太阳能采暖装置与建筑一体化设计

朱超飞 2013-02-28 16:23:48 来源：中房网

五、太阳能采暖装置与建筑一体化设计

该章节主要介绍了被动式太阳能系统基本类型以及设计过程中对选址、方位、建筑平面布置、维护结构等要求。同时，详细介绍了太阳能采暖系统分类及运行原理，太阳能集热装置与住宅屋顶、墙面的一体化设计。

1、被动式太阳能装置与建筑一体化设计

(1)被动式太阳热能应用系统概述

被动式太阳能建筑系统设计主要是依靠建筑物本身(房间的位置、建筑空间的合理布局、利用建筑结构和建筑材料的吸热性能等)来完成太阳能的集热、储热和散热功能。其设计基本思想就是将各方面的积极因素调动起来，使日光、空气、热量仅在有益时进入建筑。其口的是通过控制阳光和空气在恰当的时间进入建筑并合理储存和分配热空气和冷空气，从而使能源得到有效的利用，并且增加人们的舒适度。

其设计策略可以简单的概括为：被动式采暖和被动式降温。利用太阳能采暖是日前太阳能应用中最普遍的方式之一，也是技术最成熟的方式之一。因为建筑采暖所需的温度不高，与太阳能所能提供的温度相匹配，因此不需特别复杂的技术。

1) 被动式太阳能采暖系统

被动式太阳房集蓄热构件与建筑构件为一体，一次性投资少、运行费用低，但这种集热方式受昼夜温度波动较大。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，当室温低于这些储热体表面温度时，这些物体就会象一个大的低温辐射器那样向室内供暖；间接得热系统有集热、蓄热墙和毗连日光间等形式，

这种装置的主要工作原理是利用设在墙体本身的集热、蓄热材料，集蓄太阳热能，使太阳能辐射热通过传导、辐射和对流，把热量送到室内。集热、蓄热墙又按其热量的传导、辐射和对流的不同，形成了多种形式，如实体式集热蓄热墙、快速集热墙、花格式集热墙、相变材料集热蓄热墙等。夏季则通过构造措施隔绝太阳能辐射热进入室内。

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分为两种基本类型：直接得热式和间接得热式。

a. 直接受益式太阳能采暖系统

直接受益式指阳光直接透过南向窗户进入房间，室内构件(墙壁、地板、家具等)作为吸热和储热体将这些热量吸收，当室温低于这些构件表面温度时，这些构件就会像一个大的低温辐射器向室内的空气辐射热量，从而达到采暖的目的。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，直接受益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。

b. 集热蓄热墙式太阳能采暖系统

集热蓄热墙式的基本形式有特朗伯集热墙、水墙和附加阳光间。

B1 特朗伯墙式

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。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。

特朗伯墙式主要是通过建筑外维护结构的蓄热性进行采暖的方式，其工作原理是将集热墙向阳的一面涂以深色的选择性涂层加强吸热并减少辐射散热，在离集热墙外表面10cm左右装上玻璃或者透明塑料薄片，使该墙体成为集热和储热器，在夜间又成为放热体。储热墙通常为混凝上墙或实心砖墙，这些重质量的墙体热容大、惰性大，因此储热多、放热慢，墙体的温度波动相对于室外的温度波动有较长时间的延迟，有利于减缓夜间室内温度下降。储热墙的厚度因用途而异。

B2 水墙式集热蓄热墙

水墙式集热蓄热墙简称水墙如图3.5。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3.6是北京曾研究和实践过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，使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，但主要问题是运行管理比较麻烦。

c. 附加阳光间式

附加阳光间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。

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，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。

d. 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属寒冷，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，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。

e. 混合式

以上简述的几种基本类型的被动式太阳能建筑都有它们的独特之处。我们把由两个或两个以被动式基本类型组合而成的系统称为混合式系统。不同的采暖方式结合使用，就可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。采用最普遍、最经济实用的就是直接受益式、集热蓄热墙式的混合式。

(2) 被动式太阳能利用的适应性设计

1) 总的原则

在太阳能建筑的规划设计中，有许多因素与太阳能的利用及规划目标有关。它们可被分为两类：一类与场地的地理和自然情况有关，如：纬度、地形和气候条件，这些都会对建筑群体和单体产生影响；另一类与设计有关，包括建筑的间距、高度、构造及朝向等。

对于建筑师来讲，太阳能建筑设计就是要在建筑设计的同时，考虑以下两个方面的问题：一是，太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响，包括建筑物的使用功能，围护结构的特性，建筑体型和立面的改变；二是，考虑太阳能利用的系统选择，太阳能产品与建筑形体的有机结合。

2) 对建筑选址的要求

如果建筑处于山地地区，应避免在山坡的北面布置建筑，可布置在南向山坡的中部，以避免山顶为冷风和山脚的冷空气的“冷池”效应。避免在多风地区布置建筑，如山顶。

3) 对方位的要求

方位是住宅设计中关系到景观、采光、通风以及太阳能利用最关键的因素。方位不同时，建筑表面收到的地面反射量也不同，方位的变化对建筑接受地面反射的影响为32%。太阳能建筑对方位的要求是为了使尽量多和快的得到太阳能辐射热，在冬季，太阳能辐射热在9:00-15:00是全天辐射热的90%左右，因此，在这段时间内要保证足够的日照时间是非常重要的，为了充分发挥太阳能辐射热的效能，可根据太阳能建筑的特征进行方位调整。例如：学校的教室上午希望室温尽快上升，而夜间室内无人，可将方位角南偏东5-15度；居住建筑由于夜间住人，下午尽量使太阳能辐射热进入室内，可将方位角南偏西5-15度。

建筑布置在南向、东南向和西南向，要绝对避免植被和人造构筑物遮挡南向窗，避免在南向近距离种植常青树木，在西南向和东南向可种植落叶树。

4) 对建筑表面积与体型的要求

从利用太阳能的角度考虑，应使南墙面吸收较多的太阳能辐射热，且尽可能的大于其它向外散失的热量，以将这部分热量用于补偿建筑的净负荷。如果使除南墙面之外的其它墙面的热工质量是相同的，则不难看出，建筑的净负荷是与面积的大小成正比的。因此，从节能建筑的角度考虑，对建筑节能的效果以外围护结构总面积越小越好这一标准来评价是不够的，而应以南墙面足够大，其他外表面尽可能小为标准来评价，即表面面积系数(建筑物其它外表面面积之和与南墙面积之比)，这就是被动式太阳能建筑对围护结构面积的要求。

建筑外界面与其体积之比，即体型系数：K=A/V，是表征建筑热工性能的重要参数。建筑的体型系数是围护的手段(外界面)与围护的结果(空间)之间的数量比值，因此它不仅仅是一个热工性能参数，而且还体现了作为手段的外界面对空间的建构围护效率，因而体型系数也是一个界面围护效率系数。由于热工能耗与建筑的外表面积成线性正比，而对于正多面体而言，表面积与体积呈几何基数关系，此时建筑的体积，即空间的量与维持室内气候的能耗之间不是线性关系，而是几何关系，因此建筑在体积扩大时可以只投入较小的能耗增量而获得较多的舒适空间增量，这意味着减小体型系数可以降低舒适空间的平均成本。通常可以通过加大建筑进深，规整建筑体型，集中建筑体量等途径来减小建筑的体型系数。

除此之外，还要用建筑物的表面面积系数来研究建筑体型对节能的影响，从获得更多的太阳能辐射热，降低能耗的观点来看，长轴朝向东西的长方体体型最好，正方形次之，长轴朝向南北的长方体体型的建筑节能效果最差。

5) 对建筑平面布置的要求

由于人们对各种房间的使用要求不同，对房间热环境的需要也各异，应当根据实际需要合理分区，推行建筑平面的“温度分区法”。热环境质量要求较低的房间，如住宅中的附属用房(厨房、厕所、走道等)布置于冬季温度相对较低的区域内，而将环境质量好的向阳区域布置居室和起居室，使其具有较高的室内温度。并利用附属用房减少居室等主要房间的散热损失，以最大限度地利用能源，做到“能尽其用”，通过室内的温度分区，满足热能的梯级应用，运用建筑设计方法，使住宅空间成为热流失的阻隔体，达到节能目的。杨经文常采用外置交通核来减弱热湿气候区灼人的太阳辐射对建筑主要使用空间的剧烈影响；厄斯金设计的位于寒冷地区的Gadelius别墅则把北向不利地带作为车库及贮藏空间，成为其起居室北向缓冲空间。这些都是运用平面热建筑节能的成功案例。通过增加层级，可以减弱冲突，这具有普遍的适用意义。

为了保证主要空间的室内热舒适环境，可在舒适度要求较高的空间与恶劣的外界气候之间，结合具体使用情况设置过渡空间区域，又可称为“温度阻尼区”(Buffel Zone)。对于位居平面核心部位的空间而言，温度阻尼区可以视作外界面向建筑内部的纵深扩展，由于温度阻尼区与外界的温差要小于热舒适度高的中心部位空间与外界的温差，亦即外界面的内外温差减小，所以，可使建筑的传导和辐射热损失显著减少，这对于冬季采暖和夏季使用空调都是有利的。南向的温度阻尼区在白天还可作为附加阳光间使用，是改善冬季室内热舒适环境的一个有效措施，当然，夏季也可以打开门窗进行自然通风，使之成为一个可调节、可应变的缓冲空间。玻璃和墙之间设置保温窗帘，墙体向室内辐射热量并与室内空气对流换热。

按照冷暖区的时间和空间分布布置房间，如卧室布置在白天处于冷区的位置，起居室布置在夜间处于冷区的位置。合理布置缓冲空间，如辅助空间(储藏室、楼梯间、健身房等)布置在北侧，阳光间可以用作南侧的缓冲空间。减少开口，主要开口布置在下风向利用门斗、旋转门窗减少冷风渗透。室外活动空间布置在南向。

6) 对围护结构材料与构造的要求

我国第一栋被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙组合式太阳房。截至1977年底，全国已经建成740万6平方米的太阳房，主要分布在山东、青海和西藏等地的农村地区，总面积达50万平方米。这些太阳房的建筑类型，大部分为农村和城市住宅等。在“六五”、“七五”、“八五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目，这些科研项目的攻关内容，涉及到被动式太阳房各个领域，既有基础理论研究、模拟试验、热工参数分析等，又有材料、构件开发和示范房屋及工程建设。使用外保温做法，避免冷桥影响和结构构件暴露在室外创造梯度。

储热墙通常为混凝土墙或实心砖墙，这些重质墙体热容量大、热惰性大，因此储热多、放热慢，温度波动延迟时间较长，有利于减缓夜间室内温度下降。储热墙的厚度因用途而异，Trombe等人认为混凝土墙厚度为400-500mm最适宜，美国Balcomb等指出，如果室温在18-24℃波动，则300mm混凝土墙最理想。

7) 对窗、墙面积比的要求

太阳能建筑对窗、墙面积比的要求是一个综合问题，一要考虑窗户的大小对直接集热的影响；二要考虑窗户既是得热构件，又是耗能的主要环节；三要考虑窗间墙的大小、位置给墙体集热蓄热带来的影响。在被动式太阳能建筑中，居住建筑，南向窗墙面积比一般在40%左右，比节能建筑标准的要求略有提高；学校建筑中考虑到早晨希望室内升温快南向窗墙面积比在50%左右，对其它朝向的窗户，应在满足房间光环境的要求下，适当减少开窗面积并采取措施降低窗户的传热系数、减少空气渗透量。要增强门窗处的密封性，可使用气密性好的的门窗，还可以使用双层或三层玻璃，低辐射玻璃，或活动保温板以减少散热。

8) 对场地坡度的要求

场地坡度与建筑密度无关，但却对太阳能的利用有影响。其影响程度取决于其方向和坡度，在保证同等日照水平下要获得较高的建筑密度，阳坡场地优于阴坡场地。当场地坡度给定时，地面反射的影响比平坦场地大约高42%。

(3) 集热蓄热墙式太阳能建筑的一体化设计

与直接得热式和阳光间式比起来，特朗伯墙在中国大部分的小住宅中应用很少，原因主要是特朗伯墙与太阳室对太阳辐射能量的收集和分配过程是相似的，两者只有造价和设计立面表现的差别，太阳室可以创造更宜人的半室外环境，特朗伯墙的立面设计比较封闭，除了在室外条件比较寒冷的地区以外，人们更倾向于应用阳光室来改造自己的生活环境。

特朗伯墙(Trombe wall)的建筑立面设计比较封闭，而且玻璃后所透出的深色墙体具有特殊的美感，通常设计中采取和自接获取式或附加阳光间相结合使用。

以丹麦的一处两层高的连排住宅为例，在每栋住宅的南立面设有一条面积为6m2—8.4m2的垂直特朗伯墙。

在此设计中，特朗伯墙被分成两个部分。墙体下部用以预热从墙体底部吸入的新鲜空气，同时墙体的上部获得的热量被储存在290mm厚的混凝土墙体里。如果墙内的空气温度达到30度以上，风机开启将热空气吸入装有空气循环管的蓄热墙内，在夜间，蓄热墙又放出热量保证住宅室内的舒适性。在墙体的顶部设有排气窗，夏季，当风机关闭且不再需要热量时，排气窗打开使热空气逸出，防止了墙体过热。

(4)阳光间式太阳能建筑的一体化设计

1) 阳光间式太阳能采暖系统

“附加日光间”是一种太阳能直接受益系统，是由于直接受益获得太阳能而使得温度产生较大波动的空间。过热的空气可以立即用于加热相邻的房间，或者可以把它贮存起来，随后可以在没有太阳照射时使用。实际上在一天的所有时间，附加日光间的温度都比室外高。这一较高的温度，可以减少建筑物的热损失。日光间既可以供给太阳能，又可以作为一个缓冲区，减少热损失，使建筑物与日光间相邻的部分，获得一个温和的室外环境。

附加阳光间属一种多功能的房间，除了可作为一种集热设施外，还可用作为休息、娱乐、养花、养鱼等空间，是冬季让人们置身于大自然中的一种室内环境，也是为其毗连的房间供热的一种有效设施。附加阳光间除最好能在南向墙面全部设置玻璃外，还应在毗连的主房坡顶部分加设倾斜玻璃。这样做可大大增加进热量，但倾斜部分的玻璃擦洗比较困难。另外，当夏季时，如无适当的隔热措施，阳光间的气温往往变得过高。当冬季时，由于玻璃的保温能力非常差，如无适当的附加保温措施，则日落后室内气温将会大幅度地下降。以上这些问题，必须在设计这种设施之前充分考虑，并提出解决这些问题的具体措施。

在集合住宅中可以利用挑阳台和凹阳台安装玻璃，将其封闭成日光间，除作为蓄热罩外，还可用于种植花卉、娱乐休息等，这种方式很受居民欢迎，且使建筑外观别具一格，但日光间存在温度波动大的缺陷，应考虑夜间保温和夏季遮阳设施。

2) 附加阳光间的优点

a 有附加阳光间的年度热损失只相当于无该阳光间的一半；

b 附加阳光间的管理比特朗伯墙简单；

c 可以种花卉、果树，成为毗连种植温室，。同时还可晾晒衣服；

d 开阔视野，舒展心情；

e 夏季可开窗通风，并设窗帘等遮阳，防止直射热。

3) 工程实例

这幢位于瑞士比尔郊区的公寓高三层，由8套大小不同的住宅单元所构成，所处位置能够俯瞰整个小镇，具有极佳的视野。下面的部分是跃层式的二层公寓，上面一层则是普通公寓。楼顶为公共活动区域，设有孩子们的游戏室，其屋顶形式与相邻的建筑风格颇为近似。

基地东南向的陡坡非常理想地迎合LOG ID建筑事务所关于绿色太阳能建筑的概念。公寓中的每一个居住单元都有一个阳台，但建筑最为重要的绿色特征则是其南面的阳光间。这些阳光间位于每一个单元之前，与住宅紧密地联结在一起，它们可以最大程度地收集和利用来自于太阳的能源。跃层式单元的阳光间贯通二层，阳光间的设置使楼中居民可以分享阳光。

在夏天，阳光间用作普通花房；到了冬天，阳光间不但无需供热，还可以作为热缓冲空间。天气炎热时，可将玻璃房的外层玻璃窗打开，形成一个热通道，使建筑物后面的凉空气穿堂而过；而在阳光灿烂的冬日，又可将居室与暖房之间的里层玻璃窗打开，以给室内供暖。建筑的混凝土实体将以此种方式收集到的热量蓄留起来，并在夜间再释放出来，为室内供暖。总之，用于供热的能量消耗比一般建筑减少了20%-30%。

2、主动式太阳能集热装置与建筑的一体化设计

(1)主动式太阳能集热装置概述

1) 主动式太阳能系统

主动式太阳能系统是一种构造较复杂，造价较高，需要用电作为辅助能源的建筑。它是一种以太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑。

主动式太阳能在住宅中的应用主要是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由风机或者盘管将热量送入住宅内用以采暖或是用以加热家庭需要的热水，同时住宅中设有一定的蓄热装置，用以保存太阳热能以备后用。一套完整的主动式太阳能系统是由太阳能集热器、储热装置、循环管路和一些辅助装置组成。

a 太阳能采暖系统概述

利用太阳能加热的系统，既可以为用户提供生活热水，又可以为住宅供暖。在低温建筑中冬季需要采暖，太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展。实际上，太阳能采暖系统通常可以跟太阳能热水系统联合使用。在此情况下，一方面要适当增加太阳集热器的的采光面积：另一方面由于采暖是在寒冷季节才需要，因而要使用防冻或抗冻的真空管集热器。目前在十分重视环境保护的欧美国家，已经建成大批集太阳能热水和太阳能采暖于一体的太阳能综合系统。

采暖降温系统由太阳集热器、风机、泵、散热器及贮热器等组成。

b 太阳能采暖系统分类及运行原理

在太阳能组合系统中，一般都有2套能源设施(太阳能及其辅助能源设施)，用于提供2个热负荷(采暖负荷和生活热水负荷)所需要的热量只要白天有足够的太阳辐射，就由太阳集热器提供热量；否则，就由辅助能源(油、气、电、木材等)补充太阳能的不足。

该系统可分为三个循环回路：集热回路，主要包括集热器、贮存器、集热器热交换器、过滤器、循环泵等部件。在该回路中采用差动控制，使用两个温度传感器和一个差动控制器，其中一个温度传感器(热敏电阻或热电偶)安装在集热器吸热板接近传热介质出口处，另一个温度传感器安装在蓄热水箱底部接近收集回路回流出口，当第一个传感器温度大于第二个传感器时，集热泵就开启。在这种情况下流体从贮存器经集热泵入集热器，同时空气从集热器置换进入贮存器中；相反，当蓄热水箱出口温度与集热器吸热板温差达到一定程度时集热泵就关闭。

3、太阳能集热装置与住宅屋顶的一体化

太阳能装置与屋顶结合有其特有的优势：a、日照条件好，不受朝向影响，不易受到遮挡，可以充分地接受太阳辐射；b、系统可以紧贴屋顶结构安装，减少风力的不利影响；c、可以代替保温隔热层遮蔽屋面，减少屋顶夏天的热负荷。

(1) 太阳能装置与坡屋顶的结合

与坡屋顶组成一体的太阳能集热器，其主要特点是在做好防水处理的屋面上，铺设屋面与集热器共用的防渗漏的隔热保温层，在隔热保温层上放置太阳能集热部件，这种屋面由于综合使用材料，不但降低了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低，有效地利用了屋面的复合功能。

1) 分类

a 天窗式：

在夏热冬冷地区，由于冬季寒冷，最好能尽量扩大房间内部直接受热的可能，可以考虑在屋顶上开天窗，在冬季，增加了接受太阳辐射的可能，又可以改善室内的热舒适性。在夏季又必须考虑到遮阳问题，结合太阳能集热板的一体化设计，我们可以在屋顶天窗的两端设置滑轨，让太阳能集热器可以在上滑动，“集热遮阳两不误”，夏天的时候遮蔽天窗，遮挡辐射；冬天的时候，滑离天窗，贴屋面在天窗下部吸收太阳能辐射热。

将集热器镶嵌在建筑坡屋面上紧贴固定，覆盖部分屋面，形态类似坡屋面的天窗，与建筑浑然一体。此种方式及热气与建筑的整合具有极高的灵活性。对于在旧房改造中使用提供了可能。由于平板式集热器的罩面玻璃比较特别，是透光率95%以上的透明漫反射玻璃太阳高度较低时也不易产生镜面反射，仍能透过大部分的太阳光。

b 阶梯嵌入式：

将集热器呈阶梯状阵列镶嵌在建筑坡屋顶上，覆盖整个屋面，形成具有层次感的屋面形态。

c 整体式：

将集热板覆盖整个坡屋面，其材质和色彩构成了屋面形态。如图在荷兰的一处联排住宅中，设计者在屋面上适宜接受阳光的角度做了坚固的标准化框架体系，这种标准构件将建筑屋面结构与采光窗、太阳能集热板巧妙组合成一个整体，形成了科技含量较高的新型整合屋面体系，不仅使太阳能系统与建筑达到了有机的结合，同时也创造出了一种全新的外观形象。

d 飘板式：

将集热器用钢结构支撑在平屋顶上，形成造型独特的飘板，加强了标识性，避免了里面的单调。适用于平屋顶多层住宅。

e 太阳能凉棚：

与飘板式类似，集热器面积较小，造型更精致，可以与屋顶构架相结合，形成人们纳凉的场所。

4、太阳能集热装置与住宅墙面的一体化

(1) 原则?

对于集合住宅而言，外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。单从太阳能利用角度而言，太阳能集热器可以结合集热墙设计，让整个墙体都成为集热器；或者作为附属构件依附于外墙表面。??

考虑到住宅立面，一般采用后一种方式与墙面结合。目前多高层采暖住宅建筑的层高一般为2800mm至3000mm，阳台栏板高度为900mm至1200mm不等。集热器与多高层采暖住宅建筑需要统一结合、实现工业化，首要的前提就是成为建筑的一个构造单元，与建筑模数统一。所以推荐使用宽度900mm、高度600mm与宽度900mm、高度800mm两种集热器组成集热单元。??

多高层采暖住宅建筑中的集热器安装面积取决于建筑南立面的可利用墙面的面积大小。对于进深为12m-15m的多高层采暖住宅建筑，建筑面积与所有南墙面面积的比值在7.9:l至5.3:1不等。但多高层采暖住宅建筑中集热器的安装不可能使用所有的南墙面面积，因为这样会对整个系统造成混乱，而且对建筑的整体外观造成负面影响。在使用宽度900mm、高度600mm与宽度900mm、高度800mm两种集热器的前提下，强调外观感觉为横向的多高层采暖住宅建筑，建筑面积与集热器面积比值在16:1至20:1左右s,强调外观感觉为竖向的多高层采暖住宅建筑，建筑面积与集热器面积比值在14:1至16:1左右。在这样的太阳能集热器作为附属构件依附于外墙表面，在立面上形成一定的韵律，经过设计成为良好的美学元素。??

色彩是影响我们对于建筑外观感觉的重要因素，利用特殊的色彩设计，是达到可识别性立面设计的手段之一，也是建立居住区领域感的前提。传统的集热器为了提高太阳能吸收率，一般将外表面涂成黑色。但是这样会影响到建筑美观，特别是大面积使用时对人们心理上造成压抑感，不利于太阳能建筑的推广。这时，可根据建筑主体的色彩，尝试选用别的颜色与黑色或其他深色搭配使用，丰富建筑立面，虽然可能牺牲了部分太阳热能的吸收，却能避免其景观上的乏味和不良影响，营造出活泼宜人的建筑环境。??

(2) 墙体型太阳能集热器??

墙体型太阳能集热器的基本结构如图1所示，其实质是平板集热器的一种变型。本集热器由外到内分别由透光保温涂层、光热转化层、外墙支撑及导热层、集热管、发泡保温层、内墙支撑层、内墙涂抹层等部分组成。为加强内外支撑层的连接强度及气体性由拉筋连接内外支撑层，拉筋与外围墙支撑层采用焊接，与内墙支撑层的连接采用挂扣一卡扣连接。发泡保温层采用整体发泡工艺制成，使外墙支撑及导热层、集热管、拉筋、内墙支撑层诈接为一个椎体。??

墙体集热器的工作原理为，阳光沿其一角度人射墙面，按有效投影截面获取的有效光能透过透光保温涂层，人射至光热转化层，在光热转化层内完全或选择性地转化为热。在制造过程中，选择光热转化层具有较高的导热系数，使在转化??

层产生的热A及时传导给外墙支撑及导热层。支撑及导热层采用具有高机械强度、高导热系数的金属材料制成。其上采用焊接工艺连接有集热管束，保证热量有效地通过管壁传递给管内流动的液体。由于光热转化层、外堵支撑及导热层、集热管均被导热系数很小的材料所包围，其中产生的热量仅能通过集热管内的液体向外输送，达到集热的目的。??

由于集热器又是墙体的一部分，它需要足够的强度、外观美学效果及保温效果。本墙体型集热器与常用平板集热器的区别在于其结构强度、厚度均较大，为了增加强度还设置了加强筋。由于墙体型集热器的安装位置，除屋顶外，基本只能垂直安装，且朝向既可能是南北向，也可能是东西向，甚至是东南、西南等斜向朝向，受光的有效受光截面较小，日照时数也较短，加上不可调整角度，所以要求采光面积较大。??

尽管墙体型太阳能集热器存在上述问题，但由于集热墙体紧邻用户，成本低，可以做出较大的采光面积。而对应于春夏秋冬的角度不可调问题，在夏季，太阳的高度角很大，墙体正南向时有效投影截面很小，但夏季初始水温高，在天津地区常达25℃---30℃，而此时仅需升温10℃---20℃，供洗浴等使用就已足够；在冬季初始水温较低，天津地区常在1 0℃---5℃之间波动，但由于此时太阳高度角较低，集热墉体有效投影截面较大，可以补偿水温低、日照弱及时间短的问题。??

太阳墙使用多孔波型金属板集热，并与风机结合，与用传统的被动式玻璃集热的做法相比，有自己独到的优势和特点。热效率高可以获得良好的新风经济效益好引用范围广住宅上太阳能集热器的重复安置可以形成有韵律感的连续立面，以其特有的韵律感形成太阳能建筑特有的立面。??

因为太阳墙设计方便，作为外墙，美观耐用，所以应用范围广泛，可用于任何需要辅助采暖通风或补充新鲜空气的建筑，建筑类型包括工业商业居住办公学校军用建筑及仓库等，还可以用来烘干农产品，避免其在室外晾晒时因雨水或昆虫而损失。另外，该系统安装简便，能安在任何不燃墙体的外侧及墙体现有开口的周围，便于旧建筑的改造。??

(3) 双层皮幕墙技术??

“双层皮幕墙”是当今生态建筑中普遍采用的一项先进技术，被誉为“可呼吸的皮肤”，它主要针对以往玻璃幕墙高耗能的问题，用双层体系(一般为玻璃)作围护结构，利用玻璃对阳光的通透性，冬天吸收太阳辐射热，降低能耗。“双层皮幕墙”种类繁多，但其实质是在双层皮之间留有一定宽度的空气间层，形成一个温度缓冲空间。夏季，太阳直射外层玻璃幕墙，空气间层内的热空气自下向上流动，带走玻璃幕墙内的热量，降低内侧幕墙表面温度。空气间层里面可以根据需要安装遮阳装置，防止过多的太阳辐射进入室内(图)。冬季，把空气间层上下关闭，阳光照射形成温室，通过温室效应来提高内侧幕墙外表面温度，减少取暖费用。??

双层皮幕墙可以看作是一个缩小的附加日光间，是最简单、最直接利用太阳能为建筑供暖的一种发誓，具有广泛的气候适应性，在世界上的大多数地方都有实际应用。随着材料技术的进步，高性能玻璃如Low-E玻璃，光电玻璃等在双层皮外墙上的应用，双层皮外墙技术更是朝着越来越有利于提高太阳能利用效率，节约能源的方向发展。??

(4) 太阳墙(SAH系统)技术??

SAH系统是当今世界上最新的太阳能墙体技术，正在欧美一些国家悄然兴起，并迅速推广。在我国SAH系统还没有得到广泛应用，相关的参考文献很少。??

SAH系统由集热和气流输送两部分系统组成。其构造有些类似于双层皮(图6.14)，但工作原理不一样。冬季，白天室外空气通过小孔进入空气腔，在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射，受热压作用上升，进入建筑物的通风系统，然后由管道分配输送到各层空间。夜晚，墙体向外散失的热量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。夏季，风扇停止运转，室外热空气可以从太阳墙底部及孔洞进入，从上面和周围的孔洞流出，热量不会进入室内。??

此外，太阳墙理想的安装方位是南向及南偏东西20度以内，也可以考虑在东西墙面上安装。坡屋顶也是设置太阳墙的理想位置，它可以方便地与屋顶的送风系统联系起来。??

(5) 透明隔热材料??

充分利用太阳能和减少围护结构散热是建筑节能的两个主要途径。在太阳能建筑中，广泛使用两种传统的建筑材料—玻璃和岩棉。玻璃能使太阳辐射进人，并能阻止红外线辐射。岩棉等保温材料具有良好的绝热性能，常用于减少围护结构散热。但是，这两种材料都有缺点：玻璃虽透光但因传热系数大成为节能的薄弱环节，为了节约采暖能耗不得不限制其面积，但这样又不利于太阳能的利用。保温材料虽然绝热性能好，但属于非透明材料，阻止太阳光的入射和利用。于是??

人们便试图研制具有透光功能和绝热功能的新型材料。透明绝热材料是近年来研制成功的新型太阳能材料，它大致可分为叠合式透明绝热材料、气凝胶透明绝热材料、透明热反射薄膜、光谱自调制涂层四大类。本文主要介绍叠合式透明绝热材料和透明热反射薄膜。??

透明隔热材料不仅传热损失小，而且由于它的朝向，还是一个热源。测试表明，其太阳得热大于透明隔热与整个墙系统的热损失，能避免过热。??

1)KAPIPANE透明绝热材料??

KAPIPANE透明绝热材料是由透明塑料管垂直排列成蜂窝状，管子直径大约3.5mm，在切断过程中其开口端融在一起形成一个单元(图6.19)。它的基本材料是透明聚丙烯(PMMA)。??

2)KAPILUX一H透明绝热材料??

KAPILUX一H是一个由两片玻璃组成的密封的平板玻璃单元，在空腔内有KAPIPANE毛细管状板并充气。??

由透明绝热材料和墙体组成的透明隔热垮综合了传统的隔热技术和太阳能集热器的优点。太阳辐射能透过透明绝热材料到达吸热墙，与此同时，该材料极好的保温性能最大限度地阻止从内部到外部的热损，短波辐射被墙吸收、储存并作为长波热辐射输送给建筑物。??

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