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[摘要]近年来，随着人们生活水平日益提高，别墅建筑的大量涌现，太阳能在别墅建筑中的应用也成为势在必行。本文针对新疆地区的别墅建筑工程，从被动式采暖和主动式采暖空调两方面出发，并结合别墅建筑及其使用特点，分别对适合于别墅的太阳能采暖空调的各种系统以及太阳能集热系统方面进行分析和讨论。
[关键词]别墅工程 太阳能技术
太阳能是最清洁的能源之一，是现今世界上可以开发的最大量能源，是取之不竭的无害能源。目前，在利用太阳能进行民用建筑的采暖和空调方面，有太阳能主动式采暖空调和被动式采暖两种形式。所谓被动式采暖就是利用房屋结构本身来完成太阳能的集热、蓄热和放热功能。主要是利用南面或者屋顶的窗户使阳光进入室内，靠室内的蓄热结构来蓄积太阳能，或者直接利用蓄热外墙来完成对太阳能的蓄积。
一、太阳能集热系统
1、新疆太阳能资源
我国按太阳总辐射量划分为五类地区。新疆为一类地区，太阳能资源非常丰富，全年日照时数为2550－3500小时，日照百分率为60％－80％，年辐射总量达5430－6670MJ／m2，年辐射照度总量比我国同纬度地区高10％－15％，比长江中下游地区高15％－25％。居全国第二位，仅次于西藏高原。全年日照大于6小时的天数为250－325天，日照气温高于10℃的天数普遍在150天以上。
2、卫生热水系统
当冬季利用太阳能时，考虑卫生热水的水质不受供热系统二次污染，供热水系统与采暖系统分开运行。为了最大利用太阳能加热低温水，卫生热水集热方式采用变温集热。同时为了保证能供应用户所要求的水温，用电加热器加以调节。在夏季，为了利用闲置的采暖系统集热器产生热水以供生活用，将两系统的热水系统连通。
3、集热器
集热器选用真空管集热器，按冬季最大采暖负荷和卫生热水负荷进行配置。用于采暖和热水系统的太阳能集热器的最佳安装角度为45-60度。
4、贮热水箱
为了防止水蓄热水箱回水与箱内热水混合，使蓄热箱中冷热水自然分层，能最大限度利用太阳能集热水，通过水流散流器从蓄热水箱取水和送水。
二、被动式采暖的别墅建筑设计
1、别墅建筑与其他民用建筑相比有以下特点：别墅建筑面积较小且具独立性。通常别墅建筑为2-3层单元式建筑，单元建筑面积为150-300平方米左右；别墅建筑结构简单，外形富于变化，多样；别墅建筑的太阳照射条件好。别墅建筑与其他住宅或商用建筑相比，建筑高度要低得多，并且别墅周边空间大，在自然光利用方面条件优越。因此，别墅建筑设计时充分考虑太阳照射，并结合冬夏太阳照射角度的特点，合理设计别墅的朝向，窗户形式以及设计合适的太阳能贮热体等。
2、结合上述特点并考虑充分利用太阳能的基础上，在此别墅建筑设计采取如下措施：
1)别墅坐北朝南。有利于冬季太阳照射进入别墅内；
2)南面窗采用双层高大的落地玻璃。以扩大别墅受太阳光照射的面积，同时，使用双层玻璃使得从落地玻璃损失得热量减少，都可以使冬季采暖所需的集热器面积减小；
3)设置天花板混凝土贮热体。由于别墅朝阳房间内地面经常被家具或地毯等物所覆盖，利用地板贮热收到很大的限制，通过漫射玻璃或反射物将太阳照射反射至天花板混凝土；
4)双层玻璃中间设置可调反射帘，能使太阳照射反射至天花顶的混凝土贮热体，可将太阳照射能量储存以供后用。同时还可以使太阳照射深入房间更深处。在夏季通过调整反射帘的角度可使不需要的阳光反射回室外，减少夏季空调冷负荷。
三、主动式别墅太阳能采暖空调系统
1、别墅采暖空调使用特点
由于别墅的建筑面积较小，人均使用建筑面积大，因而制冷空调负荷较小。太阳能取暖与太阳能集热在时间上的交错性。采暖空调的使用时间主要在晚间，而太阳能集热器的集热时间主要在白天。也就是集热与用热处于一天中互补的时间区内。因此，要求有足够的蓄热箱将太阳能集热热水进行蓄热(冷)以供晚间采暖空调。采暖空调舒适性要求较高，并要求提供卫生热水。
2、别墅采暖空调系统分析
从目前大量别墅采暖空调形式上来看，在南方地区起主导地位的还是传统的风冷热泵机组，这种形式具有设备投资少，系统结构简单，操作维护方便等优点。但是，冬季运行制冷系数低，且存在结霜的问题而致使系统无法运行。下面介绍几种适用于别墅的太阳能采暖空调系统。
1)太阳能热泵(直接供暖)系统。
这种系统是将太阳能热泵系统和太阳能直接供暖系统结合起来。当太阳能蓄热水箱的出水温度在35℃以上时，热泵系统关闭，采用太阳能直接供暖系统；当太阳能蓄热水箱的出水温度在10-35℃时，则关闭直接供暖回路，启动热泵机组，利用10-35℃热水为冬季运行的热泵的蒸发器提供热源；同时，空气冷却器不仅作为夏季运行的冷凝器，还可以作为冬季制热正常运行的辅助蒸发器作用。这种系统的最大优点是在充分利用太阳能的同时尽量使系统效率较大。但是由于系统设有直接采暖、太阳能热水热泵采暖和风冷热泵采暖三个回路，系统切换控制较复杂，初投资也较大。另外，夏季制冷机制冷时太阳能集热器处于闲置状态，使用率低。
2)空气式集热器的热泵系统。
这种系统是利用空气式太阳能集热器预热进入蒸发器(冬季运行)的空气，使空气加热至15℃左右以便热泵能正常运行。系统充分利用白天太阳能空气集热器使热泵能制得足够的采暖用热水以供别墅晚间使用。
3)小型吸收式制冷机组。
太阳能吸收式制冷机是利用太阳能集热器制得热水来代替传统用蒸汽或锅炉热水作为制冷机组所需的热源。具有耗电量少，噪声及振动小的优点，但这种吸收式制冷机比电动制冷机构造复杂，特别是小容量的价格较贵。所以，现阶段小型吸收式制冷机在国内外应用都比较少。但随着新材料的开发、制冷技术及太阳能技术的发展，这种形式的成本有望大幅度下降，是很有前景的一个领域。
4)太阳能直接供暖系统。
太阳能供暖系统是由太阳能集热器，蓄热装置，辅助加热器以及末端构成。这种采暖方式系统相对较前都简单，也方便控制，且投资也不大，目前是一种非常经济合理的能源利用形式，并已经得到了较为广泛的应用。但是，这个系统只能解决冬季采暖问题，夏季别墅制冷就无能为力了，必须要有制冷系统与之配合使用。
对以上各系统的分析，综合从各系统的太阳能的利用，产品的供应，初投资，运行的可靠度等方面考虑，本文别墅采暖空调系统采用太阳能直接采暖和风冷热泵机组系统。冬季利用太阳能集热器产生热水送入末端风机盘管采暖；而夏季供冷采用风冷冷水机组的系统，此系统结合了直接采暖系统和风冷热泵系统运行可靠，初投资小，维护简单的优点。
为了最大限度利用太阳能，采用变水温供水的方式，当太阳能集热器出口水温比蓄热箱的水温高3℃并且比室温高时，集热器供水管的水泵开启，当温差为0-5℃时关闭。同时为了保证阴雨天气太阳能无法采暖及热水水温不能满足采暖要求，在风机盘管的风管上加设风管式电加热器。这种系统结构简单，冬夏季系统切换方便。
四、结论
建筑节能和大量别墅的涌现是近年来世界建筑发展的一个方向，也是当代建筑科学技术的一个新的生长点，太阳能是别墅建筑上很具有利用潜力的新能源，有着巨大市场前景。因此，在别墅建筑设计上，如何在满足使用功能和保留独特的建筑风格的基础上，尽最大限度地利用太阳能是建筑设计师深入探讨的课题；在采暖空调领域内，对的各种适用别墅的采暖空调系统进行产品开发，使系统成本大幅度下降，控制系统简单，更能适合用户的操作和维护以成为业内研究者急需解决的问题。
[关键词]别墅工程 太阳能技术
太阳能是最清洁的能源之一，是现今世界上可以开发的最大量能源，是取之不竭的无害能源。目前，在利用太阳能进行民用建筑的采暖和空调方面，有太阳能主动式采暖空调和被动式采暖两种形式。所谓被动式采暖就是利用房屋结构本身来完成太阳能的集热、蓄热和放热功能。主要是利用南面或者屋顶的窗户使阳光进入室内，靠室内的蓄热结构来蓄积太阳能，或者直接利用蓄热外墙来完成对太阳能的蓄积。
一、太阳能集热系统
1、新疆太阳能资源
我国按太阳总辐射量划分为五类地区。新疆为一类地区，太阳能资源非常丰富，全年日照时数为2550－3500小时，日照百分率为60％－80％，年辐射总量达5430－6670MJ／m2，年辐射照度总量比我国同纬度地区高10％－15％，比长江中下游地区高15％－25％。居全国第二位，仅次于西藏高原。全年日照大于6小时的天数为250－325天，日照气温高于10℃的天数普遍在150天以上。
2、卫生热水系统
当冬季利用太阳能时，考虑卫生热水的水质不受供热系统二次污染，供热水系统与采暖系统分开运行。为了最大利用太阳能加热低温水，卫生热水集热方式采用变温集热。同时为了保证能供应用户所要求的水温，用电加热器加以调节。在夏季，为了利用闲置的采暖系统集热器产生热水以供生活用，将两系统的热水系统连通。
3、集热器
集热器选用真空管集热器，按冬季最大采暖负荷和卫生热水负荷进行配置。用于采暖和热水系统的太阳能集热器的最佳安装角度为45-60度。
4、贮热水箱
为了防止水蓄热水箱回水与箱内热水混合，使蓄热箱中冷热水自然分层，能最大限度利用太阳能集热水，通过水流散流器从蓄热水箱取水和送水。
二、被动式采暖的别墅建筑设计
1、别墅建筑与其他民用建筑相比有以下特点：别墅建筑面积较小且具独立性。通常别墅建筑为2-3层单元式建筑，单元建筑面积为150-300平方米左右；别墅建筑结构简单，外形富于变化，多样；别墅建筑的太阳照射条件好。别墅建筑与其他住宅或商用建筑相比，建筑高度要低得多，并且别墅周边空间大，在自然光利用方面条件优越。因此，别墅建筑设计时充分考虑太阳照射，并结合冬夏太阳照射角度的特点，合理设计别墅的朝向，窗户形式以及设计合适的太阳能贮热体等。
2、结合上述特点并考虑充分利用太阳能的基础上，在此别墅建筑设计采取如下措施：
1)别墅坐北朝南。有利于冬季太阳照射进入别墅内；
2)南面窗采用双层高大的落地玻璃。以扩大别墅受太阳光照射的面积，同时，使用双层玻璃使得从落地玻璃损失得热量减少，都可以使冬季采暖所需的集热器面积减小；
3)设置天花板混凝土贮热体。由于别墅朝阳房间内地面经常被家具或地毯等物所覆盖，利用地板贮热收到很大的限制，通过漫射玻璃或反射物将太阳照射反射至天花板混凝土；
4)双层玻璃中间设置可调反射帘，能使太阳照射反射至天花顶的混凝土贮热体，可将太阳照射能量储存以供后用。同时还可以使太阳照射深入房间更深处。在夏季通过调整反射帘的角度可使不需要的阳光反射回室外，减少夏季空调冷负荷。
三、主动式别墅太阳能采暖空调系统
1、别墅采暖空调使用特点
由于别墅的建筑面积较小，人均使用建筑面积大，因而制冷空调负荷较小。太阳能取暖与太阳能集热在时间上的交错性。采暖空调的使用时间主要在晚间，而太阳能集热器的集热时间主要在白天。也就是集热与用热处于一天中互补的时间区内。因此，要求有足够的蓄热箱将太阳能集热热水进行蓄热(冷)以供晚间采暖空调。采暖空调舒适性要求较高，并要求提供卫生热水。
2、别墅采暖空调系统分析
从目前大量别墅采暖空调形式上来看，在南方地区起主导地位的还是传统的风冷热泵机组，这种形式具有设备投资少，系统结构简单，操作维护方便等优点。但是，冬季运行制冷系数低，且存在结霜的问题而致使系统无法运行。下面介绍几种适用于别墅的太阳能采暖空调系统。
1)太阳能热泵(直接供暖)系统。
这种系统是将太阳能热泵系统和太阳能直接供暖系统结合起来。当太阳能蓄热水箱的出水温度在35℃以上时，热泵系统关闭，采用太阳能直接供暖系统；当太阳能蓄热水箱的出水温度在10-35℃时，则关闭直接供暖回路，启动热泵机组，利用10-35℃热水为冬季运行的热泵的蒸发器提供热源；同时，空气冷却器不仅作为夏季运行的冷凝器，还可以作为冬季制热正常运行的辅助蒸发器作用。这种系统的最大优点是在充分利用太阳能的同时尽量使系统效率较大。但是由于系统设有直接采暖、太阳能热水热泵采暖和风冷热泵采暖三个回路，系统切换控制较复杂，初投资也较大。另外，夏季制冷机制冷时太阳能集热器处于闲置状态，使用率低。
2)空气式集热器的热泵系统。
这种系统是利用空气式太阳能集热器预热进入蒸发器(冬季运行)的空气，使空气加热至15℃左右以便热泵能正常运行。系统充分利用白天太阳能空气集热器使热泵能制得足够的采暖用热水以供别墅晚间使用。
3)小型吸收式制冷机组。
太阳能吸收式制冷机是利用太阳能集热器制得热水来代替传统用蒸汽或锅炉热水作为制冷机组所需的热源。具有耗电量少，噪声及振动小的优点，但这种吸收式制冷机比电动制冷机构造复杂，特别是小容量的价格较贵。所以，现阶段小型吸收式制冷机在国内外应用都比较少。但随着新材料的开发、制冷技术及太阳能技术的发展，这种形式的成本有望大幅度下降，是很有前景的一个领域。
4)太阳能直接供暖系统。
太阳能供暖系统是由太阳能集热器，蓄热装置，辅助加热器以及末端构成。这种采暖方式系统相对较前都简单，也方便控制，且投资也不大，目前是一种非常经济合理的能源利用形式，并已经得到了较为广泛的应用。但是，这个系统只能解决冬季采暖问题，夏季别墅制冷就无能为力了，必须要有制冷系统与之配合使用。
对以上各系统的分析，综合从各系统的太阳能的利用，产品的供应，初投资，运行的可靠度等方面考虑，本文别墅采暖空调系统采用太阳能直接采暖和风冷热泵机组系统。冬季利用太阳能集热器产生热水送入末端风机盘管采暖；而夏季供冷采用风冷冷水机组的系统，此系统结合了直接采暖系统和风冷热泵系统运行可靠，初投资小，维护简单的优点。
为了最大限度利用太阳能，采用变水温供水的方式，当太阳能集热器出口水温比蓄热箱的水温高3℃并且比室温高时，集热器供水管的水泵开启，当温差为0-5℃时关闭。同时为了保证阴雨天气太阳能无法采暖及热水水温不能满足采暖要求，在风机盘管的风管上加设风管式电加热器。这种系统结构简单，冬夏季系统切换方便。
四、结论
建筑节能和大量别墅的涌现是近年来世界建筑发展的一个方向，也是当代建筑科学技术的一个新的生长点，太阳能是别墅建筑上很具有利用潜力的新能源，有着巨大市场前景。因此，在别墅建筑设计上，如何在满足使用功能和保留独特的建筑风格的基础上，尽最大限度地利用太阳能是建筑设计师深入探讨的课题；在采暖空调领域内，对的各种适用别墅的采暖空调系统进行产品开发，使系统成本大幅度下降，控制系统简单，更能适合用户的操作和维护以成为业内研究者急需解决的问题。