基于氣象因素的被動(dòng)式太陽房建筑方案設(shè)計(jì)

基于氣象因素的被動(dòng)式太陽房建筑方案設(shè)計(jì)

0被動(dòng)式太陽房太陽房是一座使用太陽能加熱和空調(diào)的環(huán)保環(huán)保建筑。它不僅能滿足建筑物在冬季的供暖要求，還能在夏季減少和調(diào)節(jié)空氣。利用被動(dòng)式太陽房進(jìn)行采暖是一種簡單而容易實(shí)現(xiàn)的有效方法,許多國家都把它作為太陽能利用的重點(diǎn)項(xiàng)目。四川西部和西南部高原地區(qū)是四川省太陽能資源最為豐富的地區(qū),也是全國太陽能資源三級分布區(qū)之一,其冬季太陽能豐富,最冷月氣溫大于0℃,只要建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的保溫措施,被動(dòng)式太陽房完全可以達(dá)到室內(nèi)熱環(huán)境所要求的基本標(biāo)準(zhǔn)。本文應(yīng)用綜合氣象因素SDM進(jìn)行太陽能資源區(qū)劃,采用輔助區(qū)劃指標(biāo)SMM作為推薦不同地區(qū)是否以被動(dòng)式太陽能采暖為主、其他主動(dòng)式采暖系統(tǒng)為輔或者采用全太陽能采暖的依據(jù)。1川西高原西部盆地區(qū)太陽能資源積累分布四川太陽能資源分布極不平衡,大致以龍門山脈、邛崍山脈和大涼山為界,東部太陽能極少,川西高原是四川省乃至我國太陽能的主要分布區(qū)。四川省太陽能資源最豐富的地區(qū)是石渠、色達(dá)至理塘、稻城、攀枝花一帶,年總輻射量達(dá)6000MJ/m2以上,年日照時(shí)數(shù)在2400～2600h。太陽能較豐富地區(qū)是川西高原大部分地區(qū),全區(qū)覆蓋面較大,年總輻射量基本在5000MJ/m2以上,大部分地區(qū)年日照時(shí)數(shù)在1800h以上。太陽能較貧乏地區(qū)主要是川西高原向盆地過渡地區(qū),年總輻射量4000～5000MJ/m2,大部分地區(qū)年日照時(shí)數(shù)在1700h以下。盆地區(qū)是四川省及我國太陽能最弱區(qū),其總輻射量基本在4000MJ/m2以下,日照時(shí)數(shù)也少,該區(qū)太陽能利用價(jià)值不大。四川省日照分布的基本特征是高原多、盆地少,高原冬春日照多于夏秋,盆地春夏日照多于秋冬。太陽輻射年總量呈經(jīng)向分布,其東西差異達(dá)一倍以上。盆地南部及西南部是四川省乃至全國太陽能資源貧乏區(qū)。川西高原是四川省太陽能資源最為豐富的地區(qū),也是全國太陽能資源三級分布區(qū)之一,有很大的開發(fā)利用價(jià)值,為被動(dòng)式太陽房的應(yīng)用以及推廣提供了現(xiàn)實(shí)的可行性,對四川省自然能源的利用具有重要意義。2動(dòng)態(tài)太陽空間的設(shè)計(jì)與氣象參數(shù)2.1基礎(chǔ)溫度tbb-a度日值DD數(shù)值等于基礎(chǔ)溫度和該日室外日平均氣溫的差值。如果室外日平均氣溫高于基礎(chǔ)溫度,則取該日的度日值為零。度日值和基礎(chǔ)溫度的選定高低有關(guān),相應(yīng)地,月度日值為該月各天度日值之和,采暖期的DD值是該采暖期逐月DD值的總和。nd個(gè)統(tǒng)計(jì)日的DD值可按下式計(jì)算:DD=∑n=1nd(Tb?Taˉˉˉˉ)n(1)DD=∑n=1nd(Τb-Τaˉ)n(1)式中Tb為給定的基礎(chǔ)溫度;TaˉˉˉˉΤaˉ為月平均室外氣溫;小寫字母n表示統(tǒng)計(jì)日的順序編號(hào);nd表示總的統(tǒng)計(jì)天數(shù);括弧(Tb?Taˉˉˉˉ)n(n=1???nd)(Τb-Τaˉ)n(n=1???nd)只取正值,如為負(fù)值或零值,均按零值計(jì)算。室內(nèi)基礎(chǔ)溫度Tb是設(shè)計(jì)預(yù)定的室溫下限,當(dāng)室溫低于此值時(shí),就要向房間提供輔助熱量。被動(dòng)式太陽房雖在我國研究推廣已有多年,但是對于其室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)、室內(nèi)空氣基礎(chǔ)溫度取值,仍未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。李元哲等人將太陽房的冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取14℃;文獻(xiàn)建議被動(dòng)式太陽房室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取12℃,其中夜間最低值不低于10℃;文獻(xiàn)綜合分析我國目前被動(dòng)式太陽能建筑熱工特性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式及我國人民的生活方式與習(xí)慣,取晝夜平均室溫Tˉˉˉb=15℃Τˉb=15℃作為室內(nèi)基礎(chǔ)溫度,可基本滿足人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸钚枰?日間室溫高于此值,夜間低于此值)。用Fanger熱舒適方程為基礎(chǔ)評價(jià)法,包括預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo)PMY及預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)PPD,對上述基礎(chǔ)溫度的選擇進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)合我國現(xiàn)階段被動(dòng)式太陽能建筑形式以及現(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)情況,建議選擇室內(nèi)基礎(chǔ)溫度15℃比較合適且可以滿足目前要求。2.2日射波場的日射系數(shù)法利用中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集中水平面總、散日總輻射照度,按文獻(xiàn)所提供的計(jì)算方法可計(jì)算出垂直南向面的實(shí)測日總輻射照度。南墻面上所接受到的日輻射照度:Htvsˉˉˉˉˉˉ=HbˉˉˉˉˉRb+Hdˉˉˉˉˉ(1+cosθ2)+Htˉˉˉˉρgr(1?cosθ2)(2)Ηtvsˉ=ΗbˉRb+Ηdˉ(1+cosθ2)+Ηtˉρgr(1-cosθ2)(2)式中HtvsˉˉˉˉˉˉΗtvsˉ——南向垂直面上總?cè)蛰椛湔斩?kJ/m2·d);HbˉˉˉˉˉΗbˉ——水平面上直接日射月平均日輻射照度(kJ/m2·d);HdˉˉˉˉˉΗdˉ——水平面上散射日射月平均日輻射照度(kJ/m2·d);HtˉˉˉˉΗtˉ——水平面上總?cè)丈涞脑缕骄蛰椛湔斩?kJ/m2·d);ρgr——地面對日射的反射系數(shù),一般取0.2;θ——墻面與地面間的夾角,這里θ=90°。Rb取決于不同朝向,對于南墻:Rbs=sinφcosδsin?′s+(π/180)?′s(?cosφ)sinδcosφcosδsin?s+(π/180)?ssinφsinδ(3)Rbs=sinφcosδsin?′s+(π/180)?′s(-cosφ)sinδcosφcosδsin?s+(π/180)?ssinφsinδ(3)式中φ——當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?δ——太陽赤緯角;?s——水平面的日落時(shí)角,?s=cos-1(-tanδtanφ);?′s——南墻上的日落時(shí)角,即?′s=min[cos?1(?tanδtanφ)cos?1(?tan(φ?θ)tanδ)]?′s=min[cos-1(-tanδtanφ)cos-1(-tan(φ-θ)tanδ)]式中min表示括號(hào)中兩項(xiàng)計(jì)算結(jié)果取最小值。太陽赤緯角可查表得出,或用公式:δ=0.006322-0.0405748cos(?+0.153231)-0.005880cos(2?-0.207099)-0.003223cos(3?+0.620129)(rad)(4)式中?=2π366N?N?=2π366Ν?Ν為所計(jì)算日在一年中的順序數(shù)(從1月1日算起)。3太陽室內(nèi)氣候區(qū)指數(shù)的建立3.1采暖期天數(shù)本文所指被動(dòng)式太陽房氣候分區(qū)的研究主要界定于其冬季的太陽能熱利用范圍,考慮最冷月的狀況過于極端,而各地的采暖天數(shù)也由當(dāng)?shù)匦姓蛑鞴懿块T規(guī)定執(zhí)行。為了避免采暖期長短不同造成的干擾,考慮到本文采用的分區(qū)指標(biāo)計(jì)算是以月平均為單位計(jì)算,故不采用熱工設(shè)計(jì)中的采暖期天數(shù)為統(tǒng)計(jì)時(shí)間?；谏鲜鲈?本文界定時(shí)間段為冬季,即氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)上所劃分的12,1,2月作為本文的分區(qū)時(shí)間段。3.2能源行業(yè)和節(jié)能氣候區(qū)的規(guī)劃指標(biāo)3.2.1采暖期太陽能資源區(qū)劃指標(biāo)衡量某一地區(qū)的氣象條件是否適合被動(dòng)式太陽能采暖,主要依據(jù)太陽輻射照度和室外氣溫。太陽輻射照度越大,室外氣溫越高,則越有利于太陽能采暖。為了反映采暖期的持續(xù)時(shí)間,針對整個(gè)采暖期采用了綜合氣象因素SDM進(jìn)行太陽能資源區(qū)劃,即利用采暖期南向垂直平面上月平均太陽輻射照度與月采暖度日值的比值作為四川地區(qū)太陽能應(yīng)用的主要區(qū)劃指標(biāo),即SDM=∑i=1nHtvsiˉˉˉˉˉˉˉ/∑i=1nDDi(5)SDΜ=∑i=1nΗtvsiˉ/∑i=1nDDi(5)式中HtvsiˉˉˉˉˉˉˉΗtvsiˉ——第i月入射在南墻面上的太陽總輻射照度月平均照度(kJ/m2·d);DDi——第i月度日值(℃·d);n——采暖期月數(shù)。3.2.2輔助區(qū)劃指標(biāo)SDM所反映的是整個(gè)采暖期的情況,但是從最冷月(1月)的采暖來看,它所展示的情況是不夠周全的,因此對SDM進(jìn)行了改進(jìn),引入了SMM輔助區(qū)劃指標(biāo):SMM=SDMHtvs,1ˉˉˉˉˉˉˉˉˉ20DD1(6)SΜΜ=SDΜΗtvs,1ˉ20DD1(6)式中Htvs,1ˉˉˉˉˉˉˉˉ/DD1Ηtvs,1ˉ/DD1的下標(biāo)1表示1月份即最冷月的比值,20是結(jié)合我國太陽房建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以確定的,大部分公認(rèn)的太陽房適宜區(qū),該比值大都在20上下,該比大于20,對于發(fā)揮太陽能效益越有利。3.2.3sdm和smm主要分區(qū)指標(biāo)被動(dòng)式太陽房氣候分區(qū)是為建筑方案設(shè)計(jì)作正確決策提供幫助,在分區(qū)時(shí)采用綜合分析的原則,重點(diǎn)考慮氣候參數(shù)中太陽輻射、溫度的直接影響,即太陽房南向集熱面上的,即垂直南向面上的太陽輻射照度直接影響室內(nèi)熱環(huán)境。因此,選用上述分析SDM為主要分區(qū)指標(biāo)。再次,考慮冬季最冷月采暖情況,以SMM為輔助分區(qū)指標(biāo),它反映了冬季最冷月室外氣溫及太陽輻射強(qiáng)度對被動(dòng)式太陽房采暖方式的影響。顯然,SMM越大,太陽能采暖效果越好,反之,太陽能采暖效果越差。因此,建議采用冬季最冷月SMM指標(biāo)作為推薦不同地區(qū)是否以被動(dòng)式太陽能采暖為主、其他主動(dòng)式采暖系統(tǒng)為輔或者采用全太陽能采暖的依據(jù)。4月平均溫度指標(biāo)以中國氣象局國家氣象中心氣象資料實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)合編的中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集,包含全國各地270個(gè)臺(tái)站的1971～2003年氣象觀測資料作為計(jì)算數(shù)據(jù),根據(jù)四川省15個(gè)城市的氣候數(shù)據(jù),以節(jié)能舒適為目的的被動(dòng)式太陽房區(qū)劃方法和依據(jù),確定最冷月平均溫度,綜合氣象因素SDM,SMM作為劃分適合建造被動(dòng)式太陽房的區(qū)劃指標(biāo),從被動(dòng)式氣候調(diào)控方法的角度,將四川省劃分為3個(gè)被動(dòng)式太陽房氣候區(qū),具體分析結(jié)果歸納見表1。通過對表1的計(jì)算分析可知,被動(dòng)式太陽房氣候分區(qū)必須重點(diǎn)考慮氣候參數(shù)中太陽輻射、溫度的直接影響,尤其是太陽輻射強(qiáng)度,它是進(jìn)行被動(dòng)式太陽房氣候區(qū)劃的前提。表中突出顯示的城市為太陽能資源貧乏區(qū),該區(qū)太陽能采暖利用價(jià)值不大,但可以利用表1中的SDM計(jì)算結(jié)果對該區(qū)進(jìn)行太陽能資源對比。因此,根據(jù)對四川15個(gè)地區(qū)的綜合氣象因素SDM和SMM的計(jì)算結(jié)果(表1),四川太陽能采暖資源分布區(qū)為:由表1還可看出,會(huì)理和西昌地區(qū)SDM,SMM數(shù)值很大,原因在于其最冷月平均氣溫高,而太陽輻射強(qiáng)度大。故無需在冬季進(jìn)行專門的被動(dòng)式采暖,但可以利用被動(dòng)式原理在冬季實(shí)現(xiàn)保溫,在夏季實(shí)現(xiàn)隔熱和通風(fēng)冷卻。5與被動(dòng)式太陽能采暖關(guān)聯(lián)的指標(biāo)本文通過對四川地區(qū)被動(dòng)式太陽能建筑與氣候關(guān)系的分析、研究,得出如下結(jié)論:(1)被動(dòng)式太陽房是冬季采暖最簡單、最有效的一種形式。尤其在川西、川西南高海拔地區(qū),冬季太陽能豐富,最冷月氣溫大于0℃,只要建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的保溫措施,被動(dòng)式太陽房完全可以達(dá)到室內(nèi)熱環(huán)境所要求的基本標(biāo)準(zhǔn)。如西昌、甘孜等地南向房外墻采用直接受益式被動(dòng)太陽房,冬季可提高室溫5℃～8℃;九龍等部分地區(qū)凌晨6:00時(shí)室外氣溫-8℃時(shí),室溫仍高達(dá)10℃,這一地區(qū)應(yīng)該優(yōu)先考慮被動(dòng)式太陽能冬季采暖。(2)綜合氣象因素SDM是決定被動(dòng)式太陽房采暖特性的室外綜合氣象參數(shù),可作為被動(dòng)式太陽房區(qū)劃主要指標(biāo);輔