摘 要：简述了可再生能源房屋的概念、研究和开发可再生能源房屋的重大意义，介绍了可再生能源房屋构造的设计方案及“零能耗调温”的工作原理及其特点，给出了初步试验的结果。
关键词：可再生能源房屋；相变蓄热；体积热指标
中图分类号：TK019 文献标识码：B
文章编号：1671—5292(2005)03—0041—03
Renewable energy house
REN Sheng-yi
1 引言
我国目前正处在经济高速发展阶段，生产用能和生活用能在不断增长，能源短缺问题已经成为经济继续发展的瓶颈。降低建筑能耗是我国实施可持续发展战略所必须解决的重大课题之一。
为了在建筑上尽快地大量采用可再生能源，从2003年起，笔者开始研究试制“可再生能源房屋”，并于2004年10月获得了国家实用新型专利。“可再生能源房屋”利用太阳能、风能、地热能、生物质能等可再生能源和采用相变蓄热技术调节室内的温度。它有利于节约常规能源，减少环境污染，构建人与自然的和谐关系。
2 设计方案和工作原理
可再生能源房间布置在房屋的南侧，辅助房间布置在北侧。
可再生能源房屋的墙体、屋面、地面是由钢板焊接而成的空心密闭体。屋面和四周墙体的双层钢板焊接拉筋，地面的双层钢板是通过角钢焊接的龙骨连接。屋脊上设有膨胀罐，在朝阴面的墙体下部设有出水El；屋面和地面构造内设置循环冷却(加热)管，它的两端分别与冷却(加热)管的进出水口连接；在地面构造内镶嵌有电热缆，电热缆通过密封圈与地面钢板外部相连。有机玻璃、遮阳帘和普通玻璃分别罩在钢结构外侧。在砌筑地基的上面采用聚氨酯作防水层，在防水层上面放置木龙骨，把苯板铺在木龙骨上作保温层。在苯板上面抹一层30 mm厚水泥沙浆，房间主体放置其上。房间两侧面和朝阴面的钢板外表面抹一层30 mm厚的水泥砂浆，在砂浆外侧镶嵌厚度为120 mm的钢丝网架水泥聚苯乙烯夹心板(泰柏板)，并用20 mm厚水泥砂浆抹面。这样的围护结构，既起到保温作用，又可以防止外侧钢板锈蚀。屋顶面和墙体朝阳面的钢板外侧喷涂无光黑漆(α=0．90--0．98)作为太阳能集热板，电热缆与风力发电机相连接。把相变蓄热介质(熔点和凝固点均为28℃的16％氯化钙溶液)从膨胀罐上口灌人壳体内，装满为止。
在冬季需要采暖时，白天拉开保温遮阳帘让阳光直射到太阳能集热板上，太阳辐射能被钢板的黑色表面直接吸收转换成热能，热能通过传导和辐射方式加热壳体内的相变蓄热介质。风力发电机所发的电直接通过电热缆对相变蓄热介质进行加热。当壳体内相变蓄热介质温度达到28℃以上时，已经凝固的六水氯化钙则吸热溶解；同时，氯化钙溶液又把一部分热能传导给壳体内层的钢板，内层的钢板以传导和辐射的方式将热能向室内释放，相变介质温度维持在28℃。当室内温度达到29℃时，风力发电机自控开关会断开，停止加热。到了晚间拉上保温窗帘，当壳体内相变介质温度低于28℃时，六水氯化钙从溶液中析出，放热凝固；风力发电机所发的电直接通过电热缆对相变蓄热介质进行加热，使相变介质温度保持在28℃左右。当遇到连续多日无风、无阳光的极特殊天气，室内温度达不到16℃时，还可以用燃烧生物质能的小锅炉对相变蓄热介质进行加热，确保室温在16-26 ℃ 。
在夏季需要降温时，拉上保温遮阳帘，阻止阳光照射到太阳能集热板上。打开屋顶有机玻璃与钢板之间的排气口，并通过由风力发电机带动的水泵将地下井水抽人到冷却(加热)系统。冷却(加热)系统以热交换方式降低相变蓄热介质及室内温度，再将冷却系统中的水回罐到水井中，与大地进行热交换。如果壳体内相变介质温度低于28 ℃时，六水氯化钙从溶液中析出，放热凝固；如果室内温度升高到28℃时，已经凝固的六水氯化钙则吸热溶解。这样，就能有效地保证房间处于合适的温度。
3 采暖热负荷概算方法
为了测试可再生能源房屋的热工性能，首先制作了可再生能源房屋的试验屋。它的外围轮廓尺寸：长2.2 m，宽1.2m，前面高2.8 m，后面高3.1m，外轮廓体积为7.4 m3。构成壳体的钢板之间的净距离为100 mm，壳体内的容积为2.2 m3；试验屋室内空间体积为5.13m3。
按下式对试验屋采暖设计热负荷进行概算：
Q=qvV(tn-tw)A (1)
式中：Q——试验屋采暖热负荷，W；
qv——体积热指标，W／(m3·℃)；
V——建筑物外轮廓体积，m3；
tn——样板屋采暖设计的室内温度，℃；
tw——样板屋采暖设计的室外温度；
A——样板屋热负荷调整系数。
试验屋体积热指标qv的大小，主要与样板屋的围护结构及外形有关。样板屋围护结构热传导系数越大、外部建筑体积越大、建筑物的长宽比越大，单位体积的热指标值qv也越大。因此，从建筑物的围护结构及其外形方面考虑，降低Qv值是建筑节能的主要途径，也是降低系统供热设计热负荷的主要途径。
根据已知条件：样板屋外轮廓体积V=7.4 m3，室内设计温度tn=16℃ ，室外设计温度tw = —25℃ 。令体积热指标qv=0.93 W／(m3·℃)，A值可取0．95(样板屋的采暖体积热指标Qv和热负荷调整系数A，可通过试验屋实测数据进行统计归纳整理得出)。采用公式(1)计算出试验屋采暖热负荷Q为268 W。由此可以概算出试验屋连续数天的总失热量。为使试验房间持续达到在所要求温度下的热平衡，而不使用化石能源，则在该时间段就需要启动太阳能集热器和风力发电机，并利用相变介质储存的能量向系统供热。
4 试验结果与分析
试验屋的太阳能集热器有效采光面积为5.6m2，风力发电机的功率为1 kW。试验从2004年11月1日开始。首先向壳体内注入1 711 kg自来水，然后缓慢地将789 kg六水氯化钙加入到壳体内的水中，即可得到浓度为16％的氯化钙溶液。打开样板屋的门向室外放热(因为六水氯化钙溶解放热非常多)，当室温降低到28℃时把门关闭，样板屋开始试运行。试验结果如表1。
表1 试验数据记录表
| 气候资料及室温 | 测试时间（月/日） | |||||||||
| 11/01 | 11/10 | 11/20 | 11/30 | 12/10 | 12/20 | 12/30 | 1/10 | 1/20 | 1/30 | |
| 天气情况 | 阴 | 小雨 | 少云 | 少云 | 少云 | 少云 | 阴 | 少云 | 少云 | 少云 |
| 风力（级） | 4～5 | 5～6 | 5～6 | 3～4 | 4～5 | 5～6 | 4～5 | 4～5 | 5～6 | 4～5 |
| 气温（℃） | 5～14 | 4～12 | 0～9 | －2～9 | －4～6 | －12～－4 | －14～－5 | －13～－4 | －14～－6 | －15～－7 |
| 室内气温（℃） | 27 | 27 | 26 | 26 | 26 | 26 | 26 | 25 | 26 | 25 |
试验结果表明：试验期间试验屋的室温普遍偏高，这是因为风力发电机功率过大，相变介质熔点和凝固点偏高，试验屋的室内空间体积太小等因素所致。
解决上述问题的办法：①使太阳能集热器、风力发电机和相变介质蓄热所能提供的热量与房屋在连续数日的恶劣天气(一般为5天)的时间段内的失热量相当，进而确定与之相匹配的太阳能集热器的采光面积和风力发电机的功率。②选择熔点和凝固点适中的相变材料作为储能介质(如熔点为24℃的石蜡或熔点为20℃丙三醇等)，这样不仅能使其室内温度适宜人们居住，而且还会对可再生能源房屋的壳体材料起到防锈蚀的保护作用o
5 结论
可再生能源房屋利用了清洁的可再生能源，无污染物排放，可以改善居住者的居住条件，还能作为别墅、度假村房屋、工程用房等。随着经济的持续发展，将会有越来越多的城市富裕者到郊外购买或建造周围环境清新、居住舒适的单体别墅型住宅，同时将有越来越多的农村富裕者建造宽敞舒适的别墅型农用住宅。可再生能源房屋与砖木混凝土结构的别墅型住宅造价相当，其外观造型又十分美观＼协调、别致，且与自然友好。它会逐渐被人们所认识、所接受，其开发的前景十分诱人。
