建筑节能改造课程设计-建筑新能源利用—节能改造.docx

2016至2017学年第一学期建筑新能源利用课程设计任务书一、概况某别墅位于兰州近郊，见图纸(104)。利用所学可再生能源知识为其进行节能改造。二、设计要求1）提出可再生能源应用的可行性方案；2）方案技术、经济比较；3）方案设计4）设备选型；5）施工、运行等方面的具体要求。三、图纸要求一张系统工作原理图，3#图纸。四、设计说明书要求要点：按照毕业设计说明书格式书写，中英文摘要、目录、绪论（1页纸内容）、工程概况、可再生能源建筑应用方案、可再生能源建筑系统设计、施工、运行及维护管理。五、设计时间安排1月10日提交说明书和图纸，1月11日答辩。建筑新能源利用节能改造摘要：太阳能资源在我国分布广泛应用技术日益提高，兰州地处太阳能资源丰富地区。本设计旨在对既有建筑（三层别墅）进行建筑节能改造，提出可再生能源应用的可行性方案并进行设计计算，综合考率确定增设太阳房、太阳墙和太阳能集热器，太阳墙技术既节约了采暖耗能，又解决了冬季保温与通风问题，太阳房可使建筑节约少量采暖能耗还可以提供花草种植场地，绿色环保零排放，太阳能集热器可全年提供热水节约燃气和煤炭消耗量。本设计还在提供方案的基础上进行太阳墙流量、集热量和结构计算；对附加阳光间高度、角度和外形的选择；对集热器进行面积、安装角度、安装倾角和间距计算。关键词：建筑节能改造、太阳墙、附加阳光间、太阳能集热器、集热量、集热面积。ConstructionofnewenergyuseEnergy saving reconstructionAbstract: the solar energy resources in our country has become increasingly widespread application technology.Lanzhou is located in the abundant solar energy region.This design is aimed at the existing buildings (three layers) villa building energy efficiency renovation, proposes the feasibility of the renewable energy application scheme and design calculation, comprehensive examination rate to determine the sun room, wall and solar collector, solar wall technology is both save heating energy consumption, and solved the problems of winter heat preservation and ventilation, solar house can make the building to save a small amount of heating energy consumption can also provide flowers planting area, zero emissions of green environmental protection, solar collector to provide hot water all year round to save gas and coal consumption.This design also offers solutions in the sun on the basis of the wall flow, heat and structure calculation;The additional height, Angle between the sun and shape choice;The collector area, installation Angle and distance calculation, installation Angle.Keywords: building energy efficiency reformation, solar wall, additional sun rooms, solar collector, heat, sets hot area.一、可再生能源应用分析 11我国太阳能资源的分布据估算，我国陆地每年接受的太阳能辐射量约为5.021022J相当于1.7万吨标准煤，数量是非常巨大的。全国各地太阳能年辐射总量达33408370MJ/m2,中值为5860MJ/m2。因此，研究和发展太阳能的利用对我国今后能源与电力的发展有着特别重要的意义。我国太阳能资源分布的主要特点是：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬220350这一带，青藏高原是高值中心，那里平均海拔在4000m以上，大气透明度好，纬度低，日照时间长。全国以四川省的年辐射总量最小，那里雨多、雾多、晴天较少。西部地区的太阳年辐射量高于东部地区，褚喜藏和新疆两个自治区外基本上是南部低于北部。在北纬300400地区，我国太阳能分布情况与一般太阳能随纬度变化的情况规律相反，由于南方多数地区云雾雨多，太阳辐射能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增加。下表综合考虑日照时数和平均气温等因素将我国太阳能分为四个区：资源丰富区、资源较丰富区、资源一般区和资源贫乏区。表1-1全国太阳能利用区划系统及区分特征、类地区是我国太阳能资源较丰富地区，占全国总面积的2/3以上，都具有利用太阳能的有利条件。 12太阳能供暖的技术和经济可行性 1 太阳能供热采暖的技术可行性我们从能量品位、能量总量、能量储存和辅助热源4个方面来分析太阳能供暖在技术上的可行性。能量品位：建筑供暖用能，对采用散热器形式的系统来说，一般需要6070的低温热能。近些年兴起的地板辐射换热系统，只需要3040的低温热能，这为太阳能供热提供了必要条件。能量总量：一般一个家庭可按100m2左右的建筑面积估算，每平方米建筑面积所需要供暖热能一般是2030w，我们按30w估算则需要3000w的热能没填24h供应，考虑到冬季较好的日照时间只有6h，要保证全天24h供暖，太阳能集热器要提供的热能应是 3000（246）=12000w在晴朗的天气，太阳的辐射强度约为1000w，一般天气可按700800w估算，太阳能集热器的热效率按照40%50%估算，则每平方米太阳能集热器的有效功率为300400w，1200w供热量需要3040m2集热器来提供。从上面的简单计算可知，一个普通家庭100m2的建筑面积，有3040m2的集热器即可满足其供热需求。这点可用一个简单的比值来描述：集热器面积：房屋采暖面积=1:2.51：3可见只有一层或两层的低房屋建筑，可提供足够的位置安装这3040m2的集热器能量储存：太阳能的一个主要缺点就是它的间歇性，不仅有白日夜晚之分，还有阴天、雨雪天气无太阳能的情况，可采用以下方法解决1、 设置一个较大的保温水箱，能储存白天收集太阳能的50%以用作夜晚供应。比如一组40m2的集热器，用12t的水箱即可。2、 不特殊设计大水箱，而是利用房间的本身储热功能储热，对太阳能采暖房间要求较好的保温隔热措施。理论和计算多次试验、示范证明，对一个隔热保温较好的房间，一个晚上的温度只降低1左右，对房间舒适度影响极小。3、 地下储热：这是一种现实可行的长期储热方法，可以实现季节性的储存热能，基本途径是利用地下的土壤或者水窖来储存热能，在春夏秋季把水窖中的水加热，水窖中的水又把周围的土加热，这样在水窖周围的土壤形成一个高温区，这里的土壤既是储热材料又是隔热材料，当冬季水窖向房间供热时，水窖内的水温会降低当水窖内的水温低于周围土壤温度时，土壤中的温度就会向水窖传导，返回到水中向房间供热。经过理论分析和实验证明，这是一种现实可行的有效的太阳能利用形式。4、 辅助热源：就是当无太阳时用其他能源补充上，常用的有电辅助加热，燃煤、燃气、燃柴草锅炉，热泵加热等。电加热设备简单，造价低用电热管直接加热即可但耗电量大在甘肃、陕西、河北等地方使用；用燃柴锅炉符合低碳经济甚至零碳经济成本较低，现在的问题是如何充分利用；在天气不太寒冷的地区可用热泵做为辅助热源，其冬季效能一般在2.0以上即消耗1kw的电能至少可得到2kw的热能，比电加热节省一半电能。从以上分析可以看出，用太阳能供热采暖技术在技术上是完全可行的，太阳能的间歇性等问题已有办法解决。2 太阳能供热采暖的经济可行性对于太阳能采暖经济可行性问题，我们从太阳能产品成本的降低、综合系统成本的节约、传统矿石能源价格上涨和环境效益几个方面分析。1、 太阳能产品成本大幅度降低：经过三十多年的发展，我国已经形成一个很大的太阳能产业，大大提高了生产效率降低了生产成本，降低了单件产品价格，以最基本的集热元件玻璃真空管为例20世纪80年代一根真空管大约四五十元，而那时一个普通职工的工资也就四五十元，现在一根真空管不到十元，一个普通民工的月工资也有两千元，其相对成本降低了数倍。太阳能产品成本的大幅度减低为大面积利用太阳能采暖打下经济基础，提供了经济上的可能性。2、 综合系统成本和管理成本得到节约：一家一户的太阳能采暖要求与建筑相匹配相结合、相匹配。如果我们从房屋的建筑设计上就考虑到太阳能集热器的安装那么太阳能呢过采暖系统可采用小水箱或者无水箱设计，以降低系统成本。此外，采用地下季节性长期储热系统的设计，可以大幅度减少集热器的面积，若整个系统设计合理，随着水窖技术的设计完善、成熟也有可能降低系统造价。太阳能采暖一般需要的集热面积都较大，每家每户都是一个太阳能工程，一旦这项技术推开，则每个村几十几百户都可能装有大面积的热水器，每个村镇就有可能设置专门的维护人员，这即可能提高集热器的使用质量，也必将大大降低单位集热面积的维护成本，从而降低单位面积的造价。3、 传统矿石能源价格的上涨：随着社会的发展，人类对能源的消耗将不断增加，这是一个不可逆转的趋势。汽油已从几年前的每升一元多上涨到现在的6元多，生活用煤已从几年前的每顿以一百多元上涨到一千多元，仅从经济上看用太阳能采暖已具有竞争力。4、 环境效益提高和居住环境改善：太阳能供暖对整个社会的环境效益及对低碳经济的贡献是有目共睹的。如果我国大部分的地区都用太阳能采暖，每年就会节省数亿吨的煤炭等矿石能源减少亿吨的碳排放。广大农村乡镇的冬季采暖基本上是三种形式，一种是原始的柴草烧火炕取暖，一种是在房间我是直接燃烧煤炉炭火取暖，另一种是靠土暖气供暖。前两种很不稳定夜晚炉火熄灭温度会很快降下来而且会产生大量烟气污染室内环境，腐蚀墙壁、衣物、家具饰品还可能导致中毒事件，长期生活在这种环境下人们的发病率会增高，冬季发病率和死亡率的升高，供暖条件差是其主要原因，安装土暖气的家庭条件较好些但燃烧状况时好时坏，室内温度很不稳定而且安装在室内也会污染环境。太阳能供暖可以完全避免煤灰烟气对室内的污染，而且自动控制系统会大大提高其供热质量。总之，采用太阳能供暖，在技术、经济、环保等方面都已具备与传统能源的竞争力，必将迅速的发展起来。13兰州地理位置及资源状况分析兰州处北纬36.030地处资源较丰富地区，月平均气温10、日照时数6小时天数在200300天，太阳能保证率为30%50%（短期蓄热）、40%60%（长期蓄热），室外平均温度为-2.8计算采暖天数为132天，耗热量指标为20.8W/m2,耗煤指标为13.2kg/m2该别墅总面积为157m2共三层。二、节能方案技术比较 21总体设计原则综述 211合理确定太阳能热利用技术类型应用太阳能热利用系统是建筑节能设计的重要技术手段，太阳能热利用系统与建筑一体化就是其设计工作的关键。规划中要结合建筑单位体或群体的功能特点及对太阳能热利用的需求来确定太阳能热利用系统的技术类型，包括太阳能提供热水、利用太阳能供热采暖、利用太阳能制冷空调以及综合利用等。在总体规划设计师需要充分调研、仔细分析、科学评估、统筹规划。实际工作要综合分析环境气候特点、太阳能资源、常规辅助能源以及供给条件，再与建筑功能需求和投资多少结合起来，做经济技术分析，权衡利弊，找出最佳的可行的应用方式，科学合理地确定太阳能利用技术类型。这是太阳能热利用与建筑一体化规划设计中应考虑的首要问题。 212建筑设计与太阳能热利用系统设计同步进行应用太阳能热利用系统的单体建筑或建筑群体，无论在做规划布局设计还是在做单体布局设计时，均应与太阳能热利用系统设计同步进行，以保证所选的太阳能热利用系统各个部分及其辅助设施与建筑规划布局直至单体建筑设计能够有机结合，成为建筑规划设计中合理的不可分割的部分。 213建筑设计应满足的技术要求应用太阳能热利用系统的建筑或建筑群体，规划设计中，除像一般规划设计要考虑的建筑功能，场地条件，周边环境等制约规划设计的诸多因素外。确定建筑布局、群体组合和空间环境时还特别需要结合场地的地理条件、当地地域的气候条件、日照条件（太阳能资源）等因素来确定和设计建筑的朝向、建筑之间的间距以及建筑形体组合，最大限度的满足太阳能热利用系统设计和安装的技术要求。 214太阳能集热系统选型太阳能集热系统的选型是应用太阳能热利用系统建筑规划设计的重要内容，设计者不仅要创造新颖美观的建筑体形及立面造型，合理设计太阳能集热系统各组成部分的安装安放位置，还要结合建筑功能及其对热水供应方式的需求，综合考虑太阳能资源常规辅助能源类型，可供给的方式与条件，施工条件等因素，比较不同类型太阳能集热系统的性能、优缺点、造价，进行经济技术分析。在充分综合比较后，酌情选择适用的、性能价格比高的太阳能集热系统。 215太阳能集热器的设置太阳能集热器是太阳能集热系统的重要组成部分，也是应用太阳能热利用系统建筑设计中需重点设计的内容，在建筑上合理设计太阳能集热器的安装位置尤为重要。太阳能集热器一般设置在建筑屋面（平、坡屋面)、阳台栏板、建筑外墙面上或设置在建筑的其他部位，如女儿墙、建筑屋顶的披檐上、甚或设置在建筑的遮阳板上、建筑物的屋顶飘板等能充分接受阳光的位置。建筑设计需将所设置的太阳能集热器作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，保持建筑统一、和谐的外观，并与周围环境相协调。设置在建筑任何部位的太阳能集热器应与建筑锚固牢靠，保证其安全坚固，同时不得影响该建筑部位的承载、防护、保温、防水、排水等相应的建筑功能。 216既有建筑改造增设太阳能热利用系统在既有建筑物上增设或改造应用太阳能热利用系统，必须经建筑结构复核，满足建筑结构及其相应的安全性要求，不得破坏建筑物的结构，影响其建筑物承受荷载的能力，也不得损害建筑的外形及室内外的附属设施，更不得破坏屋面和地面的防水构造。同时，建筑物改造安装太阳能热利用系统，不得降低相邻建筑的日照标准。为确保系统的安全性系统安装后应满足其避雷设计的要求。 217考率太阳能热利用系统的维护应用太阳能热利用系统与建筑一体化设计，其重要组成部分的太阳能集热器使用寿命有限，一般在10年左右，而建筑的寿命通常在50年以上。太阳热利用系统各个部件在使用中不仅需要安全安装维护，如太阳能集热器还需要保养更换。为此，建筑设计不仅要考虑地震、风荷载、雪荷载、冰霉等自然破坏因素，还应为太阳能热利用系统的日常维护尤其是太阳能集热器的安装、维护、日常保养、局部更换提供必要的安全便利条件。 22太阳能建筑应用技术 221集热蓄热墙体技术集热蓄热墙体就是在直接受益式太阳墙和窗的后面筑起一道重型结构墙，利用重型结构墙的蓄热能力和延迟传输的特性获取太阳的辐射热。这种形式的太阳房在供热机理上与直接受益式不同，属于间接受益太阳能采暖系统。墙体吸收太阳辐射热，一部分通过透明盖层向外损失，另一部分加热夹层内的空气，从而使夹层内的空气与室内空气密度不同，托通过上下通风口形成自然对流由上通风孔将热空气送进室内，第三部分则通过集热蓄热墙体向室内辐射热量。这种集热蓄热墙体式太阳房已成为目前广泛应用的被动式太阳房采暖形式之一，集热蓄热墙式与直接受益式相结合，即可充分利用南墙集热又可域建筑结构相结合，并且室内昼夜温度波动较小，墙体表面涂成深色、墙体与玻璃之间的夹层安装波形钢板和透明热阻材料都可以提高系统集热效率。可通过模拟计算或选择经验数值确定空气间层的厚度及通风口的尺寸，这是影响集热效果的重要数值。集热蓄热墙体的特点是在充分利用南墙面的情况下，能使室内保留一定的南墙面，便于室内家具的布置，可适用不同房间的使用要求，与直接受益窗结合使用，即可充分利用南墙集热又能与砖混结构的构造要求相适应：用砖石等材料构成的集热蓄热墙体，墙体蓄热在夜间向室内辐射，使室内昼夜温差波幅小；在顶部设置夏季向室外的排气口，可降低室内温度。集热墙外表面涂有吸收层，与集热墙体本身相比，吸收率增大，但伴随表面墨度的增大，墙的长波辐射热损失也有所增多，部分的抵消了吸收率提高所产生的增益，总起来说，采用涂层能使蓄热墙效果增强，为了在提高吸收率的同时降低表面黑度，人们开始研究采用选择性涂层，实验表明，采用选择性涂层的效果非常显著。现在选择性涂层已经广泛应用于太阳能热水器集热器的制作。热体在室内设置在阳光直射到的地方是最理想的。地板是最佳位置，但地板面积往往被家具遮挡，所以，需热体配置在东、西、北墙或内墙也是可以的。 222墙体保温隔热技术 （1）不管是新房还是旧房，都可采取墙壁的外墙保温法，即在外墙壁上辅挂68cm的聚苯乙烯泡沫塑料隔热材料。这种方式隔热性能最好，没有热桥产生，且整个墙壁都能成储热体。（2)屋顶也要采取隔热措施，最好在房顶外层铺覆隔热层。对旧房也可采用吊顶的方法铺覆隔热层。(3)对新房可采用夹芯墙，即把隔热材料放置在内外墙中间。屋顶可根据大阳能集热器的安装的需要来设计。 223附加阳光间 被动式太阳房是不用机械动力而在建筑物本身采取一些措施后，直接利用太阳辐射能采暖的房间。附加阳光间式就是在向阳侧设透光玻璃构成阳光间接受日光照射，阳光间与室内空间由墙或窗隔开，蓄热物质一般分布在隔墙内和阳光间地板内。因而从而室内供热来看，其机理完全与集热墙式太阳房相同，是直接受益式和集热蓄热式的组合。随着对建筑造型要求的提高，这种外形轻巧的玻璃立面普遍受到欢迎。阳光间的温度一般不要求控制，可结合南廊、入口门厅、休息厅、封闭阳台等设置，心用来养花或栽培其他植物，所以附加阳光间式太阳房有时也称为附加温室式天阳房。与集热墙式被动房相比，该形式具有男集热面积大、升温快的特点，与相邻内侧房间组织方式多样，中间可设砖石墙、落地门窗或带槛墙的门窗；但由于附加阳光间将增大透明盖层的面积，是散热面积增大，因而降低所收集阳光的有效热量。在阳光间结构上作些改进，也可以收到较好的效果。 224蓄热体 在被动式太出房中需设置一定数量的蓄热体。它的主要作用是在有日照时吸收并蓄存过剩的太阳辐射热；而当百天无日照时或在夜间(此时室温呈下降趋势)向室内放出热量，以提高室内温度，从而大大地减小室温的波动。同时由于降低了室内平均温度，所以也减少了向室外的散热。蓄热体的构造和布置将直接影响集热效率和室内温度的稳定性。对集热体的要求是：蓄热成本低，单位容积的蓄热量大；对储存器无腐蚀和或腐蚀作用小；资源丰富，当地取材；容易吸热和防热；耐久性高。蓄热材料分为显热和潜热两天类：(1）显热类蓄热材料：显热是指物质在温度上升或下降时吸收或放出热量，在此过程中物质本身不发生任何其他变化。显热类蓄热材料有水、热媒等液体及卵石、砂、土、混凝土、砖等固体。它们的蓄热量取决于材料的容积比热值（VC)。（2)潜热类蓄热材料：潜热蓄热又称相变蓄热或溶解热蓄热，是利用某些化学物质发生相变时吸收或放出大量热量的性质来实现蓄热的。相变材斜具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。一般有两种：1、固体液体：物质由固态溶解成液态时吸收热量；其相反，物质由液态凝结成固态时放出热量。2、液体气体：物质出液态蒸发成气态时吸收热量；其相反，物质由气态冷凝成固态时放出热量。 225集热屋面 把生热器放在玻屋面、用混凝土地板作为蓄热体的系统，冬季，室外空气被屋面下的通气槽引人，积蓄在屋檐下，被安装在屋顶上的玻璃集热板加热，上升到屋顶最高处，通过通气管和空气处理器进入垂直风道转入地下室，加热室内厚水泥地板，同时热空气从地板通风口流入室内。该系统也可在加热室外新鲜空气的同时加热室内冷空气，但是需要在室内上空设风机和风口，把空气吸入并送到屋面集热板下。夏季夜晚系统运行与冬季白天相同，但送人室内的是凉空气，起到降温作用。 226太阳墙采暖新风技术 太阳墙系统由集热和气流输送两部分系统组成，房间是储热器。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板材覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距由计算决定，一般在200mm左右，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于抽取空腔内的空气。冲压成型的太阳墙板在太阳辐射作用下升到较高温度，同时太阳墙与墙体之间的空气间层在风机作用下形成负压，室外冷空气在负压作用下通过太阳墙板上的孔洞进入空气间层，同时被加热，在上升过程中再不断被太阳墙板加热，到达太阳墙顶部的热空气被风机通过管道系统送至房间。与传统意义上的集热益热墙等方式不同的是，太阳墙对空气的加热主要是在空通过墙板表面的孔缝的时候，面不是空气在间层上升的阶段。太阳墙板外表面为深色(吸收太阳辐射热)，内表面为浅色(减少热损失)。在冬季天气晴朗时，太阳墙可以把空气温度提高30左右。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，使墙体起到了热交换器的作用。夏季，风扇停止运转，室外热空气可从太阳墙版底部及孔洞进入，从上部和周围的孔洞流出。热量不会进人室内，因此不需要特别设置排气设置。太阳墙板材是由1-2mm厚的镀锌钢板或铝板构成，外侧涂层具有强烈吸收太阳热、阻挡紫外线的良好功能，一般是黑色或深棕色，为了建筑美观或色彩协调，其他颜色也可以使用，主要的集热板用深色，装饰遮板或顶递的饰业用社充色。为空气流动及加热需要，板材上打有孔洞，孔洞的大小、间距和数量应根据建筑物的使用功能与特点、所在地区纬度、太阳能资源、辐射热量进行计算和实验确定，能平衡通过孔口流人的空气量和被送人距离最近的风扇的空气量，以保证气流持续稳定均匀，以及空气通过孔洞获得最多的热量。不希望有空气渗透的地方，例如接近顶部处，可使用无孔的同种板材及密封条。板材由钢框架支撑，用自攻螺栓固定在建筑外墙上。23最终方案确定 兰州处北纬36.030地处资源较丰富地区，月平均气温10、日照时数6小时天数在200300天，太阳能保证率为30%50%（短期蓄热）、40%60%（长期蓄热），该别墅总面积为157m2共三层。方案如下：在东墙附加太阳墙提供客厅、卧室以及娱乐场所供暖；在屋顶安装太阳能集热器提供热水，墙体采用保温隔热材料以达到能量储存，不需要设置储热设备，辅助热源为电加热；二楼阳台增设阳光间。 三、方案设计计算及经济效益分析 31太阳墙设计计算太阳墙的计算是基础，因此在进行太阳墙的热压作用、传热换热性能分析计算，太阳墙内的速度场、温度场，维护结构的温度场数值模拟之前，首先对太阳墙经行简单的计算。它包括太阳墙参数及性能的指定，太阳墙的集热量、送风量及结构尺寸的计算等 311太阳墙参数及性能住宅条件 兰州地区某3层的居民别墅，三个需供暖房间 住宅楼尺寸长 m宽 m高层高房间数层数11.514.2521333面积157m2（每层） 312太阳墙板设计美国能源部国家可再生能源实验室（NERL）对太阳墙的定义：是一种深色的带孔的金属薄板，以他为材料的墙体吸收太阳辐射，在建筑风机的抽吸作用下加热进入自身的小孔的外界新鲜空气。 313太阳墙材料结构太阳墙的主要材料是一种深色的褶皱的多孔的镀锌钢薄板或铝制薄板，它被竖直的平行的安装在距建筑外墙15cm20cm处，褶皱的目的是为了增加板材的强度，其形状可以不同，空洞的形状和数目应根据建筑的使用功能、太阳能资源进行计算和实验确定。典型的有0.8mm厚的铝板，上有直径1.6mm圆孔的板材。 314太阳墙性能 经加拿大美国相关部门的跟踪测试，太阳墙的运行效率在75%1以上，依据不同的流量，空气温升为1640,它除了吸收直射辐射外，还吸收漫射辐射。 太阳墙选用0.8mm厚的铝板，上有直径1.6mm圆孔的板材，取太阳墙的运行效率为75% 。 315太阳墙的集热量、送风量及结构尺寸 1、 根据单位面积热指标法估算住宅楼的热负荷 Q=qF103 Q - 建筑物的供暖设计热负荷，KW； q - 建筑物供暖面积热指标，W/m2 F - 建筑物的建筑面积，m2 本设计取建筑物供暖面积热指标q为 60 W/m2，三层的住宅楼的建筑面积F为471m2。由此可得建筑的供暖设计热负荷Q 为 28.26KW； 2、太阳墙的集热面积、集热量 表3-2冬季太阳总辐射照度（W/m2）一月 北纬36.03大气透明度五级 时刻810121416太阳总辐射照度115432557432115假设建筑物南立面全部布置太阳墙系统，太阳墙的集热面积 F = 117.6 m2 ，考虑到太阳墙的集热效率为75% 由公式W = F I103 W - 太阳墙集热量，KW; I - 冬季太阳辐射照度W/m2 - 太阳墙的集热效率 ； 因此可得在不同时刻的集热量如下表： 时刻810121416太阳墙集热量10.1438.149.1338.110.14可知太阳墙平均集热量为29.12kw28.26kw，即该墙体的集热量满足别墅的热负荷要求。3 、冬季太阳墙送风量 西宁冬、夏空调室内外设计参数 表3-4 舒适型空气调节室内计算参数 参数冬季夏季温度1826风速0.20.3相对湿度5050表3-5室外计算参数地名年平均温度冬季空调室外相对湿度室外计算干球温度（）夏季空气调节室外计算湿球温度（）冬季夏季采暖空气调节最低日平均通风通风空气调节空气调节日平均计算日较差兰州11.437-7.5-9.8-7-83033.629.18.826.3送风量可利用余热量中的显热部分和送风温差来计算。即 G= QX 1.01(to-tn)G - 送风量 kg/s; QX - 显热量 kw; 近似取为热负荷值 tn- 室内温度 室内设计温度 18； t0- 送风温度 送风温度取为 28；由此可得：G = 2.7 kg/s 经换算 G = 2.3m3/s； 选择轴流式风机 ，三个送风管 8001800 流速4.67 m/s 太阳墙内温升：由冬季空调室外设计温度（-9.8）、送风温度之差可确定太阳墙内的温升为 37.8 。 4、冬季太阳墙结构尺寸计算 已知太阳墙在不同时刻的集热量，由 W=1.01 t可得太阳墙内的质量流量 W - 太阳墙集热量，KW; - 太阳墙内的质量流量kg/s; t - 太阳墙内的温升; 表3-6 冬季太阳墙在不同时刻时太阳墙内的流量时刻810121416太阳墙内的流量0.27 kg/s （0.21 m3/s）0.99 kg/s （0.77 m3/s）1.29 kg/s （1 m3/s）0.99 kg/s （0.77 m3/s）1.9 kg/s （0.21 m3/s）根据上表的数据，由连续性方程可得太阳墙在各个流量下不同截面尺寸(长宽)（m2）下的流速（m/s） 表3-7 冬季太阳墙在不同时刻不同流量不同截面尺寸时，太阳墙内的流速（m/s）时刻810121416太阳墙内的流量0.27 kg/s （0.21 m3/s）0.99 kg/s （0.77 m3/s）1.29 kg/s （1 m3/s）0.99 kg/s （0.77 m3/s）1.9 kg/s （0.21 m3/s）截面尺寸(400.10)（m2）0.0520.1920.2500.1920.052截面尺寸(400.15)（m2）0.0350.1280.1670.1280.035截面尺寸(400.20)（m2）0.0330.0960.1250.0960.033下表12层是太阳墙，3 - 8层是围护结构层，在太阳墙与维护结构层之间是空气层2 材料名称厚度 （mm） 导热系数W/m 密度kg/m3比热KJ/kgK1铝 0.820327000.922空气2000.0261.1351.013花岗岩石板材253.4928000.924水泥沙浆200.9318001.055聚苯乙烯泡沫塑料600.042301.386纯石膏板100.3310501.057纯石膏板2001.7425000.928水泥砂浆200.9318001.05 32附加阳光间 321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，建房前一定要在当地规划部门允许的情况下，合理地选择建设地点、朝向和房间距。1.被动式太阳房的建设地点被动式太阳房的建设地点最好选在背风向阳的地方；周围没有高大建筑物或树木遮挡：附近没有粉尘污染严重的工厂，如水泥厂等。建造太阳房的地区，应该是太阳能资源丰富或可利用的地区，在同一个地区还应该注意建造太阳房的小区环境，要注意闯围环境对太阳房的不利影响。同时，注意太阳房的室外绿化，构成所谓“生物气候”，这也是一种太阳的利用。本设计在别墅二楼阳台增设阳光间，采光面积良好，面积充足。2.被动式太阳房的朝向被动式太阳房应朝向正南方，在偏东、偏西15”范围内效果也较好。因为从太阳房设计的需要来看，在北半球正南朝向的房屋是有利于太阳能采暖的主要条件之一，是能否有效地利用太阳能的关键问题，它直接影响太阳房性能的好坏。设计合理的太阳房，在采暖季节里它的南向房间可以受到最多的直射阳光，而在夏季时照入室内的直射阳光又最少。不同纬度的房间南立面接收的太阳辐射能不同。不同方位接收太阳辐射能是不同的，比如在同样月份，建筑物由于偏南角度不同，接收太阳辐射能的情况也是不同的。偏南角度00100150200300400500600700800900辐射情况10098979388797059494134虽然被动式太阳房建设的朝向是在南偏东、偏西15范围内效果最好，但也要符合建筑物总体规划的要求。根据多年的观测，白天要求升温快的房间或只是白天使用的房间，如教室、办公室等。向偏东为好，最好的朝向是南偏东510”之间；晚上要求温度高的房间，如住宅的卧室。朝向偏西为好，最好的朝向是南偏西510之间。3.被动式太阳房与前栋房屋之间的间距由于被动式太阳房要求在冬至日从上午9时至下午3时有6个小时的光照条件。由下式可以计算出两栋房屋之间的日照间距： Do=Hcos /tan h= H式中：Do两栋房屋之间的日照间距，当前栋建筑物有挑檐时，计算后的 Do应加挑檐长度：H前栋建筑物的遮挡高度；冬至日9时太阳光线方向与房屋南墙面法线之间的夹角；h.冬至日9时太阳高度角，是太阳光线与水平面之间的夹角：冬至日9时日照间距系数，部分城市经纬度及冬至日上午9时正南朝向房屋日照间距系数可查表本设计为别墅不考虑遮挡情况，朝向是在南偏东154.太阳房的外部形状与内部房间的布置太阳房的外部形状对集热、保温、隔热都有影响，因为南墙是被动式太阳房的主要集热部件，南墙面积越大，所获得的太阳能越多，因此，被动式太阳房的最佳平面形式是沿东西方向伸展的矩形平面形式。虽然矩形平面形式对集取太阳能有利，但是矩形平面形式的阴面面积也同样增大，散热面积增多，散热量加大，因此，为了充分利用室内收集的有限的太阳能资源，对太阳房的维护结构要进行保温处理。另外，考虑到太阳能房屋立面造型的美观、灵活，平面形式可进行适当凸凹变化，但变化不宜太大、太多，否则影响采光窗采光。根据建筑抗震要求，太阳房的平面形状也不宜变化太大，否则影响建筑物的抗震能力。太阳房的内部房间布置应根据房间的用途来确定，应将主要房间如住宅的卧室、起居室和学校的教室、办公室等放在阳面，将辅助房间如住宅的厨房、厕所、杂物间和学校的走廊、楼梯等放在阴面。5.太阳房的高度要求在太阳房面积确定的情况下，房屋越高，散热面积越大，耗热量越多。因此，在确保太阳房使用功能的情况下，应尽量减小房屋高度，这样对太阳能供暖是有利的。以住宅为例，一般太阳能供暖住宅层高不宜超过2.8m，层数不宜超过5层，6层以上因风速增加，抵消了热量，不宜采用太阳能采暖技术。 本设计太阳房高度位2.8米，形状为矩形。 322太阳房墙体的设计墙体是建筑物的最主要部分。墙体除了具有承重功能外，还具有维护和分隔房间的作用太阳房的墙体除了具有一般墙体的功能外，还具有集热、蓄热和保温的作用。墙体是太阳房的重要集热部件，同时也是较大的散热部件，其热损失占整个房屋热损失的30%左右。一般民用住宅在确定外墙的保温设计时，是以内墙皮不结露为原则，因而外维护结构的热阻值普遍偏低。我国北方地区通用的一砖半墙(370mm)及二砖墙(490mm)，其热阻值仅分别为0.861.1