被动式太阳房的设计与建设摘要：被动式太阳房是太阳能建筑的一项内容，太阳能建筑又是太阳能热利用的一种形式，也是一种新型节能建筑，具有节约常规能源、改善居住环境、减轻环境污染等优点。
关键词：被动式太阳房模型设计建筑节能一绪论太阳能是一种巨大、清洁、便宜的能源，是人类生存的地球上可再生能源的源泉，人人都能分享，是极具开发价值的能源。
太阳能有着巨大的辐射能量，地球每年接收的太阳辐射能量估算有60亿KW。
研究和发展太阳能的利用是未来人类生存和发展之必要,尤其是对住宅采暖、供给热水有着广阔前景,把太阳能作为替代矿物燃料是可持续发展的首要战略目标。
近几年，我国经济发展迅速，广大农村也发生了很大的变化，被动式太阳房是十分适合我国西部广大农村乡镇和城市的一种建筑形式，也是重要的一种节能、环保手段，受到了广大群众的认可和欢迎，得到了广泛的推广。
太阳房将朝着高、中、低三个层次发展，以适应各种不同层次的需求：（1）高档太阳房：以被动式和主动式太阳能采暖降温为主综合利用太阳能其他节能技术（如光伏发电、太阳能空调、地热及热泵等技术）相结合的采暖降温形式，可应用于多层和高层建筑。
（2）中档太阳房：以被动式太阳能采暖为主①太阳能热水器和低温地板辐射采暖，做为辅助热源解决冬季采暖。
②利用地下水源、热泵作供热热源，解决冬季的采暖，可供经济较发达地区使用（3）低档太阳房：以被动式太阳能采暖为主，加强采光及得热并提高外围护结构的保温性能，减少热损失。
适用于广大经济欠发达地区推广利用。
二被动式太阳房的工作原理[1]被动式太阳房（简称太阳房）温室效应是被动式太阳房的最基本工作原理。
被动式太阳房是不用任何其他机械动力，依靠自然循环向室内供暖，多余的热量储存在墙壁、天花板和地基热体内,夜间向室内放热，以保持一定温度。
通过建筑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的恰当选择，使其在冬季能集取、蓄存和分配太阳能的一种建筑。
它不仅能在不同程度上满足建筑物在冬季的采暖要求，而且也能在夏季遮蔽太阳辐射，散逸室内热量使之达到降温的目的。
在冬季集取、保持、贮存、分布太阳热能，从而解决建筑物的采暖问题。
被动式太阳房的集热及贮热方式主要是利用建筑物的围护结构墙或窗，或是比较简单的平板装置作为集热器，能够由人随意控制，其构造可不用复杂机械设备及复杂的管道通风系统；造价较低，太阳房的工程造价仅比普通工程造价增加12%左右，容易被人们接受；维护管理方便，不需要专业技术人员维护管理。
被动式太阳房的工作原理图三被动式太阳房的可行性分析3.1 太阳房经济性分析经济指标是评价太阳房的一个重要方面，也是方案选择的重要依据。
太阳房在寿命期内资金消费的特点是初投资大而运行费用低。
而偿还年限是太阳房采暖经济评价的一项重要指标。
偿还年限可由下式算[2]出N =ln B?ln(B?Ai)/ln(1+i)式中 A—太阳房较对比房增加的初投资，元/m2；B—太阳房较对比房每年节省的费用，元/(m2a)；i—年利率。
一般情况下，估测目前普通房屋的投资成本为 7 万元，对于太阳房来讲，除正常的建筑投资，还需要保证室内的采暖、通风以及满足生活照明等的电能，成套斯特林热发电系统成本为 4000 元/千瓦，但进行大规模的生产时成本会有所降低。
因此估测太阳房的总投资为 11 万元。
与普通房相比，太阳房的耗煤指标为10.03kg/m2，则太阳房采暖耗煤量为 2006kg，当地煤价加运输成本分摊为1000 元/t，太阳房的年节约收益为 68.7 元/（m2a)，增加的初投资为 200 元/m2经计算，则该太阳房的投资回收年限约为 3 年。
3.2 太阳房的热性能分析[3]太阳房的热性能主要有太阳能保证率（SHF）、太阳房节能率（SSF）、热舒适度等。
3.21保证率太阳能保证率 SHF 越大，达到房间所需采暖温度应提供的辅助热量就减小，反之越大。
在本次研究中采暖时期维持设计温度时所需消耗的热量为352664.928kJ，而由太阳能提供的热为 392303.6kJ，即太阳能采暖保证率超过50%，可达到房屋的供暖需求。
3.22节能率[4]该附加阳光间式太阳房的节能率为 SSF =60.1%，可达到节能的目的。
3.3能源利用情况分析通过室外或住宅外单独构筑的暖气炉及连接整个房间的水暖管道供暖,条件好的会使用电热器等。
相反,条件差的农户往往只能燃烧木柴取暖。
可以看到这种通过简易设置而成的内部供暖系统虽然构造简单,比较实用,但建立这样一套系统并加以维护所花的费用并不低,同时,由于暖气炉产生的热量有不少的部分都在整个管道的运输、水的蒸发等环节丧失掉了。
而用木炭或无烟煤都需要花费资金购买并需要专门的房间进行燃料的贮藏,用木柴、秸秆又不利于保护生态环境和可持续发展。
西北地区五省中,陕西冬季的气温并不是最低的,因此,供暖问题并不是很严峻。
依靠被动式太阳房转化的热量绝对足够保证房屋的温暖舒适。
四被动式太阳房的技术分析4.1 蓄热墙夹气层厚度[5]蓄热墙得到的热量仅有阳光照射到墙表面的部分Q、(包括被吸收和被反射到夹层部分).蓄热墙失去的热量有:·流过夹层气体与墙表面对流辐射交换的热量Q,被气体带入室内;夹层玻璃与气体流动向外传递的热损失QZ;蓄热墙体传递·到室内的热量Q3.则能量平衡关系可表示成:式中:P—空气密度,〔Kg/m3〕;Cp—空气比热,[J/Kg·K〕;FF—风口断面面积〔m,〕;uV—气流流经风口的平均流速,〔m/s〕;因此,应使两者之间形成紊流流动或至少使气体形成环流,才能使对流换热效果显著。
4.2 蓄热墙夹气层的垂直高度[6]已知蓄热墙夹层内的空气流动是有限空间的自由流动状，实际经验又表明,一般情况下当时皆可认为是有限空间,由此可确定夹层的高度，如果h=lm,夹层厚度取a=0.3m,显然不太合理,但据前述分析又不能过小,一般应取占d=0.lm~o.15m较为合适.4.3稳态传热计算模型,被动式太阳房基本热性能参数有总负荷系数TLc。
TLc是指当保持室内外温差为1℃时,室内所需的供热负荷,计算式为[7]TLc=A,·U,+n·V·σ·q3/.6(1)式中Aj—外围护结构j的面积,mZ;Uj—外围护结构j的传热系数,W/mZ·℃;V—房间的内部体积,m3;σ—室外空气平均密度,kg/m,;n—房间的换气次数,h一`;C,—空气的定压比热容,kJ/kg·℃,常温常压下约为1.08kJ/kg·℃。
②净负荷系数NLC。
NLC是指房间除太阳能集热部件以外的热负荷系数,即NLC等于TLc减去太阳能集热部件的热负荷系数,计算式为[8]NCL=A,·U,+n·V·σ。
Cp/3.6n为除集热部件以外的外围护结构的个数,其它各量物理意义同五被动式房屋的总体设计5.1 功能分区及平面布置5.2朝向的选择与太阳房的外形由于村镇建设总体规划的设计要求,各类房屋的朝向不可能千篇一律。
但从设计太阳房的需要出发,应选择坐北朝南的矩形平面形式。
5.3立面和剖面设计在立面和剖面设计上,对于一般被动式太阳房,在考虑外观形式时要符合内部的功能要求,但不能脱离使用要求、不能脱离经济条件,要考虑构造的可能和施工条件,不作过多或多余的装饰。
5.4集热蓄热墙[9]选择直接受益式和集热蓄热墙式的混合式。
选用的做法是在墙体内增加一层60～120 mm厚的保温材料,一般为膨胀珍珠岩、矿棉、聚苯乙烯泡沫塑料板等(在气候干燥的地区,也可以利用经过防腐处理的高粱壳、棉秸秆、牛马干粪等),该做法称为“复合保温墙”法。
5.5屋顶和地面采用干法施工架空保温层做法,避免了湿作业,提高了保温材料的可靠性。
采用普通地面,外墙的内侧地面往下450～600 mm深度范围内还要做刚性防潮、防水、隔热处理,这可以防止储存在墙和地面中的热量不至于很快传导出去。
5.6窗户在被动式太阳房中,窗户是获得太阳辐射能的主要构件,同时也是热损失最大的构件。
冬天从窗户散失的热量占整个房子热量损失的30%～50%。
为了增加阳光的收集量,减少热损失,可选用保温窗帘、保温窗板等。
六总结通过对被动式太阳房实现环境、经济效益、优点和设计方法等方面的分析研究可知,在西北地区构筑被动式太阳房是可行的。
我国太阳房的建设和利用还远远不够,尤其是在广大农村和小城镇。
国内外很多理论研究和试验研究都表明,太阳房是一种可行的、很有发展潜力的绿色节能建筑形式。
因此,在太阳能资源富足的西北地区农村推广既节约能源,又经济舒适的太阳房(住宅)很有必要。
作为一种新型节能建筑,被动式太阳房集绝热、集热、蓄热为一体,具有构造简单、造价低、不用特殊的维护管理、性价比高、节约常规能源和减少空气污染等许多独特的优点,对于大发展中的西北地区具有重大的现实意义。
参考文献[1] 谢空,白梅,邓康.太阳能与建筑一体化设计体会.工业建筑,2008,38(2):114-115[2]彰国社(日).被动式太阳能建筑设计.北京:中国建筑工业出版社,2014[3] 张世洲,凌建明,罗志刚.国外未处置粒料与路基土回弹模量试验研究———基本原理与试验方法.公路,2011(11):10-15[4] 胡力群,沙爱民.商开高速公路水泥稳定碎石基层抗裂性研究.中外公路,2013,25(2):25-27[5] 张鹏,李清富,黄承逵.聚丙烯纤维水泥稳定碎石抗压强度试验研究.工业建筑,2011,38(3):94-96[6] 杨红辉,王建勋,郝培文,等.纤维在水泥稳定碎石基层中的应用.长安大学学报:自然科学版,2012,26(3):14-17[7] 武和平.高等级公路路面结构设计方法.北京:人民交通出版社, 2011[8] 潘兆平,黄晓明.水泥稳定碎石路面基层材料水泥剂量范围试验.南京建筑工程学院学报,2012(4):21-26[9] 丛林,郭忠印,暨育雄,等.半刚性基层材料性能参数的试验研究.建筑材料学报,2013,4(4):385-390。