温塘镇某别墅主被动采暖设计及评价
彭志兵 建筑环境与设备工程 建环(低碳)121班 121807017 摘要：本课题是基于对建筑节能课程所学基础上，进行研究和设计，现应用于河北省石家庄市平山县温汤镇某别墅的主动及被动采暖设计和评价。被动式采暖直接利用太阳能冬季采暖、夏季遮阳散热，通过建筑环境和周围环境的合理设计、内部空间和外部形体的处理，充分合理获取太阳能。主动式采暖利用集热器、蓄热器、管道、风机及水泵等设备来收集、存储及输配太阳能。本文主要应用的技术有：被动太阳能技术、水源热泵技术、太阳能集热-储热-供暖技术和自然通风换气技术等。
关键词：能源 太阳能技术 节能指标 热泵技术
一、引言
人类面临的三大危机随时爆发。由于全球人口的急剧增长和经济的高速发展，进入21世纪，人类面临石油、粮食和环境三大危机。治理环境污染，发展绿色经济已成为全球共识。争夺石油等资源已成为发达国家对外驻兵的借口。发展新能源成为各国政府，特别是发达国家的战略国策。太阳能的利用首先开启了人类的太空之旅，现太阳能已成为人类利用最安全、最可靠、最广泛和最有前途的新能源。环境问题也变得十分受重视，国家和政府曾多次强调要关注环境，治理环境迫在眉睫。本文基于对国家号召的节能减排的响应所设计的是利用主动及被动采暖技术相结合的采暖技术，夏季利用水源热泵来向室内提供冷量的低能耗建筑。应用这些新兴技术主要是为了减少对环境的污染和资源的消耗，达到国家所要求的新的标准。新技术的使用对于节约能源、保护环境、提高居住质量、推动建筑业建材业技术进步，实现经济和社会发展，都具有十分重要的意义。
二、设想方案的阐述
㈠、被动式节能建筑基本设计
该单体建筑位于河北省石家庄市平山县温汤镇。建筑面积为200m,四个卧室,一个仓库,两个卫生间,一客厅,一书房。规范要求严寒地区的居住建筑窗墙面积比限值：北0.30，东、西0.35，南0.50。
从细部构造设计入手，有效利用隔热保温、遮阳和自然通风等被动式节能技术，改善建筑室内微环境。由于外围护墙体的热工性能比玻璃窗户要好。尽管外窗面积比外墙面积要小得多，但通过外窗得失热量却占外围护结构得失热量的40%左右，因此合理控制窗墙比，以达到降低建筑耗热量。
建筑围护结构的热工性能直接影响建筑耗热量的大小，其中墙体结构的传热系数是节能设计的重要指标。本设计墙体保温层是由20mm水泥抹面； 50mm挤塑型聚苯板； 190mm炉渣空心砌块； 20mm石灰砂浆内抹灰组成，通过保温材料的作用，减少建筑物耗热量而达到节能目的。
2
经查表，以上所有围护结构K值均要达到节能标准JGJ26-2010。
附加阳光间：
这种太阳房是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙(带门、窗或通风孔)把房子与阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，开门(或窗或墙上的通风孔)将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间，其余时间关闭。
附加阳光间外部结构
附加阳光间内部结构
在只有附加阳光间无其它辅助热源情况下, 通过面积为 4.64 m2
的阳光间和 4 块 1 ×1.5m2 平板型空气集热器集热供热共同
作用, 我们对室内可达到的空气温度进行了预测。
室内平均气温 Tr(℃)
Tr =Ta(SM1 +SM2)/M +Qob+Qin/NLC 式中 :
Ta———月平均室外气温, ℃;
SM1———被动部分月有效得热量, KJ ;
SM2———主动部分月有效得热量, KJ ;
M ———每月天数, d ;
Qob———通过其它围护结构得热量, 由围护结构热工计算得出,KJ / d ; Qin———由室内照明, 人等产生的热量, 室内按一人常活动, Qin=10368 KJ/ d MLC ———房间净负荷系数, 由热工计算得到。 其 NLC=4815KJ / d·℃ ;
由计算结果可知, 在太阳辐照最不利的 12 月份, 可使室内气温比室外气温提高 15 ℃, 在辐照最好的 2 月份, 可提高24.1℃。 依靠太阳热能采暖, 极大地改善了室内热环境。 但由于室外气温太低, 例如最冷的一月份平均室外气温为 -17 ℃, 致使 12 月、1 月份室内气温仅能达到 0.9℃, 1.6 ℃, 仍较低。 这说明在极严寒地区, 仅靠太阳能采暖而无其它辅助很难达到民用建筑采暖内温度要求的。 如果要进一步改善生活工作条件, 达到采暖设计目标, 必须增设其它辅助热源。
此外还应采用自然通风换气技术，自然通风是指利用空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。这是一项传统的建筑防热技术，在世界各地的传统民居中，得到了广泛的应用。在湿热地区，我们看到的传统民居往往有这样的外表：建筑都有开阔的窗户；采用轻便的墙体；深远的挑檐；高高在上的顶棚并且设置有通风口；建筑往往架空，以避开地面的潮气和热气，采集更多的凉风„„这样形象的背后，隐藏着劳动人民对利用自然通风技术的朴素观念。自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。
空调的产生，使人们可以主动的控制居住环境，而不是象以往一样被动的适应自然；空调的大量的使用，使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天，迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下，全球的科学家不得不重新审视自然通风这一传统技术。在这样的背景下，把自然通风这一传统建筑生态技术重新引回现代建筑中，有着比以往更为重要的意义：自
然通风不仅能够有效的实现室内环境的降温，还能够节约常规能源、减少环境污染，同时还能够极大的改善室内环境品质。
自然通风是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技 术，采用自然通风方式的根本目的，就是取代(或部分取代)空调制冷系统。而这 一取代过程有三点至关重要的意义：一是实现有效被动式制冷。当室外空气温湿 度较低时，自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下，降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适。即使室外空气温湿度超过舒适区，需要消耗能源进行降温降湿处理，也可以利用自然通风输送处理后的新风，而省去风机能耗，且 无噪声。这有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气(新风)，有利于人的生理和心理健康。室内空气品质的低 劣，在很大程度上是由于缺少充足的新风。空调所造成的恒温环境，也使得人体 抵抗力下降，引发各种“空调病”。而自然通风可以排除室内污浊的空气，同时，还有利于满足人和大自然交往的心理需求。三是提高空间利用率，自然通风，主要通过建筑设计来实现，无需庞大的设备和管道。用于实现自然通风的构件，大约仅占楼层建筑面积的0.3%左右。考虑到这些构件往往具有多重功能，比如窗户即能采光，也能通风。因此，这些占用的面积几乎可以忽略。然而，典型的机械通风系统要占用楼层面积的4-7%，此外，通风管道还会占用约层高的15%。如果采取自然通风策略，可以节省出可观的建筑面积和空间，让室内空间更加宽敞。
自然通风换气原理图
自然通风环境下的热舒适与空调稳态环境下的情况有较大区别,由于人的适应性使人们在实际建筑中能忍受更高的温度,使得自然通风房间的热舒适区要宽
于空调房间。 综上所述，用基于自然通风条件下人体的热舒适来评价自然通风系统更客观、全面,而 且能够为自然通风建筑的控制系统提供参考依据。
（二）、主动式节能设计方案
太阳能集热-储热-供暖技术：
工程概况及系统设计：该别墅，共 2 层，供暖面积 200 m2，建筑围护结构主要参数如表 1 所示。太阳能集热器安装方向为南向，倾角45°，太阳辐照度为全年3 438 MJ /m2，年日照时数 1 109 h，12 月平均环境温度 7. 3℃，用热水人数按农村平均 7 人计算，平均日用水定额 50 L /人。
查12 月份建筑热量组成，可以看出该建筑冬季通过窗口获得的太阳能热量变化幅度很大，白天获得热量较多，对流换热量次之，通过围护结构带走的热量相对比较稳定，而空气渗透引起的热损最小，变化不大。单位面积热负荷取 25 W，日平均供暖负荷为 QH = 25 × 320 = 8 000 W
日平均热水负荷：
Qd = mqc(t2－ t1 )/86 400 式中:
Qd为热水负荷，W;
m 为用水人数;
q 为热水用水定额，按照 GB50015—2003( 2009 年版) 《建筑给水排水设计规范》，取 50 L;
ρ 为水的密度，Kg ; c 为水的比热，4 187 J/( kg·℃) ;
t1为冷水计算温度，按最冷月平均水温确定，取 15 ℃ ;
t2 为热水计算温度，查GB50015—2003( 2009 年版) 《建筑给水排水设计规范》，取 60 ℃。
根据式计算得出热水负荷为 763W。系统总负荷为 Qd与QH 之和，即 8 763 W。 太阳能集热器集热器面积： Ac
Qz为系统总负荷，W ; 8640Qz0f 式中: JTcd1-Lf为太阳能保证率，根据太阳辐照条件，系统经济性及用户要求等确定，一般 取 30% ～ 80% ，河北地区太阳能资源属于一般区，取 30% ;
JT为当地集热器采光面上平均日太阳辐照量，md ，本次计算取 10 ； 2
cd为集热器平均集热效率，一般取 25% ～ 50% ;
L为管路及贮热装置热损失，取 20% ～ 30% ;
所以太阳能集热器集热器面积为：Ac8640087630.32 ； 57m610100.51-0.2储热水箱的设计：
按照短期储热太阳能供热供暖系统的水箱与集热器配比推荐，系统配置水箱容积 60 × 51 × 0. 5 = 1530 L 供暖 1 台不锈钢水箱。
系统方案设计：
石家庄地区属于夏热冬冷地区，夏季炎热冬季寒冷，且湿度大，本文采用太阳能和空气源热泵联合运行方式进行全年的热水供应和冬季的供暖，如图所示是该
系统构成，主要设备参数如前所述。
太阳能供暖供热水系统示意图
太阳能集热系统运行; 在夏季供热水及季天气晴朗，太阳辐射充足情况下，
安装在集热器出口的温度控制器测试出出口水温，当温度在 40 ～60 ℃时，太阳能集热循环泵开启系统循环，加热蓄热水箱中冷水，加热后的热水供冬季供和生活热水。
经其它单体建筑反映的全年入射在集热器采光面上的总辐照量分析，平板式集热器要大于热管式真空管集热器，全年太阳能保证率平板式集热器小于热管式真空管集热器。
在该别墅应用的太阳能供热系统，不管采用平板式集热器还是热管式真空管集热器，都能取得很好的热舒适效果，室内温度分布基本均匀，照射在平板式集热器上的辐照量较高，平板集热器太阳能保证率较热管式真空管低，集热器出口温度、供给蓄热水箱的太阳能均低，这种差距在太阳辐照度越高的情况下越明显，而在辐照度较低的冬季供暖期，采用平板集热器和热管式真空管集热器就供热供暖效果来说相差不大，因而在实际工程应用中，夏热冬冷地区在设有室外集中热源的情况下，采用哪种集热器更加合理，应从系统造价、施工要求、设备承压抗震、防冻、使用年限，经济性等方面综合比对后进行优化选择。
水源热泵技术：
水源热泵作为一种节能型制冷空调产品已从工业应用转入空调领域，被称为二十一世纪的“绿色空调技术”，它具有高效节能、运行稳定可靠、环境效益显著、一机多用、自动运行等优点，因而应用范围比较广。但我国的水源热泵事业近几年才开始起步，只是在部分城市才开始实施该项目。目前，水源热泵空调系统在北方寒冷地区的应用还是一项空白，无切实有效的指导理论和实践经验积累。如何利用无限稳定的地热资源，使其在全国范围得到推广，这是一个亟待解决的问题。
热泵的工作原理及种类
根据热力学第二定律,热可以自发地由高温物体传向低温物体 ,而由低温物体传向高温物体则必须作功, 正如水能够通过水泵从低处向高处流动一样, 热泵系统实现了把能量由低温物体向高温物体的传递 ,它是以花费一部分高质能(耗电)为代价 ,从自然环境中获取能量, 并连同所花费的高质能一起向用户供热, 也就是说热泵的供热量永远大于所消耗的功量 ,所以是综合利用能源的一种很有价值的措施 。热泵的硬件组成和制冷系统大致相同 , 也是由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等主要部件组成。只是制冷是从制冷房间吸热到冷凝器散发给冷 却介质,热泵是制冷工况的逆过程 ,即把热量从冷凝器的介质吸收过来散发到制热房间中。
热泵技术按所需热源的不同大体可分为气源热泵 、地源热泵及水源热泵 。水源热泵是目前我国应用较多的热泵形式,它是以水(包括江 、河 、湖泊 、地下水等)作为冷热源体 ,在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖,在夏季热泵将吸收到的热量向其排放, 实现对建筑物的供冷 。在水源热泵的应用当中 ,又以利用地下水的地下水水源热泵应用较为广泛 。其工作原理大都是通过外部管道及阀门的切换来实现冬夏工况的转换,夏季空调供回水走蒸发器, 地下水走冷凝器,冬季空调供回水走冷凝器 ,地下水走蒸发器 。
水源热泵夏季工作原理示意图
水源热泵冬季工作原理示意图
源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。水源热泵根据对水源的利用方
式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热盘管，该组盘管一般水平或垂直埋于湖水或海水中，通过与湖水或海水换热来实现能量转移(该组盘管直接埋于土壤中的系统称为土壤源热泵，也是地源热泵的一种);开式系统是指从地下或地表中抽水后经过换热器直接排放的系统。水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质，即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。
地下水水源热泵技术的特点：
高效节能, 运行费用低我们在评价热泵机组和制冷机组的性能时常用到“功效比”一词 ,用 COP 表示 , 它的定义是系统输出的功率与所消耗的功率之比 。风冷热泵其 COP值一般在 2 .0 ～ 3 .0 之间, 而水源热泵 ,国内产品在供热时 COP 值可达 3 .5 ～ 4 .0 , 供冷时活塞式机组为5 .0 ～ 5 .2 , 螺杆式机组可达6 .0 ,从这一点上看 ,水源热泵可以被称作高效节能的供冷供热设备 。水源热泵在制热时所需的地下水即相当于锅炉燃烧的煤或油,而且地下水占热泵所供热量的 70 %～ 75 %, 这些热量所消耗的代价仅为廉价的地下水, 其成本要大大低于燃油和燃煤 。以我市的水源热泵运行状况来看 ,冬季供暖的运行费用为 15 元 ㎡左右 ,而热网供暖为24 元 ㎡。燃油供暖为 35 元 ㎡左右 ,因此运行费用低是水源热泵的一个显著特点。机房面积小, 灵活安全, 用途广泛由于热泵机组兼有供冷供热的功能 ,机组本身体积较小 ,因而使机房面积大大减小,机组可灵活地安装在任何地方 ,没有储煤、储油罐等卫生及安全隐患,机组采用智能化微电脑控制系统,并有备用手动操作系统 ,无需专业人员操控 ,完善的电脑控制和多 重保护 ,使整机运行安全可靠 。水源热泵机组从严寒地区至热带地区均适用。一机两用 ,环保洁净 ,初投资小由于水源热泵冬季可向建筑物供暖 ,夏季可向建筑物供冷,真正做到了一机两用 ,提高了设备的利用率。从初投资来看, 现在国内主要热泵生产厂家的热泵机组价格大致在 0.9 ～ 1.0 元 W 之间 , 而同样具备一机两用的溴化锂直燃机的价格在 1.4 ～ 1.5元 W , 而且水源热泵机组无需设置冷却塔及烟气排放系统,省去了高成本的自来水,避免了向大气排放烟尘及有害气体 ,因此水源热泵可称其为低成本的绿色空调产品。
三、结论
1.在设计中，通过对房屋朝向和结构材料的选择，应用了主被动太阳能技术相结合、自然通风换气以及水源热泵技术，大大降低了能源的消耗，减少了对环境的污染。
2.虽然在实际应用中相比于常规能源费用较高，但在长远看来与常规能源费用相当，使用年限越久，年平均费用越低，平时要多注意设备的维护和保养。
3.该别墅符合低能耗建筑标准，得到了国家和政府的支持和补贴，应大力推广该技术，使低能耗建筑全面化、大众化。
参考文献
［1］．王立雄.建筑节能.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2009 ［2］王宗杰、等.太阳能建筑设计.北京：中国建筑工业出版，2010 ［3］朱颖心.建筑环境学.第三版.北京：中国建筑工业出版,2010 ［4］ 王选，王聪辉，黄祝连，等． 太阳能集热器年节能效益模拟
计算分析［J］．建筑科学，2011，( 2) : 24-27
［5］ 周光辉，张岑，刘寅，等． 太阳能—空气复合热源热泵供热特性实验研究［J］． 湖南大学学报，2009，36( 12) : 20-21
［6］付祥钊、肖益民.建筑节能原理与技术.重庆：重庆大学出版社，2009
［7］竟峰，张旭，寒冷地区太阳能炕采暖系统，[J]低温建筑技术，2006
［8］李显龙，刘倩兰，建筑节能若干问题的研究[J]，能源研究与信息1991
［9］彦启森.空气调节用制冷技术[ M] .中国建筑工业出版社. 化学工业出版社，
2009.
《建筑节能》研究型学习论文（研究类）
石家庄市温塘镇某别墅主被动采暖设计及评价
学院 专业 学生 学
指导名称 新能源学院 名称 建环（低碳）121 姓名 彭志兵 号 121807017 教师 张士轩 教授
2015年5月
温塘镇某别墅主被动采暖设计及评价
彭志兵 建筑环境与设备工程 建环(低碳)121班 121807017 摘要：本课题是基于对建筑节能课程所学基础上，进行研究和设计，现应用于河北省石家庄市平山县温汤镇某别墅的主动及被动采暖设计和评价。被动式采暖直接利用太阳能冬季采暖、夏季遮阳散热，通过建筑环境和周围环境的合理设计、内部空间和外部形体的处理，充分合理获取太阳能。主动式采暖利用集热器、蓄热器、管道、风机及水泵等设备来收集、存储及输配太阳能。本文主要应用的技术有：被动太阳能技术、水源热泵技术、太阳能集热-储热-供暖技术和自然通风换气技术等。
关键词：能源 太阳能技术 节能指标 热泵技术
一、引言
人类面临的三大危机随时爆发。由于全球人口的急剧增长和经济的高速发展，进入21世纪，人类面临石油、粮食和环境三大危机。治理环境污染，发展绿色经济已成为全球共识。争夺石油等资源已成为发达国家对外驻兵的借口。发展新能源成为各国政府，特别是发达国家的战略国策。太阳能的利用首先开启了人类的太空之旅，现太阳能已成为人类利用最安全、最可靠、最广泛和最有前途的新能源。环境问题也变得十分受重视，国家和政府曾多次强调要关注环境，治理环境迫在眉睫。本文基于对国家号召的节能减排的响应所设计的是利用主动及被动采暖技术相结合的采暖技术，夏季利用水源热泵来向室内提供冷量的低能耗建筑。应用这些新兴技术主要是为了减少对环境的污染和资源的消耗，达到国家所要求的新的标准。新技术的使用对于节约能源、保护环境、提高居住质量、推动建筑业建材业技术进步，实现经济和社会发展，都具有十分重要的意义。
二、设想方案的阐述
㈠、被动式节能建筑基本设计
该单体建筑位于河北省石家庄市平山县温汤镇。建筑面积为200m,四个卧室,一个仓库,两个卫生间,一客厅,一书房。规范要求严寒地区的居住建筑窗墙面积比限值：北0.30，东、西0.35，南0.50。
从细部构造设计入手，有效利用隔热保温、遮阳和自然通风等被动式节能技术，改善建筑室内微环境。由于外围护墙体的热工性能比玻璃窗户要好。尽管外窗面积比外墙面积要小得多，但通过外窗得失热量却占外围护结构得失热量的40%左右，因此合理控制窗墙比，以达到降低建筑耗热量。
建筑围护结构的热工性能直接影响建筑耗热量的大小，其中墙体结构的传热系数是节能设计的重要指标。本设计墙体保温层是由20mm水泥抹面； 50mm挤塑型聚苯板； 190mm炉渣空心砌块； 20mm石灰砂浆内抹灰组成，通过保温材料的作用，减少建筑物耗热量而达到节能目的。
2
经查表，以上所有围护结构K值均要达到节能标准JGJ26-2010。
附加阳光间：
这种太阳房是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙(带门、窗或通风孔)把房子与阳光间隔开。实际上在一天的所有时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，开门(或窗或墙上的通风孔)将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间，其余时间关闭。
附加阳光间外部结构
附加阳光间内部结构
在只有附加阳光间无其它辅助热源情况下, 通过面积为 4.64 m2
的阳光间和 4 块 1 ×1.5m2 平板型空气集热器集热供热共同
作用, 我们对室内可达到的空气温度进行了预测。
室内平均气温 Tr(℃)
Tr =Ta(SM1 +SM2)/M +Qob+Qin/NLC 式中 :
Ta———月平均室外气温, ℃;
SM1———被动部分月有效得热量, KJ ;
SM2———主动部分月有效得热量, KJ ;
M ———每月天数, d ;
Qob———通过其它围护结构得热量, 由围护结构热工计算得出,KJ / d ; Qin———由室内照明, 人等产生的热量, 室内按一人常活动, Qin=10368 KJ/ d MLC ———房间净负荷系数, 由热工计算得到。 其 NLC=4815KJ / d·℃ ;
由计算结果可知, 在太阳辐照最不利的 12 月份, 可使室内气温比室外气温提高 15 ℃, 在辐照最好的 2 月份, 可提高24.1℃。 依靠太阳热能采暖, 极大地改善了室内热环境。 但由于室外气温太低, 例如最冷的一月份平均室外气温为 -17 ℃, 致使 12 月、1 月份室内气温仅能达到 0.9℃, 1.6 ℃, 仍较低。 这说明在极严寒地区, 仅靠太阳能采暖而无其它辅助很难达到民用建筑采暖内温度要求的。 如果要进一步改善生活工作条件, 达到采暖设计目标, 必须增设其它辅助热源。
此外还应采用自然通风换气技术，自然通风是指利用空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。这是一项传统的建筑防热技术，在世界各地的传统民居中，得到了广泛的应用。在湿热地区，我们看到的传统民居往往有这样的外表：建筑都有开阔的窗户；采用轻便的墙体；深远的挑檐；高高在上的顶棚并且设置有通风口；建筑往往架空，以避开地面的潮气和热气，采集更多的凉风„„这样形象的背后，隐藏着劳动人民对利用自然通风技术的朴素观念。自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。
空调的产生，使人们可以主动的控制居住环境，而不是象以往一样被动的适应自然；空调的大量的使用，使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天，迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下，全球的科学家不得不重新审视自然通风这一传统技术。在这样的背景下，把自然通风这一传统建筑生态技术重新引回现代建筑中，有着比以往更为重要的意义：自
然通风不仅能够有效的实现室内环境的降温，还能够节约常规能源、减少环境污染，同时还能够极大的改善室内环境品质。
自然通风是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技 术，采用自然通风方式的根本目的，就是取代(或部分取代)空调制冷系统。而这 一取代过程有三点至关重要的意义：一是实现有效被动式制冷。当室外空气温湿 度较低时，自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下，降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适。即使室外空气温湿度超过舒适区，需要消耗能源进行降温降湿处理，也可以利用自然通风输送处理后的新风，而省去风机能耗，且 无噪声。这有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气(新风)，有利于人的生理和心理健康。室内空气品质的低 劣，在很大程度上是由于缺少充足的新风。空调所造成的恒温环境，也使得人体 抵抗力下降，引发各种“空调病”。而自然通风可以排除室内污浊的空气，同时，还有利于满足人和大自然交往的心理需求。三是提高空间利用率，自然通风，主要通过建筑设计来实现，无需庞大的设备和管道。用于实现自然通风的构件，大约仅占楼层建筑面积的0.3%左右。考虑到这些构件往往具有多重功能，比如窗户即能采光，也能通风。因此，这些占用的面积几乎可以忽略。然而，典型的机械通风系统要占用楼层面积的4-7%，此外，通风管道还会占用约层高的15%。如果采取自然通风策略，可以节省出可观的建筑面积和空间，让室内空间更加宽敞。
自然通风换气原理图
自然通风环境下的热舒适与空调稳态环境下的情况有较大区别,由于人的适应性使人们在实际建筑中能忍受更高的温度,使得自然通风房间的热舒适区要宽
于空调房间。 综上所述，用基于自然通风条件下人体的热舒适来评价自然通风系统更客观、全面,而 且能够为自然通风建筑的控制系统提供参考依据。
（二）、主动式节能设计方案
太阳能集热-储热-供暖技术：
工程概况及系统设计：该别墅，共 2 层，供暖面积 200 m2，建筑围护结构主要参数如表 1 所示。太阳能集热器安装方向为南向，倾角45°，太阳辐照度为全年3 438 MJ /m2，年日照时数 1 109 h，12 月平均环境温度 7. 3℃，用热水人数按农村平均 7 人计算，平均日用水定额 50 L /人。
查12 月份建筑热量组成，可以看出该建筑冬季通过窗口获得的太阳能热量变化幅度很大，白天获得热量较多，对流换热量次之，通过围护结构带走的热量相对比较稳定，而空气渗透引起的热损最小，变化不大。单位面积热负荷取 25 W，日平均供暖负荷为 QH = 25 × 320 = 8 000 W
日平均热水负荷：
Qd = mqc(t2－ t1 )/86 400 式中:
Qd为热水负荷，W;
m 为用水人数;
q 为热水用水定额，按照 GB50015—2003( 2009 年版) 《建筑给水排水设计规范》，取 50 L;
ρ 为水的密度，Kg ; c 为水的比热，4 187 J/( kg·℃) ;
t1为冷水计算温度，按最冷月平均水温确定，取 15 ℃ ;
t2 为热水计算温度，查GB50015—2003( 2009 年版) 《建筑给水排水设计规范》，取 60 ℃。
根据式计算得出热水负荷为 763W。系统总负荷为 Qd与QH 之和，即 8 763 W。 太阳能集热器集热器面积： Ac
Qz为系统总负荷，W ; 8640Qz0f 式中: JTcd1-Lf为太阳能保证率，根据太阳辐照条件，系统经济性及用户要求等确定，一般 取 30% ～ 80% ，河北地区太阳能资源属于一般区，取 30% ;
JT为当地集热器采光面上平均日太阳辐照量，md ，本次计算取 10 ； 2
cd为集热器平均集热效率，一般取 25% ～ 50% ;
L为管路及贮热装置热损失，取 20% ～ 30% ;
所以太阳能集热器集热器面积为：Ac8640087630.32 ； 57m610100.51-0.2储热水箱的设计：
按照短期储热太阳能供热供暖系统的水箱与集热器配比推荐，系统配置水箱容积 60 × 51 × 0. 5 = 1530 L 供暖 1 台不锈钢水箱。
系统方案设计：
石家庄地区属于夏热冬冷地区，夏季炎热冬季寒冷，且湿度大，本文采用太阳能和空气源热泵联合运行方式进行全年的热水供应和冬季的供暖，如图所示是该
系统构成，主要设备参数如前所述。
太阳能供暖供热水系统示意图
太阳能集热系统运行; 在夏季供热水及季天气晴朗，太阳辐射充足情况下，
安装在集热器出口的温度控制器测试出出口水温，当温度在 40 ～60 ℃时，太阳能集热循环泵开启系统循环，加热蓄热水箱中冷水，加热后的热水供冬季供和生活热水。
经其它单体建筑反映的全年入射在集热器采光面上的总辐照量分析，平板式集热器要大于热管式真空管集热器，全年太阳能保证率平板式集热器小于热管式真空管集热器。
在该别墅应用的太阳能供热系统，不管采用平板式集热器还是热管式真空管集热器，都能取得很好的热舒适效果，室内温度分布基本均匀，照射在平板式集热器上的辐照量较高，平板集热器太阳能保证率较热管式真空管低，集热器出口温度、供给蓄热水箱的太阳能均低，这种差距在太阳辐照度越高的情况下越明显，而在辐照度较低的冬季供暖期，采用平板集热器和热管式真空管集热器就供热供暖效果来说相差不大，因而在实际工程应用中，夏热冬冷地区在设有室外集中热源的情况下，采用哪种集热器更加合理，应从系统造价、施工要求、设备承压抗震、防冻、使用年限，经济性等方面综合比对后进行优化选择。
水源热泵技术：
水源热泵作为一种节能型制冷空调产品已从工业应用转入空调领域，被称为二十一世纪的“绿色空调技术”，它具有高效节能、运行稳定可靠、环境效益显著、一机多用、自动运行等优点，因而应用范围比较广。但我国的水源热泵事业近几年才开始起步，只是在部分城市才开始实施该项目。目前，水源热泵空调系统在北方寒冷地区的应用还是一项空白，无切实有效的指导理论和实践经验积累。如何利用无限稳定的地热资源，使其在全国范围得到推广，这是一个亟待解决的问题。
热泵的工作原理及种类
根据热力学第二定律,热可以自发地由高温物体传向低温物体 ,而由低温物体传向高温物体则必须作功, 正如水能够通过水泵从低处向高处流动一样, 热泵系统实现了把能量由低温物体向高温物体的传递 ,它是以花费一部分高质能(耗电)为代价 ,从自然环境中获取能量, 并连同所花费的高质能一起向用户供热, 也就是说热泵的供热量永远大于所消耗的功量 ,所以是综合利用能源的一种很有价值的措施 。热泵的硬件组成和制冷系统大致相同 , 也是由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等主要部件组成。只是制冷是从制冷房间吸热到冷凝器散发给冷 却介质,热泵是制冷工况的逆过程 ,即把热量从冷凝器的介质吸收过来散发到制热房间中。
热泵技术按所需热源的不同大体可分为气源热泵 、地源热泵及水源热泵 。水源热泵是目前我国应用较多的热泵形式,它是以水(包括江 、河 、湖泊 、地下水等)作为冷热源体 ,在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖,在夏季热泵将吸收到的热量向其排放, 实现对建筑物的供冷 。在水源热泵的应用当中 ,又以利用地下水的地下水水源热泵应用较为广泛 。其工作原理大都是通过外部管道及阀门的切换来实现冬夏工况的转换,夏季空调供回水走蒸发器, 地下水走冷凝器,冬季空调供回水走冷凝器 ,地下水走蒸发器 。
水源热泵夏季工作原理示意图
水源热泵冬季工作原理示意图
源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。水源热泵根据对水源的利用方
式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热盘管，该组盘管一般水平或垂直埋于湖水或海水中，通过与湖水或海水换热来实现能量转移(该组盘管直接埋于土壤中的系统称为土壤源热泵，也是地源热泵的一种);开式系统是指从地下或地表中抽水后经过换热器直接排放的系统。水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质，即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。
地下水水源热泵技术的特点：
高效节能, 运行费用低我们在评价热泵机组和制冷机组的性能时常用到“功效比”一词 ,用 COP 表示 , 它的定义是系统输出的功率与所消耗的功率之比 。风冷热泵其 COP值一般在 2 .0 ～ 3 .0 之间, 而水源热泵 ,国内产品在供热时 COP 值可达 3 .5 ～ 4 .0 , 供冷时活塞式机组为5 .0 ～ 5 .2 , 螺杆式机组可达6 .0 ,从这一点上看 ,水源热泵可以被称作高效节能的供冷供热设备 。水源热泵在制热时所需的地下水即相当于锅炉燃烧的煤或油,而且地下水占热泵所供热量的 70 %～ 75 %, 这些热量所消耗的代价仅为廉价的地下水, 其成本要大大低于燃油和燃煤 。以我市的水源热泵运行状况来看 ,冬季供暖的运行费用为 15 元 ㎡左右 ,而热网供暖为24 元 ㎡。燃油供暖为 35 元 ㎡左右 ,因此运行费用低是水源热泵的一个显著特点。机房面积小, 灵活安全, 用途广泛由于热泵机组兼有供冷供热的功能 ,机组本身体积较小 ,因而使机房面积大大减小,机组可灵活地安装在任何地方 ,没有储煤、储油罐等卫生及安全隐患,机组采用智能化微电脑控制系统,并有备用手动操作系统 ,无需专业人员操控 ,完善的电脑控制和多 重保护 ,使整机运行安全可靠 。水源热泵机组从严寒地区至热带地区均适用。一机两用 ,环保洁净 ,初投资小由于水源热泵冬季可向建筑物供暖 ,夏季可向建筑物供冷,真正做到了一机两用 ,提高了设备的利用率。从初投资来看, 现在国内主要热泵生产厂家的热泵机组价格大致在 0.9 ～ 1.0 元 W 之间 , 而同样具备一机两用的溴化锂直燃机的价格在 1.4 ～ 1.5元 W , 而且水源热泵机组无需设置冷却塔及烟气排放系统,省去了高成本的自来水,避免了向大气排放烟尘及有害气体 ,因此水源热泵可称其为低成本的绿色空调产品。
三、结论
1.在设计中，通过对房屋朝向和结构材料的选择，应用了主被动太阳能技术相结合、自然通风换气以及水源热泵技术，大大降低了能源的消耗，减少了对环境的污染。
2.虽然在实际应用中相比于常规能源费用较高，但在长远看来与常规能源费用相当，使用年限越久，年平均费用越低，平时要多注意设备的维护和保养。
3.该别墅符合低能耗建筑标准，得到了国家和政府的支持和补贴，应大力推广该技术，使低能耗建筑全面化、大众化。
参考文献
［1］．王立雄.建筑节能.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2009 ［2］王宗杰、等.太阳能建筑设计.北京：中国建筑工业出版，2010 ［3］朱颖心.建筑环境学.第三版.北京：中国建筑工业出版,2010 ［4］ 王选，王聪辉，黄祝连，等． 太阳能集热器年节能效益模拟
计算分析［J］．建筑科学，2011，( 2) : 24-27
［5］ 周光辉，张岑，刘寅，等． 太阳能—空气复合热源热泵供热特性实验研究［J］． 湖南大学学报，2009，36( 12) : 20-21
［6］付祥钊、肖益民.建筑节能原理与技术.重庆：重庆大学出版社，2009
［7］竟峰，张旭，寒冷地区太阳能炕采暖系统，[J]低温建筑技术，2006
［8］李显龙，刘倩兰，建筑节能若干问题的研究[J]，能源研究与信息1991
［9］彦启森.空气调节用制冷技术[ M] .中国建筑工业出版社. 化学工业出版社，
2009.
《建筑节能》研究型学习论文（研究类）
石家庄市温塘镇某别墅主被动采暖设计及评价
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指导名称 新能源学院 名称 建环（低碳）121 姓名 彭志兵 号 121807017 教师 张士轩 教授
2015年5月