二、被动式太阳房
在无辅助热源的情况下,被动式太阳房比普通住房冬季可提高室内温度8℃以上,室内外温差达到15℃;夏季可降低室温2~3℃,造价仅增加10%~15%,且能收到很好的节能保温效果。因其造价低廉、构造简单、管理方便、不需要动力,深受人们的欢迎。
如图7-37所示,将一道外墙外面涂成黑色,实墙外面再用一层或两层玻璃加以覆盖。将墙设计成集热器而同时又是储热器。室内冷空气由墙体下部入口进入集热器,被加热后又由上部出口进入室内进行采暖。当无太阳能时,可将墙体上、下通道关闭,室内只靠墙体以辐射和对流方式不断地加热室内空气。从太阳能热利用的角度,被动式太阳房有以下几种形式。
1.直接受益式
式是被动式太阳房中最简单也是最常用的一种,如图7-38所示。它是利用南窗直接接受太阳能辐射。太阳辐射通过窗户直接射到室内地面、墙壁及其他物体上,使它们表面温度升高,通过自然对流换热,用部分能量加热室内空气,另一部分能量则贮存在地面、墙壁等物体内部,使室内温度维持到一定水平。
由于直接受益式被动式太阳房热效率较高,但室温波动较大,因此,使用于白天要求升温快的房间或只是白天使用的房间,如教室、办公室、住宅的起居室等。如果窗户有较好的保温措施,也可以用于住宅的卧室等房间。
图7-38 直接受益式工作原理
2.集热蓄热墙式
最早的著名蓄热墙就是法国的特朗勃墙,这是间接受益太阳能采暖系统的一种(图7-39)。太阳光照射到南向、外面有玻璃的深黑色蓄热墙体上,蓄热墙吸收太阳的辐射热后、通过传导把热量传到墙内一侧,再以对流和热辐射方式向室内供热。另外,在玻璃和墙体的夹层中,被加热的空气上升,由墙上部的通气孔向室内送热,而室内的冷空气则由墙下部的通气孔进入夹层,如此形成向室内输送热风的对流循环。以上是冬天工作的情况。夏天,关闭墙上部的通风孔,室内热空气随设在墙外上端的排气孔排出·使室内得到通风,达到降温的效果。
另一种形式是在玻璃后面设置一道“水墙”,如图7-40所示。与特朗勃墙不同之处是墙上不需要开进气口与排气口。“水墙”表面吸收热量后,由于对流作用,吸收的热量很快地在整个“水墙”内部传播。然后由“水墙”内壁通过辐射和对流,把墙中的热量传到室内。
图7-39 集热-蓄热墙式工作原理
图7-40 利用“水墙”的被动式太阳能采暖系统
3.附加阳光间式
“综合式被动太阳房”是指附加在房屋南面的温室,即可用于新建的太阳房,又可在改建的旧房上附加上去。实际它是直接受益式(南向的温室部分)和集热一蓄热墙式(后面有集热墙的房间)两种形式的综合(如图7-41)。由于温室效应,使室内有效获热量增加,同时减小室温波动。温室可做生活间,也可作为阳光走廊或门斗,温室中种植蔬菜和花草、美化环境增加经济收益,缩短回收年限。附加温室外观立面增加了建筑的造型美、热效率略高于集热一蓄热墙式。
图7-41 综合式被动太阳房工作原理
附加阳光间式被动式太阳房是集热蓄热墙系统的一种发展,将玻璃与墙之间的空气夹层加宽,形成一个可以使用的空间——附加阳光间。这种系统其前部阳光间的工作原理和直接受益式系统相同,后部房间的采暖方式则雷同于集热蓄热墙式。
4.贮热屋顶式
屋顶做成一个浅池(或将水装入密封的塑料袋内)式集热器,在这种设计中,屋顶不设保温层,只起承重和围护作用,池顶装一个能推拉开关的保温盖板。该系统在冬季取暖,夏季降温(图7-42)。冬季白天,打开保温板,让水(或水袋)充分吸收太阳的辐射热;晚间,关上保温板,水的热容大,可以储存较多的热量,水中的热量大部分从屋顶辐射到房间内,少量从顶棚到下面房一间进行对流散热以满足晚上室内采暖的需要。夏季白天,把屋顶保温板盖好,以隔断阳光的直射,由前一天暴露在夜间、较凉爽的水(或水袋)吸收下面室内的热量,使室温下降;晚间,打开保温盖板,借助自然对流和向凉爽的夜空进行辐射,冷却了池(水袋)内的水,又为次日白天吸收下面室内的热量做好了准备。该系统适合于南方夏季较热,冬天又十分寒冷的地区,为夏热冬冷的长江两岸地区,为一年冬夏两个季节提供冷、热源。
用屋顶作集热和储热的方法,不受结构和方位的酿制。用屋顶作室内散热面,能使室温均匀也不影响室内的布置。
图7-42 储热式屋顶工作原理
5.自然循环(热虹吸)式
自然循环被动太阳房的集热器、储热器是和建筑物分开独立设置的。它适用于建在山坡上的房屋。集热器低于房屋地面,储热器设在集热器上面,形成高差,利用流体的热对流循环,如图7-43所示。白天,太阳集热器中的空气(或水)被加热后,借助温差产生的热虹吸作用,通过风道(用水时为水管),上升到它的上部岩石储热层,热空气被岩石堆吸收热量而变冷,再流回集热器的底部,进行下一次循环。夜间,岩石储热器通过送风口向采暖房间以对流方式采暖。该类型太阳房有气体采暖和液体采暖两种,由于其结构复杂,应用受到一定的限制。
图7-43 自然循环式工作原理
以上几种类型的被动式太阳房,在实际应用中,往往是几种类型结合起来使用,称为组合式或复合式。尤以前三种形式应用在一个建筑物上更为普遍。其他还有主、被动结合在一起使用的情况。
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