太陽能在建筑應(yīng)用中的_一體化_.docx

2009 年第 11 期（第 26 卷 總第 153 期）暖 通 空 調(diào)doi：10.3969/j.issn.1673-1093.2009.11.020太陽能在建筑應(yīng)用中的“一體化”黃帝凱，魏曉鋒(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116000)摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源緊缺形勢日益嚴(yán)峻。太陽能作為永不枯竭的綠色能源，其在建筑中的使用，對降低我國 建筑能源消耗、實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能有重要意義。介紹太陽能在建筑中的具體應(yīng)用，就如何更好地利用太陽能提出了“一體 化”戰(zhàn)略。關(guān)鍵詞：太陽能；建筑節(jié)能；一體化中圖分類號：TU831.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C文章編號：1673-1093（2009）11-0055-030引言建筑、能源和環(huán)境是人類社會生存和發(fā)展的 重要基礎(chǔ)。我國城市化進(jìn)程迅猛，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展， 導(dǎo)致能源緊缺形勢日益嚴(yán)峻，能源利用所帶來的 環(huán)境問題日益突出。能源緊張和環(huán)境污染已經(jīng)成 為 制 約 我 國 經(jīng) 濟(jì) 、社 會 、城 市化可持續(xù)發(fā)展的 瓶頸。太陽能是永不枯竭的綠色能源，是21世紀(jì)最 具開發(fā)潛力、最清潔環(huán)保的能源之一。因此，在現(xiàn) 階段我國傳統(tǒng)能源占近70%現(xiàn)狀下，大力發(fā)展太陽 能對降低傳統(tǒng)能源消耗、改善環(huán)境質(zhì)量具有重要 的社會意義；對降低我國建筑能源消耗、實(shí)現(xiàn)建筑 節(jié)能、促進(jìn)建筑-能源-環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具 有重要的現(xiàn)實(shí)意義。不過，太陽能因其自身度局 限，它在建筑中的普及率并不高，連10%都不到而 且基本僅限于光熱領(lǐng)域，并且是光熱領(lǐng)域中的最 末端產(chǎn)品屋頂太陽能熱水器。因此，如何完善太 陽能系統(tǒng)，更好的推廣太陽能在建筑中的使用已 成為各國科學(xué)家、工程師共同關(guān)注的課題。1太陽能在建筑中的應(yīng)用及現(xiàn)狀太陽能在建筑中的應(yīng)用可分為光熱利用和光 電利用兩種。光熱利用主要是用太陽能提供生活 熱水、采暖和制冷。而光電技術(shù)利用則是用太陽能 發(fā)電，為建筑物提供生活用電。介紹光熱和光電技 術(shù)的具體原理及應(yīng)用。1.1光電利用太陽能發(fā)電的主要原理是光生伏打效應(yīng)，即 太陽光照射到光伏電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生 光生電子空穴對，在電池內(nèi)建電場的作用下，光生電子與空穴被分離形成電壓，進(jìn)而發(fā)電。這個過 程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。太陽能光電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用由于成本較 高，在大部分國家都還沒有普及。1.2光熱利用1.2.1太陽能熱水器太陽能熱水器是一種利用太陽輻射通過溫室 效應(yīng)把水加熱的裝置。一般由集熱器、貯熱裝置、 循環(huán)管路、輔助裝置組成。集熱器就是能吸收太陽 輻射并向載熱工質(zhì)傳遞熱量的一種裝置，是太陽 能熱水器的關(guān)鍵部件，其造價(jià)幾乎相當(dāng)于整個熱 水器裝置的二分之一。太陽能熱水器在太陽能光熱轉(zhuǎn)換裝置中，可 用量最大，實(shí)際應(yīng)用最廣。這不僅因?yàn)樗谠O(shè)計(jì)制 造技術(shù)方面比較成熟，而且還有多年的使用經(jīng)驗(yàn)。 太陽能熱水器不僅可以給家庭、機(jī)關(guān)、旅館、醫(yī)院、 學(xué)校提供洗浴用的低溫?zé)崴瑫r(shí)還可以為暖房、 干燥、蒸餾、溫室、制冷、熱動力系統(tǒng)及工農(nóng)業(yè)提供 所需的熱水。1.2.2太陽能供暖太陽能供暖按利用太陽能的方式不同，可分 為被動式系統(tǒng)、主動式系統(tǒng)。不采用專門集熱器、管道和泵等裝置，只是依 靠建筑物的方位、本身構(gòu)造和材料的熱工性能，吸 收和貯存太陽入射熱量，以達(dá)到采暖目的，這樣的 系統(tǒng)叫做被動式太陽能供暖系統(tǒng)，也稱太陽能自 然供暖。主動式則是應(yīng)用太陽能集熱器和其他輔助設(shè) 備，加熱空氣或水，使之達(dá)到供暖要求。2009 年第 11 期 551.2.3太陽能制冷太陽能制冷系統(tǒng)大體可分為三類，即壓縮式 制冷、噴氣式制冷和吸收式制冷。從表面上看，是 以完全不同的作用原理運(yùn)行的，但從熱力學(xué)基本 原理來看，卻幾乎是一樣的，都是利用太陽能集熱 器為制冷機(jī)提供其所需要的熱煤水或蒸汽。太陽能制冷技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于它有很好的 季節(jié)匹配性，天氣越熱，越需要制冷的時(shí)候，太陽 輻射條件越好，太陽能制冷系統(tǒng)的制冷量也越大。 2 太陽能利用“一體化”戰(zhàn)略由于太陽能的利用有其自身的弊端，如：利用 效率低，造價(jià)高，受環(huán)境影響大、不穩(wěn)定，集熱器和 光伏電池板需占用很大面積等。因此，為更好地在 建筑中使用太陽能，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，能滿足人 們的舒適性要求和經(jīng)濟(jì)性需求，太陽能利用“一體 化”無疑是個很好的選擇。2.1太陽能與建筑一體化太陽能與建筑一體化是將太陽能利用設(shè)施與 建筑有機(jī)結(jié)合，利用太陽能集熱器、太陽能電池組 件作為屋面和墻面材料，有效利用建筑物外表面， 無需額外用地或加建其他設(shè)施，既供電節(jié)能，又節(jié) 省了建材，降低了成本。同時(shí)太陽能與建筑一體化 把太陽能的利用納入環(huán)境的總體設(shè)計(jì)，把建筑、技 術(shù)和美學(xué)融為一體，太陽能設(shè)施成為建筑的一部 分，相互間有機(jī)結(jié)合，取代了傳統(tǒng)太陽能的結(jié)構(gòu)所 造成的對建筑的外觀形象的影響。在主動利用太陽能同時(shí)，太陽能與建筑一體 化設(shè)計(jì)中被動利用太陽能的技術(shù)和與相配合的建 筑保溫設(shè)計(jì)也不用忽視。被動技術(shù)的應(yīng)用與良好 的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能大大降低主體建筑的采暖、制 冷、通風(fēng)和采光的能耗，使采暖和制冷的傳統(tǒng)能源 負(fù)荷趨近于零。2.2太陽能系統(tǒng)一體化2.2.1光伏光熱一體化目前太陽能光伏電池板的光電轉(zhuǎn)化效率只有 17%左右，并且轉(zhuǎn)化效率受電池板溫度的高低影響 很大，溫度越高，發(fā)電效率越低。為盡可能使電池 效率保持在較高水平，可以在電池背面敷設(shè)流體 通道帶走熱量以降低電池溫度，這種把太陽能光 伏電池板和太陽能集熱器兩者結(jié)合起來，既能發(fā) 電又能提供熱能的系統(tǒng)即為光伏光熱一體化(PV/ T)系統(tǒng)。56 2009 年第 11 期最新的太陽能光伏熱電板技術(shù)，通過石墨導(dǎo) 熱層可以有效地將電池板的廢熱輸送給毛細(xì)管， 進(jìn)而收集廢熱，因此可同時(shí)提高集熱板的集熱效 率和發(fā)電板的發(fā)電效率。而且毛細(xì)管的利用可以 實(shí)現(xiàn)無動力循環(huán)，解決了在光伏電池板后加冷卻 空氣、冷卻水的放風(fēng)機(jī)或水泵的能耗高的問題。研究表明，光伏光熱一體化系統(tǒng)綜合性能效 率大于60%，比單一熱水系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)效率有顯 著提高。因此，大力發(fā)展光伏光熱一體化系統(tǒng)和新 技術(shù)，對于解決太陽能利用效率低的問題有十分 積極的推動意義。2.2.2供暖和制冷一體化太陽能供暖和制冷一體化系統(tǒng)，可以同時(shí)在 冬季向建筑供暖和在夏季為建筑制冷。被動式太陽能技術(shù)的應(yīng)用可讓建筑自身在冬 季吸收熱能作為供暖的熱源，在夏季把建筑物內(nèi) 的熱量散發(fā)出去，作為調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的冷源，進(jìn)而 達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。而主動式太陽能供暖和制冷都屬于太陽能光 熱利用，其集熱器、貯熱裝置等很多關(guān)鍵部件可以 共用，這在很大程度上降低了太陽能的使用成本。 可以預(yù)想，在不久的將來，太陽能收集、利用效率 將進(jìn)一步提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能熱、電利用的真正 統(tǒng)一，達(dá)到熱、電根據(jù)需求相互平衡，相互補(bǔ)充。 2.3太陽能系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)一體化因?yàn)樘柲苁墉h(huán)境影響很大，而且現(xiàn)階段難 以完全滿足建筑用能的需要。因此實(shí)現(xiàn)太陽能系 統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)一體化是十分重要的。太陽能與傳統(tǒng)能源的結(jié)合(如光伏組件與市政 供電系統(tǒng)并網(wǎng))，在利用太陽能達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果 的同時(shí)，還能最大限度地保證建筑的能源供應(yīng)，是 現(xiàn)階段太陽能與其他能源系統(tǒng)一體化的主要形 式。建筑中還可利用地?zé)崮堋L(fēng)能、生物能等綠色 能源。這些新能源與太陽能優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)能源梯 級利用，如，利用土壤中的熱能對新風(fēng)進(jìn)行冬季預(yù) 熱、夏季預(yù)冷處理。同時(shí)利用建筑智能控制系統(tǒng)， 最大限度地滿足使用要求、最高效地利用能源。太陽能系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)一體化可有效的 緩解太陽能受環(huán)境影響大、不穩(wěn)定等不利因素，同 時(shí)充分發(fā)揮其他新能源的特點(diǎn)，是太陽能使用的 最佳形式。3結(jié)語在我國，完全實(shí)現(xiàn)太陽能大眾應(yīng)用還有很長 的路要走，通過利用太陽能來降低建筑總耗能成 本，實(shí)現(xiàn)建筑生態(tài)化是未來太陽能“一體化”的發(fā) 展趨勢。我們有理由相信，隨著該領(lǐng)域研究的不斷 發(fā)展，節(jié)能方式的不斷完善，如果能真正做到“三 位一體”，即太陽能建筑一體化，太陽能系統(tǒng)一體 化，太陽能與其他能源系統(tǒng)一體化，實(shí)現(xiàn)建造“雙 零建筑”(零能耗、零排放)的目標(biāo)就在不遠(yuǎn)的明天。參考文獻(xiàn)：1項(xiàng)立成，趙玉文，羅運(yùn)俊.太陽能的熱利用M.北京：宇航出版 社，1990.2王其恒.太陽能與建筑一體化的探索與應(yīng)用J.安徽建筑，2009 (3)：45，48.3安文韜，劉彥豐.太陽能光伏光熱建筑一體化系統(tǒng)的研究J.應(yīng) 用能源技術(shù)，2007(11)：33-35. 4200810228051.4發(fā)明專利申請公開說明書.作者簡介：黃帝凱(1987)，男，大連理工大學(xué)。!第六屆 PECC 國際生態(tài)城市建設(shè)博覽會散記在日前召開的第六屆 PECC 國際生態(tài)城市建設(shè)博覽會上，居住區(qū)自動隱形垃圾收集系 統(tǒng)、綠色住宅樓等代表最前沿的綠色環(huán)保新技術(shù)、新產(chǎn)品精彩亮相，為參觀者勾勒出了一幅 生態(tài)宜居、舒適安心的綠色生活圖景。兩棟樓生活垃圾，30 秒收集完成本次展會上，已在中新天津生態(tài)城有所應(yīng)用的國內(nèi)首個“隱形”垃圾收集系統(tǒng)，引起了 參觀者的極大興趣。采用這種當(dāng)前世界最先進(jìn)的垃圾收集系統(tǒng)，居民只需把生活垃圾分類 倒入樓道內(nèi)的回收口，垃圾便通過預(yù)先鋪設(shè)的地下管道，利用真空抽吸原理自動被運(yùn)送到 垃圾收集中心了?！袄占行牡碾娔X系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)用紅外線監(jiān)測各樓道管道口的垃圾數(shù) 量，當(dāng)累積達(dá)一定數(shù)量后，收集中心的風(fēng)機(jī)自動開啟，這時(shí)管道內(nèi)就產(chǎn)生了 2000 帕左右的 負(fù)壓。隨后，在這股強(qiáng)大的空氣動力下，會以每秒 25 米的速度，將垃圾迅速吸附至收集中 心。一般情況下，從風(fēng)機(jī)自動開機(jī)到收集完成兩棟樓、上百戶居民的生活垃圾，只需 30 秒?！?工作人員介紹說。據(jù)了解，未來中新天津生態(tài)城整個區(qū)域內(nèi)的生活垃圾將全部采用該系統(tǒng)進(jìn)行收集。用 隱蔽的地下管網(wǎng)來代替垃圾環(huán)衛(wèi)車輛收集垃圾，可減輕交通負(fù)荷，降低 67%的能源消耗。綠色住宅，每年節(jié)省千元開支太陽能供電、地源熱泵、淺層地能、同層排水、雨水回用在本次展會上，眾多最新研 發(fā)的建筑節(jié)能技術(shù)，令人目不暇接。其中，百余家廠商都展示了各自一整套的綠色住宅解決 方案，大到污水回收、小到玻璃隔熱，居住在這些將節(jié)能環(huán)保理念完美呈現(xiàn)的綠色建筑中， 平均每個家庭每年可節(jié)省開支千元以上。在房屋空間布局上，綠