被動式太陽房

被動式太陽房的主要特點是不用專設的集熱器、熱交換器、管道和水泵等。從傳熱學的原理出發，將房屋建成冬天儘可能多的獲取並儲存太陽能，夏天則儘可能多地散熱並少吸收太陽能，也就是有意識地利用通過牆、屋頂、窗等圍護結構入射和吸收的太陽能實現供熱或製冷。利用被動式技術就是根據當地氣象條件，基本上不添置附加設備的情況下，將房屋建成能自動地達到冬暖夏涼的效果。

是指通過建築物朝向和周圍環境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建築材料、節點構造的恰當選擇，以自然熱交換方式，在冬季集取、保持、儲存、分布太陽熱能，解決建築物的採暖問題。基本不需要輔助能源。所以結構簡單，造價較低。

基本介紹

• 中文名：被動式太陽房
• 外文名：passive solar house
• 特點：不專設集熱器、換熱器、水泵等
• 原理：傳熱學的原理，自然熱交換
• 達成效果：冬暖夏涼
• 優點：不用輔助能源，結構簡單，造價低
• 分類：直接受益式、 附加日光間式等

簡介

被動式太陽房以牆、地板、屋蓋等為主體，組成吸收、蓄存、控 制與分配太陽能的系統，不用機械力量而靠對流、傳 導、輻射等傳熱機制吸收、蓄存、釋放太陽能的房屋。 被動式太陽房本身就是太陽能系統，自身存貯大量 熱量，溫度不會急劇變化，更符合人體熱舒適感要求。被動式太陽房可分為：直接受益式、蓄熱牆式、 附加日光間式、蓄熱屋頂式、對流循環式等。

被動式太陽房原理

所謂太陽房是指利用太陽的輻射能量代替部分常規能源、使建築物達到一定溫度環境的一種建築。太陽房有主動式和被動式之分，被動式太陽房不需要任何主動式太陽房所必須的部件(太陽集熱器、熱交換設備、管道、水泵、風機等)，僅僅依靠建築方位的合理布置和通過窗、牆、屋頂等建築物本身構件，以自然熱交換方式(輻射、對流、傳導)來獲得太陽能。如果獲得的太陽能達到建築採暖、空調所需能量的一半以上時，則稱此建築物為被動式太陽房。換言之，被動式太陽房是根據當地氣象條件，在基本上不添置附加設備的情況下，使房屋建造成在冬季可以有效地吸收和貯存太陽熱能，而在夏天又能少吸收太陽能和儘可能多向外散熱，具有能自動達到冬暖夏涼效果的一種特殊房屋。它是建築物利用太陽熱能中一種最簡單的方式。這種被動式太陽房具有構造簡單、造價低、回收年限短、不用特殊維護管理，而且可以節約常規能源和減少空氣污染等獨特的優點。因此，近年來，這種被動式太陽房引起很多國家和研究部門的重視，被動式技術的發展十分迅速。美國能源部於1978年3月在美國費城召開的第二次全國被動式太陽能利用會議上指出：“在利用太陽能採暖和降溫系統的領域裡,被動式將是建築界1980年的主流”。

被動式太陽房分類

國外被動式太陽房多由建築師自行設計和建造,已建的被動式太陽房種類繁多，尚無統一的設計標準。各種資料上對被動式太陽房的分類方法也不相同。

如果從對太陽熱能利用的角度來區分，被動式太陽房大致可分為下述五種典型型式：1.利用南窗直接接受太陽輻射能的被動式太陽房（直接受益式）（右圖a,b）；2.利用南牆進行集熱和蓄熱的被動式太陽房（集熱蓄熱牆式（Trombe牆））（右圖c,d）；3.混合式被動太陽房（組合式）（右圖e,f）；4.利用屋頂進行集熱和蓄熱的被動式太陽房（屋頂集熱蓄熱式）（右圖g）；5.利用熱虹吸作用(自然循環)的被動式太陽房（對流環路式（集熱牆式））（右圖h）。

典型被動式太陽房示意圖

但是應該指出，目前被動式太陽房主要用來解決冬季的採暖問題，很多國家對它進行了多方面的試驗並逐步過渡到實用階段；至於如何利用被動技術解決夏季的降溫問題困難還比較多，尚處於探索階段。只有第四種利用屋頂進行集熱蓄熱的型式，採取一定的措施後，才能有降溫作用。

直接受益式

直接受益式太陽房是讓太陽光通過透光材料直接進入室內的採暖形式，是被動式太陽能採暖中和普通房差別最小的一種太陽房。該類太陽房升溫快、構造簡單、建築形式美觀、熱效率較高、造價低且管理方便。但如果設計不當，很容易引起室溫日波動大，白天溫度較高，晚上較低，舒適性差，輔助能耗增多；此外，白天室內的眩光問題不容易解決，僅適用於綜合氣象因數值SDM大於20的地區。因此，直接受益式適宜建於氣候比較溫和的地區，用於寒冷地區效果較差。適用於白天要求升溫快的房間或只是白天使用的房間，如商店、學校、辦公室、住宅的起居室等。若窗戶有較好的保溫措施，也可用於住宅的臥室等房間。

以拉薩市拉薩市直接受益式太陽房設計為例，南向窗牆面積比的提高有利於獲得較高的室內平均溫度，但是需要注意晝夜溫差的問題。拉薩市南向房間進深增大會引起南北向房間室內平均溫度的降低。在保證窗牆比不變的條件下，增大建築開間不會引起室內平均溫度的變化，但是室內溫度波動明顯變大。外牆保溫性能的改善能有效改進南北向房間的室內平均溫度。外窗熱工性能有效改善南北向房間的室內熱環境，良好的外窗熱工性能能夠提高南北向房間室內平均溫度，同時降低室內溫度波動。圍護結構良好的蓄熱性能對維持室內熱穩定有顯著的作用。在居住建築設計時應儘量選擇厚重材質。

集熱蓄熱牆式（Trombe牆）

實體式集熱蓄熱牆式與直接受益式相比具有較好的蓄熱能力。水牆式集熱蓄熱牆運行管理相對麻煩，我國較少採用。相變材料蓄熱牆式與水牆式的結構形式相似，只是蓄熱物質採用的是相變材料而不是水，目前的主要問題是相變材料的相變溫度和相變時間難以隨房間採暖需要進行有效控制，技術未完全成熟，而且施工較複雜，造價較高，目前國內還很少套用。花格式集熱蓄熱牆和實體式集熱蓄熱牆的主要區別是前者牆體上遍布了通風孔。採用集熱蓄熱牆式被動式太陽房室內溫度波動小，居住舒適，但熱效率較低，常和其他形式配合使用，可以調整集熱蓄熱牆的面積，滿足各種房間對蓄熱的不同要求，但結構複雜，玻璃夾層中間易積灰，不好清理，影響集熱效果，且成本高，立面顏色較深，外形不太美觀，推廣有一定的局限性。

集熱蓄熱牆式被動太陽房原理

集熱蓄熱牆式被動太陽能建築的理論研究主要包括穩態理論研究和動態理論研究。目前以穩態研究居多，主要是由於穩態理論研究在條件上可以一定程度的簡化，獲取更直觀的數學模型，便於計算。而動態理論研究的模型計算量大，手工完成較困難，採用計算機動態模擬時，受外界環境因素影響明顯，計算結果與實際存在較大誤差。

目前，集熱蓄熱牆式被動太陽能建築的研究熱點主要集中在百葉式集熱蓄熱牆、多孔式集熱蓄熱牆、熱管式集熱蓄熱牆和花格式集熱蓄熱牆等類型。

百葉式集熱蓄熱牆是在傳統Trombe牆的空氣夾層懸掛可翻轉的百葉窗簾，如圖2所示。窗簾的葉片一面塗有高吸收率塗層，一面塗有高反射率塗層。視覺效果上，百葉式集熱蓄熱牆使建築外牆更加美觀，同時，任意角度翻轉可提高牆體的集熱效果。運行原理是：夏季，關閉室內出風口，開啟室內進風口和室外出風口，將塗有高反射率塗層的百葉窗簾葉片外翻，提高可見光的反射率，減少南牆得熱量，防止室內溫度過高，如圖2a所示；冬季白天，關閉室外出風口，開啟室內進風口和出風口，將塗有高吸收率塗層的葉片外翻，提高太陽輻射吸收率，通過對流和導熱的方式將熱量傳送至室內，提高室內溫度，如圖2b所示；夜間，關閉室內進、出風口，閉合的百葉簾將空氣夾層分為兩個空氣窄層，抑制對流，增加牆體熱阻，降低室內向室外環境損失的熱量，減少室內溫度下降速率，如圖2c所示。

百葉式集熱蓄熱牆示意圖

多孔式集熱蓄熱牆主要有兩種形式：一是在集熱蓄熱牆內添加多孔介質；二是在南牆外表面安裝塗有選擇性塗層的多孔金屬板。多孔式集熱蓄熱牆能夠最大限度地將太陽能轉化為熱能，加熱後的空氣在浮升力和風機作用下流入室內，提高室內溫度，同時置換室內空氣，起到通風換氣的作用。

多孔式集熱蓄熱牆示意圖

熱管式集熱蓄熱牆是將熱管布置在被動式太陽能牆體中用於供暖，具有傳熱速度快、熱能利用率高等特點。其工作原理為：在蒸發段，工作液吸熱後由液態轉為蒸汽態，在壓力差作用下通過內腔進入冷凝段，將熱量傳遞給冷源，並凝固為液態；在重力作用下工作液回流至蒸發段，進而完成熱量的傳遞。

熱管式集熱蓄熱牆示意圖

屋頂集熱蓄熱式

屋頂集熱蓄熱式有兩種設計方案，即使用充滿水的塑膠袋或相變儲熱材料。這種太陽房在冬季採暖負荷不高而夏季又需要降溫的情況下使用比較適宜。但由於屋頂需要有較強的承載能力，隔熱蓋的操作也比較麻煩，目前實際中套用較少。

屋頂太陽房傳熱過程示意圖

集熱蓄熱屋頂是將平屋頂或坡屋頂的南向坡面做成集熱蓄熱牆形式，其主要結構由外到內依次為：玻璃蓋板，空氣夾層、塗有吸熱材料且開有通風孔的重質屋頂。目前，南向集熱蓄熱牆主要依靠熱壓作用帶動空氣循環流動加熱室內空氣。但由於屋頂豎向高差較小，熱壓作用不明顯，為克服上述缺點並改善對流換熱性能，在出風口位置安裝小型軸流風機，使夾層空氣在玻璃蓋板和重質屋頂之間以強迫對流的方式進行流動，提高供熱效率。集熱蓄熱屋頂太陽房物理模型如圖所示。

附加陽光間式

與集熱蓄熱牆式相比，附加陽光間增加了地面作為集熱蓄熱體；與直接受益式相比，附加陽光間式的採暖房間溫度波動和眩光程度得到有效降低。陽光間不僅起到了減少風沙侵入、集熱保溫的作用，而且還可以作為白天休息活動場所和溫室花房，容易和整個建築融為一體。這種太陽房適用於民用住宅，越來越受到人們的重視，成為一種適合村鎮地區建設的被動式太陽房。附加陽光間式被動式太陽房一般與直接受益式配合使用，但投資較高，不易採取保溫措施，可用於有條件的起居室門廳、公共建築的大廳等房間，不宜大面積採用。

附加陽光間式太陽房是由直接受益式和儲熱牆相結合的太陽房形式。建築物由被儲熱牆隔開的兩個受熱區域組成：一是直接受益式陽光間，一是間接被加熱的空間。陽光透過玻璃窗一部分直接照射在採暖房間，一部分被陽光間的地面和公共牆吸收，通過熱空氣循環和熱傳導進入採暖房間，起到太陽能供暖作用。由於陽光間的設計易和整個房屋的建築設計融為一體，因此這種太陽房越來越受到人們的關注。

對流環路式（集熱牆式）

對流環路式集熱牆接受陽光後升溫較快，白天向室內供熱較多，較適合於白天使用的房間，如教室、辦公室、醫院門診部等。對流環路卵石床蓄熱式（熱虹吸式）太陽房性能很好，但投資較大，目前也較少套用。

集熱牆式太陽房的採暖效果好壞由熱對流現象的好壞來決定，而熱對流的好壞則由集熱氣隙中空氣上下兩端的溫差和空氣流動的阻力來決定。所以，在設計中可以有以下幾條原則：1.儘量增加集熱牆高度，以增大空氣的溫差。2.在結構允許條件下，儘可能使上、下對流化分別設定在集熱牆的最頂端和最下端。3.上、下對流口的總面積應相等。除此之外，太陽房的氣隙厚薄，集熱牆厚度和對流孔尺寸等主要結構參數尚須根據外界條件來具體確定。

組合式

以上幾種基本類型都有各自的獨特之處。通常把由兩個或兩個以上被動式基本類型組合而成的系統稱為組合式系統。不同的採暖方式結合使用，就可形成互為補充、更為有效的被動式太陽能採暖系統。

目前，太陽能利用系統的研究日益深化，為今後太陽房的建造開闢了更廣闊的前景。如美國麻省理工學院新型被動式太陽能建築、熱二極體集熱板等。

被動式太陽房與普通節能建築的對比分析

節能建築是指遵循氣候規律和利用節能的基本方法，對建築規劃分區、群體和單體、建築朝向、間距、太陽輻射、風向以及外部空間環境進行研究後，設計出的低能耗建築。

太陽房是利用建築結構上的合理布局，巧妙安排，精心設計，使房屋增加少量投資，利用太陽輻射能替代部分常規能源，使環境溫度達到一定使用要求的建築物。根據太陽能系統運行過程中是否需要機械動力，分為“主動式”和“被動式”兩種。主動式太陽房需要機械動力驅動，通過高效集熱裝置收集獲取太陽能，然後由熱媒介質將熱量送入建築物內，它對太陽能的利用效率高，可以供熱、供熱水、供冷，而且室內溫度穩定舒適，日波動小，在已開發國家套用廣泛。但因為它存在著設備複雜、先期投資偏高等缺點，因此，目前在我國還未得到大面積的推廣。

被動式太陽房是根據當地的氣象條件、生活習慣，在基本上不添置附加設備的條件下，經過精心設計，認真施工，通過建築構造，並利用材料的性能，使房屋達到一定的供暖效果的建築方式。被動式太陽房是節能建築的一種特殊形式，也是具有廣泛推廣價值的一種建築形式。普通節能建築與被動式太陽房的區別如下：

（1）被動式太陽房一定是節能建築，而普通節能建築不一定是被動式太陽房。（2）普通節能建築注重的是建築外圍護結構的保溫，而被動式太陽房要注重三個方面：絕熱、集熱、蓄熱，即外圍護結構的保溫是被動式太陽房的前提條件。（3）被動式太陽房強調對可在生能源—太陽能的光熱利用。太陽房有目的地採取一定措施，利用太陽輻射能替代部分常規能源，使環境溫度達到一定使用要求。（4）被動式太陽房與普通節能建築設計要求不同。被動式太陽房的設計需要建築學和太陽能方面的知識，比普通節能建築設計的技術性要求更高一些。普通節能建築注重的是通過提高房屋維護結構的熱工性能，即提高房屋外牆、屋面、地板、門窗的保溫性能，通過合理設計，使房屋滿足人們冬暖夏涼居住舒適的需求。而太陽房建築熱工措施期望達到的主要目的是使房間在冬季有儘量多的太陽熱量，儘量少的熱損失及必要的熱穩定性，並處理好以上三者，即集熱、保溫以及蓄熱之間的矛盾關係，注意最佳化比較，既要使房間的冬季溫度符合採暖要求，又要使太陽能熱工措施的新增投資儘量少，單位投資的節能效益儘量顯著。

被動式太陽房經濟性研究

太陽房增加投資多少，直接影響著太陽房的推廣和發展前途。太陽房的經濟分析可分為兩方面進行，一是增加投資多少，這在很大程度上影響著太陽房能不能推廣和發展。如果太陽房比普通房增加投資太多，就意味著同樣的投資，建太陽房面積就得減少。在這方面，根據實際建成太陽房進行的分析，太陽房比普通房屋增加資在8%～15%之間，對一般農村來說還可以接受。若太陽房比普通房屋增加投資超過 15%，通常要有政府的補貼，居民才能接受。

另一方面就是計算新增投資的還本年限，即太陽房一次投資比普通房屋增加了，但是它又比普通房屋節省能源和採暖費用，用節能費用抵償增加的投資，年限越短，太陽房的經濟效益越好，根據建設太陽房的實踐經驗，還本年限一般在 4～8 年，相比一般磚混結構房屋 50 年使用壽命還是合算的。根據區域的自然氣候條件、地理狀況、經濟特點等因地制宜，在吸取當地傳統建築精華的基礎上，進行被動式太陽房的設計與建造，最大限度地使用本地建材，造價增加成本控制在 25%以內，既能大幅度提高室內的舒適度，又能收到良好的經濟效益。

被動式太陽房區域適應性分析

被動式太陽房因其自身缺陷及使用對象具有不同需求的情況，需要和其它可再生能源相結合使用，才能夠在一年四季、不同環境下更好地發揮作用。因此，根據實際中與其他能源相結合的情況，可將其分為高、中、低三個層次的發展方向，以適應各種不同使用環境中的套用。其中，高檔太陽房以被動式和主動式太陽能採暖降溫為主，中檔被動式太陽房主要有被動式太陽房與沼氣資源、秸稈氣化技術、秸稈型煤相結合等；低檔被動式太陽房以被動式太陽能採暖為主。我國大部分地區均可發展太陽房。西部地區可多發展一些低檔太陽房，在城市可適當發展一些低中檔太陽房。東南部應在農村大力發展低檔和低中檔太陽房，在城市特別在大都市，除了發展中檔太陽房外，也可適當發展少量高檔太陽房，總之應根據當地經濟條件和地理氣候條件及房地產市場發展形勢等因素綜合考慮。