故夏季的產(chǎn)熱能力會大大下降。(6)對于某些采暖或供熱工程，由于工程面積大等因素，系統(tǒng)循環(huán)的壓力較大，普通播式真空管集熱器的耐壓力小，可采用U形管式真空管集熱器或熱管式真空管集熱器。這些集熱器的連接處都是金屬連接件，耐壓力大。19(7)在某些不太寒冷的采暖區(qū)，也可采用平板型集熱器，在這類地區(qū)，平板型集熱器的集熱效率也較高。但仍要注意防凍問題，預(yù)防可能出現(xiàn)的突然降溫天氣。綜上：本設(shè)計為蘭州地區(qū)別墅故選擇采用聚光型真空管集熱器。4?2安裝角度我們已搞清楚了太陽的視運(yùn)動規(guī)律，關(guān)于太陽能集熱器的安裝角度問題滿好解決了。最理想的情況是太陽能收集器的接收平面總是與太陽光線的方向相垂直，這樣收集的效果最好。但由于太陽光線時時在變化著，這就需要太陽能收集器時時刻刻跟蹤太陽，即一套太陽能自動跟蹤裝置。由于自動跟蹤裝置價格較昂貴，且長期運(yùn)行的可靠性也是不易解決的問題，因此目前市場上銷售的太陽能收集器一般都沒有自動跟蹤裝置。由于我國位于北半球，一般情況下太陽總是在南方，而在一天中太陽的東西運(yùn)動軌道是對稱的，因此我國的太陽能集熱器都是面向南方東西放置的。但是，一天中不僅太陽的高度角時時在變化，而且由于赤緯角的變化，一年中每天同一時刻的太陽高度角也不同，也是天天在變化中。集熱器安裝不僅要面向南方而且要與地面有一個傾角，那么多大的傾角合適呢?為此我們根據(jù)太陽視運(yùn)動中的陽高度角變化規(guī)律，尤其是正中午太陽高度角的變化情況。由正中午太陽高度角h的計算公式為：Sinh=sin(9O°—0+5)即h=9O°—0+5這里0辦是當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋?是當(dāng)日赤緯角在兩分日(春分和秋分)，赤緯角6=0°,則有：h=9O°—0可見，在兩分日正中午，若要使集熱器與入射的太陽光相垂直，則集熱器與地面的交集應(yīng)等于地理緯度。在夏至日正中午，太陽的高度角為：h=9O°—0+23.5在冬至日正中午，太陽的高度角為：h=9O°—0—23.5在其他日期里，則在夏至日太陽高度角和冬至日太陽高度角之間變化。本夏至日，中午太陽高度角最高，h=9O°—0+23.5,之后逐漸降低，到秋分日，降為h=9O°—0。然后繼續(xù)降低，到冬至日，降到最低，中午太陽高度角變?yōu)閔=9O°—0—23.5然后又逐漸升高，到春分日變?yōu)閔=9O°—0,春分過后繼續(xù)升高，到夏至日又升到方=9O—0+23.5°然后又如此周而復(fù)始，循環(huán)變化。根據(jù)太陽的以上變化規(guī)律，我們可以確定太陽能集熱器的安裝傾角。由于設(shè)計理念的不同、應(yīng)用的情況不同，集熱器安裝的傾角也不同，下面分幾種情況分析。(1)全年使用的太陽能集熱器的安裝傾角。很顯然，全年使用的太陽能集熱器必須兼顧冬季和夏季的使用，所以應(yīng)按全年中午太陽高度角的平均值來安裝，這個平均值即兩分日中午的太陽輻射的角。太陽能集熱器的收集平面應(yīng)與兩分日中午的太陽光相垂直，因此，太陽能集熱器與地面的夾角力應(yīng)等于當(dāng)?shù)氐乩砭暥?。(2)偏向冬季或偏向夏季使用的太陽能集熱器的安裝傾角。對于偏向冬季使用的太陽能集熱器，其安裝角度可在地理緯度上再加10°,即力=0+10°而偏向偏向夏季使用的太陽能集熱器，其安裝角度可在地理緯度上再減去100,即力=0+100(3)冬季采暖用平板型和豎排真空管型太陽能集熱器的安裝角度，對于冬季采暖，太陽能集熱器的安裝角度應(yīng)保證最需要太陽輻射的時刻有最佳的集熱效我們知道，在冬至日前后幾天太陽赤緯角在一23.50附近，太陽高度角最低。而冬至日龍三九天的開始，即開始了一年中最冷的季節(jié)，這些日子是一年中太陽輻射最低，又是最需要太陽輻射的日子。所以太陽能集熱器的安裝角度應(yīng)使這些日子有最好的收集效果。赤緯角從-200?-23.50占了冬至前后各一個月共約兩個月的時間，約占采暖期的1/2,且是最冷的一個時期，所以太陽能集熱器的安裝角力應(yīng)是：力=0+200甚至可以采用：力=0+230這樣就保證了在最需要太陽輻射能的近1/2的采暖期，有是好的收集效果。實際上，采用這樣的大的傾角還有另一方面的好處，即在夏季不太需要太陽能時降低了集熱器的集熱能力，若取力=0+23°,夏季中午集熱器與太陽光的交角為230義2=460則夏季集熱器的有效集熱面積AC與冬季集熱面積AB之比為cos460^0.7,大大緩解了夏季熱量過剩的問題(4)冬季采暖用橫排真空管集熱器的安裝角度。橫排管集熱器中真空玻璃管間有間隙，當(dāng)太陽高度角在一定范圍內(nèi)變化時，不影響其集熱面積。所以其安裝傾角可以取當(dāng)?shù)氐乩韨ザ取?5)聚光型真空管集熱器的安裝傾角。對全年使用的聚光型真空管集熱器，各聚光器要季節(jié)性的調(diào)整傾角，故對整個集熱器框架的安裝傾角應(yīng)等于當(dāng)?shù)氐乩砭暥取χ饕诙静膳褂玫墓潭ㄊ骄酃庑驼婵展芗療崞?，其安裝角度要受聚光器的主要設(shè)計參數(shù)收集角、收集時間的制約，一般安裝角等于地理緯度加15°~180。由于蘭州地理緯度位36.030而且設(shè)計選用的是真空管型太陽能集熱器，所以本設(shè)計采用力=36.030+230=59.03。太陽能集熱器方位角的確定對方位角的確定一般不存在困難，朝南向即可。但是在有些村莊，房屋的方位并不朝向正南，尤其是一些山區(qū)村莊，其房屋走向或沿河流，或沿山脈，或沿道路。在這類地區(qū)，太陽能熱器的安裝朝向可以稍微偏離正南向，但一般不要超過左右15°。cos150=0.966,即當(dāng)偏離150時，其集熱面積約等于正南向安裝時2L集熱面積的96.6%。偏離越大影響越大，當(dāng)偏離30°時，Cos30°=0.866,這時，其集熱面積約等于正南向安裝時集熱面積的86.6%。故本設(shè)計方位角可取為為15。太陽能集熱器安裝的前后間距大面積太陽能集熱器系統(tǒng)都采用陣列聯(lián)接方式，為使集熱器前后排不出現(xiàn)遮陽塊象，兩排集熱器要有一定的距離，兩排集熱器間的最小間距可由下式計算：D=H{tan0—sin&}sina,cos0式中：D一兩排集熱器不遮陽的最小距離，m；H一集熱器頂高，mm0—太陽高度角6—太陽赤緯角，我國冬至?xí)r太陽高度角最低，只要冬至日不遮陽，全年就不會出現(xiàn)遮陽現(xiàn)象，所以排列集熱器時，只考慮冬至不遮陽即可，太陽能采暖是在冬季進(jìn)行，所以要特別注意這點。下表列出了冬至上午9時到下午5時一些地理緯度不遮陽的D/H值。表4-1我國部分地理緯度不遮陽的D/H值地理緯度D/H值2501.523001.853502.314003.004504.19對本設(shè)計可根據(jù)真空管長度具體確定H（取0.5m）,則有間距D=1.1m五、施工及后期維護(hù)要求5?1供暖系統(tǒng)運(yùn)行可靠性措施1、太陽能集熱系統(tǒng)按照自然循環(huán)管路的安裝規(guī)則安裝，保證了當(dāng)強(qiáng)制循環(huán)因故不能進(jìn)行時，系統(tǒng)仍能進(jìn)行正常的自然循環(huán)，避免了系統(tǒng)因不能循環(huán)而可能發(fā)生的更嚴(yán)重的事故，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。2、在每個循環(huán)泵的側(cè)旁都設(shè)計了由單向閥構(gòu)成的并聯(lián)支路，既保證了循環(huán)泵發(fā)生故障時可以方便調(diào)換或維修，也保證了系統(tǒng)的正常循環(huán)運(yùn)行。3、太陽能集熱系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)兩個系統(tǒng)既相互獨立、不相互干擾，又相互聯(lián)系、互相補(bǔ)充。兩個循環(huán)泵可以分別為各自分系統(tǒng)提供動力，但是當(dāng)一個泵發(fā)生故障時，另一個泵又可為整個太陽能集熱供暖系統(tǒng)提供動力，不影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。5?2其他幾種防護(hù)措施22管路排氣在太陽能集熱器陣列中，管路內(nèi)不積聚氣體，不形成氣塞，是保證系統(tǒng)能正常循環(huán)的重要條件，更是保證系統(tǒng)能自然循環(huán)的必要條件，為此可從以下幾方面加以注意。（1）在串聯(lián)管路中會出現(xiàn)“山峰”形拐點，為了保證在這種拐點處能隨時放出產(chǎn)生的氣體，在這里要設(shè)置排氣結(jié)構(gòu)，必要時可設(shè)置雙排氣結(jié)構(gòu)。（2）強(qiáng)制循環(huán)動力較大，可以帶走部分管路中的氣體，系統(tǒng)要以強(qiáng)制循環(huán)為主。（3）正壓循環(huán)系統(tǒng)有利于氣體的排除，而負(fù)壓循環(huán)循環(huán)卻容易使氣體進(jìn)入管道內(nèi)，所以對循環(huán)水泵的安裝位置和方向一定要認(rèn)真考慮，水泵流出的方向是正壓，水泵背后水流入處是負(fù)壓狀態(tài)。要盡量保證太陽能集熱器陣列內(nèi)和地暖盤管內(nèi)一直處于正壓狀態(tài)，尤其是太陽集熱器陣列，一定要處于正壓狀態(tài)，否則，自然循環(huán)就可能無法進(jìn)行。要盡量縮小處于負(fù)壓狀態(tài)的管路長度。圖11-5中，除水箱到閥1段管路處于負(fù)壓狀態(tài)外，其他管路都是處于正壓狀態(tài)。當(dāng)由于某種原因某段管路暫時處于負(fù)壓狀態(tài)時，要盡快排除故障，恢復(fù)正壓狀態(tài)。防凍室外管路的防凍是必須要考慮的問題，可注意從以下幾方面加以解決。（1）對永不見陽光且容易受凍的部位，如從樓頂沿房后側(cè)進(jìn)入室內(nèi)的一段室外管路部分，不僅容易受凍，而且受凍后，很難維護(hù)，對這些部位應(yīng)在保溫層內(nèi)貼近管道纏繞電伴熱帶，可隨時對其加熱防凍（2）適當(dāng)提高水箱高度，使其晚上能自然形成倒循環(huán)，用水箱中的熱水防止冷水下集管道被凍壞。（3）不管有無太陽，即使是連續(xù)陰天，每天也要啟動循環(huán)泵對太陽能集熱器陣列進(jìn)行幾次循環(huán)，用室內(nèi)輔助熱源的熱能對集熱器管路加熱防凍。.除塵除塵是提高集熱器效率的重要措施，尤其是聚光型集熱器的反射面，更需要定期除塵。（1）在每年采暖期開始時，要對太陽能集熱器進(jìn)行一次除塵，整個采暖期最好進(jìn)行2-3次除塵。（2）除塵時最好用水沖洗，或用雞毛掉子輕輕掃，以免損傷玻璃管和反射面。（3）若有高壓噴水設(shè)備，最好用高壓水定期清洗?？癸L(fēng)對于采暖用的太陽能集熱系統(tǒng)，抗風(fēng)措施尤其顯得重要。在普通熱水工程中，為了提高太陽能陣列的抗風(fēng)能力，往往把集熱器的安裝傾角設(shè)計得很小，這樣雖然提高了抗風(fēng)能力，但卻影響了集熱性能。對于采暖用的集熱器，因為總是在太陽高度最低的冬季使用，為提高集熱器冬季的熱性能，集熱器與水平面的傾角必須要大很多，我國須采暖的北方地區(qū)一定要達(dá)到50°~60”，這么高的傾角一定要注意抗風(fēng)措施。（1）要和屋頂面連接牢靠。對平頂屋頂面，可以用混凝土或石板預(yù)制較重的底托板，用以固定集熱器支架。23(2)對干到層頂，若坡度不大，也可以用混凝土或石板預(yù)制較重的底托板，用以固定集熱圾寺加、并城度大，要用角鋼、方管等鋼材固定好，必要時可在最北側(cè)的集熱器處安裝防風(fēng)板。(3)設(shè)計集熱器陣列時要注意留有通風(fēng)道，以減輕風(fēng)壓。穩(wěn)定可靠的零部件采用的零部件要質(zhì)量可靠，且與設(shè)計的系統(tǒng)性能相匹配。(1)集熱器的熱水上集管要耐100℃以上的溫度，尤其在夏季，上集管的水溫可能接近100℃，故需要用能耐高溫的鐵管等金屬管道。同樣，其隔熱材料也要能耐100℃的高溫，要用聚氨酯或巖棉等耐熱隔熱材料，而不能用聚苯乙烯泡沫塑料。(2)循環(huán)泵、電子溫控儀、地暖管、真空玻璃集熱管