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摘要：本文通过对被动式太阳能构造的原理介紹，指出在我国一些寒冷且无人工取暖条件的地区采用本构造，具有良好的经济价值及社会价值，是行之有效的措施，可以广泛推广。并通过设计实例进行分析验证，得到料预期效果。
关键词：被动式；太阳能；构造；供暖
0.引言
太阳能作为一种新型能源无运行成本，无环境污染，且永不枯竭的能源，在当今社会已得到越来越多的应用。在中国北方中小城镇和农村，人们生活房屋的采暖方式仍以火炕为主，这种采暖有它的优点，但也有热效低，污染环境，浪费森林资源等缺点。这些地区冬季大多数日子天气晴朗，太阳能资源丰富。而大多数地区经济落后，能源匮乏，因而在这些地区利用太阳能采暖有广泛的前景。
1.原理
在当今技术条件下，人们获取太阳能有两种途径：一是主动太阳能装置，它利用某些能吸收大量太阳能的物质，通过管道和强制流通设备储存和分布太阳能。另一种是被动太阳能构造，它不需要管道和强制流通设备直接利用太阳能。主动太阳能装置虽然调节灵活使人处于主动地位，但一次性投资高，技术复杂，维护管理工作量大且需耗费常规能源，因而受到很大限制，特别是北方较贫困山区。相较而言，被动式太阳能装置：初投资小、技术简单、维护费用低，应用于适宜项目的困难较小，较易推广于应用。
用被动太阳能装置代替冬季采暖。这一做法对太阳能的利用是有益的实践。利用建筑物的朝阳面窗直接集热与集热墙装置集热相结合，加热室内空气，使室内气温升高，并做一系列保温措施，使建筑物的热散失控制在较小范围，可使室温保持在不影响使用的范围内，从而代替其他采暖方式。被动式太阳房是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合理处理，以及建筑材料、构造和结构的适宜选择，使其在冬季能集取、保持、贮存、分布太阳能，从而解决建筑物的采暖问题；同时在夏季，又可以遮蔽太阳辐射，散逸室内的热量，使建筑物内凉爽宜人。
被动式太阳能建筑的朝向应为南向，或南向捎偏东，或西。建筑场地应选在开阔，且南面无高大遮挡物的位置，这样有利于太阳能的采集。建筑物中主要房间应设于南侧，紧靠贮热体，使这些房间被直接加热，不须管道和强制分布热空气的设备。
2.构造
由于被动式太阳能建筑利用南窗直接受益和集热墙集热两种方式吸收热量。集热构件即为南窗和集热墙。
（1）南窗除满足采光要求外，应适当开大，并且应有较好的密闭性和保温性能。窗的玻璃应有两层，两层玻璃之间距离依窗而定，双层窗在80-120mm之间，单框双玻璃塑钢窗约8-12mm。由于太阳能集热只能在日出以后进行，所以夜间应尽少散失热量，因此在窗的内侧加保温窗帘，保温窗帘做法很多，以经济条件而定，最简单做法是窗帘由5层透明塑料薄膜夹4层空气层复合而成。
（2）所有南向非窗墙面，均做集热墙。集热墙由双层3mm厚玻璃夹12mm空气层、130mm厚空气层、370mm厚粘土砖墙构成。如图一所示：
每个几集热单元在墙体上端、下端各设一个240mm×240mm的通气孔，通向室内，将集热墙内的热气导入室内，并将室内温度较低的空气导入集热墙的空腔内加热。
（3）因被动式太阳能集热量有限，所以太阳能建筑应做好保温措施，东北西三面非集热墙均采用夹心保温墙。做法为120厚砖墙与240厚砖墙中间夹60厚苯板或填塞130厚珍珠岩，并设“S”形钢筋1000mm远设一根，每500mm高设一层。
（4）主要房间内墙可考虑热烟道，在底层设燃煤、燃油炉以解决阴天无法采暖的问题。
3.经济分析
北方偏远地区，如乡村、郊区，它们远离城市供暖管网，单独辅设供暖管路造价高，且热损失大，采暖效果也不好。单独建供暖锅炉房，造价也要提高，现在大多数建筑供暖都采用这种热源。每个采暖期的维持费用高，不如被动式太阳能采暖无运行成本。
下面以2500平方米教学楼建筑为例，对比采暖投资费用：锅炉房采暖投资如下：采暖需半吨炉一台加上锅炉房水泵等共需投资15万元，建筑物内采暖系统每平方米投资约为30～40/m2约需投资8.75万元，外网辅设造价各不相同，以上各项费用合计投资约为23.75万元，而被动式太阳能建筑每平方米约增加投资100元共需增加投资25万元，两者投资相差不多但使用期间的运行费用却有很大的差距，所以被动式太阳能建筑的优越性也就显现出来了。
4.实例计算
水泉镇中学教学楼位于阜新市细河区水泉镇，建筑面积2782.6M2，四层砖混结构。由于地处郊区远离城市供热管网，且学校最冷月放假，夜间无人使用，故采用被动式太阳能装置采暖。
采暖计算设计数据如下：
阜新地区采暖季节室外平均温度-5.7℃，室内计算温度8℃室外最低设计计算温度-17℃。
阜新地区采暖季节供暖天数为156天，每天按8小时计算。
（1）传热系数计算如下：
①外墙：
水泉镇中教学楼外墙结构如下：外层为120mm厚粘土砖墙，内层为240mm厚粘土砖墙，中间夹130mm厚珍珠岩。
由公式： --公式（一）
可得：
②屋顶
水泉镇中学教学楼屋面结构为三毡面油防水层，水泥砂浆20mm厚，干辅炉渣150mm厚，水泥砂浆20mm厚，钢筋混凝土板120mm厚，天棚抹灰25mm厚。由公式一可得
（2）水泉镇中学教学楼主要房间耗热量计算：
由公式： --公式（二）
--公式（三）
可得：
顶层西南角教室采暖期总耗热量为：
顶层西南角教室采暖期总耗热量为：
标准层西南角教室采暖期总耗热量为：
标准层中间教室采暖期总耗热量为：
（3）被动式太阳能装置集热量的计算：
水泉镇中学教学楼集热面积平均为11.025
透光玻璃的波长为玻璃窗的透光率为85%，在计算中太阳按黑体计算它的表面计算温度T=5762K各教室玻璃窗吸收太阳辐射强度为10℃。对流放热系数为3w/cm2.
由的函数可得：
玻璃窗净吸收太阳热为：190
每个教室净吸收太阳热为2.1
供暖期各教室吸收太阳热为2620
每个教室设计有学生50人，每个学生放热10W即学生可放热624kw
（4）集热量与耗热量比较
由上可见教室集热量大于放热量，并且最冷月是在寒假期间所以学生上学期间教室温度可保持在8℃以上。
（5）水泉镇中学教学楼建成以后，在实际使用过程中发现，确如计算结果，所有教室温度在白天均保持在8℃以上，中间教室室温可达到14～15℃满足使用要求，使用单位反映良好，并且本次设计获得阜新市优秀设计三等奖。
5.结论
由上所述可见被动式太阳能装置能满足对温度要求较低，夜间无人使用的建筑的冬季供暖要求。因而在北方偏远不适宜集中供热且温度要求较低的建筑，如厂房，教学楼等采用这种被动式太阳能采暖方式，即不增加很多建设投资，且无运行成本，有很好的经济效益。适宜在这类项目中推广使用。
参考文献：
[1]刘加平.建筑物理[M].中国建筑工业出版社.2000
[2]陆耀庆.实用供暖空调设计手册[M].中国建筑工业出版社.1998
关键词：被动式；太阳能；构造；供暖
0.引言
太阳能作为一种新型能源无运行成本，无环境污染，且永不枯竭的能源，在当今社会已得到越来越多的应用。在中国北方中小城镇和农村，人们生活房屋的采暖方式仍以火炕为主，这种采暖有它的优点，但也有热效低，污染环境，浪费森林资源等缺点。这些地区冬季大多数日子天气晴朗，太阳能资源丰富。而大多数地区经济落后，能源匮乏，因而在这些地区利用太阳能采暖有广泛的前景。
1.原理
在当今技术条件下，人们获取太阳能有两种途径：一是主动太阳能装置，它利用某些能吸收大量太阳能的物质，通过管道和强制流通设备储存和分布太阳能。另一种是被动太阳能构造，它不需要管道和强制流通设备直接利用太阳能。主动太阳能装置虽然调节灵活使人处于主动地位，但一次性投资高，技术复杂，维护管理工作量大且需耗费常规能源，因而受到很大限制，特别是北方较贫困山区。相较而言，被动式太阳能装置：初投资小、技术简单、维护费用低，应用于适宜项目的困难较小，较易推广于应用。
用被动太阳能装置代替冬季采暖。这一做法对太阳能的利用是有益的实践。利用建筑物的朝阳面窗直接集热与集热墙装置集热相结合，加热室内空气，使室内气温升高，并做一系列保温措施，使建筑物的热散失控制在较小范围，可使室温保持在不影响使用的范围内，从而代替其他采暖方式。被动式太阳房是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合理处理，以及建筑材料、构造和结构的适宜选择，使其在冬季能集取、保持、贮存、分布太阳能，从而解决建筑物的采暖问题；同时在夏季，又可以遮蔽太阳辐射，散逸室内的热量，使建筑物内凉爽宜人。
被动式太阳能建筑的朝向应为南向，或南向捎偏东，或西。建筑场地应选在开阔，且南面无高大遮挡物的位置，这样有利于太阳能的采集。建筑物中主要房间应设于南侧，紧靠贮热体，使这些房间被直接加热，不须管道和强制分布热空气的设备。
2.构造
由于被动式太阳能建筑利用南窗直接受益和集热墙集热两种方式吸收热量。集热构件即为南窗和集热墙。
（1）南窗除满足采光要求外，应适当开大，并且应有较好的密闭性和保温性能。窗的玻璃应有两层，两层玻璃之间距离依窗而定，双层窗在80-120mm之间，单框双玻璃塑钢窗约8-12mm。由于太阳能集热只能在日出以后进行，所以夜间应尽少散失热量，因此在窗的内侧加保温窗帘，保温窗帘做法很多，以经济条件而定，最简单做法是窗帘由5层透明塑料薄膜夹4层空气层复合而成。
（2）所有南向非窗墙面，均做集热墙。集热墙由双层3mm厚玻璃夹12mm空气层、130mm厚空气层、370mm厚粘土砖墙构成。如图一所示：
每个几集热单元在墙体上端、下端各设一个240mm×240mm的通气孔，通向室内，将集热墙内的热气导入室内，并将室内温度较低的空气导入集热墙的空腔内加热。
（3）因被动式太阳能集热量有限，所以太阳能建筑应做好保温措施，东北西三面非集热墙均采用夹心保温墙。做法为120厚砖墙与240厚砖墙中间夹60厚苯板或填塞130厚珍珠岩，并设“S”形钢筋1000mm远设一根，每500mm高设一层。
（4）主要房间内墙可考虑热烟道，在底层设燃煤、燃油炉以解决阴天无法采暖的问题。
3.经济分析
北方偏远地区，如乡村、郊区，它们远离城市供暖管网，单独辅设供暖管路造价高，且热损失大，采暖效果也不好。单独建供暖锅炉房，造价也要提高，现在大多数建筑供暖都采用这种热源。每个采暖期的维持费用高，不如被动式太阳能采暖无运行成本。
下面以2500平方米教学楼建筑为例，对比采暖投资费用：锅炉房采暖投资如下：采暖需半吨炉一台加上锅炉房水泵等共需投资15万元，建筑物内采暖系统每平方米投资约为30～40/m2约需投资8.75万元，外网辅设造价各不相同，以上各项费用合计投资约为23.75万元，而被动式太阳能建筑每平方米约增加投资100元共需增加投资25万元，两者投资相差不多但使用期间的运行费用却有很大的差距，所以被动式太阳能建筑的优越性也就显现出来了。
4.实例计算
水泉镇中学教学楼位于阜新市细河区水泉镇，建筑面积2782.6M2，四层砖混结构。由于地处郊区远离城市供热管网，且学校最冷月放假，夜间无人使用，故采用被动式太阳能装置采暖。
采暖计算设计数据如下：
阜新地区采暖季节室外平均温度-5.7℃，室内计算温度8℃室外最低设计计算温度-17℃。
阜新地区采暖季节供暖天数为156天，每天按8小时计算。
（1）传热系数计算如下：
①外墙：
水泉镇中教学楼外墙结构如下：外层为120mm厚粘土砖墙，内层为240mm厚粘土砖墙，中间夹130mm厚珍珠岩。
由公式： --公式（一）
可得：
②屋顶
水泉镇中学教学楼屋面结构为三毡面油防水层，水泥砂浆20mm厚，干辅炉渣150mm厚，水泥砂浆20mm厚，钢筋混凝土板120mm厚，天棚抹灰25mm厚。由公式一可得
（2）水泉镇中学教学楼主要房间耗热量计算：
由公式： --公式（二）
--公式（三）
可得：
顶层西南角教室采暖期总耗热量为：
顶层西南角教室采暖期总耗热量为：
标准层西南角教室采暖期总耗热量为：
标准层中间教室采暖期总耗热量为：
（3）被动式太阳能装置集热量的计算：
水泉镇中学教学楼集热面积平均为11.025
透光玻璃的波长为玻璃窗的透光率为85%，在计算中太阳按黑体计算它的表面计算温度T=5762K各教室玻璃窗吸收太阳辐射强度为10℃。对流放热系数为3w/cm2.
由的函数可得：
玻璃窗净吸收太阳热为：190
每个教室净吸收太阳热为2.1
供暖期各教室吸收太阳热为2620
每个教室设计有学生50人，每个学生放热10W即学生可放热624kw
（4）集热量与耗热量比较
由上可见教室集热量大于放热量，并且最冷月是在寒假期间所以学生上学期间教室温度可保持在8℃以上。
（5）水泉镇中学教学楼建成以后，在实际使用过程中发现，确如计算结果，所有教室温度在白天均保持在8℃以上，中间教室室温可达到14～15℃满足使用要求，使用单位反映良好，并且本次设计获得阜新市优秀设计三等奖。
5.结论
由上所述可见被动式太阳能装置能满足对温度要求较低，夜间无人使用的建筑的冬季供暖要求。因而在北方偏远不适宜集中供热且温度要求较低的建筑，如厂房，教学楼等采用这种被动式太阳能采暖方式，即不增加很多建设投资，且无运行成本，有很好的经济效益。适宜在这类项目中推广使用。
参考文献：
[1]刘加平.建筑物理[M].中国建筑工业出版社.2000
[2]陆耀庆.实用供暖空调设计手册[M].中国建筑工业出版社.1998