太阳能空气集热器供暖工作原理（什么是被动式太阳能供热）

作者 大卫·库奇塔

位于德国埃斯林根-泽尔的被动式太阳能住宅区。

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本文内容

• 被动式太阳能加热的工作原理
• 被动式太阳能采暖的局限性
• 被动式太阳能技术展望

被动式太阳能加热家庭不需要太阳能电池板来加热或冷却。相反，用于加热和冷却房屋的能量直接来自天窗和窗户的太阳。然后，其中一些能量存储在建筑物的墙壁和地板上，以便在夜间和较冷的月份使用。

通过良好的隔热和通风，适当的材料以及周到的家居设计和选址，可以部分或在某些情况下完全降低供暖和制冷成本。被动式太阳能与由太阳能供电的空气源热泵配合使用，可以帮助房主实现净零加热和冷却。

被动式太阳能加热房屋的关键优点之一是它的被动程度。一旦被动式太阳能供暖系统的元素被创建出来，家庭就会安静地自行加热，几乎没有人为干预。以下是一些重要的注意事项。

最便宜的能源形式是你从不使用的能量。设计被动式太阳能住宅的第一步是投资能源效率。

维护被动式太阳能房屋的关键是密封良好的门窗，双层或三层玻璃窗，高效的电器和热水器以及出色的隔热性能。就其本身而言，隔热良好的房屋可以节省高达20%的家庭供暖和制冷成本。密封的房屋也是更清洁的房屋，对空气和噪音污染物，害虫，病毒和细菌的抵抗力更强。

在北半球，朝南的窗户在不受树木、多层建筑或其他建筑物遮挡的情况下可以最大程度地暴露在阳光下。（与邻居合作，在太阳能地役权上增加您的阳光照射。对于加热，建议在中午阳光直射六小时。为了在温暖的月份降温，窗帘，遮阳篷或其他覆盖物有助于保持房屋凉爽。

在较冷的气候中，南方对阳光的暴露更为有限，倾斜而不是垂直的玻璃（例如在倾斜屋顶上的天窗中）被证明更有效。即使在沿海气候中，由常规云层覆盖产生的漫射太阳辐射也可以提供倾斜的窗户可以捕获的大量热量。

三层玻璃窗越来越普遍，特别是在新建筑施工中。玻璃层之间的空间通常充满惰性，无害的气体，可最大限度地减少热量损失。

经过特殊处理的窗户还可以在寒冷天气下将窗户温度提高15华氏度，从而进一步降低供暖成本。1当然，它也有助于保持窗户和天窗的清洁。

在北方气候中，即使在寒冷的冬季，陡峭的屋顶也会增加阳光照射。

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你不需要了解热力学第二定律就可以知道热量从热流到冷。就像飓风和旋风从赤道向两极移动一样，暖空气将在房屋周围循环进入较冷的区域。

真正的被动房只是允许熵顺其自然，而不使用机械或电气设备来循环空气。其他设计有被动式太阳能加热和冷却的房屋可能使用风扇，管道和鼓风机。"热桥"，例如由高导电性建筑材料制成的墙壁，也允许热量从一个房间传递到另一个房间。

空气循环还从外部引入过滤的新鲜空气，热量损失（或增加）最小。适当的空气流通对于减少冷凝和保持房屋无霉菌也很重要。

被称为热质量的材料，用于建造房屋的材料（如混凝土板，砖墙，瓷砖地板和干墙，以及家居用品）吸收太阳的热量，并在夜间或寒冷的月份将其释放到房屋中。在温暖的月份，当需要冷却时，热质量会吸收并储存来自房屋内部的热量。深色地板或墙壁比浅色地板或墙壁吸收更多的热量。

热质量是稳定房屋内部温度的原因。与在寒冷的早晨燃烧大量燃料将室温从63华氏度提高到69华氏度的家庭不同，被动式太阳能房屋中的房间温度波动较小。当然，将室温升高或降低一度比将室温降低六度要节能得多，因此将房屋保持在稳定的温度范围内使用的能量要少得多。

被动式太阳能加热房屋内的温度既取决于进入的太阳辐射量，也取决于外部温度。阳光明媚的冬日在室内可能比春末的阴天更温暖。同样，早春的晴天在室内可能比盛夏的阴天更热。

热量控制有助于缓和这些差异：屋顶上的百叶窗通风口可以散发多余的热量，而朝南暴露的窗户上的凉棚或遮阳篷可以提供季节性遮阳。同样，用作隐私篱笆的高大灌木可以阻挡冬季的风。智能规划意味着这些控制措施中的大多数都是自我调节的，几乎不需要人为干预。

虽然被动式太阳能加热和冷却在某些地方比其他地方效果更好，但其效率和简单性意味着它在比预期更多的地方工作。不过，还是有限制的。

被动式太阳能房屋的工作原理是保持舒适的生活空间，而不是按需提供即时热量。虽然在黄金地段设计良好的房屋有时只能依靠被动式太阳能供暖，但大多数被动式太阳能系统充当基本负荷供暖，而机械系统（热泵，电热，木炉等）用于按需提供热量。

与房地产中的所有事物一样，位置很重要。虽然在北纬地区冬季为房屋供暖可能需要补充供暖，但在南纬地区的夏季为房屋供暖可能需要补充供暖。建筑设计需要适应气候。

然而，在北纬地区，房屋往往有倾斜的屋顶，这增加了它们对天空圆顶上部太阳辐射的暴露。形状像倒V形的屋顶可以比平坦的屋顶捕捉到更多的直射阳光。2

建造或改造建筑物可能很昂贵，但并不像人们想象的那么多。建造一个新的被动式太阳能房屋仅占建设成本的3%至5%。在美国，每年建造140万套新房，因此被动式太阳能供暖和制冷总是有很大的潜在市场。

由于被动式太阳能加热房屋的大部分好处都来自建筑物的设计和施工，因此为被动式太阳能改造房屋比从头开始更难（也更昂贵）。

投资回报来自减少供暖和制冷费用，具体取决于建筑物获得的阳光照射量以及供暖和制冷价格的经常变化。在北方气候下，经过改造的建筑将能耗降低了45%，投资回报率仅为7.7年。3在南方气候下，新家的能耗降低了30%，投资回收期为10至13年。

无论哪种情况，长期利益都超过了成本。

用于支持被动式太阳能加热的技术不断改进，包括新的玻璃材料，玻璃工艺，更有效的隔热，测量太阳辐射，窗户性能和能源使用的数字工具，使规划和设计成功的被动式太阳能供暖系统变得更加容易。进入净零家庭变得越来越容易。