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摘 要：基于一种选择性太阳能隧道（SST）的设计原理，利用冬夏太阳高度的角的差异，实现对太阳能的选择性吸收，将该光学元件与建筑相结合，完成一种新型的SST太阳能空调房的设计，其中三面墙用彩钢板，南墙采用SST墙搭建了一间简易新型空调房，通过对冬夏两季室内温度测量数据检验分析后，得出该新型太阳能房已达到冬暖夏凉的效果。
关键词：SST；太阳能空调房；冬暖夏凉
引言
太阳能是一种可再生的清洁能源，在二十一世纪能源危机的时代，太阳能无疑成为社会能源领域关注的焦点，而建筑耗能又占据能源总消耗的一半以上，故节能建筑对太阳能的利用日益受到各国的重视。美国作为第一经济大国，太阳能建筑发展极为迅速；日本，世界主要能源消耗大国，太阳能利用也比较普遍；欧洲各国对太阳能的开发利用技术也不断的推陈出新；同样中国也不甘落后，很多科研机构及新能源行业都在不断地寻找太阳能利用新技术，其中中国矿业大学提出了一种新型的太阳能利用技术[1]，即太阳光选择性吸收隧道，能够与建筑相结合，从而实现建筑冬暖夏凉的效果，在太阳能建筑领域又是一个很大的突破。
1 现有太阳房技术
根据太阳房设计标准，现有的太阳能利用建筑可分为被动式太阳房和主动式太阳房，简要介绍这两种太阳房的特点，及新型太阳空调房的提出。
1.1被动式太阳房
被动式太阳房种类很多，从利用太阳能的方式，可将其分成如下几类[2]。直接受益式，太阳光通过透光材料直接进入室内进行采暖；集热墙式，主要利用南向垂直集热墙，吸收穿过玻璃采光面的阳光，通过传导、辐射、对流将热量送入室内；附加阳光间式，将阳光间附建在南墙，中间用一堵墙，带门窗，把房子与阳光隔开；组合式，将以上两种或多种基本类型被动式太阳房组合而成的采暖系统。
被动式是一种经济有效利用太阳能采暖的建筑，其结构较为简单易造，但是其太阳能利用效率较低，房间舒适度差，且夏季容易导致房间温度过高，增加空调热负荷，整体节能效果不是特别显著。
1.2主动式太阳房
随着科学技术飞发展，被动式采暖已不能满足人们对居住环境的要求，太阳能建筑逐渐由被動式向主动式发展[3]，主动式太阳能建筑是由太阳能集热器、蓄热水箱、泵、散热器、控制器等组成的采暖系统或与吸收式制冷组成的太阳能空调系统的建筑，维护结构具有良好的保温隔热性能。
一般主动式采暖房有两个循环回路：采暖回路，包括蓄热水箱、散热器、辅助热源、电动阀等部件；生活用水回路，包括热水交换器、预热水箱、辅助加热水箱、泵等部件。，主动式太阳房系统比较复杂，且系统设计在全年都有效则非常不经济，该采暖系统只能由太阳能提供一部分。必要时还要用其他燃料作为辅助热源，整个系统下来成本比较高，且阴雨天气集热效率严重下降等缺点，在我国长期未能得到推广。
2 新型太阳能空调房
基于被动式及主动式太阳房的优缺点，本文提出了一种新型的太阳能利用新型空调房的设计。文献[1]中作者论述了一种选择性太阳光隧道的概念，即SST（Selective Solar Tunnel）。那么采用这一光学原理可以实现太阳光隧道与建筑的一体化结合，设计出新型的冬暖夏凉的空调房间，来满足人们的生活环境要求。
2.1新型太阳房设计原理
简单介绍SST选择性吸收的原理：设计一种光学元件，其构造为抛物面型，根据冬夏两季的太阳高度角不同，来确定SST结构的接受半角。详细结构图及原理介绍参考文献[1]中所述。SST剖视图及实物图如图1所示，其中SST模型实物采用镀锌硬质塑料模具加工而成，制作程序简易，重复性强，成本较低。现还处于实验制作阶段，若能大面积推广，该结构还可以设计成板型SST面板材料，直接当成建材用于太阳能空调房的建筑。
SST光线反射原理如图2所示，其中 θi代表入射光线，θ为SST设计是所定的接受半角。D1为入射光线的进口口径，D2为是吸收体口径，L是SST的长度。
当太阳光入射角θi等于临界角θ时，SST
a)SST剖视图 b)SST实物图
1-透明盖板；2-反射体；3-吸热板；4-保温空气
图1 SST模型结构图
Fig.1 the structure of selective solar tunnel
(a) θi=θ (b) θi＜θ (c) θ＞θ
图2 SST光线反射原理图
Fig.2 the light reflection curve of the SST
将光线汇集至焦点F；当θi小于θ时，入射光线将直射到或被反射板反射后到达SST的吸收板；当θi大于θ时，入射光线在第一次反射后将到达焦点F的上方，最终将返回SST的开口而不能到达吸收板上。冬季太阳高度角 θi较小，其光线发射图为（b）图所示，太阳光辐射大部分可被吸收板吸收，用来加热空气夹层中的空气，与室内空气进行对流换热，实现冬季采暖空调。利用同一地区冬夏太阳高度角的差异，夏季太阳高度角θi较大，其光线发射图为（c）图所示，将较多的太阳光辐射发射出去，避免夏季南墙过度升温。
由于该SST光学元件独特的光学原理，可将其与建筑外墙相结合，形成一种新型的太阳光隧道空调墙板。基于此，中国矿业大学热能工程实验室设计加工出了SST外墙板实物，如图3所示；基于SST外墙板搭建的空调房如4所示。
图3 SST外墙板实物 图4新型空调房实物图
Fig.3 the structure of SST wall Fig.4 a house with SST wall
2.2太阳房冬暖夏凉实现原理
新型空调房南外墙截面图5所示，外墙共由3层组成，最外层为SST墙板，中间为空气夹层，内层为普通墙板，内层上下部都设有通风口，便于与室内空气进行热交换，外层上部设有通风口，用于夏季与外部通风产生对流。 图5 南外墙截面图
Fig.5 the cross section of the south wall
a)冬季白天运行流程 b)夏季白天运行流程
图6 新型空调房冬暖夏凉实现原理图
Fig.6 the operation theory of the SST house
冬季，图6a所示，白天内层上下通风口打开，外层通风口关闭，太阳高度角低，经特殊光学设计的SST允许光线进入，由SST内部的集热板将光线中的太阳辐射能转化为热能，加热空气夹层中的空气，热气流上升，由内层上通风口流入室内，与室内空气进行热交换，此时，室内冷空气由内层下通风口进入空气夹层，再次被加热，从而形成热量循环系统，不断地将太阳辐射能转化为室内空气热能，从而实现冬季室内采暖的功效。晚上，外层上通风口关闭，减少热量散失。空气夹层又是一种良好的保温层。同时SST内部的隧道结构可以削弱其内部封闭气体的对流，防止热量向外界的散失，从而构成一个良好的太阳能集热器结构。
夏季，图6b所示，内层上通风口关闭，下通风口打开，外层上通风口打开，太阳高度角高，SST可以将直射的太阳光反射出隧道，吸热板不接受太阳的直射辐射，因此可以显著地防止建筑升温。同时，室内空气可由内层下通风口和外层上通风口形成气流通风，带走室内一部分热量。在夏季SST还可以很大程度上隔绝建筑物内部和外界的传热，实现建筑节能。
3 新型太阳房节能效果分析
由上述SST太陽房的结构及原理，可以发现该新型太阳能利用方式与先前的被动式、主动式太阳房有着很大的优势，如表1所示。
为了对该新型空调房进行太阳能利用情况分析，拟采用3×3×2.5普通房间与SST太阳房冬夏冷热负荷比较，采用天正暖通软件对冷热负荷进行详细计算：夏季主要考虑减少的白天太阳辐射热负荷及夜间室外热量的传递；冬季主要考虑吸收的太阳辐射能及夜间减少的热量散失。最后得出图7所示的节能效果比较图表。
表1 三种太阳房建筑性能比较
Table 1 the compared results of the three kind of methods
图 7 普通砖墙与SST墙冷热负荷比较
Fig.7 the analysis result of heat load from two different south walls
由图7可见夏季节省冷负荷：34.2%，冬季节省热负荷：59.8%。由此可见其在建筑节能方面效果还是显而易见的，综合效益还是比较明显。
4 结语
（1）该文基于SST设计原理，提出一种新型太阳能利用空调房的设计方案，其结构简单，成本低，无需复杂的维护，集热效率高，有普遍推广的可能性。
（2）按照理论设计建造一间SST房，详细介绍了该新型空调房实现冬暖夏凉效果的工作原理，简单易懂，也便于广大人们接受。
该技术目前还处于实验研究阶段，理论技术已经比较成熟，但应用到实际生活到大面积的推广使用还是有一定的距离。SST结构参数优化及与建筑最佳结合方式还需要进一步的研究，本文实验所建造的新型空调房结构设计及涂层选择参考的是论文[4]中的理论研究数据，其达到了一定的效果，是否是最佳效果还需进一步的优化和设计。
参考文献
[1]Chen Ning, Selective solar tunnel-concept and experiment. [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010，31（4）：442-445.
[2]Li Bao Qun, The summary of solar energy used in buildings.[J]. The journal of Shanxi Jianzhu，2007，33（27）：14-16
[3]周燕. 主动式太阳房的应用技术[J]. 能源工程，2003（2）：16-19
[4]肖东. 选择性太阳能隧道的设计[J]. 能源技术与管理，2008（3）：110-111.
关键词：SST；太阳能空调房；冬暖夏凉
引言
太阳能是一种可再生的清洁能源，在二十一世纪能源危机的时代，太阳能无疑成为社会能源领域关注的焦点，而建筑耗能又占据能源总消耗的一半以上，故节能建筑对太阳能的利用日益受到各国的重视。美国作为第一经济大国，太阳能建筑发展极为迅速；日本，世界主要能源消耗大国，太阳能利用也比较普遍；欧洲各国对太阳能的开发利用技术也不断的推陈出新；同样中国也不甘落后，很多科研机构及新能源行业都在不断地寻找太阳能利用新技术，其中中国矿业大学提出了一种新型的太阳能利用技术[1]，即太阳光选择性吸收隧道，能够与建筑相结合，从而实现建筑冬暖夏凉的效果，在太阳能建筑领域又是一个很大的突破。
1 现有太阳房技术
根据太阳房设计标准，现有的太阳能利用建筑可分为被动式太阳房和主动式太阳房，简要介绍这两种太阳房的特点，及新型太阳空调房的提出。
1.1被动式太阳房
被动式太阳房种类很多，从利用太阳能的方式，可将其分成如下几类[2]。直接受益式，太阳光通过透光材料直接进入室内进行采暖；集热墙式，主要利用南向垂直集热墙，吸收穿过玻璃采光面的阳光，通过传导、辐射、对流将热量送入室内；附加阳光间式，将阳光间附建在南墙，中间用一堵墙，带门窗，把房子与阳光隔开；组合式，将以上两种或多种基本类型被动式太阳房组合而成的采暖系统。
被动式是一种经济有效利用太阳能采暖的建筑，其结构较为简单易造，但是其太阳能利用效率较低，房间舒适度差，且夏季容易导致房间温度过高，增加空调热负荷，整体节能效果不是特别显著。
1.2主动式太阳房
随着科学技术飞发展，被动式采暖已不能满足人们对居住环境的要求，太阳能建筑逐渐由被動式向主动式发展[3]，主动式太阳能建筑是由太阳能集热器、蓄热水箱、泵、散热器、控制器等组成的采暖系统或与吸收式制冷组成的太阳能空调系统的建筑，维护结构具有良好的保温隔热性能。
一般主动式采暖房有两个循环回路：采暖回路，包括蓄热水箱、散热器、辅助热源、电动阀等部件；生活用水回路，包括热水交换器、预热水箱、辅助加热水箱、泵等部件。，主动式太阳房系统比较复杂，且系统设计在全年都有效则非常不经济，该采暖系统只能由太阳能提供一部分。必要时还要用其他燃料作为辅助热源，整个系统下来成本比较高，且阴雨天气集热效率严重下降等缺点，在我国长期未能得到推广。
2 新型太阳能空调房
基于被动式及主动式太阳房的优缺点，本文提出了一种新型的太阳能利用新型空调房的设计。文献[1]中作者论述了一种选择性太阳光隧道的概念，即SST（Selective Solar Tunnel）。那么采用这一光学原理可以实现太阳光隧道与建筑的一体化结合，设计出新型的冬暖夏凉的空调房间，来满足人们的生活环境要求。
2.1新型太阳房设计原理
简单介绍SST选择性吸收的原理：设计一种光学元件，其构造为抛物面型，根据冬夏两季的太阳高度角不同，来确定SST结构的接受半角。详细结构图及原理介绍参考文献[1]中所述。SST剖视图及实物图如图1所示，其中SST模型实物采用镀锌硬质塑料模具加工而成，制作程序简易，重复性强，成本较低。现还处于实验制作阶段，若能大面积推广，该结构还可以设计成板型SST面板材料，直接当成建材用于太阳能空调房的建筑。
SST光线反射原理如图2所示，其中 θi代表入射光线，θ为SST设计是所定的接受半角。D1为入射光线的进口口径，D2为是吸收体口径，L是SST的长度。
当太阳光入射角θi等于临界角θ时，SST
a)SST剖视图 b)SST实物图
1-透明盖板；2-反射体；3-吸热板；4-保温空气
图1 SST模型结构图
Fig.1 the structure of selective solar tunnel
(a) θi=θ (b) θi＜θ (c) θ＞θ
图2 SST光线反射原理图
Fig.2 the light reflection curve of the SST
将光线汇集至焦点F；当θi小于θ时，入射光线将直射到或被反射板反射后到达SST的吸收板；当θi大于θ时，入射光线在第一次反射后将到达焦点F的上方，最终将返回SST的开口而不能到达吸收板上。冬季太阳高度角 θi较小，其光线发射图为（b）图所示，太阳光辐射大部分可被吸收板吸收，用来加热空气夹层中的空气，与室内空气进行对流换热，实现冬季采暖空调。利用同一地区冬夏太阳高度角的差异，夏季太阳高度角θi较大，其光线发射图为（c）图所示，将较多的太阳光辐射发射出去，避免夏季南墙过度升温。
由于该SST光学元件独特的光学原理，可将其与建筑外墙相结合，形成一种新型的太阳光隧道空调墙板。基于此，中国矿业大学热能工程实验室设计加工出了SST外墙板实物，如图3所示；基于SST外墙板搭建的空调房如4所示。
图3 SST外墙板实物 图4新型空调房实物图
Fig.3 the structure of SST wall Fig.4 a house with SST wall
2.2太阳房冬暖夏凉实现原理
新型空调房南外墙截面图5所示，外墙共由3层组成，最外层为SST墙板，中间为空气夹层，内层为普通墙板，内层上下部都设有通风口，便于与室内空气进行热交换，外层上部设有通风口，用于夏季与外部通风产生对流。 图5 南外墙截面图
Fig.5 the cross section of the south wall
a)冬季白天运行流程 b)夏季白天运行流程
图6 新型空调房冬暖夏凉实现原理图
Fig.6 the operation theory of the SST house
冬季，图6a所示，白天内层上下通风口打开，外层通风口关闭，太阳高度角低，经特殊光学设计的SST允许光线进入，由SST内部的集热板将光线中的太阳辐射能转化为热能，加热空气夹层中的空气，热气流上升，由内层上通风口流入室内，与室内空气进行热交换，此时，室内冷空气由内层下通风口进入空气夹层，再次被加热，从而形成热量循环系统，不断地将太阳辐射能转化为室内空气热能，从而实现冬季室内采暖的功效。晚上，外层上通风口关闭，减少热量散失。空气夹层又是一种良好的保温层。同时SST内部的隧道结构可以削弱其内部封闭气体的对流，防止热量向外界的散失，从而构成一个良好的太阳能集热器结构。
夏季，图6b所示，内层上通风口关闭，下通风口打开，外层上通风口打开，太阳高度角高，SST可以将直射的太阳光反射出隧道，吸热板不接受太阳的直射辐射，因此可以显著地防止建筑升温。同时，室内空气可由内层下通风口和外层上通风口形成气流通风，带走室内一部分热量。在夏季SST还可以很大程度上隔绝建筑物内部和外界的传热，实现建筑节能。
3 新型太阳房节能效果分析
由上述SST太陽房的结构及原理，可以发现该新型太阳能利用方式与先前的被动式、主动式太阳房有着很大的优势，如表1所示。
为了对该新型空调房进行太阳能利用情况分析，拟采用3×3×2.5普通房间与SST太阳房冬夏冷热负荷比较，采用天正暖通软件对冷热负荷进行详细计算：夏季主要考虑减少的白天太阳辐射热负荷及夜间室外热量的传递；冬季主要考虑吸收的太阳辐射能及夜间减少的热量散失。最后得出图7所示的节能效果比较图表。
表1 三种太阳房建筑性能比较
Table 1 the compared results of the three kind of methods
图 7 普通砖墙与SST墙冷热负荷比较
Fig.7 the analysis result of heat load from two different south walls
由图7可见夏季节省冷负荷：34.2%，冬季节省热负荷：59.8%。由此可见其在建筑节能方面效果还是显而易见的，综合效益还是比较明显。
4 结语
（1）该文基于SST设计原理，提出一种新型太阳能利用空调房的设计方案，其结构简单，成本低，无需复杂的维护，集热效率高，有普遍推广的可能性。
（2）按照理论设计建造一间SST房，详细介绍了该新型空调房实现冬暖夏凉效果的工作原理，简单易懂，也便于广大人们接受。
该技术目前还处于实验研究阶段，理论技术已经比较成熟，但应用到实际生活到大面积的推广使用还是有一定的距离。SST结构参数优化及与建筑最佳结合方式还需要进一步的研究，本文实验所建造的新型空调房结构设计及涂层选择参考的是论文[4]中的理论研究数据，其达到了一定的效果，是否是最佳效果还需进一步的优化和设计。
参考文献
[1]Chen Ning, Selective solar tunnel-concept and experiment. [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010，31（4）：442-445.
[2]Li Bao Qun, The summary of solar energy used in buildings.[J]. The journal of Shanxi Jianzhu，2007，33（27）：14-16
[3]周燕. 主动式太阳房的应用技术[J]. 能源工程，2003（2）：16-19
[4]肖东. 选择性太阳能隧道的设计[J]. 能源技术与管理，2008（3）：110-111.