太阳能光热应用技术第八章ppt课件.pptx

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1、太阳能光热应用技术第八章,第 8 章 太阳能的建筑应用,在当今全球资源短缺与环境危机的背景下，随着生态气候学和可持续发展标准的引入，建筑的结构和形式发生了深刻的变革，从规划设计到建造成功的过程中，技术的支持占有相当大的比重。在这样的一个大环境下，太阳能建筑将成为未来建筑的发展趋势之一。将太阳能同建筑结合起来，把几千年来房屋只是作为人类居住、遮风挡雨、避寒暑的简单场所，发展成具有独立能源、自我循环的新型建筑，这是人类社会进步和科学技术发展的必然。,为了使太阳能建筑尽可能全面、完善地满足使用要求，使技术措施与建筑自身实现优化组合，尽量降低投资和运营管理费用，以达到利用最优化、产出最大化、操作简便化

2、的目的，在太阳能建筑设计中，要综合考虑场地规划、建筑单体设计、技术措施应用以及围护结构选取等多方面要素，以保证太阳能建筑的合理性、实用性、高效性、美观性、耐久性。,8.1 规划设计要求,8.1.1 设计原则太阳能建筑的规划设计原则简单地说可以分为冬季、夏季和建筑冷热负荷三个部分。1争取冬季多日照从建筑基地的选择到建筑群体布局、朝向、日照间距以及地形的利用等方面，都应遵循争取冬季最大日照的原则，为建筑利用太阳能采暖提供条件，同时也有利于其他太阳能技术的综合利用。,2改善夏季微气候通过对建筑周边自然环境的改造，尤其是充分利用天然植被和水资源，结合人工植被，效改善建筑周边的微气候，加强夏季通风和遮阳

3、，为建筑提供较为舒适的夏季环境。,3减少建筑冷热负荷结合当地气候条件和季风风向，合理地进行基地选择和建筑布局，在建筑周边形成良好的风环境，既能为建筑遮挡凛冽的冬季季风也能疏导夏季季风，在夏季能充分利用自然通风降低建筑内外表面的温度。,8.1.2 设计要点,1基地选择与场地规划我们知道，地形、地貌与接受阳光照射的情况密切相关。建筑物的基地选择应在向阳的平地或坡地上，以争取尽量多的日照，为建筑单体的热环境设计和太阳能技术的应用创造有利的条件（如图 8-1 所示）。建筑物不宜布置在山谷、洼地、沟底等凹形场地中，建筑基地中的沟槽应处理得当。,2正确选择建筑物朝向朝向的选择应把夏季和冬季综合起来考虑。冬

4、季可以利用太阳能采暖并有效防止冷风侵袭，夏季可以利用阴影和空气流动降低建筑物表面和室内的温度。,3合理设计日照间距日照间距是指前后两排建筑之间，为保证后排建筑在规定的时日获得所需日照量而保持的一定建筑间距。建筑充分得热的条件就是保持一定的日照间距，但是间距太大又会造成用地的浪费。常规建筑一般按照冬至日正午的太阳高度角确定日照间距，这就会造成冬至前后持续较长时间的日照遮挡。,通常，冬季 9001500 的 6 个小时中，太阳所产生的辐射量占全天辐射总量的 90%左右，若前后各缩短半小时（9301430），则将为 75%左右。因此，太阳能建筑日照间距应保证冬至日正午前后共 5 小时的日照，并且在

5、9001500 之间没有较大遮挡。,4设置防风屏障以减少热能损失冬季防风不仅能够提高户外活动空间的舒适度，同时也能减少建筑由冷风渗透引起的热损失。在冬季风向处，利用地形或周边建筑物、构筑物及常绿植被为建筑物竖起一道风屏障，避免冷风的直接侵袭，有效减少冬季的热损失。一个单排、高密度的防风林（穿透率为 36%），距 4 倍建筑高度处，风速会降低 90%，同时可以减少被遮挡的建筑物 60%的冷风渗透量，节约常规能源的 15%。适当布置防风林的高度、密度与间距会收到很好的挡风效果。,5利用自然环境有效调节建筑物周围的微气候改造和利用现有地形及自然条件，能够调节场地中的微气候。例如植被在夏季提供阴影，并

6、利用蒸腾作用产生凉爽的空气流；不同的介质、界面对太阳光的反射或吸收情况不同，据此可改善日照情况。因此应当提高绿化率，减少硬质地面。另外，落叶乔木的冬夏变化、水环境的合理设计，都能改变建筑的外部热环境。,8.2 建筑设计要求,8.2.1 设计原则1合理的建筑平面设计我们在进行平面设计时要考虑到建筑的采暖、降温、采光等多方面的要求。既要满足主要房间能在冬季直接获取太阳能量，又要实现夏季的自然通风（最好是对流通风）降温，还要最大限度地利用自然采光，降低人工照明的能耗，改善住宅室内光环境，为建筑提供较为舒适的环境。,2适宜的建筑体形设计建筑平面形状凹凸，形体越复杂，建筑外表面积越大，能耗损失越多。同时

7、也要注意在组团设计中，建筑形体与周边日照的关系，尽量实现冬季向阳、夏季遮阳的效果。,3热工性能良好的围护结构设计加强建筑的保温隔热，这是现代建筑充分利用太阳能的前提条件，同时也有利于创造舒适健康的室内热环境。改善建筑物维护结构的热工性能，可以达到夏季隔绝室外热量进入室内，冬季防止室内热量泄出室外，使建筑物室内温度尽可能接近舒适温度，以减少通过辅助设备（如采暖、制冷设备）来达到合理舒适室温的负荷，最终达到节能的目的。,8.2.2 设计要点,1合理的门窗设计南向窗户在满足夏季遮阳要求的条件下，面积尽量增大，以增加吸收冬季太阳辐射热；北向窗户在满足夏季对流通风要求的条件下，面积尽量减小，以降低冬季的

8、室内热量损失。尽量限制使用东西向门窗。,2外墙保温隔热设计在建筑设计中，应遵守减少失热面和争取朝阳面的基本原则。对于墙体来说，可以降低北向房间层高，或者减少东、西、北墙外侧坡大的斜屋顶的坡度，这样可以减少建筑的失热面，达到建筑节能的目的。另外，选用浅色调的外墙饰面，有利于夏季的降温。,3屋面保温隔热设计屋面保温层不宜选用松散密度较大、导热系数较高的保温材料，以防止屋面质量、厚度过大。同时，也不宜选用吸水率大的材料，以防止屋面湿作业时，保温层吸收大量水分，降低保温效果。,4充分利用日照环境，进行合理构造设计对于向阳部分可结合建筑造型利用垂直绿化进行遮阳，以减少夏季的阳光直射，而且还能够创造丰富的

9、建筑形象，创造宜人的建筑光影环境。对于背阴部分，则应该有效降低能耗，改善环境。,8.2.3 太阳能建筑一体化设计,所谓建筑与太阳能技术一体化不是简单的“相加”，而是要通过“相加”整合出一个崭新的答案。也就是说建筑应该从设计一开始的时候，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中“相加”设计，使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分，而不是让太阳能系统成为建筑的附加构件。真正的太阳能技术与建筑一体化是指太阳能产品及构件在建筑上的应用，并做到与建筑设计进行有机的结合。,1太阳能技术与建筑一体化结合的要求太阳能系统与建筑的结合需要做到同步设

10、计、同步施工。一体化结合至少要做到外观、结构、管路布置、系统运行 4 个方面的要求。,（1）在外观上，合理摆放光伏电池板和太阳能集热器，无论是在屋顶还是在立面墙上，应实现两者的协调与统一。（2）在结构上，要妥善解决光伏电池板和太阳能集热器的安装问题，确保建筑物的承重防水等功能不受影响，还要充分考虑光伏电池板和太阳能集热器抵御强风、暴雪、冰雹等的能力。（3）在管路布置上，建筑物中都要事先留出所有管路的通口，合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路，尽量减少在管路上电量和热量的损失。（4）在系统运行上，要求系统可靠、稳定、安全，易于安装、检修、维护，合理解决太阳能与辅助能源的匹配以及与公共电网的并

11、网问题，尽可能实现系统的智能化全自动控制。,2太阳能集热板、光电板、与建筑结合有如下几种形式（1）采用普通太阳能电池组件或集热器，安装在倾斜屋顶原来的建筑材料之上，如图 8-4（a）所示；（2）采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为建筑材料安装在斜屋顶上，如图 8-4（b）所示；（3）采用普通太阳能电池组件或集热器，安装在平屋顶原来的建筑材料之上，如图8-4（c）所示；（4）采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为建筑材料安装在平屋顶上，如图 8-4（d）所示；,（5）采用普通或特殊的太阳能电池组件或集热器，作为幕墙安装在南立面上，如图8-4（e）所示；（6）采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作

12、为建筑幕墙镶嵌在南立面上，如图 8-4（f）所示；（7）采用特殊的太阳能电池组件或集热器，作为天窗材料安装在屋顶上，如图 8-4（g）所示；（8）采用普通或特殊的太阳能电池组件或集热器，作为遮阳板安装在建筑上，如图8-4（h）所示。,8.3 太阳能在建筑中的应用,8.3.1 太阳能建筑采暖技术设计在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益。因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。,太阳能采暖可分为主动式和被动式两种方式。被动式太阳能采暖通过建筑的朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理以及建筑材料和结构构

13、造的恰当选择，使建筑物在冬季能充分收集、存储和分配太阳辐射热。主动式太阳能采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统、自动控制系统和其他能源辅助加热、换热设备集合构成，相比于被动式太阳能采暖，其供热状况更加稳定，但同时投资费用也增大，系统更加复杂。随着经济和社会的发展，主动式太阳能采暖开始大规模应用。,8.3.1.1 被动式太阳能采暖系统太阳能集、蓄热构件设计是被动式太阳能设计的核心，它包括直接得热系统和间接得热系统。直接得热系统的工作原理是，冬季让太阳辐射热直接从南面窗射入房间内部，用楼板层、墙及家具设备等作为吸热和储热体。,按照太阳能在建筑中的获取方式，可以将被动式太阳能系统

14、分为两种基本类型：直接得热式和间接得热式。1直接得热式太阳能采暖系统直接得热式系统如图 8-5 所示。在这个过程中，房间本身就是一个能量收集、贮存和分配的系统。无论从设计和构造来讲，直接得热式都是最简单的被动式采暖措施。这种方式的优点是房间升温快、构造简单，不需增设特殊的集热装置，与一般建筑的外形无多大差异，建筑的艺术处理也比较灵活。同时这种太阳能建筑的投资较小，管理也较方便，是最易推广的被动式采暖措施。直接得热式最大的问题是升温快，但是降温也快。因此为了减少房间热损失，夜间必须用保温窗帘或窗户盖板将窗户覆盖。,2间接得热式太阳能采暖系统间接得热式太阳能采暖系统的基本形式有集热蓄热墙、附加阳光

15、间和贮热屋顶式。（1）特朗伯墙式集热蓄热墙特朗伯墙由透光玻璃、集热板、集热墙体（砖墙）组成。在集热墙体上、下部适当位置设置风口。其工作原理是：阳光透过玻璃照射到集热板上，集热板被加热，并有一部分热量蓄积在集热墙体内。当上下风口打开时，房间的冷空气由下风口进入集热板和墙体间的空腔，在空腔中受热上升，再由上风口回到房间。这种周而复始的热循环过程使室内温度得以提高。图 8-6 是特朗伯墙式集热蓄热墙工作状况。天热时，可以通过控制风口闸门启闭，来调节室内温度，使室内温度不致过高。而房屋的两侧面、背面及屋顶和底层地板则按照保温节能要求进行设计。,（2）水墙式集热蓄热墙水墙式集热蓄热墙简称水墙，如图 8-

16、7 所示。作为蓄热材料的水通常置于屋内的一面墙中，称为“水墙”。水墙应该建在房间里一天中大部分时间阳光能够直接照射到的地方。用来建造这种“水墙”容器的材料，一般为塑料或金属。图 8-8 是北京曾研究和实践的窗水墙被动式太阳房，采用大面积装水玻璃墙作为太阳辐射能收集器，设于玻璃窗的下部，当阳光穿过玻璃窗及水墙时，室内空气温度不断升高。水墙具有较好的蓄热能力，可保持一定时间热稳定性，造价低，很受欢迎，但是主要问题是运行管理比较麻烦。,（3）附加阳光间式附加阳光间式太阳房的工作原理是将作为集热部分的阳光间附加在建筑南向房间的外面，阳光间靠室外一侧全部设置玻璃，利用阳光间和房间之间的集热墙作为集热构件

17、，冬季阳光进入附加阳光间后，集热墙将热量吸收并对阳光间内的冷空气进行低温辐射，温度升高后，空气因密度减小而上升，并由集热墙上部的开口进入室内，同时阳光间的底部形成了负压，室内的冷空气被吸入阳光间进行加热，这样阳光间内的空气和室内的空气因为对流而达到房间采暖的目的。,附加阳光间作为室外和室内的缓冲空间，在夜晚可以关闭集热墙顶部和底部的通风口以减少房间的热损失，房间的温度波动相应减小。除了起到采暖的作用以外，附加阳光间也可以作为白天人们的休息、活动的空间。另外，在冬季时，由于玻璃的保温能力非常差，如无适当的附加保温措施，则日落后或者在阴雨天气，室内气温将会大幅度下降。而在夏季，如果没有适当的隔热措

18、施，附加阳光间内的气温将会过高。以上这些问题，必须在设计这种设施以前充分考虑，并提出解决这些问题的相应措施（如图 8-9 所示）。,（4）贮热屋顶式贮热屋顶式太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能，适合冬季不很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，让水袋充分吸收太阳辐射热，水袋所储热量，通过辐射和对流传至下面房间，夜间，则关闭保温板，阻止向外的热损失；夏季，,保温盖板启闭情况则与冬季相反，白天关闭保温盖板，隔绝阳光及室外热空气，同时用较凉的水袋吸收下面房间的热量，使室温下降，夜晚，则打开保温盖板，

19、让水袋冷却。保温盖板还可根据房间温度、水袋内水温和太阳辐照度，进行自动调节启闭。,3被动式太阳能采暖系统综合利用在实际工程项目中，很少只单独使用一种集热手段，经常是几种手段的综合运用，较多的是集热蓄热墙式和直接得热式的综合运用。图 8-10 是综合运用几种被动式集热方式的组合太阳房示意图。,8.3.1.2 主动式太阳能集热装置与建筑的一体化设计主动式太阳能建筑利用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、蓄存及输配太阳能，系统中的各部分均可控制达到需要的室温。空气系统主动式太阳能采暖是由太阳能集热器加热空气直接用来采暖，要求热源的温度比较低，为 50左右，集热器具有较高的效率。,集热器是太阳

20、能采暖的关键部件。应用空气作为集热介质时，首先，需有一个能通过容积流量较大的结构。空气的容积比热较小，而水的容积比热较大。其次，空气与集热器中吸热板的换热系数要比水与吸热板的换热系数小得多。因此，空气集热器的体积和传热面积都要求很大。,1空气集热器式在建筑的向阳面设置太阳能空气集热器，用风机将空气通过碎石蓄热层送入建筑物内，并与辅助热源配合（如图 8-11 所示）。由于空气的比热小，从集热器内表面传给空气的传热系数低，所以需要大面积的集热器，使得空气集热器热效率较低。,2集热屋面式集热屋面式是指把集热器放在坡屋面、用混凝土地板作为蓄热体的系统，例如日本的OM 阳光体系住宅（如图 8-12 所示

21、）。冬季，室外空气被屋面下的通气槽引入，积蓄在屋檐下，被安装在屋顶上的玻璃集热板加热，上升到屋顶最高处，通过通气管和空气处理器进入垂直风道转入地下室，加热室内厚水泥地板，同时热空气从地板通风口流入室内（如图 8-13 所示）。该系统也可在加热室外新鲜空气的同时加热室内冷空气，但是需要在室内上空设风机和风口，把空气吸入并送到屋面集热板下。夏季夜晚系统运行与冬季白天相同，但送入室内的是冷空气，起到降温作用。夏季白天集聚的热空气能够加热生活热水（如图8-14 和图 8-15 所示）。,3窗户集热板式该系统由玻璃盒子单元、百叶集热板、蓄热单元、风扇和风管等组合而成（如图 8-16所示）。玻璃夹层中的集

22、热板把光能转换成热能，加热空气，空气在风扇驱动下沿风管流向建筑内部的蓄热单元。在流动过程中，加热的空气与室内空气完全隔绝。集热单元安装在向阳面，空气可加热到 3070。集热单元的内外两层均采用高热阻玻璃，不但可以避免热散失，还可防止辐射过大时对室内造成的不利影响。不需要集热时，集热板调整角度，使阳光直接入射到室内。夜间集热板闭合，减少室内热散失。,4太阳墙太阳墙系统由集热和气流输送两部分系统组成，房间是蓄热器。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板材覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距通过计算决定，一般在 20cm 左右，形成的空腔与建筑内部通风

23、系统的管道相连。管道中设置风机，用于抽取空腔内的空气（如图 8-17 所示）。,在太阳辐射作用下，冲压成型的太阳墙板升到较高温度，同时太阳墙与墙体之间的空气间层在风机作用下形成负压，室外冷空气在负压作用下通过太阳墙板上的孔洞进入空气间层时被加热，在上升过程中再不断被太阳墙板加热。到达太阳墙顶部的热空气被风机通过管道系统送至房间。与传统意义上的集热蓄热墙等方式不同的是，太阳墙对空气的加热主要是在空气通过墙板表面的孔缝时，而不是空气在间层中上升的阶段。太阳墙板外表面为深色（吸收太阳辐射热），内表面为浅色（减少热损失）。,在冬季天气晴朗时，太阳墙可以把空气温度提高 50左右。夜晚，墙体向外散失的热量

24、被空腔内的空气吸收，在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了新风量，又补充了热量，使墙体起到了热交换器的作用。夏季，风扇停止运转，室外热空气可从太阳墙板底部及孔洞进入，从上部和周围的孔洞流出，热量不会进入室内，因此不需特别设置排气装置（如图 8-18 所示）。,当太阳墙系统与其他采暖系统结合，同时为房间供热时，除在太阳墙顶部和典型房间中安装温度传感器外，在其他采暖系统上也装设温控装置（如在热水散热器上安装温控阀）。太阳墙提供热量不够的部分由其他采暖系统补足。也可以采用定时器控制，每天在预定时段将热（冷）空气送入室内。,8.3.2 太阳能建筑通风降温设计提高建筑散热最简单有效的应用就是自然

25、通风。通风可以加速热量的散逸和水蒸气蒸发，在同样温度下能给人凉爽之感，增加人的舒适度。本策略的前提是室外的温度低于室内的温度，否则室内会更热。所以，在夏季炎热地区，有的甚至应该防止通风。而优秀的通风设计则能在自然风的基础上利用和加大风压，促进室内气流流动，从而将热空气排出建筑。,8.3.2.1 自然通风的原理自然通风的原理是利用建筑内部空气温度差所形成的热压和室外风力在建筑外表面所形成的风压，在建筑内部产生空气流动，进行通风换气。如果在建筑物外围护结构上有一开口，且开口两侧存在压力差，那么根据动力学原理，空气在此压力差的作用下将流进或流出该建筑，这就形成了自然通风，此压力差由室外风力或室内外温

26、差产生的密度差形成。,1热压作用下的自然通风由于自然风的不稳定性或者周围高大建筑和植被的影响，许多情况下，建筑的周围不能形成足够的风压，这时就需要利用热压来实现自然通风。热压作用下的自然通风原理：由于建筑物内外空气的气温差产生了空气密度的差别，于是形成压力差，驱使室内外的空气流动。室内温度高的空气比重小而上升，并从建筑物上部风口排出，这时会在原来低密度空气的地方形成负压，于是，室外温度比较低而比重大的新鲜空气从建筑物底部的开口被吸入，从而室内外的空气源源不断地进行流动。人们形象地称这种由于热压而引起的自然通风为“烟囱效应”。空气的温度差和窗孔之间的高度差是实现热压通风的必要条件。,2风压作用下

27、的自然通风在具有良好的外部风环境的地区，风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中，利用风压促进建筑的室内空气流通、善室内的空气环境质量，是一种常用的建筑处理方法。风洞试验表明：当风吹向建筑时，因受到建筑的阻挡，会在建筑的迎风面产生正压力；同时，气流绕过建筑的各个侧面及背面，会在相应位置产生负压力（如图 8-20 所示）。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时，迎风面中心处正压最大，在屋角和屋脊处负压最大（如图 8-21 所示）。我们常说的“穿堂风”就是利用风压的

28、自然通风。,3风压、热压同时作用的自然通风在建筑的自然通风设计中，风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。,英国莱彻斯特的德蒙特福德大学女王馆，是利用风压、热压同时作用自然通风的一个例子。该建筑面积 1 万多平方米，建筑师是肖特福特及其合作伙伴。由于建筑比较庞大，因此建筑师将建筑分成一系列小体块，既在尺度上与周围古老的街区相协调，又能形成一种有节奏的韵律感，同时还可以进行自然通风。建筑进深较小的实验室、办公室利用风压通风，而进深较大的报告厅等房间则依靠热压效应（烟囱效应）进行通风（如图 8-2

29、3 所示）。,4机械辅助式自然通风对于一些大型体育场馆、展览馆、商业设施等，由于通风路径（或管道）较长，单纯依靠自然的风压、热压往往不足以实现自然通风，而对于空气和噪声污染比较严重的大城市，直接自然通风不利于人体健康。在以上情况下，常常采用一种机械辅助式自然通风系统。,8.3.2.2 自然通风的方式（1）穿越式通风：也就是我们常说的“穿堂风”。它是利用风压来进行通风的。室外空气从房屋一侧的窗流入，从另一侧的窗流出。此时，房屋在通风方向的进深不能太大，否则就会通风不畅。进气窗和出气窗之间的风压差大，房屋内部空气流动阻力小，才能保证通风流畅。（2）烟囱式通风：也就是我们通常所说的垂直拔风，它主要利用热压进行通风，可以有效解决房间进深较大、无穿堂风时的通风问题。（3）单侧局部通风：局限于房间的通风。空气的流动是由于房间内的热压效应、微小的风压差和湍流。因此，单侧局部通风的动力很小，效果不明显。,