被动式太阳房原理

所谓太阳房是指利用太阳的辐射能量代替部分常规能源、使建筑物达到一定温度环境的一种建筑。太阳房有主动式和被动式之分，被动式太阳房不需要任何主动式太阳房所必须的部件(太阳集热器、热交换设备、管道、水泵、风机等)，仅仅依靠建筑方位的合理布置和通过窗、墙、屋顶等建筑物本身构件，以自然热交换方式(辐射、对流、传导)来获得太阳能。如果获得的太阳能达到建筑采暖、空调所需能量的一半以上时，则称此建筑物为被动式太阳房。换言之，被动式太阳房是根据当地气象条件，在基本上不添置附加设备的情况下，使房屋建造成在冬季可以有效地吸收和贮存太阳热能，而在夏天又能少吸收太阳能和尽可能多向外散热，具有能自动达到冬暖夏凉效果的一种特殊房屋。它是建筑物利用太阳热能中一种最简单的方式。这种被动式太阳房具有构造简单、造价低、回收年限短、不用特殊维护管理，而且可以节约常规能源和减少空气污染等独特的优点。因此，近年来，这种被动式太阳房引起很多国家和研究部门的重视，被动式技术的发展十分迅速。美国能源部于1978年3月在美国费城召开的第二次全国被动式太阳能利用会议上指出：“在利用太阳能采暖和降温系统的领域里,被动式将是建筑界1980年的主流” 。

被动式太阳房以墙、地板、屋盖等为主体，组成吸收、蓄存、控 制与分配太阳能的系统，不用机械力量而靠对流、传 导、辐射等传热机制吸收、蓄存、释放太阳能的房屋。 被动式太阳房本身就是太阳能系统，自身存贮大量 热量，温度不会急剧变化，更符合人体热舒适感要求。被动式太阳房可分为：直接受益式、蓄热墙式、 附加日光间式、蓄热屋顶式、对流循环式等 。

国外被动式太阳房多由建筑师自行设计和建造,已建的被动式太阳房种类繁多，尚无统一的设计标准。各种资料上对被动式太阳房的分类方法也不相同。

如果从对太阳热能利用的角度来区分，被动式太阳房大致可分为下述五种典型型式：1.利用南窗直接接受太阳辐射能的被动式太阳房（直接受益式）（右图a,b）；2.利用南墙进行集热和蓄热的被动式太阳房（集热蓄热墙式（Trombe墙））（右图c,d）；3.混合式被动太阳房（组合式）（右图e,f）；4.利用屋顶进行集热和蓄热的被动式太阳房（屋顶集热蓄热式）（右图g）；5.利用热虹吸作用(自然循环)的被动式太阳房（对流环路式（集热墙式））（右图h）。

但是应该指出，目前被动式太阳房主要用来解决冬季的采暖问题，很多国家对它进行了多方面的试验并逐步过渡到实用阶段；至于如何利用被动技术解决夏季的降温问题困难还比较多，尚处于探索阶段。只有第四种利用屋顶进行集热蓄热的型式，采取一定的措施后，才能有降温作用 。

被动式太阳房直接受益式

直接受益式太阳房是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式，是被动式太阳能采暖中和普通房差别最小的一种太阳房。该类太阳房升温快、构造简单、建筑形式美观、热效率较高、造价低且管理方便。但如果设计不当，很容易引起室温日波动大，白天温度较高，晚上较低，舒适性差，辅助能耗增多；此外，白天室内的眩光问题不容易解决，仅适用于综合气象因数值SDM大于20的地区。因此，直接受益式适宜建于气候比较温和的地区，用于寒冷地区效果较差。适用于白天要求升温快的房间或只是白天使用的房间，如商店、学校、办公室、住宅的起居室等。若窗户有较好的保温措施，也可用于住宅的卧室等房间 。

以拉萨市拉萨市直接受益式太阳房设计为例，南向窗墙面积比的提高有利于获得较高的室内平均温度，但是需要注意昼夜温差的问题。拉萨市南向房间进深增大会引起南北向房间室内平均温度的降低。在保证窗墙比不变的条件下，增大建筑开间不会引起室内平均温度的变化，但是室内温度波动明显变大。外墙保温性能的改善能有效改进南北向房间的室内平均温度。外窗热工性能有效改善南北向房间的室内热环境，良好的外窗热工性能能够提高南北向房间室内平均温度，同时降低室内温度波动。围护结构良好的蓄热性能对维持室内热稳定有显著的作用。在居住建筑设计时应尽量选择厚重材质 。

被动式太阳房集热蓄热墙式（Trombe墙）

实体式集热蓄热墙式与直接受益式相比具有较好的蓄热能力。水墙式集热蓄热墙运行管理相对麻烦，我国较少采用。相变材料蓄热墙式与水墙式的结构形式相似，只是蓄热物质采用的是相变材料而不是水，目前的主要问题是相变材料的相变温度和相变时间难以随房间采暖需要进行有效控制，技术未完全成熟，而且施工较复杂，造价较高，目前国内还很少应用。花格式集热蓄热墙和实体式集热蓄热墙的主要区别是前者墙体上遍布了通风孔。采用集热蓄热墙式被动式太阳房室内温度波动小，居住舒适，但热效率较低，常和其他形式配合使用，可以调整集热蓄热墙的面积，满足各种房间对蓄热的不同要求，但结构复杂，玻璃夹层中间易积灰，不好清理，影响集热效果，且成本高，立面颜色较深，外形不太美观，推广有一定的局限性 。

集热蓄热墙式被动太阳能建筑的理论研究主要包括稳态理论研究和动态理论研究。目前以稳态研究居多，主要是由于稳态理论研究在条件上可以一定程度的简化，获取更直观的数学模型，便于计算。而动态理论研究的模型计算量大，手工完成较困难，采用计算机动态模拟时，受外界环境因素影响明显，计算结果与实际存在较大误差 。

目前，集热蓄热墙式被动太阳能建筑的研究热点主要集中在百叶式集热蓄热墙、多孔式集热蓄热墙、热管式集热蓄热墙和花格式集热蓄热墙等类型 。

百叶式集热蓄热墙是在传统Trombe墙的空气夹层悬挂可翻转的百叶窗帘，如图2所示。窗帘的叶片一面涂有高吸收率涂层，一面涂有高反射率涂层。视觉效果上，百叶式集热蓄热墙使建筑外墙更加美观，同时，任意角度翻转可提高墙体的集热效果。运行原理是：夏季，关闭室内出风口，开启室内进风口和室外出风口，将涂有高反射率涂层的百叶窗帘叶片外翻，提高可见光的反射率，减少南墙得热量，防止室内温度过高，如图2a所示；冬季白天，关闭室外出风口，开启室内进风口和出风口，将涂有高吸收率涂层的叶片外翻，提高太阳辐射吸收率，通过对流和导热的方式将热量传送至室内，提高室内温度，如图2b所示；夜间，关闭室内进、出风口，闭合的百叶帘将空气夹层分为两个空气窄层，抑制对流，增加墙体热阻，降低室内向室外环境损失的热量，减少室内温度下降速率，如图2c所示。

多孔式集热蓄热墙主要有两种形式：一是在集热蓄热墙内添加多孔介质；二是在南墙外表面安装涂有选择性涂层的多孔金属板。多孔式集热蓄热墙能够最大限度地将太阳能转化为热能，加热后的空气在浮升力和风机作用下流入室内，提高室内温度，同时置换室内空气，起到通风换气的作用 。

热管式集热蓄热墙是将热管布置在被动式太阳能墙体中用于供暖，具有传热速度快、热能利用率高等特点。其工作原理为：在蒸发段，工作液吸热后由液态转为蒸汽态，在压力差作用下通过内腔进入冷凝段，将热量传递给冷源，并凝固为液态；在重力作用下工作液回流至蒸发段，进而完成热量的传递 。

被动式太阳房屋顶集热蓄热式

屋顶集热蓄热式有两种设计方案，即使用充满水的塑料袋或相变储热材料。这种太阳房在冬季采暖负荷不高而夏季又需要降温的情况下使用比较适宜。但由于屋顶需要有较强的承载能力，隔热盖的操作也比较麻烦，目前实际中应用较少 。

集热蓄热屋顶是将平屋顶或坡屋顶的南向坡面做成集热蓄热墙形式，其主要结构由外到内依次为：玻璃盖板，空气夹层、涂有吸热材料且开有通风孔的重质屋顶。目前，南向集热蓄热墙主要依靠热压作用带动空气循环流动加热室内空气。但由于屋顶竖向高差较小，热压作用不明显，为克服上述缺点并改善对流换热性能，在出风口位置安装小型轴流风机，使夹层空气在玻璃盖板和重质屋顶之间以强迫对流的方式进行流动，提高供热效率。集热蓄热屋顶太阳房物理模型如图所示 。

被动式太阳房附加阳光间式

与集热蓄热墙式相比，附加阳光间增加了地面作为集热蓄热体；与直接受益式相比，附加阳光间式的采暖房间温度波动和眩光程度得到有效降低。阳光间不仅起到了减少风沙侵入、集热保温的作用，而且还可以作为白天休息活动场所和温室花房，容易和整个建筑融为一体。这种太阳房适用于民用住宅，越来越受到人们的重视，成为一种适合村镇地区建设的被动式太阳房。附加阳光间式被动式太阳房一般与直接受益式配合使用，但投资较高，不易采取保温措施，可用于有条件的起居室门厅、公共建筑的大厅等房间，不宜大面积采用 。

附加阳光间式太阳房是由直接受益式和储热墙相结合的太阳房形式。建筑物由被储热墙隔开的两个受热区域组成：一是直接受益式阳光间，一是间接被加热的空间。阳光透过玻璃窗一部分直接照射在采暖房间，一部分被阳光间的地面和公共墙吸收，通过热空气循环和热传导进入采暖房间，起到太阳能供暖作用。由于阳光间的设计易和整个房屋的建筑设计融为一体，因此这种太阳房越来越受到人们的关注 。

被动式太阳房对流环路式（集热墙式）

对流环路式集热墙接受阳光后升温较快，白天向室内供热较多，较适合于白天使用的房间，如教室、办公室、医院门诊部等。对流环路卵石床蓄热式（热虹吸式）太阳房性能很好，但投资较大，目前也较少应用 。

集热墙式太阳房的采暖效果好坏由热对流现象的好坏来决定，而热对流的好坏则由集热气隙中空气上下两端的温差和空气流动的阻力来决定。所以，在设计中可以有以下几条原则：1.尽量增加集热墙高度，以增大空气的温差。2.在结构允许条件下，尽可能使上、下对流化分别设置在集热墙的最顶端和最下端。3.上、下对流口的总面积应相等。除此之外，太阳房的气隙厚薄，集热墙厚度和对流孔尺寸等主要结构参数尚须根据外界条件来具体确定 。

被动式太阳房组合式

以上几种基本类型都有各自的独特之处。通常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，就可形成互为补充、更为有效的被动式太阳能采暖系统 。

目前，太阳能利用系统的研究日益深化，为今后太阳房的建造开辟了更广阔的前景。如美国麻省理工学院新型被动式太阳能建筑、热二极管集热板等 。

节能建筑是指遵循气候规律和利用节能的基本方法，对建筑规划分区、群体和单体、建筑朝向、间距、太阳辐射、风向以及外部空间环境进行研究后，设计出的低能耗建筑。

太阳房是利用建筑结构上的合理布局，巧妙安排，精心设计，使房屋增加少量投资，利用太阳辐射能替代部分常规能源，使环境温度达到一定使用要求的建筑物。根据太阳能系统运行过程中是否需要机械动力，分为“主动式”和“被动式”两种。主动式太阳房需要机械动力驱动，通过高效集热装置收集获取太阳能，然后由热媒介质将热量送入建筑物内，它对太阳能的利用效率高，可以供热、供热水、供冷，而且室内温度稳定舒适，日波动小，在发达国家应用广泛。但因为它存在着设备复杂、先期投资偏高等缺点，因此，目前在我国还未得到大面积的推广。

被动式太阳房是根据当地的气象条件、生活习惯，在基本上不添置附加设备的条件下，经过精心设计，认真施工，通过建筑构造，并利用材料的性能，使房屋达到一定的供暖效果的建筑方式。被动式太阳房是节能建筑的一种特殊形式，也是具有广泛推广价值的一种建筑形式。普通节能建筑与被动式太阳房的区别如下：

（1）被动式太阳房一定是节能建筑，而普通节能建筑不一定是被动式太阳房。（2）普通节能建筑注重的是建筑外围护结构的保温，而被动式太阳房要注重三个方面：绝热、集热、蓄热，即外围护结构的保温是被动式太阳房的前提条件。（3）被动式太阳房强调对可在生能源—太阳能的光热利用。太阳房有目的地采取一定措施，利用太阳辐射能替代部分常规能源，使环境温度达到一定使用要求。（4）被动式太阳房与普通节能建筑设计要求不同。被动式太阳房的设计需要建筑学和太阳能方面的知识，比普通节能建筑设计的技术性要求更高一些。普通节能建筑注重的是通过提高房屋维护结构的热工性能，即提高房屋外墙、屋面、地板、门窗的保温性能，通过合理设计，使房屋满足人们冬暖夏凉居住舒适的需求。而太阳房建筑热工措施期望达到的主要目的是使房间在冬季有尽量多的太阳热量，尽量少的热损失及必要的热稳定性，并处理好以上三者，即集热、保温以及蓄热之间的矛盾关系，注意优化比较，既要使房间的冬季温度符合采暖要求，又要使太阳能热工措施的新增投资尽量少，单位投资的节能效益尽量显著 。

太阳房增加投资多少，直接影响着太阳房的推广和发展前途。太阳房的经济分析可分为两方面进行，一是增加投资多少，这在很大程度上影响着太阳房能不能推广和发展。如果太阳房比普通房增加投资太多，就意味着同样的投资，建太阳房面积就得减少。在这方面，根据实际建成太阳房进行的分析，太阳房比普通房屋增加资在8%～15%之间，对一般农村来说还可以接受。若太阳房比普通房屋增加投资超过 15%，通常要有政府的补贴，居民才能接受 。

另一方面就是计算新增投资的还本年限，即太阳房一次投资比普通房屋增加了，但是它又比普通房屋节省能源和采暖费用，用节能费用抵偿增加的投资，年限越短，太阳房的经济效益越好，根据建设太阳房的实践经验，还本年限一般在 4～8 年，相比一般砖混结构房屋 50 年使用寿命还是合算的。根据区域的自然气候条件、地理状况、经济特点等因地制宜，在吸取当地传统建筑精华的基础上，进行被动式太阳房的设计与建造，最大限度地使用本地建材，造价增加成本控制在 25%以内，既能大幅度提高室内的舒适度，又能收到良好的经济效益 。

被动式太阳房因其自身缺陷及使用对象具有不同需求的情况，需要和其它可再生能源相结合使用，才能够在一年四季、不同环境下更好地发挥作用。因此，根据实际中与其他能源相结合的情况，可将其分为高、中、低三个层次的发展方向，以适应各种不同使用环境中的应用。其中，高档太阳房以被动式和主动式太阳能采暖降温为主，中档被动式太阳房主要有被动式太阳房与沼气资源、秸秆气化技术、秸秆型煤相结合等；低档被动式太阳房以被动式太阳能采暖为主。我国大部分地区均可发展太阳房。西部地区可多发展一些低档太阳房，在城市可适当发展一些低中档太阳房。东南部应在农村大力发展低档和低中档太阳房，在城市特别在大都市，除了发展中档太阳房外，也可适当发展少量高档太阳房，总之应根据当地经济条件和地理气候条件及房地产市场发展形势等因素综合考虑 。

本书系统介绍了被动式太阳房的基本构造与原理、总体设计要则以及热系统设计与计算方法，包括热负荷计算、热平衡分析以及温度预测等；还介绍了被动式太阳房的结构设计以及建筑材料选择和被动式太阳房的施工管理及注意事项；给出了已建成的住宅利用太阳能的设计改造基本原则。本书还利用较大篇幅向读者介绍了国内外的被动式太阳房以及工程实例，以便读者对照参考和使用。

本书适合于对太阳房技术感兴趣的专业人员使用。

出版说明

1.农村推广太阳能建筑是实施节能建筑最有效的措施

2.被动式太阳房的机种类型

3.被动式太阳房构件

4.农业太阳房需增加辅助热源

5.被动式太阳房的使用与管理