主被動結合式太陽房的研究現(xiàn)狀及展望

■ 于濤 趙玉清喬春珍 單明

(1.北方工業(yè)大學建筑工程學院；2.清華大學建筑科學技術系)

0 引言

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的加快及人民生活水平的提高，建筑用能迅速增加。在建筑能耗結構中有2/3的能源用于建筑采暖降溫和熱水供應[1]。利用太陽能進行采暖降溫和供應熱水是建筑節(jié)能的一個重要途徑。

我國太陽能資源豐富，2/3以上地區(qū)的年太陽輻照量超過5000 MJ/m2，為利用太陽能提供了極好的自然條件[2]。但是太陽能既有資源豐富、可開發(fā)利用范圍廣、不污染環(huán)境的優(yōu)點，又有隨時間和天氣呈現(xiàn)不穩(wěn)定性和不連續(xù)性的缺點。針對太陽能的優(yōu)缺點，在建筑節(jié)能方面如何高效利用太陽能成為節(jié)能重點。

目前太陽能的開發(fā)利用主要有兩個方面：太陽能熱利用和太陽能光伏發(fā)電。本文主要討論關于太陽能熱利用中的太陽能采暖房(以下簡稱太陽房)。太陽房分為兩大類：一種為被動式太陽房，另一種為主動式太陽房。

被動式太陽房具有簡單、經濟的優(yōu)點，但是存在穩(wěn)定性差、效率低、受氣象條件影響的缺點。主動式太陽能采暖系統(tǒng)在室溫調節(jié)上可根據需要進行調節(jié)，但其結構復雜、設備較多、初期投資較大且需一定的運行和維護費用。

鑒于被動式太陽房和主動式太陽能采暖系統(tǒng)各自存在的優(yōu)缺點，在上世紀80年代提出了一種將被動式與主動式結合起來的新形式，稱為主、被動混合系統(tǒng)(又稱主被動結合式太陽房)[3]。主被動結合式的太陽房既具有主動式太陽能采暖系統(tǒng)調控靈活、方便、將不穩(wěn)定熱源變成穩(wěn)定熱源的優(yōu)點，又可彌補被動式太陽房穩(wěn)定性差、效率低等缺點，同時，主被動最佳匹配的設計不僅可實現(xiàn)太陽能的最大化利用，還可減少投資。

1 主被動結合太陽房的形式和原理

主被動結合式太陽房在結構上分兩部分：被動式太陽房和主動式太陽房(即主動式太陽能采暖系統(tǒng))。被動式太陽房按照其利用太陽能的方式和傳熱過程，一般分為3種基本形式：直接受益型太陽房、集熱墻型太陽房、附加陽光間式太陽房。主動式太陽能采暖系統(tǒng)是以太陽能集熱器(包括熱水集熱器和空氣集熱器)、管道、散熱器、風機或泵、貯熱裝置等組成的強制循環(huán)的太陽能采暖系統(tǒng)。圖1和圖2分別為熱水集熱器式主被動結合式太陽房和空氣集熱器式主被動結合式太陽房工作的示意圖。

圖1 熱水集熱器式主被動結合式太陽房

圖2 空氣集熱器式主被動結合式太陽房

主被動結合式太陽房的熱傳遞分為被動式太陽房的熱量傳遞和主動式太陽能采暖系統(tǒng)的熱量傳遞。白天陽光充足時(即被動式供暖足)，主要為被動式太陽能供暖，被動式太陽房提供的熱量不足以維持室溫需要時，由主動式太陽能采暖系統(tǒng)通過采暖末端供暖；夜間主要為主動式太陽能采暖系統(tǒng)供暖。出現(xiàn)連續(xù)陰天或陽光不足時(即被動式供暖不足)，房間的熱量由主動式太陽能采暖系統(tǒng)提供，主動式太陽能采暖系統(tǒng)的供暖不足時通常采用輔助熱源。

2 主被動結合式太陽房理論研究現(xiàn)狀

從主被動結合式太陽房的構成形式來看，主被動結合式太陽房的理論研究可將被動式太陽房和主動式太陽房的研究作為基礎。

2.1 被動太陽房的理論研究現(xiàn)狀

被動式太陽房主要依靠建筑熱工措施來滿足冬季采暖要求，要達到太陽房在冬季采暖的要求就要保證有較多的太陽能得熱量，較少的熱損失和必要的穩(wěn)定性，這就要處理好太陽房集熱，保溫和蓄熱之間的關系。因此，被動式太陽房的熱工計算要比普通采暖房顯得更為重要，同時計算難度也更大。太陽房在熱工計算通常分為穩(wěn)態(tài)計算方法和動態(tài)計算方法[4]。

2.1.1 穩(wěn)態(tài)計算

1980年，在 Balcomb博士領導下，美國Los. Alamos國家實驗室出版的《被動太陽房設計手冊》為被動太陽房設計奠定了科學基礎[5-6]。Oliveira等[7]在基于SLR法、建筑熱惰性、UU 3個參數簡化的基礎上，提出了一種計算被動式太陽能建筑輔助能耗的簡易方法。

李元哲[3，8]根據 Balcomb 提出的 SLR(Solar Load Radio)理論，結合我國氣象條件，在《被動式太陽房熱工設計手冊》和《被動太陽房的原理及設計》中提出了適用于我國建筑用材特點、居民生活習慣的不同形式被動式太陽房計算的SLR法，并首次提出多種集熱部件的效率曲線和公式，以及太陽房的平均室溫預測方法。張陽[9]在SLR法基礎上提出用冬季最冷月南向垂直面上平均輻射溫差比HT作為定性劃分能否建零輔助熱源被動式太陽房區(qū)域。劉加平[10]在平均輻射溫差比的基礎上，給出了無輔助熱源被動式太陽房的熱工計算方法。

2.1.2 動態(tài)計算

被動式太陽房在動態(tài)計算方面，對不同結構形式太陽房的研究主要是在動態(tài)算法基礎上開發(fā)出計算軟件。

清華大學在1983年提出了自己的可用于計算直接受益式、特朗貝墻式、水墻式及其組合形式的被動房模擬計算程序WDPEN及PHSP，目前開發(fā)的DeST-s就是針對被動式太陽能建筑能耗分析的模擬軟件。在DeST中，關于建筑動態(tài)過程的模型采用狀態(tài)空間法，與其他求解建筑的動態(tài)熱過程采用的反應系數法、諧波反應法、差分法相比，狀態(tài)空間法在對墻體的動態(tài)傳熱的處理、對房間熱平衡、建筑熱平衡的處理方面相比計算量小，計算精度高[11]。

王德芳等[12-16]編制的模擬計算程序PSHDC可用于計算直接受益式、特朗貝式集熱墻，以及由兩者組合而成的被動式太陽能采暖系統(tǒng)的熱性能，預測逐時室溫，輔助熱源供熱量。PSHDC模擬計算程序用反應系數法替代了集熱墻不穩(wěn)定傳熱計算中的有限差分法，使集熱墻體的內外表面溫度更容易求出，而且更適用于計算由多種材料層構成的復合墻體；對集熱墻夾層空氣流道的熱平衡計算的傳統(tǒng)方法做了改進；針對我國常用的附加陽光間型太陽房的實際和模擬計算中出現(xiàn)的難點，提出了較簡便實用的陽光間和相鄰房間之間通過門洞的自然對流換熱計算式和計算參數，采用Carroll J A的平均輻射溫度網絡法進行室內各表面之間的輻射換熱計算。方賢德[17]設計數值模擬程序FXD-PASOL，用于任意組合式太陽房的瞬時熱工性能模擬、靈敏度分析、氣象參數變化分析、設計參數最優(yōu)化研究，以及系統(tǒng)的性能評價等。

張立志[18]針對被動式太陽房動態(tài)計算的傳統(tǒng)數學模型(以一平均室溫及太陽能保證率為標志的靜態(tài)模型)不能準確反映太陽房的性能特點，對具有蓄熱墻的被動房建立一種動態(tài)數學模型，該模型能反映出太陽房由于熱惰性和外界條件的改變而造成的蓄熱墻溫度和室溫的波動。

劉加平[19]采用反應系數法處理了室內熱質的蓄熱問題，對被動式太陽房室內動態(tài)熱平衡方程組在給定定解條件下的穩(wěn)定性問題進行分析研究，并應用傳遞矩陣理論，解決了室內空氣動態(tài)熱平衡方程中在室內熱質作用下室內空氣溫度的計算問題。

熱網絡分析方法是國外關于被動式太陽房的動態(tài)熱工計算中應用較為廣泛的一種方法[20]。Elsheikhe Magzoub等[21]用熱網絡分析方法對比分別由混凝土和木質材料為圍護結構的被動式太陽房的冷負荷及室溫波動情況。Athienitis[22-23]用熱網絡分析方法建立被動式太陽房數學模型進行熱工分析計算，在頻域技術和熱網絡的基礎上，提出矩陣導納法，考慮了墻體和室內空氣復合的對流輻射的換熱系數，得出建筑冷熱負荷。Djamel Beggas等[24]通過對特朗貝墻、窗戶、室內外環(huán)境建立了熱網絡分析圖進行計算，指出熱網絡方法可預測建筑室內溫度變化。

在熱網絡分析方法基礎上，美國 Los. Alamos科學實驗室在1978年提出可用來預測特朗貝墻式及水墻式太陽房的熱性能模擬程序PASOLE，利用有限差分法解決了集熱墻墻體及重型圍護結構在太陽房中的非穩(wěn)定導熱問題。

美國威斯康辛大學太陽能實驗室于1981年提出用來計算主動式太陽能系統(tǒng)和集熱墻式等被動房的模擬程序TRNSYS。20世紀90年代，美國勞倫斯伯克利國家實驗室在BLAST和DOE-2的基礎上開發(fā)了Energy Plus，用反應系數法替代了差分法進行能耗模擬[25]。歐洲國家采用Excel為平臺，以物理平衡方程為依據綜合考慮熱回收、通風等裝置的參數開發(fā)出PHPP軟件，用于被動式房屋專用計算和設計軟件[26]。

2.2 主動式太陽房的理論研究現(xiàn)狀

主動式太陽房研究的核心部分為太陽能采暖系統(tǒng)的設計，其設計涉及很多方面，如集熱部件、氣候條件、系統(tǒng)性能采暖末端、系統(tǒng)成本等。

由于影響因素多，對于主動式太陽能采暖很難有簡單的方法，目前主動式太陽能采暖系統(tǒng)的設計可分為穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬。

穩(wěn)態(tài)模擬利用平均氣象參數對太陽能采暖系統(tǒng)運行狀況進行評估，如平均參數法、圖表或公式法。平均參數法是根據輻照年平均值設定工況并以集熱器的效率方程為依據，確定集熱器年平均效率，選定太陽能保證率，確定太陽能系統(tǒng)的規(guī)模，GB 50495-2009《太陽能供熱采暖工程技術規(guī)范》中相關技術公式即依據平均參數法[27]。圖表或公式法以計算機模擬結果和現(xiàn)有系統(tǒng)測試結果為依據，把太陽能關鍵參數整理成圖表和計算公式，如以月為單位周期的總能系統(tǒng)分析的F-CHART法和FSC法。F-CHART法多用于評估太陽能熱水系統(tǒng)及經濟性，F(xiàn)SC(稱為太陽能消耗率)法用于太陽能采暖系統(tǒng)，最基本思想是把系統(tǒng)的實際節(jié)能率和最大理論節(jié)能率進行比較，如果太陽能無損失，太陽能消耗率可達到最大理論節(jié)能率，太陽能消耗率同時考慮了氣候條件、熱負荷狀況(采暖和生活熱水)及集熱器(面積、朝向、傾角等)[28-32]。

動態(tài)模擬是根據各地典型氣象參數，結合系統(tǒng)部件動態(tài)響應關系，逐時對系統(tǒng)運行狀況進行模擬，如瞬態(tài)程序TRNsys、T-sol、Polysun軟件等[33]。

3 主被動結合式太陽房的應用研究現(xiàn)狀

主被動結合式太陽房在我國應用較少，發(fā)展比較緩慢。國內學者對主被動結合式太陽房研究僅限于工程示范。

茅靳豐等[34]在高原嚴寒地區(qū)采用被動式太陽房技術、主動式太陽能集熱技術、相變材料蓄熱技術集為一體的連續(xù)式太陽能供暖系統(tǒng)，使得單純利用太陽能向室內連續(xù)供暖成為可能。

劉艷峰等[35]對高寒地區(qū)的拉薩地區(qū)主被動結合式太陽能進行了設計探索，證明在拉薩地區(qū)采用主、被動結合的太陽能采暖，利用屋頂集熱器可保證拉薩地區(qū)4 層及以下居住建筑的太陽能采暖保證率≥80%。

裴清清等[36]將主動式、被動式采暖方式結合起來對西北嚴寒地區(qū)邊防哨樓做太陽能采暖設計，通過計算預測冬季5個月的室內月平均氣溫，從理論上得出主被動結合式太陽能采暖系統(tǒng)供暖可使室內氣溫比室外氣溫提高15～25 ℃。

國外研究者Viorel Badescu等[37-40]對被動太陽能房中利用主動式太陽能熱水供暖與熱水供應的效果進行了研究，在德國萊茵河畔修建一棟2層的主被動結合的復合式太陽房，采用太陽能集熱器、熱交換器等對房間的新風、生活用熱水進行預處理，實現(xiàn)整棟建筑50%～80%的熱需求。1974年日本通產省制定了“陽光計劃”，并按此計劃建造了數幢太陽能采暖、空調建筑。并且日本提出了一種在屋頂將自然通風與呼吸墻相結合的被動式太陽房系統(tǒng)，在此基礎上模擬得出若將太陽能集熱器、地源熱泵、風力發(fā)電、蓄熱裝置與被動式太陽房相結合，可設計實驗一種新低能耗住宅建筑系統(tǒng)。建筑用電量的80%由自然能源提供，年耗能僅為普通住宅的12.5%，CO2排放量會減少77%。20世紀90年代，奧地利、丹麥、芬蘭、德國、瑞典、瑞士、荷蘭等國家相繼設計出各種型式的太陽能組合系統(tǒng)。德國AEG公司開發(fā)的太陽能主動式和被動式相結合可達到建筑節(jié)能約70%[41]。

4 結論及展望

通過對被動房和主動式太陽能采暖系統(tǒng)的理論研究，以及對主被動結合式太陽房的應用現(xiàn)狀總結，可得到以下結論：

1)主被動結合式太陽房不僅具有主動式太陽房的優(yōu)點，同時也可彌補被動式太陽房和主動式太陽房的不足；最優(yōu)化的主被動結合式太陽房不僅可實現(xiàn)對太陽能的最大利用，也可減少初投資，對建筑節(jié)能具有重要意義，具有廣闊應用前景。

2)主被動結合式太陽房雖然結構上由被動太陽房和主動式太陽房構成，但主被動結合式太陽房的理論研究模型并不是二者的簡單疊加，其理論研究可參考被動式太陽房和主動式太陽房的理論研究。

3)我國主被動結合式太陽房的理論研究較少，停留在探索階段，已有的應用只是針對某一建筑進行設計，并未出現(xiàn)關于主被動結合式太陽房的理論模型研究；主被動結合式太陽房的理論研究將是下一步研究的重點，并在此基礎上開展一些示范和應用研究。

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