被动式太阳房设计徐琦.docx
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被动式太阳房设计徐琦.docx
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被动式太阳房设计徐琦
课程设计
课程名称被动式太阳房
班级12新能源科学与工程3班
专业新能源科学与工程
小组第三组
学号1203223009
姓名徐琦
指导教师阮仔龙老师
提交日期2015.07
目录
引言……………………………………………………………………1
一、小城镇被动式太阳房概述………………………………………2
二.夏热冬冷地区南昌的基本情况…………………………………4
2.1南昌基本气象及地理情况………………………………………4
2.2太阳房材料的选取…………………………………………………5
2.2.1太阳房围护材料的选取…………………………………………5
2.2.2太阳房遮阳材料的选取…………………………………………6
2.2.3太阳房地面材料的选取…………………………………………8
2.2.4太阳房密封材料的选取…………………………………………9
三、被动式太阳房的实现环境的可行性分析………………………10
3.1经济情况分析……………………………………………………10
3.2太阳房运行费用预算……………………………………………10
3.3太阳房后期维护费用预算………………………………………10
3.4太阳房后期维护费用预算………………………………………11
四、被动式太阳房形设计方法………………………………………12
4.1平面布置图………………………………………………………12
4.2房间热平衡计算…………………………………………………13
4.3朝向的选择和太阳房的外形……………………………………15
4.3.1太阳房的建设地点、朝向和房间距的确定…………………15
4.3.2太阳房内部各房间的安排……………………………………16
4.3.3构件和构造设计………………………………………………16
五、总结………………………………………………………………18
引言
我国夏热冬冷地区,虽然冬季最冷月平均气温高于0℃,但低于5℃的天数有2~3个月,相对湿度较高,日照率又偏低。
如江西地区全年日照时数只有1400~2200h,全年总太阳辐射能为(100~120)×104kJ/m2,夏季酷热。
这必然使几乎没有保温隔热措施的小城镇住宅冬夏季室内热环境条件不佳。
随着人们生活水命的不断改善,人们对住宅热环境的舒适性要求日趋迫切,冬季采暖势在必行。
太阳能是广大农村和小城镇可利用的最好能源,太阳能热水器、日光温室已经在人们的生活、生产中发挥了极其重要的作用。
因此,如何有效利用太阳能,使建筑设计合理,以改善夏热冬冷地区小城镇住宅室内热环境条件,达到低水平的室内舒适参数,已成为一个重要的研究课题。
一、小城镇被动式太阳房概述
被动式太阳房是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、构造的恰当选择,使其在冬季能采集、保持、储存和分配太阳热能,从而解决建筑物的采暖问题。
同时在夏季又能遮蔽太阳辐射,散逸室内热量,从而使建筑降温,达到冬暖夏凉的目的被动式太阳房系统最简单的原理,就是尽量开大南向采光窗,减少北向窗,最好不设东西窗,而且在有条件的地区,最好采用双层门窗。
围护结构采用导热系数小的材料(如聚苯板、珍珠岩、矿棉板等),增加围护结构的热阻,降低围护结构的传热系数。
白天,当阳光穿过建筑物南向玻璃窗进入室内后,重质密实材料如砖、土坯、混凝土和水等吸收并储存太阳能;当夜晚室内温度降低时,储存的太阳能通过传导、对流、辐射等方式为室内提供热量。
把建筑物的主要房间布置在朝阳的一侧,辅助房间布置在朝阴的一侧,这样不仅起到缓冲的作用,同时也能使储存的有限太阳能得到充分利用。
现今我国的太阳房建筑,主要是被动式太阳房。
被动式太阳房的类型很多,目前从利用太阳能的方式来区分大致有四种:
1.直接受益式
这是被动式太阳能采暖中最简单而又最常用的一种,也是采用较早采用的一种太阳房。
它通过较大的南向玻璃窗获取阳光,将阳光直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面使其吸收大部分太阳辐射热,使室温在冬季得以提高,并通过蓄热体将白天获得的太阳能在夜间释放出来,以保证减少室内温度的波动。
2.集热蓄热墙式
这种太阳房主要是利用南向垂直集热蓄热墙吸收穿过玻璃采光面的阳光,然后通过导热辐射及对流,把热量送到室内集热蓄热墙的形式较多,如实体式集热蓄热墙、花格式集热蓄热墙、水墙式集热蓄热墙、相变材料蓄热墙等等。
3.附加阳光间式
这种太阳房是直接受益和集热墙技术的混合产物。
其基本结构是将阳光间附建在房间的南侧,中间用一堵墙把房子与阳光间隔开,通过阳光间获取太阳能,并将其传给邻室。
4.组合式
就是由上述两种或两种以上的被动式太阳房的基本类型组合而成的系统称为组合式系统组合式被动太阳房由于具有全天供热比较均匀的优点而显示出强大的生命力,成为当今被动式太阳能建筑发展的趋势。
温室效应是被动式太阳房最基本的工作原理。
太阳辐射很容易透过清洁的空气、普通玻璃、透明塑料等介质,而被某一空间里的材料所吸收,使之温度升高,介质又可向外界辐射热量,而这种辐射是在比太阳低得多的温度下散发的长波红外辐射,较难透过上述介质,于是这些介质包围的空间形成了温室,出现所谓的温室效应。
二、夏热冬冷地区南昌的基本情况
2.1南昌基本气象及地理情况
南昌属中亚热带湿润季风气候,气候湿润温和,日照充足,一年中夏冬季长,春秋季短。
南昌是典型的“夏热冬冷”型城市,夏天非常炎热,有“火炉”之称;冬天又比较寒冷。
年平均气温17℃-17.7℃,极端最高气温40.9℃,极端最低气温-15.2℃。
年降雨量1600—1700毫米,降水日为147-157天,年平均暴雨日5.6天,年平均相对湿度为78.5%。
年日照时间1723-1820小时,日照率为40%。
年平均风速2.3米/秒。
年无霜期251-272天。
冬季多偏北风,夏季多偏南风。
适合植物、花卉生长,是营造“花园城市”的理想地区。
以下是该地区气象的基本信息
(1)太阳辐射:
1986~2003年平均总辐射量为4279.02兆焦耳/平方米,1992~2003年平均净辐射量为2078.67兆焦耳/平方米。
(2)日照:
南昌光照充足,历年平均日照时数1772~1845小时,7、8月最多,2、3月最少。
(3)气温:
南昌地区(下同)气候温和,历年平均气温在17.1~17.8℃之间,≥0℃积温6256~6530℃。
气温变幅大,盛夏极端最高气温达40℃以上,隆冬极端最低气温低于-10℃。
(4)降水:
南昌雨水充沛,历年平均降雨量1567.7~1654.7毫米。
降水分布不均匀,汛期4~6月雨量约占全年降水量的一半;年际间降水量差异较大,最大的可达1倍以上,雨量最多的是1954年达2356毫米,最少的1963年仅1046毫米。
(5)雹灾冰雹属强对流天气,虽然发生机率小,持续时间短,但破坏性很大,对人们生命财产和农作物危害严重。
根据气象观测资料统计,南昌地区年平均出现冰雹日数只有0.2~0.3天,约3~5年出现1次,多发生在3、4月份。
(6)雷击:
南昌地区是雷电多发区,年平均雷暴日数50~60天,全年各月均会发生雷暴,但最多出现时段是3~9月份。
据省防雷中心不完全统计,1998~2002年,南昌地区共发生雷击灾害50起,其中1998年最多达15起,均造成了不同程度的财产损失,有的还造成了人员伤亡。
(7)风:
风力达8级(相当风速17.2~20.7米/秒)以上称大风。
大风不仅影响交通安全,也会对人们生产、生活造成不同程度的灾害。
南昌地区有冷空气大风和雷雨大风两种,年平均大风日数为2.6~12.4天。
2.2太阳房材料的选取
2.2.1太阳房围护材料的选取
要建一个成功的太阳房,除了要精心设计和认真施工以外,还要选用优良的建筑材料,选的优劣,直接影响到太阳房的性能。
按照被动式太阳房的基本原理是:
“开源节流”。
开源就是尽量增加太阳光的吸收量,节流就是尽量减少太阳房的热损失。
要增加阳光的吸收量,就要选择透光好的透光材料,要减少热损失,就是选择的保温材料。
要想把白天多吸收的阳光贮存到晚上,无阳光时再散放出来,就要选择优良的蓄热材料。
太阳能建筑的构件,按其功能可分为三类:
1)集热构件,需用透光材料。
2)蓄热构件,需要蓄热材料。
3)保温构件,需要保温材料或绝热材料。
按照太阳房的结构可以分为:
1)太阳房围护材料的选取
2)太阳房遮阳材料的选取
3)太阳房地面材料的选取
4)太阳房密封材料的选取
①材料性能参数:
材质
聚苯乙烯
产地
河北
产品类别
防火板
产品种类
保温板
导热系数(常温)
0.03
等级
B
低温弯折≤
国标
断裂伸长率
国标
规格
600*6000
抗弯强度
国标
抗压强度
100
品牌
祥诚
使用温度
200
芯材
聚苯乙烯
形态
微孔状
形状
长方形
应用范围
EPS外墙保温系统
②平均使用寿命:
15-20年
③使用方法:
基层处理→测量放线→粘贴EPS聚苯板→EPS聚苯板打磨→涂抹面胶浆→铺压耐碱玻纤网格布→涂抹面胶浆→填嵌缝膏→涂面层腻子和涂料→验收。
④价格:
订货量(立方米)
价格(不含运费)
≥1
10.00元/立方米
2.2.2太阳房遮阳材料的选取
①材料性能参数:
标准宽度(mm)
2100mm
最小冷弯半径(mm)
360mm
重量(Kg/m2)
1.2Kg/m2
比重(g/cm3)
1.2g/cm3
透光率(%)
透明90%
K值(W/m2.℃)
0.21W/m2.℃
热膨胀系数(mm/m.℃)
0.065mm/m℃
可耐温度(℃)
-40~+120℃
抗拉强度(N/mm)
≥60N/mm
弯曲强度(N/mm2)
100N/mm2
弹性模量(Mpa)
2400N/mm2
断裂拉伸应力(Mpa)
≥65
断裂拉伸率(%)
>100
热变形温度(℃)
120℃
耐用年限
十年
防火:
难燃B1级(GB8624-1997)
②使用方法:
a、用普通圆锯、带据、线据、弓形钢锯以及手提式电锯都可以切割各种PC阳光板。
使用圆锯最好采用硬质合金碳化钨锯片,锯片两面交错的铁齿倾斜角采取450时,压力最小,锯切质量最好。
b、锯切时不要揭掉保护膜,不要扭伤锯齿以外的膜和板。
须将板材夹紧在据床的活动平台上,板材紧贴台面,避免振颤和由此产生的粗糙加工面。
c、锯片启动后,再推进板材,开始锯切。
进锯速度保持自然,不可强行加速,避免锯片发热,物料粘结和锯齿阻塞。
接近终点时,进锯速度要放慢,以免板材截角。
d、锯屑应随时用压缩空气吹出多层板的槽隙。
注意:
应及时放出空气压缩机气水分离器中的积水,千万不可将水汽带入板材槽隙中。
锯切完毕,要再次用铝箱防尘胶带封边。
e、使用自攻螺钉或螺栓连接铝型材,在紧固时要注意调整好各连接部位密封性的同时,还要注意不使PC阳光板、连接型材及紧固件本身产生变形或破坏。
f、阳光板安装完毕,立即揭掉保护膜。
如必须继续保护板面,则应先揭掉,再重新反盖,以避免阳光长时间直射下产生胶转移现象,污损阳光板表面。
g、安装前,施工组织者一定要将保护膜印上的文宇说明和注意事项理解清楚,并向操作人员说明。
特别要注意“此面朝外“的标志。
有该标志的一面有防紫外线涂层,必须朝向室外。
③价格及品牌:
价格:
订货量(平方米)
价格(含运费)
100-199
75.00元/平方米
≥200
74.00元/平方米
品牌:
历新Lixin
2.2.3太阳房地面材料的选取
①材料性能参数:
芯材
mdf
形状
片状
规格
3000*204*10mm
材质
木塑
产地
佛山
等级
B1
抗弯强度
1
抗压强度
1
品牌
康哲
形态
微孔状
②平均使用寿命:
30年
③使用方法:
a、安装使用与实木基本一致。
b、钉孔的修补方法与实木相同,修补后不需打磨,用干净布轻擦即可。
c、可选择上漆或免漆。
需上漆时,请使用环保并适合PVC性能的油漆。
d、表面切勿砂磨。
e、可选择直接用胶水粘固.
④价格:
订货量(平方米)
价格(不含运费)
50-500
150.00元/平方米
501-2000
140.00元/平方米
≥2001
130.00元/平方米
2.2.4太阳房密封材料的选取
①门窗玻璃材质:
镀膜钢化玻璃
②开启方式:
推拉
③面积比例:
卧室、起居室、明卫生间的通风开口面积不应小于该房间地板面积的1/20;厨房的通风开口面积小于该房间地板面积的1/10,并不得小于0.60㎡
④通风情况:
尽量减少空气流通。
⑤密封条件:
门、窗及墙体之间保持高度的密闭性,减少内外空气交换的速度,与外界空气交换量越少,空气调节系统越少,而且损失的能量很快的补偿。
⑥平均使用寿命:
25年
⑦价格:
订货量(平方米)
价格(含运费)
≥1
45.00元/平方米
三、被动式太阳房的实现环境的可行性分析
3.1经济情况分析
按照该市的建筑市场的交易习惯,房屋的造价分为材料费和人工费两大部分,现分别计算如下:
材料费用包括以下几个方面:
维护结构(水泥、中砂、碎石、生石灰、红青砖、白水泥、钢筋等)
综合施工图纸预计共需要成本:
38259元
a.地面结构(聚苯乙烯泡沫塑料板、地砖、防石材墙面面砖、棕红色墙面面砖、改性沥青防水卷材、玻璃瓦片、钢筋空心板、预制钢筋等)
综合施工图纸预计共需要成本:
16520元
b.遮阳结构(钢丝网片、焦渣、外墙涂料、TG胶、保温砂浆、各类模板等)
综合施工图纸预计共需要成本:
15466元
c.密封结构(门窗、塑钢门、带亮木门、普通木门、铝合金门、塑钢窗、铝合金窗、玻璃幕窗等)
综合施工图纸预计共需要成本:
12591元
可得出共需要预算——82836元
3.2人工费的计算:
农村常用的方法为按建筑面积收取,市场价为100元平方米,另外每根构造柱加15元,每道圈梁完毕请吃顿饭,约300元,该平房建筑面积141.1平方米,41.58平方米为内院厨房、门洞和车库的建筑面积,院墙早厕的人工费按砖(元块)计算,硬化地面16元米,人工总费:
(141.1+41.58)×100+12×15+0.20×9209+16×3.3=20342.6元
3.3太阳房运行费用预算
按照在太阳房寿命以内,根据各类材料的使用寿命以及运行特点可以粗略得出其运行费用:
11000元
3.4太阳房后期维护费用预算
按照在太阳房寿命以内,根据各类材料的使用寿命以及运行特点可以粗略得出其运行费用:
21123元
综上所述,可知该太阳房的总预算是:
82836+20342.6+11000+21123=13.53016万元。
四、被动式太阳房型设计方法
4.1平面布置图
4.2房间热平衡计算
围护结构的传热损失+冷风渗漏热损失=直接受益窗太阳净得热量+集热蓄热墙太阳净得热量。
Kj为某一面围护结构传热系数(w/m2℃)
Fj为某一面围护结构的面积(m2)
Dm为月或采暖季天数,天/月(采暖季)
Ti,m为室内月或采暖季的平均温度,℃
To,m为室外月或采暖季的平均温度,℃
Cp为空气定压比热容,kJ/kg·℃
γ为空气容重,kg/m3
V为房间容积m3
n为房间换气次数,取n=0.5次/小时或n=1次/小时
直接受益窗太阳净得热量=透过南窗获取的太阳辐射热+通过南窗向外散失的热量
τ为玻璃的平均透过率,单层取0.75,双层取0.56
C为窗的净透光有效面积系数,单层木窗取0.7,单层钢窗取0.85,双层木窗取0.6,双层钢窗取0.75
Fd为窗面积,m2
QT为南立面上太阳辐照量,kJ/m2·月(采暖季)。
K1,h1为每天未加保温板的窗传热系数及小时数
K2,h2为每天加设保温板的窗传热系数及小时数
ηw为集热墙效率,一般取20%
Fw为集热墙面积m2
QT南立面上太阳辐照量,kJ/m2·月(采暖季)
北外墙
K=1.239W/m2*k
F=13.2*9.1-(5*0.6*1.2+2*1.5*1.2+3*2.5)m2=105.42m2
Q2=KFDm*24(Tim-Tom)=1.239*105.42*35*24*18=1960558.9W
东西墙
K=1.239W/m2*k
F=4.5*9.1*2+4.5*3.3*2m2=111.6m2
Q3=KFDm*24(Tim-Tom)=1.239*111.6*35*24*18W=2075492W
地面
干炉渣传热系数0.4塑料传热系数0.3毛石传热系数0.05
K=0.75
F=4.5*13.2+4.5*2.5m2=70.65m2
Q4=KFDm*24(Tim-Tom)=0.75*70.65*35*24*18W=801171W
屋顶
苯板及砖和水泥加钢筋
K=0.75
F=4.5*13.2m2=59.4m2
Q5=KFDm*24(Tim-Tom)=0.75*59.4*35*24*18W=673596W
冷风渗漏热损失
QL=0.28CppL(Tim-Tom)=0.28*1*1.213*2*13.2*18=161W
Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+QL=6833950.9W
F=4*1.2*1.8+4*1.8*1.8+2*1.8*3.1+2*2.7*3.1m2=49,5m2
QR=6.4*49.5*18*35W*7.5=199584W
F=4*1.2*1.8+4*1.8*1.8+2*1.8*3.1+2*2.7*3.1m2=49,5m2
Qu=0.75*0.85*49.5*128.75*1000W=4062876W
Qs,w=0.2*49.5*128.75*1000W=1274625W
等式成立。
4.3朝向的选择与太阳房的外形
4.3.1太阳房的建设地点、朝向和房间距的确定
正确确定太阳房的建设地点、朝向和房间距,是能否充分利用太阳能、达到冬暖夏凉的关键,建房前一定要在村镇建设规划允许的情况下,合理选择建设地点、朝向和房间距。
1)太阳房的建设地点
太阳房的建设地点最好选在背风向阳的地方,在冬至日从上午9时至下午3时的6个小时内,阳光不被遮挡,直接照射进室内或集热器上。
2)太阳房的朝向
根据多年来的经验,太阳房的朝向在南偏东或偏西15°以内,这样能保证在整个采暖期内,南向房间里有充足的日照,夏季避免过多的日晒。
3)太阳房的房间距
太阳房与前面的建筑物之间的距离应大于前面建筑物高度的两倍为宜。
4.3.2太阳房内部各房间的安排
太阳房内部房间的安排应根据房间的用途确定,应将主要房间如住宅的卧室、起居室和学校的教室等安排在南向,而将辅助房间如住宅的厨房、卫生间和教室的走廊等放在北向。
4.3.3构件和构造设计
1)太阳房的墙体
太阳房的墙体除具有一般普通房屋墙体的功能外,还具有集热、贮热和保温功能,是太阳房的重要组成部分。
2)门窗
太阳房的门窗是太阳房获取太阳能的主要集热部件,也是重要的失热部件。
由于门经常开启,保温困难,最好设门斗或双层门。
窗的功能在太阳房设计中,除了具有采光、通风和观察作用外,还具有集取太阳能的功能,对于直接受益式太阳房来说,窗户起着决定性作用。
因此,在设计太阳房集热窗时,在满足抗震要求的情况下,应尽量加大南窗面积,减小北窗面积,取消东西窗,采用双层窗,有条件的用户最好采用塑钢窗。
3)空气集热器
空气集热器是设在太阳房南窗下或南窗间墙上获取太阳能的装置。
它是由透明盖板(玻璃或其它透光材料)、空气通道、上下通风口、夏季排气口、吸热板、保温板等几部分构成。
4)屋面
屋面是房子热损失最大的地方,占整个房屋热损失的30%—40%,因此,屋面保温尤为重要。
房屋面基本上有两种类型,一种是坡屋面,另一种是平屋面,虽然大多都有不同程度的保温层,但保温效果远远不够。
被动式太阳房平屋顶一般采用在预制板上铺100毫米厚苯板或180毫米厚的袋装珍珠岩;坡屋顶是在室内吊顶上放80毫米厚苯板或100毫米厚的岩棉板。
5)地面
被动式太阳房地面除了具有普通房屋地面的功能以外,还具有贮热和保温功能,由于地面散失热量较少,仅占房屋总散热量的5%左右,因此,太阳房的地面与普通房屋的地面稍有不同。
其做法有两种:
保温地面法
a、素土夯实,铺一层油毡或塑料薄膜用来防潮。
b、铺150—200毫米厚干炉渣用来保温。
c、铺300—400毫米厚毛石、碎砖或砂石用来贮热。
d、按正常方法做地面。
防寒沟法
在房屋基础四周挖600毫米深,400—500毫米宽的沟,内填干炉渣保温。
五.总结
通过这两周的课程设计,不但使我们对专业知识有了进一步的了解,还使我了解了有关被动式太阳房的一些知识,什么是被动式太阳房,太阳房的工作原理等,而且最主要的是通过这次的课程设计了解到要建造一个被动式的太阳房,如果作为一名设计人员,需要考虑的因素是方方面面,稍微有些考虑不到位的可能就导致工程不能完成。
这次的课程设计的完成,靠的是我们小组人员的共同努力,每个人都做到了该做的事情,努力查找资料,仔细检查,认真核对,才使得我们的任务能够顺利完成,并且很感谢班级同学的互助,大家都在忙着做设计,但是都没有说不帮忙的,有问题就帮,很感谢他们。
这次的收获还是比较大的,毕竟我们以前都没有接触过这样的实践,有这样的实践机会,不仅对我们现在有了很大帮助,更对我们的未来进一步深入了解我们这个行业奠定了基础,感谢学校给我们安排的这次实践。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
参考文献
[1]学术论文.被动式太阳房在河北农村的探讨.2008
[2]太阳光电发电协会太阳能光伏发电系统的设计与施工[M]刘树民宏伟,译.北京:
科学出版社.2006
[3]杨洪兴周伟编著.太阳能建筑一体化技术与应用[M].北京:
中国建筑工业出版社.2009
[4]硕士学位论文.夏热冬冷地区多层住宅被动式太阳房设计策略研究.2005
[5]李元哲.《被动式太阳房热工设计手册》.清华大学出版社.1993
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