太陽房

“太陽房”一詞起源於美國。人們看到用玻璃建造的房子內陽光充足，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，通過建築設計把高效隔熱材料、透光材料、儲能材料等有機地集成在一起，使房屋儘可能多地吸收並保存太陽能，達到房屋採暖目的。太陽房概念與建築結合形成了“太陽能建築”技術領域，成為太陽能界和建築界共同關心的熱點。

太陽房可以節約75%—90%的能耗，並具有良好的環境效益和經濟效益，成為各國太陽能利用技術的重要方面。在太陽房技術和應用方面歐洲處於領先地位，特別是在玻璃塗層、窗技術、透明隔熱材料等方面居世界領先地位。日本已利用這種技術建成了上萬套太陽房，節能幼兒園、節能辦公室、節能醫院也在大力推廣，中國也正在推廣綜合利用太陽能，使建築物完全不依賴常規能源的節能環保性住宅。在不久的將來，太陽房將造福越來越多的人。

建築節能是未來世界建築發展的一個基本趨向。

日本太陽房建築節能是未來世界建築發展的一個基本趨向，也是當代建築科學技術的一個新的生長點，太陽能是建築上很具有利用潛力的新能源，於是太陽房這種節能環保住宅應運而生。太陽能是一種平等給予和可自由利用的潔凈能源，如何開發利用太陽能造福於人類是世界性一大課題。至於太陽能利用中的經濟性問題，還必須考慮下列兩種因素：

第一，世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應該是一個既能滿足社會需要，而又不危及後代人前途的社會。因此，儘可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設應該遵循的原則。隨著能源形式的變化，常規能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環境污染也必須增大投資。而太陽房的開發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國和消費國，煤炭約佔商品能源消費結構的76%，已成為中國大氣污染的主要來源。大力開發新能源和可再生能源的利用技術將成為減少環境污染的重要措施。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看，太陽能利用技術和裝置的大量應用，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，中國傳統的民房大多數都是最原始、最簡單的太陽房。但這僅僅是感性的、自發的，處於比較低級的階段。現代技術上的太陽房屋通常要在建築物上裝設一套集熱、蓄熱的裝置，有意識地利用太陽能。隨著農村經濟的發展，農村能源的緊缺矛盾十分突出，因此，加快廣大農村中推廣既節約能源，又經濟舒適的太陽房已勢在必行。

太陽房採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，將通氣層內的熱空氣吸過來聚集到熱氣通道里，然後通過控制箱送到地板下面貯存起來，並從靠牆的地板風口流出來，太陽下山後，風扇會自動停止轉動，控制箱內的風門會自動關閉，避免室外的冷空氣流入室內，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，使房屋儘可能多地吸收並保存太陽能，從而達到取暖的效果。

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℃，屋頂的鐵板不斷向高空輻射熱量，一般情況下，比外界氣溫低2─4℃，這時採取與冬季取暖相同的方式引進室外空氣屋頂通氣層內的空氣被鐵板降溫，流入屋內。除了利用冷輻射原理降溫外，這種太陽房還在地下1.5米深處鋪設塑料管道，將地下的涼氣以每秒一立方米的流量送入室內，從而達到取涼的目的。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，完全靠巧妙的建築構造來利用太陽能。

利用這種技術建成的太陽房雖然比普通住宅多投資十分之一，但節能效率高達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，還可以將剩餘電能併入電網，最大限度節約了能源。

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能源。因此，對於居住建築和中小型公用建築來說，主要採用的是被動式太陽房。被動式太陽房是通過建築朝向和周圍環境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建築材料和結構、構造的恰當選擇，在冬季集取、保持、貯存、分佈太陽熱能，從而解決建築物的採暖問題。

主動式太陽房一般由集熱器、傳熱流體、蓄熱器、控制系統及適當的輔助能源系統構成。它需要熱交換器、水泵和風機等設備，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。在一些經濟發達的國家，已建造不少各種類型的主動式太陽房。例如，日本於1956年建造的柳葉太陽房，已運行快30年，該建築作為私人住宅，建築面積223平方米，集熱器為鋁製管板型，採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。供熱時，集熱器收集太陽熱5℃～25℃，通過循環液傳送到低溫容器，經熱泵升溫可達到42℃，並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，而把冷卻了的水貯存於低溫貯箱。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，採用具有選擇性表面的平板集熱器，並配有水-溴化鋰吸收式致冷器，建築面積143平方米，採用不鏽鋼管板式集熱器，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。中國北京大興縣建造的一座主動式太陽房是與聯邦德國合作的成果，建築面積314平方米，採用平板式集熱器，並以天窗直接受益和特朗勃牆相結合，實為主動—被動混合型太陽房，輔助能源採用特製小型燃煤爐。

被動式太陽房是一種經濟、有效地利用太陽能採暖的建築，是太陽能熱利用的一個重要領域，具有重要的經濟效益和社會效益。它的推廣有利於節約常規能源、保護自然環境、減少污染，使人與自然環境得到和諧的發展。被動式太陽房主要根據當地氣候條件，把房屋建造得盡量利用太陽的直接輻射能，它不需要安裝複雜的太陽能集熱器。更不用循環動力設備，完全依靠建築結構造成的吸熱、隔熱、保溫、通風等特性，來達到冬暖夏涼的目的。因此，相對而言，被動靠天，亦即人為的主動調節性差。在冬季遇上連續壞天氣時，可能要採用一些輔助能源補助。正常情況下，早、中、晚室內氣溫差別也很大。但是，對於要求不高的用戶，特別是原無採暖條件的農村地區，由於它簡易可行，造價不高，人們仍然歡迎。在一些經濟發達的國家，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範，已有較大規模的推廣，北京、天津、河北、內蒙古、遼寧、甘肅、青海和西藏等地，均先後建起了一批被動式太陽房，各種標準設計日益完善，並開展了國際交流與合作，受到聯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的採暖形式，是太陽能採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，直接照射到室內的地面、牆壁和傢具上面，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）。被圍護結構內表面吸收的太陽能，一部分以輻射和對流的方式在室內空間傳遞，一部分導入蓄熱體內，然後逐漸釋放出熱量，使房間在晚上和陰天也能保持一定的溫度。（2）集熱牆式，這種太陽房主要是利用南向垂直集熱牆，吸收穿過玻璃採光面的陽光，然後通過傳導、輻射及對流，把熱量送到室內。牆的外表面一般被塗成黑色或某種暗色，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牆式的混合產物。其基本結構是將陽光間附建在房子南側，中間用一堵牆（帶門、窗或通風孔）把房子與陽光間隔開。實際上在一天的所有時間裡，附加陽光間內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，又可以作為一個緩衝區，減少房間的熱損失，使建築物與陽光間相鄰的部分獲得一個溫和的環境。由於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的作用。白天當陽光間內空氣溫度大於相鄰的房間溫度時，開門（或窗或牆上的通風孔）將陽光間的熱量通過對流傳入相鄰的房間，其餘時間關閉。把由兩個或兩個以上被動式基本類型組合而成的系統稱為組合式系統。不同的採暖方式結合使用，就可以形成互為補充的、更為有效的被動式太陽能採暖系統。直接受益窗和集熱牆兩種形式結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點。

熱泵式太陽能採暖系統則充分利用了太陽能和熱泵機組供熱的優點，可實現穩定的熱水供應並節約能源。

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，可直接開發和利用，且勿須開採和運輸。(2)無害：開發利用太陽能不會污染環境，它是最清潔的能源之一，在環境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。(3)巨大：每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當於130萬億t標煤，其總量屬現今世界上可以開發的最大能源。(4)長久：根據太陽產生的核能速率估算，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。

但作為能源利用時，也有以下缺點：(1)分散性：到達地球表面的太陽輻射的總量儘管很大，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，在垂直於太陽光方向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，想要得到一定的轉換功率，往往需要面積相當大的一套收集和轉換設備，造價較高。(2)不穩定性：由於受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、雲、雨等隨機因素的影響，所以，到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩定的，這給太陽能的大規模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續、穩定的能源，從而最終成為能夠與常規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節之一。(3)效率低和成本高：太陽能利用的發展水平，有些方面在理論上是可行的，技術上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經濟性還不能與常規能源相競爭。在今後相當一段時期內，太陽能利用的進一步發展，主要受到經濟性的制約。

（1）太陽房的設計要因地制宜，遵循適用、堅固、經濟，並應注意建築造型美觀大方的原則。太陽房的平面布置應符合節能和充分利用太陽能的要求，建築造型與周圍建築群體相協調，同時必須兼顧建築形式、使用功能和太陽能採暖方式三者之間的相互關係。

（2）在選擇太陽房的建造位置時，要避免周圍地形、地物（包括附近建築物）對建築南向及其東、西15℃朝向範圍內在冬季的遮陽。建築間距要求在當地冬至日中午12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，避免將太陽房設在附近污染源的下風向。

（3）太陽房平面布置及其集熱面應朝正南。因周圍地形的限制和使用習慣，允許偏離正南向±15℃以內，校舍、辦公用戶等以白天使用為主的建築一般只允許南偏東15°以內。為兼顧冬季採暖和防止夏季過熱，集熱面的傾角以90°為佳。

（4）避免建築物本身突出物（挑檐、突出外牆外表面的立柱等）在最冷的1月份對集熱面的遮擋。對設在夏熱地區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，有關遮陽的詳細計算可見參考文獻。

（5）在建築平面的內部組合上，要根據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盡量朝南布置，並盡量避開邊跨；對沒有嚴格溫度要求的房間、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。南北房間之間的隔牆，應區別情況核算保溫性能。對建築的主要入口，從科季防風考慮，一般應設置門斗。在有條件時，對主要居室應儘可能地設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，要優先選用蓄熱性能較好的集熱系統，以使晚間有較高的室溫；對主要使用時間在白天的房間，要優先選用能使房間在白天有較高室溫，上午升溫較快，並使室溫波動不超過什麼範圍的集熱系統。另外，要注意設計或選用便於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地區的太陽房，標準要求在冬季採暖期間，主要居室在無輔助熱源的條件下，室內平均溫度達到12℃；室溫日波動範圍不得大於10℃。夏季室內溫度不得高於當地普通房屋。

（8）保證太陽房內有必要的新鮮空氣量。對室內人員密集的學校、辦公室等類型的太陽房，或建設在高海拔地區的太陽房要核算必要的換氣數量。

太陽房應用領域主要：一是民用太陽房；二是學校太陽房；三是辦公樓。同時還用於蔬菜和花卉種植的太陽能溫室在中國北方地區較多採用。全國太陽能溫室面積總計約700萬畝，發揮著較好的經濟效益。

經過將三十年的不斷發展，太陽房技術和材料設備，已經日益完善。這些新的太陽房技術和設備，可以很好地與建築相結合，或者乾脆成為建築的一部分。太陽能幹凈無污染，且取之不盡、用之不竭，但也有缺點，就是不連續、不穩定，因此，太陽房還得需要配以一定的常規輔助能源，才能達到適宜居住的條件，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節和控制。

中國太陽房開發利用自80年代初開始，截至1997年底，全國已經建起740萬平方米的太陽房，主要分佈在山東、河北、遼寧、內蒙古、甘肅、青海和西藏的農村地區。其中，遼寧省的400所中小學校建造了被動式太陽房，總面積達50萬平方米。中國被動式太陽房平均每平方米建築面積每年可節約20—40公斤標準煤。

中國太陽房的發展存在以下問題：對太陽房的設計和建造沒有和建築真正結合起來變成建築師的設計思想和概念，沒有納入建築規範和標準，一定程度上影響快速發展和實現商業化。太陽房的用途還僅僅局限在採暖保溫方面，而利用太陽房去濕降溫在國內尚屬首次。這裡所說的降溫同傳統意義上空調器的製冷降溫有很大區別，它通過空氣在室內的自然循環達到房屋溫度濕度的均勻，相對於室外氣溫有所下降，從而獲得一個涼爽宜人的生活空間，好比在炎熱的夏天裡人們在樹蔭下乘涼的感覺。其次是相關的透光隔熱材料、帶塗層的控光玻璃、節能窗等沒有商業化，使太陽房的水平受到限制。