太陽房是利用太陽能采暖和降溫的房子。是一種既可取暖發(fā)電，又可去濕降溫、通風(fēng)換氣的節(jié)能環(huán)保住宅。最簡便的一種太陽房叫被動式太陽房，建造容易，不需要安裝特殊的動力設(shè)備。比較復(fù)雜一點，使用方便舒適的另一種太陽房叫主動式太陽房。更為講究高級的一種太陽房，則為空調(diào)致冷式太陽房。
基本概述
“太陽房”一詞起源于美國。人們看到用玻璃建造的房子內(nèi)陽光充足，溫暖如春，便形象地稱為太陽房。太陽房是直接利用太陽輻射能的重要方面，把房屋看作一個集熱器，通過建筑設(shè)計把高效隔熱材料、透光材料、儲能材料等有機地集成在一起，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽能，達(dá)到房屋采暖目的。太陽房概念與建筑結(jié)合形成了“太陽能建筑”技術(shù)領(lǐng)域，成為太陽能界和建筑界共同關(guān)心的熱點。
太陽房可以節(jié)約75%—90%的能耗，并具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，成為各國太陽能利用技術(shù)的重要方面。在太陽房技術(shù)和應(yīng)用方面歐洲處于領(lǐng)先地位，特別是在玻璃涂層、窗技術(shù)、透明隔熱材料等方面居世界領(lǐng)先地位。日本已利用這種技術(shù)建成了上萬套太陽房，節(jié)能幼兒園、節(jié)能辦公室、節(jié)能醫(yī)院也在大力推廣，中國也正在推廣綜合利用太陽能，使建筑物完全不依賴常規(guī)能源的節(jié)能環(huán)保性住宅。在不久的將來，太陽房將造福越來越多的人。
產(chǎn)生背景
建筑節(jié)能是未來世界建筑發(fā)展的一個基本趨向。
日本太陽房建筑節(jié)能是未來世界建筑發(fā)展的一個基本趨向，也是當(dāng)代建筑科學(xué)技術(shù)的一個新的生長點，太陽能是建筑上很具有利用潛力的新能源，于是太陽房這種節(jié)能環(huán)保住宅應(yīng)運而生。太陽能是一種平等給予和可自由利用的潔凈能源，如何開發(fā)利用太陽能造福于人類是世界性一大課題。至于太陽能利用中的經(jīng)濟性問題，還必須考慮下列兩種因素：
第一，世界上越來越多的國家認(rèn)識到一個能夠持續(xù)發(fā)展的社會應(yīng)該是一個既能滿足社會需要，而又不危及后代人前途的社會。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。而太陽房的開發(fā)能夠有效的緩解能源壓力。
第二，中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭約占商品能源消費結(jié)構(gòu)的76%，已成為中國大氣污染的主要來源。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠(yuǎn)看，太陽能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。
自古以來，人類的祖先在修建房屋時，就知道利用太陽的光和熱，中國傳統(tǒng)的民房大多數(shù)都是最原始、最簡單的太陽房。但這僅僅是感性的、自發(fā)的，處于比較低級的階段。現(xiàn)代技術(shù)上的太陽房屋通常要在建筑物上裝設(shè)一套集熱、蓄熱的裝置，有意識地利用太陽能。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村能源的緊缺矛盾十分突出，因此，加快廣大農(nóng)村中推廣既節(jié)約能源，又經(jīng)濟舒適的太陽房已勢在必行。
原理分析
太陽房采暖主要利用南坡屋面的鐵板吸收太陽能，加熱從屋外引進的冷空氣，當(dāng)通過屋項最高處的玻璃板時，空氣溫度被大幅度抬升，將通氣層內(nèi)的熱空氣吸過來聚集到熱氣通道里，然后通過控制箱送到地板下面貯存起來，并從靠墻的地板風(fēng)口流出來，太陽下山后，風(fēng)扇會自動停止轉(zhuǎn)動，控制箱內(nèi)的風(fēng)門會自動關(guān)閉，避免室外的冷空氣流入室內(nèi)，貯存在地板下的熱量也慢慢釋放出來，使室溫下降速度減慢，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽能，從而達(dá)到取暖的效果。
從理論上講，溫度高的物體都會向溫度低的物體或空間輻射熱。夏天的夜晚，室外的氣溫一般在25-30℃，而晴朗的高空溫度則只有-60─-40℃，屋頂?shù)蔫F板不斷向高空輻射熱量，一般情況下，比外界氣溫低2─4℃，這時采取與冬季取暖相同的方式引進室外空氣屋頂通氣層內(nèi)的空氣被鐵板降溫，流入屋內(nèi)。除了利用冷輻射原理降溫外，這種太陽房還在地下1.5米深處鋪設(shè)塑料管道，將地下的涼氣以每秒一立方米的流量送入室內(nèi)，從而達(dá)到取涼的目的。太陽房的屋面由吸熱鐵板、太陽能電池板、集熱空氣層、集熱氣通道和隔熱層組成，無須任何大型機器，完全靠巧妙的建筑構(gòu)造來利用太陽能。
利用這種技術(shù)建成的太陽房雖然比普通住宅多投資十分之一，但節(jié)能效率高達(dá)33%，而且利用屋頂裝有的太陽能電池板完全可以滿足一個普通家庭的用電，還可以將剩余電能并入電網(wǎng)，最大限度節(jié)約了能源。
基本分類
按照國際上慣用的名稱，太陽房分為主動式太陽房和被動式太陽房兩大類。主動式太陽房的一次性投資大、設(shè)備利用率低，維修管理工作量大，而且仍然要耗費一定量的常規(guī)能源。因此，對于居住建筑和中小型公用建筑來說，主要采用的是被動式太陽房。被動式太陽房是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，在冬季集取、保持、貯存、分布太陽熱能，從而解決建筑物的采暖問題。
主動式太陽房
主動式太陽房一般由集熱器、傳熱流體、蓄熱器、控制系統(tǒng)及適當(dāng)?shù)妮o助能源系統(tǒng)構(gòu)成。它需要熱交換器、水泵和風(fēng)機等設(shè)備，電源也是不可缺少的。因此這種太陽房的造價較高。但是室溫能主動控制，使用也很適宜。在一些經(jīng)濟發(fā)達(dá)的國家，已建造不少各種類型的主動式太陽房。例如，日本于1956年建造的柳葉太陽房，已運行快30年，該建筑作為私人住宅，建筑面積223平方米，集熱器為鋁制管板型，采暖或降溫用的集熱器面積98平方米，熱水用的集熱器33平方米，裝有兩個貯箱的熱泵系統(tǒng)。供熱時，集熱器收集太陽熱5℃～25℃，通過循環(huán)液傳送到低溫容器，經(jīng)熱泵升溫可達(dá)到42℃，并用管道輸送到高溫貯箱，降溫時，熱泵用高溫貯箱中的水作降溫介質(zhì)，而把冷卻了的水貯存于低溫貯箱。熱泵功率2．2千瓦。蓄熱器容量高溫為10立方米，低溫為4立方米。日本興建較多的一種太陽房為八崎式，從1974年以來，八崎試驗太陽房竣工，采用具有選擇性表面的平板集熱器，并配有水-溴化鋰吸收式致冷器，建筑面積143平方米，采用不銹鋼管板式集熱器，集熱面積104平方米，蓄熱器容量6000升，輔助熱源為液化石油氣。中國北京大興區(qū)建造的一座主動式太陽房是與德國合作的成果，建筑面積314平方米，采用平板式集熱器，并以天窗直接受益和特朗勃墻相結(jié)合，實為主動—被動混合型太陽房，輔助能源采用特制小型燃煤爐。
被動式太陽房
被動式太陽房是一種經(jīng)濟、有效地利用太陽能采暖的建筑，是太陽能熱利用的一個重要領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。它的推廣有利于節(jié)約常規(guī)能源、保護自然環(huán)境、減少污染，使人與自然環(huán)境得到和諧的發(fā)展。被動式太陽房主要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，把房屋建造得盡量利用太陽的直接輻射能，它不需要安裝復(fù)雜的太陽能集熱器。更不用循環(huán)動力設(shè)備，完全依靠建筑結(jié)構(gòu)造成的吸熱、隔熱、保溫、通風(fēng)等特性，來達(dá)到冬暖夏涼的目的。因此，相對而言，被動靠天，亦即人為的主動調(diào)節(jié)性差。在冬季遇上連續(xù)壞天氣時，可能要采用一些輔助能源補助。正常情況下，早、中、晚室內(nèi)氣溫差別也很大。但是，對于要求不高的用戶，特別是原無采暖條件的農(nóng)村地區(qū)，由于它簡易可行，造價不高，人們?nèi)匀粴g迎。在一些經(jīng)濟發(fā)達(dá)的國家，如美國、日本和法國，建造被動式太陽房的也不少。中國從七十年代末開始這種太陽房的研究示范，已有較大規(guī)模的推廣，北京、天津市、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、甘肅省、青海省和西藏自治區(qū)等地，均先后建起了一批被動式太陽房，各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計日益完善，并開展了國際交流與合作，受到聯(lián)合國太陽能專家的好評。
被動式太陽房的類型種類很多，如果從利用太陽能的方式來劃分，大致有如下幾種類型：（1）直接受益式，這是讓太陽光通過透光材料直接進入室內(nèi)的采暖形式，是太陽能采暖中和普通房差別最小的一種。冬天陽光通過較大面積的南向玻璃窗，直接照射到室內(nèi)的地面、墻壁和家具上面，使其吸收大部分熱量，因而溫度升高，少部分陽光被反射到室內(nèi)的其他面（包括窗），再次進行陽光的吸收、反射作用（或通過窗戶透出室外）。被圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面吸收的太陽能，一部分以輻射和對流的方式在室內(nèi)空間傳遞，一部分導(dǎo)入蓄熱體內(nèi)，然后逐漸釋放出熱量，使房間在晚上和陰天也能保持一定的溫度。（2）集熱墻式，這種太陽房主要是利用南向垂直集熱墻，吸收穿過玻璃采光面的陽光，然后通過傳導(dǎo)、輻射及對流，把熱量送到室內(nèi)。墻的外表面一般被涂成黑色或某種暗色，以便有效地吸收陽光。（3）附加陽光間式，這種太陽房是直接受益式和集熱墻式的混合產(chǎn)物。其基本結(jié)構(gòu)是將陽光間附建在房子南側(cè)，中間用一堵墻（帶門、窗或通風(fēng)孔）把房子與陽光間隔開。實際上在一天的所有時間里，附加陽光間內(nèi)的溫度都比室外溫度高，因此，陽光間既可以供給房間以太陽熱能，又可以作為一個緩沖區(qū)，減少房間的熱損失，使建筑物與陽光間相鄰的部分獲得一個溫和的環(huán)境。由于陽光間直接得到太陽的照射和加熱，所以它本身就起著直接受益系統(tǒng)的作用。白天當(dāng)陽光間內(nèi)空氣溫度大于相鄰的房間溫度時，開門（或窗或墻上的通風(fēng)孔）將陽光間的熱量通過對流傳入相鄰的房間，其余時間關(guān)閉。把由兩個或兩個以上被動式基本類型組合而成的系統(tǒng)稱為組合式系統(tǒng)。不同的采暖方式結(jié)合使用，就可以形成互為補充的、更為有效的被動式太陽能采暖系統(tǒng)。直接受益窗和集熱墻兩種形式結(jié)合而成的組合式太陽房，可同時具有白天自然照明和全天太陽能供熱比較均勻的優(yōu)點。
熱泵式太陽能采暖系統(tǒng)
熱泵式太陽能采暖系統(tǒng)則充分利用了太陽能和熱泵機組供熱的優(yōu)點，可實現(xiàn)穩(wěn)定的熱水供應(yīng)并節(jié)約能源。
能源特點
優(yōu)點
太陽能作為一種能源，與煤炭、石油、天然氣、核能等礦物燃料相比，具有以下明顯的優(yōu)點：(1)普遍：太陽光普照大地，無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運輸。(2)無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點是極其寶貴的。(3)巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億t標(biāo)煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。(4)長久：根據(jù)太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。
缺點
但作為能源利用時，也有以下缺點：(1)分散性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1m?2面積上接收到的太陽能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，則只有200W左右。而在冬季大致只有一半，陰天一般只有1/5左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價較高。(2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和平均海拔等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來以供夜間或陰雨天使用，但蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。(3)效率低和成本高：太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經(jīng)濟性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當(dāng)一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟性的制約。
設(shè)計要領(lǐng)
（1）太陽房的設(shè)計要因地制宜，遵循適用、堅固、經(jīng)濟，并應(yīng)注意建筑造型美觀大方的原則。太陽房的平面布置應(yīng)符合節(jié)能和充分利用太陽能的要求，建筑造型與周圍建筑群體相協(xié)調(diào)，同時必須兼顧建筑形式、使用功能和太陽能采暖方式三者之間的相互關(guān)系。
（2）在選擇太陽房的建造位置時，要避免周圍地形、地物（包括附近建筑物）對建筑南向及其東、西15℃朝向范圍內(nèi)在冬季的遮陽。建筑間距要求在當(dāng)?shù)囟寥罩形?2點時，太陽房南面遮擋物的陰影不得投射到太陽房的窗戶上。另外，還應(yīng)避開附近污染源對集熱部件透光面的污染，避免將太陽房設(shè)在附近污染源的下風(fēng)向。
（3）太陽房平面布置及其集熱面應(yīng)朝正南。因周圍地形的限制和使用習(xí)慣，允許偏離正南向±15℃以內(nèi)，校舍、辦公用戶等以白天使用為主的建筑一般只允許南偏東15°以內(nèi)。為兼顧冬季采暖和防止夏季過熱，集熱面的傾角以90°為佳。
（4）避免建筑物本身突出物（挑檐、突出外墻外表面的立柱等）在最冷的1月份對集熱面的遮擋。對設(shè)在夏熱地區(qū)的太陽房還要兼顧夏季的遮陽要求，盡量減少夏季太陽光射入房內(nèi)，有關(guān)遮陽的詳細(xì)計算可見參考文獻(xiàn)。
（5）在建筑平面的內(nèi)部組合上，要根據(jù)不同房間對溫度的不同要求合理布局，對主要居室或辦公室應(yīng)盡量朝南布置，并盡量避開邊跨；對沒有嚴(yán)格溫度要求的房間、過道，如貯藏室、樓梯間等可以布置在北面或邊跨；對寒冷地區(qū)有上下水道的房間；如廁所、浴室等要驗算水管在冬季的防凍問題。南北房間之間的隔墻，應(yīng)區(qū)別情況核算保溫性能。對建筑的主要入口，從科季防風(fēng)考慮，一般應(yīng)設(shè)置門斗。在有條件時，對主要居室應(yīng)盡可能地設(shè)置通過輔助房間的次要入口，以便冬季使用。
（6）在集熱方式和集熱部件的選擇上要考慮房間使用特點。對主要使用時間在晚上的房間，要優(yōu)先選用蓄熱性能較好的集熱系統(tǒng)，以使晚間有較高的室溫；對主要使用時間在白天的房間，要優(yōu)先選用能使房間在白天有較高室溫，上午升溫較快，并使室溫波動不超過什么范圍的集熱系統(tǒng)。另外，要注意設(shè)計或選用便于清掃集熱面以及維護管理方便的集熱部件。
（7）室溫要求。對綜合氣象因素SDM>20地區(qū)的太陽房，標(biāo)準(zhǔn)要求在冬季采暖期間，主要居室在無輔助熱源的條件下，室內(nèi)平均溫度達(dá)到12℃；室溫日波動范圍不得大于10℃。夏季室內(nèi)溫度不得高于當(dāng)?shù)仄胀ǚ课荨?/p>
（8）保證太陽房內(nèi)有必要的新鮮空氣量。對室內(nèi)人員密集的學(xué)校、辦公室等類型的太陽房，或建設(shè)在高海拔地區(qū)的太陽房要核算必要的換氣數(shù)量。
應(yīng)用領(lǐng)域
太陽房應(yīng)用領(lǐng)域主要：一是民用太陽房；二是學(xué)校太陽房；三是辦公樓。同時還用于蔬菜和花卉種植的太陽能溫室在中國北方地區(qū)較多采用。全國太陽能溫室面積總計約700萬畝，發(fā)揮著較好的經(jīng)濟效益。
發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)過將三十年的不斷發(fā)展，太陽房技術(shù)和材料設(shè)備，已經(jīng)日益完善。這些新的太陽房技術(shù)和設(shè)備，可以很好地與建筑相結(jié)合，或者干脆成為建筑的一部分。太陽能干凈無污染，且取之不盡、用之不竭，但也有缺點，就是不連續(xù)、不穩(wěn)定，因此，太陽房還得需要配以一定的常規(guī)輔助能源，才能達(dá)到適宜居住的條件，這也就是所謂的“主動式太陽房”。太陽房在設(shè)計時，除了需要考慮太陽能的保證率而外，還需要考慮必要的換氣，以及南北屋的溫度調(diào)節(jié)和控制。
中國太陽房開發(fā)利用自80年代初開始，截至1997年底，全國已經(jīng)建起740萬平方米的太陽房，主要分布在山東省、河北省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、青海省和西藏自治區(qū)的農(nóng)村地區(qū)。其中，遼寧省的400所中小學(xué)校建造了被動式太陽房，總面積達(dá)50萬平方米。中國被動式太陽房平均每平方米建筑面積每年可節(jié)約20—40公斤標(biāo)準(zhǔn)煤。
存在問題
中國太陽房的發(fā)展存在以下問題：對太陽房的設(shè)計和建造沒有和建筑真正結(jié)合起來變成建筑師的設(shè)計思想和概念，沒有納入建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上影響快速發(fā)展和實現(xiàn)商業(yè)化。太陽房的用途還僅僅局限在采暖保溫方面，而利用太陽房去濕降溫在國內(nèi)尚屬首次。這里所說的降溫同傳統(tǒng)意義上空調(diào)器的制冷降溫有很大區(qū)別，它通過空氣在室內(nèi)的自然循環(huán)達(dá)到房屋溫度濕度的均勻，相對于室外氣溫有所下降，從而獲得一個涼爽宜人的生活空間，好比在炎熱的夏天里人們在樹蔭下乘涼的感覺。其次是相關(guān)的透光隔熱材料、帶涂層的控光玻璃、節(jié)能窗等沒有商業(yè)化，使太陽房的水平受到限制。
參考資料 >