建筑物理
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ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 西藏地区小型办公建筑太阳能集热设计研究学院：土木与建筑工程学院姓名：李鹏飞专业：09-1 城市规划学号：2009040500642011年12月西藏地区小型办公建筑太阳能集热设计研究摘要：近年来在中国，随着城镇化进程的不断加快，很多城市或中小城镇也加快了建设的步伐。
为满足需求，兴建大量公共建筑，这样就增加了建筑能耗，从而加剧了采暖地区的供暖能耗，本文就西藏地区小型办公建筑的太阳能集热设计进行了一次探究。
关键字：小型办公建筑太阳能集热太阳能作为一种新型能源无运作成本、无环境污染，且永不枯竭的能源，在当今社会已得到越来越多的应用，在中国北方中小城镇和农村，人们生活房屋的采暖方式仍以火炕为主，这种采暖有它的优点，但也有热效低、污染环境、浪费森林资源等缺点。
这些地区冬季大多数日子天气晴朗，太阳能资源丰富，因此，太阳能采暖有着广泛的应用前景。
自20世纪80年代以来，太阳能采暖系统已经广泛应用到各类建筑中，包括建筑、学校、办公建筑、卫生建筑、教育建筑等。
近些年来，太阳能建筑、零能耗建造的呼声越来越高。
在各项太阳能技术、各种结构形式不断成熟的今天，太阳能技术在各种类型的办公建筑中不断被采用。
同时，国家相关部门不断出台有关办公建筑节能减排等方面的政策和法规，促进了办公建筑的节能设计与建设。
我国的第一栋被动式采暖太阳房1987年在甘肃省民勤县建成，经过广大科技工作者22多年的努力，通过国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目，在引进、消化、吸收世界太阳能建筑技术的基础上，我国己形成了具有中国特色的包括理论、设计、施工、试验及评价方法在内的一整套被动式太阳能采暖技术，建成了几百万平方米（建筑面积）的被动式采暖太阳房。
“十五”期间有代表性的示范工程是由世界银行贷款、全球环境基金赠款，在中国基本卫生服务项目中的卫生Ⅷ支持性项目完成的25座被动式太阳能采暖乡镇卫生院，分别位于甘肃、青海和山西省。
国内太阳能采暖技术研究始于20世纪70年代。
当时对被动式和主动式太阳能采暖技术的研究工作同时起步。
近40年来，研究工作取得丰硕成果，获得了良好的社会效益和经济效益。
受经济水平的制约，主动式太阳能供暖系统在我国一直发展得比较缓慢，太阳能供热、采暖工程应用仍处于起步阶段。
目前，已经建成了若干单体建筑太阳能供热采暖试点工程，如北京清华阳光能源开发有限公司和北京桑普公司的办公楼，北京市平谷县新农村建设项目的将军关、玻璃台等乡村的农民住宅，拉萨火车站等；但太阳能区域供热、采暖（小区热力站）工程则还没有应用的实践。
西方发达国家太阳能界对太阳能采暖系统的研究一直非常重视，起步较早。
无论是对太阳能采暖技术的研究、设计优化，还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用，以及真正形成商业运作的房地产开发，均处于世界领先地位，并形成了完整的太阳能采暖技术产业化体系。
国外的太阳能采暖技术三个发展阶段。
被动式太阳能建筑是指在建筑物上采取技术措施，而无须机械动力（有时需借助换气风扇加强热量交换），利用太阳能进行采暖，它既不需要太阳集热器，也不需要水泵或风机等机械设备，只是通过合理布置建造的方位，改善窗、墙、屋顶等建筑物构造，合理利用建筑材料的热工性能，以自然交换的方式使建筑物尽可能多地吸收和储存能量，以达到采暖的目的。
被动式太阳房构造简单、造价低廉，是太阳能热利用技术在建筑中应用的一个重要方面，被动式太阳房的一般构造主要包括温室、采暖房、蓄热层和围护结构温室在采暖房的南面，顶部向南倾斜。
温室和采暖房的隔墙上下端设有通风口，温室侧隔墙表面对太阳光的吸收率较大，隔墙内为保温材料，温室顶部和东面、西面、南面为透明玻璃构造。
温室及采暖房底部为蓄热床，充填岩石等蓄热介质。
被动式太阳能采暖技术的三大要素为：集热，蓄热和保温。
重质墙（混凝土、石块等）良好的蓄热性能，可以抑制夜间或阴雨天室温的波动。
按太阳能利用的方式进行分类，其形式主要有以下几种：1）直接受益式；2）集热蓄热墙式；3）附加阳光间式；4）组合式等。
1）直接受益式直接受益式太阳房是被动式采暖技术中最简单的一种形式，也是最接近普通房屋的形式，具有大面积玻璃窗的南向房间都可以看成是直接受益式太阳房。
在冬季，太阳光通过大玻璃窗直接照射到室内的地面、墙壁和家具上，大部分太阳辐射能被其吸收并转换成热量，从而使它们的温度升高；少部分太阳辐射能被反射到室内的其他表面，再次进行太阳辐射能的吸收、反射过程。
温度升高后的地面、墙壁和家具，一部分热量以对流和辐射的方式加热室内的空气，以达到采暖的目的；另一部分热量则储存在地板和墙体内，到夜间再逐渐释放出来，使室内继续保持一定的温度。
为了减小房间全天的室温波动，墙体应采用具有较好蓄热性能的重质材料，例如：石块、混凝土、土坯等。
另外，窗户应具有较好的密封性能，并配备保温窗帘。
2）集热蓄热墙式冬季高9 集热蓄热墙是由法国科学家特朗勃最先设计出来的，因此也称为特朗勃墙。
特朗勃墙是由朝南的重质墙体与相隔一定距离的玻璃盖板组成。
在冬季，太阳光透过玻璃盖板被表面涂成黑色的重质墙体吸收并储存起来，墙体带有上下两个风口使室内空气通过特朗勃墙被加热，形成热循环流动。
玻璃盖板和空气层抑制了墙体所吸收的辐射热向外的散失。
重质墙体将吸收的辐射热以导热的方式向室内传递。
但另一方面，冬季的集热蓄热效果越好，夏季越容易出现过热问题。
目前采取的办法是利用集热蓄热墙体进行被动式通风，即在玻璃盖板上侧设置风口。
另外利用夜间天空冷辐射使集热蓄热墙体蓄冷或在空气间层内设置遮阳卷帘，在一定程度上也能起到降温的作用。
通过对位于辽宁省大连农村地区采用集热蓄热墙的被动式太阳房进行实测，表明太阳房室内温度在夏季比对比房低5 C。
3）附加阳光间式及组合式附加阳光间实际上就是在房屋主体南面附加的一个玻璃温室。
从某种意义上说，附加阳光间被动式太阳房是直接受益式（南向的温室）和集热蓄热墙式（后面带集热蓄热墙的房间）的组合形式。
该集热蓄热墙将附加阳光间与房屋主体隔开，墙上一般开设有门、窗或通风口，太阳光通过附加阳光间的玻璃后，投射在房屋主体的集热蓄热墙上。
由于温室效应的作用，附加阳光间内的温度总是比室外温度高。
因此，附加阳光间不仅可以给房屋主体提供更多的热量，而且可以作为一个缓冲区，减少房屋主体的热损失。
冬季的白天，当附加阳光间内的温度高于相邻房屋主体的温度时，通过开门、开窗或打开通风口，将附加阳光间内的热量通过对流的方式传入相邻的房间，其余时间则关闭门、窗或通风口。
组合式是多种被动式采暖技术组合而成，不同形式互为补充，以获得更好的采暖效果。
为了有适宜的热环境，不同的气候条件对房屋建筑的设计提出不同的要求。
而寒冷地区的建筑则要防寒和保温。
由于西藏地区的气候特点，小型办公建筑一般是南北朝向，双廊或单廊建筑较大一点的办公建筑，一般为中庭式，主要朝向为南北向。
随着时代的发展，办公建筑的设计开始注重办公环境和质量，面积虽小，但是注重了采光和通风，立面造型设计上也较早期有所改观，但是节能和保温方面仍欠考虑。
2000年以后的办公建筑，在设计、使用功能、节能保温等角度都有所考虑，室内空间更加丰富，立面造型也更加美观、现代、大方。
墙体的施工与改造为了提高建筑内部的舒适度，通常要求夏季尽可能减少太阳辐射和从室外传入的热量，冬季则要尽量减少室内热量的损失。
炎热的夏季，一方面，外遮阳阻止了大部分辐射热进入室内，使室内温度在正午可以比无遮阳方式降低5℃以上，大大降低了室内制冷能耗；另一方面，它使室内形成较均匀分布的温度场，更易于满足人对舒适度的要求。
寒冷的冬季，窗在建筑节能中的作用比较特殊：白天，它将大量的太阳辐射能引入室内，减少采暖负荷；夜晚，窗的传热系数远大于墙体，因此又成为冷桥，加大了建筑的热损失。
而百叶外遮阳形式可利用百叶的可调节特性，在百叶与窗之间形成一个相对封闭的空气间层，作为温度缓冲层，在冬季成为窗的保温设施。
百叶与窗户之间的空气间层，是影响这个系统效率的关键。
测量结果表明：当百叶与窗户之间的距离为300mm 时，系统效率最高，当百叶开启45℃时的遮阳效果最好。
窗的多层玻璃构造。
多层玻璃构造在使用玻璃幕墙的公共建筑中有很多应用，经过改造可以用于夏热冬冷地区的城市住宅的窗设计中。
其基本型式是安装内外层玻璃，内外层间的空腔中设置可调节百叶遮阳，同时内外层玻璃都要设置可开启通风口。
一般而言，多层玻璃构造窗的空腔厚度为500mm，遮阳百叶距离内层玻璃300mm；内层使用小间隙双层玻璃，外层用钢化玻璃，保护内部遮阳百叶；内部的百叶也可以用卷帘、窗帘等可调节的遮阳措施代替，但是百叶的效果最好。
夏季白天，遮阳百叶闭合，阻挡太阳光辐射，同时通风口打开，利用自然通风排出空腔中的热量；夏季夜晚，百叶转动打开，以利于室内的冷辐射带走热量。
冬季白天，空腔内百叶转动打开使得太阳光辐射进入室内，改善室内的光热环境，同时通风口闭合使空腔内形成密闭空气隔离层，增加窗的保温性能；冬季夜晚，百叶闭合，以减小室内冷辐射带来的热量散失。
阳台的施工与改造开敞阳台。
测量数据表明，从南向窗进入室内的辐射能流在正午达到最大，达150W/m2，而此时的温差能流则不足前者的三分之一，散射和反射能流占了辐射能流的主要部分；从西向窗进入室内的辐射能流则在下午15 点30 分左右达到最大，500W/m2，而直射能流在下午13 点10 分之后就开始超过散射、反射和温差能流，构成了西向辐射能量的主要部分。
因此，阳台及其相邻房间室内热环境状况与房间朝向密切相关，直射光和漫射光分别在不同朝向中扮演了影响室内得热的主角：对于带有南向阳台的房间，漫射光是室内得热的主要原因：而对于带有西向阳台的房间，直射光则是室内得热的主要原因。
同时，由东、西两个朝向的对称性可以推断：直射光对于东向阳台热环境状况也起主导作用。
开敞阳台的楼板可以看作是下层房间的水平遮阳板。
这对带有东、西向开敞阳台的房间的热舒适度有改善作用，但是对带有南向开敞阳台的房间，水平遮阳方式并不能有效减少其得热问题，同窗的遮阳一样，应该使用可变化的遮阳措施。
南向封闭阳台。
夏热冬冷地区很多住宅都安装了玻璃封闭的凸阳台，这在有意无意中都起到了提高冬季住宅室内温度的效果。
此时，玻璃封闭阳台就作为了一种集热设施，它能有效改善阳台的热舒适性，也可为与其毗邻的房间供热，是冬季人们休息、娱乐、养花、养鱼的一种较为舒适的室内环境。
值得注意的是，仅有一层高的南向封闭阳台，其所产生烟囱效应远不敌温室效应，因而在夏季会带来严重的过热问题。
大量实测结果表明，在夏季天气阳光充足时，有玻璃封闭凸阳台的房间，室内气温比室外高，而且夜晚不易散热。
因此，南向封闭阳台有必要考虑可调节的遮阳措施，其方法同前面窗的遮阳改造。
