主被动结合式太阳房的研究现状及展望

■ 于涛 赵玉清乔春珍 单明

(1.北方工业大学建筑工程学院；2.清华大学建筑科学技术系)

0 引言

随着我国工业化和城镇化的加快及人民生活水平的提高，建筑用能迅速增加。在建筑能耗结构中有2/3的能源用于建筑采暖降温和热水供应[1]。利用太阳能进行采暖降温和供应热水是建筑节能的一个重要途径。

我国太阳能资源丰富，2/3以上地区的年太阳辐照量超过5000 MJ/m2，为利用太阳能提供了极好的自然条件[2]。但是太阳能既有资源丰富、可开发利用范围广、不污染环境的优点，又有随时间和天气呈现不稳定性和不连续性的缺点。针对太阳能的优缺点，在建筑节能方面如何高效利用太阳能成为节能重点。

目前太阳能的开发利用主要有两个方面：太阳能热利用和太阳能光伏发电。本文主要讨论关于太阳能热利用中的太阳能采暖房(以下简称太阳房)。太阳房分为两大类：一种为被动式太阳房，另一种为主动式太阳房。

被动式太阳房具有简单、经济的优点，但是存在稳定性差、效率低、受气象条件影响的缺点。主动式太阳能采暖系统在室温调节上可根据需要进行调节，但其结构复杂、设备较多、初期投资较大且需一定的运行和维护费用。

鉴于被动式太阳房和主动式太阳能采暖系统各自存在的优缺点，在上世纪80年代提出了一种将被动式与主动式结合起来的新形式，称为主、被动混合系统(又称主被动结合式太阳房)[3]。主被动结合式的太阳房既具有主动式太阳能采暖系统调控灵活、方便、将不稳定热源变成稳定热源的优点，又可弥补被动式太阳房稳定性差、效率低等缺点，同时，主被动最佳匹配的设计不仅可实现太阳能的最大化利用，还可减少投资。

1 主被动结合太阳房的形式和原理

主被动结合式太阳房在结构上分两部分：被动式太阳房和主动式太阳房(即主动式太阳能采暖系统)。被动式太阳房按照其利用太阳能的方式和传热过程，一般分为3种基本形式：直接受益型太阳房、集热墙型太阳房、附加阳光间式太阳房。主动式太阳能采暖系统是以太阳能集热器(包括热水集热器和空气集热器)、管道、散热器、风机或泵、贮热装置等组成的强制循环的太阳能采暖系统。图1和图2分别为热水集热器式主被动结合式太阳房和空气集热器式主被动结合式太阳房工作的示意图。

图1 热水集热器式主被动结合式太阳房

图2 空气集热器式主被动结合式太阳房

主被动结合式太阳房的热传递分为被动式太阳房的热量传递和主动式太阳能采暖系统的热量传递。白天阳光充足时(即被动式供暖足)，主要为被动式太阳能供暖，被动式太阳房提供的热量不足以维持室温需要时，由主动式太阳能采暖系统通过采暖末端供暖；夜间主要为主动式太阳能采暖系统供暖。出现连续阴天或阳光不足时(即被动式供暖不足)，房间的热量由主动式太阳能采暖系统提供，主动式太阳能采暖系统的供暖不足时通常采用辅助热源。

2 主被动结合式太阳房理论研究现状

从主被动结合式太阳房的构成形式来看，主被动结合式太阳房的理论研究可将被动式太阳房和主动式太阳房的研究作为基础。

2.1 被动太阳房的理论研究现状

被动式太阳房主要依靠建筑热工措施来满足冬季采暖要求，要达到太阳房在冬季采暖的要求就要保证有较多的太阳能得热量，较少的热损失和必要的稳定性，这就要处理好太阳房集热，保温和蓄热之间的关系。因此，被动式太阳房的热工计算要比普通采暖房显得更为重要，同时计算难度也更大。太阳房在热工计算通常分为稳态计算方法和动态计算方法[4]。

2.1.1 稳态计算

1980年，在 Balcomb博士领导下，美国Los. Alamos国家实验室出版的《被动太阳房设计手册》为被动太阳房设计奠定了科学基础[5-6]。Oliveira等[7]在基于SLR法、建筑热惰性、UU 3个参数简化的基础上，提出了一种计算被动式太阳能建筑辅助能耗的简易方法。

李元哲[3，8]根据 Balcomb 提出的 SLR(Solar Load Radio)理论，结合我国气象条件，在《被动式太阳房热工设计手册》和《被动太阳房的原理及设计》中提出了适用于我国建筑用材特点、居民生活习惯的不同形式被动式太阳房计算的SLR法，并首次提出多种集热部件的效率曲线和公式，以及太阳房的平均室温预测方法。张阳[9]在SLR法基础上提出用冬季最冷月南向垂直面上平均辐射温差比HT作为定性划分能否建零辅助热源被动式太阳房区域。刘加平[10]在平均辐射温差比的基础上，给出了无辅助热源被动式太阳房的热工计算方法。

2.1.2 动态计算

被动式太阳房在动态计算方面，对不同结构形式太阳房的研究主要是在动态算法基础上开发出计算软件。

清华大学在1983年提出了自己的可用于计算直接受益式、特朗贝墙式、水墙式及其组合形式的被动房模拟计算程序WDPEN及PHSP，目前开发的DeST-s就是针对被动式太阳能建筑能耗分析的模拟软件。在DeST中，关于建筑动态过程的模型采用状态空间法，与其他求解建筑的动态热过程采用的反应系数法、谐波反应法、差分法相比，状态空间法在对墙体的动态传热的处理、对房间热平衡、建筑热平衡的处理方面相比计算量小，计算精度高[11]。

王德芳等[12-16]编制的模拟计算程序PSHDC可用于计算直接受益式、特朗贝式集热墙，以及由两者组合而成的被动式太阳能采暖系统的热性能，预测逐时室温，辅助热源供热量。PSHDC模拟计算程序用反应系数法替代了集热墙不稳定传热计算中的有限差分法，使集热墙体的内外表面温度更容易求出，而且更适用于计算由多种材料层构成的复合墙体；对集热墙夹层空气流道的热平衡计算的传统方法做了改进；针对我国常用的附加阳光间型太阳房的实际和模拟计算中出现的难点，提出了较简便实用的阳光间和相邻房间之间通过门洞的自然对流换热计算式和计算参数，采用Carroll J A的平均辐射温度网络法进行室内各表面之间的辐射换热计算。方贤德[17]设计数值模拟程序FXD-PASOL，用于任意组合式太阳房的瞬时热工性能模拟、灵敏度分析、气象参数变化分析、设计参数最优化研究，以及系统的性能评价等。

张立志[18]针对被动式太阳房动态计算的传统数学模型(以一平均室温及太阳能保证率为标志的静态模型)不能准确反映太阳房的性能特点，对具有蓄热墙的被动房建立一种动态数学模型，该模型能反映出太阳房由于热惰性和外界条件的改变而造成的蓄热墙温度和室温的波动。

刘加平[19]采用反应系数法处理了室内热质的蓄热问题，对被动式太阳房室内动态热平衡方程组在给定定解条件下的稳定性问题进行分析研究，并应用传递矩阵理论，解决了室内空气动态热平衡方程中在室内热质作用下室内空气温度的计算问题。

热网络分析方法是国外关于被动式太阳房的动态热工计算中应用较为广泛的一种方法[20]。Elsheikhe Magzoub等[21]用热网络分析方法对比分别由混凝土和木质材料为围护结构的被动式太阳房的冷负荷及室温波动情况。Athienitis[22-23]用热网络分析方法建立被动式太阳房数学模型进行热工分析计算，在频域技术和热网络的基础上，提出矩阵导纳法，考虑了墙体和室内空气复合的对流辐射的换热系数，得出建筑冷热负荷。Djamel Beggas等[24]通过对特朗贝墙、窗户、室内外环境建立了热网络分析图进行计算，指出热网络方法可预测建筑室内温度变化。

在热网络分析方法基础上，美国 Los. Alamos科学实验室在1978年提出可用来预测特朗贝墙式及水墙式太阳房的热性能模拟程序PASOLE，利用有限差分法解决了集热墙墙体及重型围护结构在太阳房中的非稳定导热问题。

美国威斯康辛大学太阳能实验室于1981年提出用来计算主动式太阳能系统和集热墙式等被动房的模拟程序TRNSYS。20世纪90年代，美国劳伦斯伯克利国家实验室在BLAST和DOE-2的基础上开发了Energy Plus，用反应系数法替代了差分法进行能耗模拟[25]。欧洲国家采用Excel为平台，以物理平衡方程为依据综合考虑热回收、通风等装置的参数开发出PHPP软件，用于被动式房屋专用计算和设计软件[26]。

2.2 主动式太阳房的理论研究现状

主动式太阳房研究的核心部分为太阳能采暖系统的设计，其设计涉及很多方面，如集热部件、气候条件、系统性能采暖末端、系统成本等。

由于影响因素多，对于主动式太阳能采暖很难有简单的方法，目前主动式太阳能采暖系统的设计可分为稳态模拟和动态模拟。

稳态模拟利用平均气象参数对太阳能采暖系统运行状况进行评估，如平均参数法、图表或公式法。平均参数法是根据辐照年平均值设定工况并以集热器的效率方程为依据，确定集热器年平均效率，选定太阳能保证率，确定太阳能系统的规模，GB 50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中相关技术公式即依据平均参数法[27]。图表或公式法以计算机模拟结果和现有系统测试结果为依据，把太阳能关键参数整理成图表和计算公式，如以月为单位周期的总能系统分析的F-CHART法和FSC法。F-CHART法多用于评估太阳能热水系统及经济性，FSC(称为太阳能消耗率)法用于太阳能采暖系统，最基本思想是把系统的实际节能率和最大理论节能率进行比较，如果太阳能无损失，太阳能消耗率可达到最大理论节能率，太阳能消耗率同时考虑了气候条件、热负荷状况(采暖和生活热水)及集热器(面积、朝向、倾角等)[28-32]。

动态模拟是根据各地典型气象参数，结合系统部件动态响应关系，逐时对系统运行状况进行模拟，如瞬态程序TRNsys、T-sol、Polysun软件等[33]。

3 主被动结合式太阳房的应用研究现状

主被动结合式太阳房在我国应用较少，发展比较缓慢。国内学者对主被动结合式太阳房研究仅限于工程示范。

茅靳丰等[34]在高原严寒地区采用被动式太阳房技术、主动式太阳能集热技术、相变材料蓄热技术集为一体的连续式太阳能供暖系统，使得单纯利用太阳能向室内连续供暖成为可能。

刘艳峰等[35]对高寒地区的拉萨地区主被动结合式太阳能进行了设计探索，证明在拉萨地区采用主、被动结合的太阳能采暖，利用屋顶集热器可保证拉萨地区4 层及以下居住建筑的太阳能采暖保证率≥80%。

裴清清等[36]将主动式、被动式采暖方式结合起来对西北严寒地区边防哨楼做太阳能采暖设计，通过计算预测冬季5个月的室内月平均气温，从理论上得出主被动结合式太阳能采暖系统供暖可使室内气温比室外气温提高15～25 ℃。

国外研究者Viorel Badescu等[37-40]对被动太阳能房中利用主动式太阳能热水供暖与热水供应的效果进行了研究，在德国莱茵河畔修建一栋2层的主被动结合的复合式太阳房，采用太阳能集热器、热交换器等对房间的新风、生活用热水进行预处理，实现整栋建筑50%～80%的热需求。1974年日本通产省制定了“阳光计划”，并按此计划建造了数幢太阳能采暖、空调建筑。并且日本提出了一种在屋顶将自然通风与呼吸墙相结合的被动式太阳房系统，在此基础上模拟得出若将太阳能集热器、地源热泵、风力发电、蓄热装置与被动式太阳房相结合，可设计实验一种新低能耗住宅建筑系统。建筑用电量的80%由自然能源提供，年耗能仅为普通住宅的12.5%，CO2排放量会减少77%。20世纪90年代，奥地利、丹麦、芬兰、德国、瑞典、瑞士、荷兰等国家相继设计出各种型式的太阳能组合系统。德国AEG公司开发的太阳能主动式和被动式相结合可达到建筑节能约70%[41]。

4 结论及展望

通过对被动房和主动式太阳能采暖系统的理论研究，以及对主被动结合式太阳房的应用现状总结，可得到以下结论：

1)主被动结合式太阳房不仅具有主动式太阳房的优点，同时也可弥补被动式太阳房和主动式太阳房的不足；最优化的主被动结合式太阳房不仅可实现对太阳能的最大利用，也可减少初投资，对建筑节能具有重要意义，具有广阔应用前景。

2)主被动结合式太阳房虽然结构上由被动太阳房和主动式太阳房构成，但主被动结合式太阳房的理论研究模型并不是二者的简单叠加，其理论研究可参考被动式太阳房和主动式太阳房的理论研究。

3)我国主被动结合式太阳房的理论研究较少，停留在探索阶段，已有的应用只是针对某一建筑进行设计，并未出现关于主被动结合式太阳房的理论模型研究；主被动结合式太阳房的理论研究将是下一步研究的重点，并在此基础上开展一些示范和应用研究。

[1]王举成，谭兴霞. 太阳能在建筑中的应用[J]. 山西建筑，2009， 35(2)： 239 － 240.

[2] 刘爽. 太阳能资源利用与太阳能建筑发展[J]. 科技成果纵横 ， 2007， (6)：39 － 40.

[3] 李元哲.《被动式太阳房的原理及设计》[M]. 北京：清华大学出版社， 1993.

[4] 李元哲， 方贤德. 被动式暖房的研究及其进展[J]. 太阳能学报 ， 1985， 6(3)： 297 － 306.

[5] Balcomb J D， Jones R W， Kosiewicz CE， et al. Passive Solar Design Hand Book [M]. Washington： U.S. Dept. of Energy， 1980.

[6] Balcomb J D， Hedstrom J C， McFarland RD. Simulation analysis of passive solar heated buildings Preliminary results[J].Solar Energy， 1977， 19(3)： 277 － 282.

[7] O1iveira A C， E. De Oliveira Fermandes. A new simplified method for evaluating the thermal behavior of direct gain passivesolar buildings[J]. Solar Energy， 1992， 48(4)： 227 － 233.

[8] 李元哲.被动式太阳房热工设计手册[M]. 北京：清华大学出版社， 1991.

[9] 张阳. 零辅助热源被动式太阳房热工设计计算方法[J]. 西安建筑科技大报 ， 1993， 31(1)： 29 － 31.

[10] 刘加平. 无辅助热源被动式太阳房热工设计[J]. 西安建筑科技大学学报 ， 1995， 27(4)： 370 － 374.

[11] 谢晓娜， 宋芳婷， 燕达， 等. 建筑环境设计模拟分析软件DeST [J]. 暖通空调 ， 2004， 34(8)：35 － 47.

[12]王德芳， 午锁平， 喜文华. 被动式太阳能采暖房数学模型及模拟计算程序-1直接受益型和集热墙型PSHDC(上篇)[J].甘肃科学学报 ， 1989， 1(l)： 1 － 8.

[13] 王德芳， 午锁平， 喜文华. 被动式太阳能采暖房数学模型及模拟计算程序-1直接受益型和集热墙型PSHDC(下篇)[J].甘肃科学学报 ， 1990， 2(1)： 19 － 27.

[14]王德芳. 集热墙不稳定传热问题的反应系数解法[J]. 太阳能学报 ， 1990， 4(8)： 18 － 21.

[15] 王德芳， 午锁平， 喜文华. 附加阳光间型被动式太阳能采暖房数学模型及其模拟程序PSHS[J]. 甘肃科学学报， 1990，2(1)： 19 － 27.

[16] 王德芳. 阳光间和房间之间的自然对流换热计算方法[J].甘肃科学学报 ， 1991， 7(2)： 1 － 5.

[17] 方贤德. 被动式太阳房的通用模拟程序[J]. 太阳能学报，1994， 15(4)： 363 － 367.

[18] 张立志， 王玲. 被动式太阳房动态模型的研究[J]. 能源研究与利用 [J]. 1997， 3： 12 － 14.

[19] 刘加平.被动式太阳房动态模拟研究.西安冶金建筑学院学报 [J]. 1994， 26(4)： 343 － 348.

[20] Sodha M S. Solar passive building science & design[M].Oxford： Paragon Press， 1986.

[21] Elsheikh E M， Elamin A O. Computer simulation of solar cooled buildings in Khartoum[J]. Renewable Energy， 1991， 4(1-4)：373－379.

[22] Athienitis K， Amadan H. Numerical model of a building with transparent insulation[J]. Solar Energy， 1999， 67(l-3)： 101－109.

[23] Athienitis A K. Building thermal analysis and design of passive solar building[M]. London： James & James(Science Publisher)， 2002.

[24] Djamel Beggas， Wilson A J. Simulation analysis of passive solar house based on the thermal network methods[J]. Journal of Engineering and Applied Sciences， 2007， 2(11)： 1613 － 1619.

[25] 朱佳音. 寒冷地区“被动式房屋”模式研究及能耗分析[D].大连：大连理工大学， 2009.

[26] Infomationon Passive Houses[EB/OL]. http：//www.passivhaustagung. de/PassivejouseeeE/PHPP. html， 2008-04.

[27] GB 50495-2009.太阳能供热采暖工程技术规范[S].

[28] 祁冰， 王志峰. 我国典型城市太阳能热水系统热及经济性能分析 [J]. 太阳能学报 ， 2003， 24(6)： 108 － 908.

[29] Beckman W A， Klein S A， Duffi e J A. Sola heating design： By the F-chart metod[M]. New York： John Wiley & Sons， 1997.

[30] Duffie J A， Beckman W A. Solar engineering of thermal processes [M]. New York： John Wiley & Sons， 1991.

[31] Beckman W A， Klein S A， Duffi e J A . Solar heating design by the f-chart method[M]. New York： John Wiley & Sons， 1977.

[32] 岑幻霞.太阳能热利用 [M]. 北京： 清华大学出版社， 1997.

[33] 何梓年， 朱敦志. 太阳能供热采暖应用技术手册[M]. 化学工业出版社， 2009.

[34] 茅靳丰， 窦文平， 韩旭. 高原严寒地区观察哨楼连续式太阳能供暖系统[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版)， 2005， 6(1)：63－66.

[35] 刘艳峰， 申志妍. 拉萨多层住宅太阳能热水采暖设计初探[J]. 建筑节能 ， 2008， (11)： 1 － 4.

[36] 裴清清， 张国强. 寒冷地区哨楼主被动太阳能采暖与室内热环境预测[J]. 建筑热能通风空调， 2006， (6)： 42－44.

[37] Viorel Badescu， Mihail Dan Staicovici. Renewable energy for passive house heating Model of the active solar heating system[J].Energy and Buildings， 2006， 38： 129 － 141.

[38] Viorel Badescu， Benoit Sicre. Renewable energy for passive house heating II. Model[J]. Energy and Building， 2003， 35： 1085－1096.

[39] Viorel Badescu， Benoit Sicre. Renewable energy for passive house heating Part I. Building description [J]. Energy and Buildings， 2003， 35 ： 1077 － 1084.

[40] Viorel Badescu. Simulation analysis for the active solar heating system of a passive house[J]. Applied Thermal Engineering， 2005，25： 2754 － 2763.

[41] Yasuhiro Hamada， Makoto Nakamura， Kiyoshi Ochifuji.Field performance of a Japanese low energy home relying on renewable energy [J]. Energy and building， 2001， 33：805－814.