太陽(yáng)能一體化建筑及基本構(gòu)件及系統(tǒng)方法

1、太陽(yáng)能一體化建筑的基本構(gòu)件及系統(tǒng)方法 魏 濤今天，節(jié)能減排成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)從而使得太陽(yáng)能與建筑的一體化是其中的一個(gè)課題之一。目前該課題主要以幕墻以及屋面為太陽(yáng)能光伏和光熱應(yīng)用形式的主體，而太陽(yáng)能熱水器（管式、平板式）則主要體現(xiàn)在與陽(yáng)臺(tái)、屋頂平面的結(jié)合上。由于存在安裝質(zhì)量以及太陽(yáng)能熱水器使用壽命問(wèn)題（812年）存在危及公眾安全和使用成本較高同時(shí)在寒冷地區(qū)熱水器本身存在冬季凍裂等問(wèn)題。因而，使之應(yīng)用受到限制。由于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光熱解決方案均把關(guān)注點(diǎn)放在小而全的太陽(yáng)能熱水器上，而忽略了建筑墻體事實(shí)上數(shù)倍于屋面的集熱效應(yīng)。事實(shí)上小而全的太陽(yáng)能熱水器一直企圖與建筑物構(gòu)成一個(gè)一體化的系統(tǒng)但是由于其本身致命

2、的弱點(diǎn)而無(wú)法取得突破，因此以將一個(gè)建筑物或者一系列相鄰建筑物為整體的系統(tǒng)的太陽(yáng)能光熱解決方案應(yīng)該成為尋求能夠與建筑物壽命相當(dāng)、降低建筑物建造成本和使用成本的技術(shù)的主要趨勢(shì)并帶動(dòng)太陽(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展的正確選擇。太陽(yáng)能一體化建筑的基本構(gòu)件在研究現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱水器的技術(shù)理念和解決方案的基礎(chǔ)上，本人提出了一個(gè)打破傳統(tǒng)的思路解決太陽(yáng)能光熱（光伏）與建筑一體化的問(wèn)題：1、以屋面、陽(yáng)面墻體結(jié)合輕型壁式集熱器（氣體熱媒，首選氮?dú)狻＃橹黧w形成大面積的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)并將相對(duì)高溫的氣體通過(guò)管道、集箱等構(gòu)件聯(lián)通輸送至氣源熱泵；2、氣源熱泵將相對(duì)高溫的氣體轉(zhuǎn)換為熱水(冬季可以提供暖風(fēng))等形式的能源；3、可以以小區(qū)或連片

3、住宅為集熱系統(tǒng)構(gòu)成較大功率的低溫發(fā)電系統(tǒng)解決區(qū)域熱電需求；4、輕型集熱器也可為薄膜光伏發(fā)電組件替換（只是將連接的管子變?yōu)殡娐芳纯桑纬商?yáng)能建筑光伏一體化解決方案。本發(fā)明將提供主導(dǎo)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光熱構(gòu)件與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合使建筑物屋頂以及全部墻面成為利用太陽(yáng)能光熱資源的集熱器并形成閉合的熱循環(huán)系統(tǒng)為用戶(hù)提供所需要的熱能或者轉(zhuǎn)化為其他形式的能源，同時(shí)基于工業(yè)化生產(chǎn)和氣體熱媒（氮?dú)猓┑膽?yīng)用避免了太陽(yáng)能集熱器冬季凍裂以及腐蝕等問(wèn)題從而確保該系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的運(yùn)行，另一方面該系統(tǒng)的工業(yè)化生產(chǎn)的太陽(yáng)能集熱器（或者光伏組件）本身可替代部分建筑外墻同時(shí)具備保溫、裝飾功能，為用戶(hù)及社會(huì)最大化創(chuàng)造價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容：本發(fā)明

4、基于電站鍋爐基本結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能光熱技術(shù)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出以由集箱、壁式集熱器、連接管、（氣源）熱泵等基本構(gòu)件以導(dǎo)熱工質(zhì)（氣體、首選氮?dú)猓獨(dú)饩哂休^好的導(dǎo)熱性能為大氣主要成分方便制備，另外氮?dú)馐嵌栊詺怏w與金屬的集熱器、連接管、集箱、熱泵等接觸具有保護(hù)氣體功能。）為媒介組成太陽(yáng)能光熱一體化建筑供熱系統(tǒng)，向用戶(hù)提供熱水或其他形式的能源。本發(fā)明涉及的光熱一體化構(gòu)件包括以下基本構(gòu)件：由無(wú)縫鋼管根據(jù)建筑物特征并以壓力容器標(biāo)準(zhǔn)為專(zhuān)業(yè)工廠制造的集箱分上、下，結(jié)構(gòu)相同反向使用：主要功能為匯集、分配導(dǎo)熱工質(zhì)至集熱器，該構(gòu)件必須具備長(zhǎng)期使用的功能在建筑物建造時(shí)分三部分預(yù)埋在0.00米層和頂層的建筑物框架梁中。集箱

5、為兩端封閉出、入口為大口徑管（以氮?dú)鉃閷?dǎo)熱工質(zhì)的系統(tǒng)熱泵設(shè)置在頂層，以水為導(dǎo)熱工質(zhì)的系統(tǒng)熱泵設(shè)置在底層），另一面為以建筑物墻面為基礎(chǔ)的分配小口徑管組成。集箱與集熱器之間的連接為焊接并作防腐以及其他防護(hù)以確保在建筑壽命期內(nèi)的可靠使用。壁式集熱器為系統(tǒng)核心部件，按照平板式太陽(yáng)能熱水器的原理簡(jiǎn)化，剔除制造成本較高的傳熱導(dǎo)管并由專(zhuān)業(yè)制造廠以容器標(biāo)準(zhǔn)制造，主要改進(jìn)有以下內(nèi)容：以一定厚度的具有良好吸熱以及熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異的金屬或非金屬材料面板（最佳性能比材料為鋁合金表面鍍藍(lán)膜，即太陽(yáng)選擇性吸收涂層的板材，由于目前制造的藍(lán)膜為平板太陽(yáng)能熱水器的主要吸熱材料，其厚度在0.12mm0.4mm對(duì)于直接用作面板在強(qiáng)度

6、上存在問(wèn)題，因此技術(shù)上應(yīng)該需要厚度大于1mm以上的鋁合金藍(lán)膜板材；非金屬材料以石墨基材或者泥炭基材為基礎(chǔ)具有與鋁材類(lèi)似熱學(xué)性能。）并與其他為保溫絕熱復(fù)合材料構(gòu)成的中空扁平壓力容器（厚度原則上不超過(guò)6cm并符合建筑模數(shù),在減少相應(yīng)的墻體厚度的基礎(chǔ)上作為墻體外部裝飾包括保溫墻面降低建筑造價(jià)）、上下設(shè)導(dǎo)管方便與導(dǎo)管通過(guò)焊接連接，制造時(shí)單個(gè)集熱器需要在一定壓力下按壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣密壓試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)于光伏系統(tǒng)，集熱器表面以光伏組件并連接一體即可構(gòu)成立體化的光伏系統(tǒng)。建造時(shí)壁式集熱器在垂直方向由連接管串聯(lián)，在水平方向與集箱并聯(lián)構(gòu)成以墻面為主體的太陽(yáng)能集熱點(diǎn)陣（附圖一）。其中：2、3為上下集箱，4為壁式集熱器

7、。適當(dāng)根據(jù)建筑物特點(diǎn)增加剛性梁以確保集熱器的穩(wěn)定性并配合太陽(yáng)能屋面結(jié)構(gòu)使整個(gè)建筑成為一個(gè)太陽(yáng)能吸熱（如果是光伏系統(tǒng)，使用的是太陽(yáng)能薄膜光伏組件，實(shí)際上也有降低表面溫度并提供光伏效率等問(wèn)題，本系統(tǒng)的氮?dú)庵挥锌刂屏髁考纯捎行У慕鉀Q這一問(wèn)題）并利用的綜合體。壁式集熱器實(shí)際上是一個(gè)類(lèi)似于黑體的空腔以導(dǎo)熱性能優(yōu)良的吸熱材料制造能夠使充斥其間的氣體在控制流量的前提下成為較高溫度的流體將吸收的熱量帶走實(shí)現(xiàn)利用光熱的目的。壁式集熱器在只是光熱系統(tǒng)情況下可以為單獨(dú)的設(shè)備單元在建筑物墻體構(gòu)成中的一部分，也可以墻體在表面處理后作為底面與有良好導(dǎo)熱性能的面板建造為中空的夾層溝通連接管使整個(gè)墻體成為氣墻（主要應(yīng)用于舊建

8、筑的改造方面）相關(guān)形式和要求是多樣化的（比如非金屬吸熱材料制造）以適應(yīng)不同市場(chǎng)或?qū)ΜF(xiàn)有建筑改造的要求。 對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，壁式集熱器仍然具有應(yīng)用前景只有將集熱面板改為光伏組件為插接方便金屬邊框設(shè)計(jì)為插槽然后加以密封即可構(gòu)成單個(gè)太陽(yáng)能光伏組件，而其中的氣體仍然可以將余熱帶走從而保證了光伏組件的正常運(yùn)行并避免陽(yáng)光下由于高溫造成的太陽(yáng)能光伏組件自燃等問(wèn)題而高溫氣體即為熱泵提供有效的廉價(jià)能源。連接管為溝通壁式集熱器形成分部串、并聯(lián)的整體，選用壓力管道在原材料方面與集箱和壁式集熱器管道同質(zhì)以具備良好的焊接性能。管道口徑大于壁式集熱器以便能夠方便插接并與集熱器焊接，焊接后應(yīng)作檢漏和密閉性試驗(yàn)以確保相關(guān)

9、系統(tǒng)的正常運(yùn)行。熱泵（空氣能熱泵熱水器），選用成熟的氣源熱泵設(shè)備選型根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量、傳熱和熱交換等要求進(jìn)行，由于采用氮?dú)猓ɑ蛘呓?jīng)過(guò)處理的空氣，主要去除水蒸氣）作為氣體熱媒因而在實(shí)際上提高了熱泵的使用壽命，當(dāng)然如果以功率后的空氣在系統(tǒng)中循環(huán)也可達(dá)到類(lèi)似的效果而且運(yùn)行成本還可進(jìn)一步降低。太陽(yáng)能建筑一體化系統(tǒng)的構(gòu)成 基于上述基本構(gòu)件我們可以下面的基本步驟和方法構(gòu)建太陽(yáng)能與建筑一體化的系統(tǒng)：1）首先根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將外墻陽(yáng)面分為3部分并確定集箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制造集箱；2）根據(jù)建筑物墻體結(jié)構(gòu)尺寸確定壁式集熱器結(jié)構(gòu)及其主要性能設(shè)計(jì)并制造壁式集熱器；3）根據(jù)實(shí)際單體建筑物或小區(qū)布局以及基于熱傳導(dǎo)和相關(guān)

10、設(shè)備的選型設(shè)計(jì)并按照以下系統(tǒng)框圖構(gòu)建組成太陽(yáng)能光熱一體化建筑應(yīng)用系統(tǒng)(附圖一) 其中：1為導(dǎo)熱工質(zhì)箱；2、3為集箱；4為壁式集熱器；5、為熱泵 系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)：1）集箱和連接管的安裝可以與建筑結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行，預(yù)埋在結(jié)構(gòu)梁中或者預(yù)埋連接件以固定；2）壁式集熱器與連接管采用焊接方式連接并作防腐處理對(duì)于較大面積的集熱器可以增加相應(yīng)的固定裝置；3）外露的部件防腐應(yīng)與建筑外觀色調(diào)協(xié)調(diào)；4）原則上空氣能熱泵設(shè)置在屋頂；5）建筑外觀設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能基本構(gòu)件應(yīng)該協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 在太陽(yáng)能光熱應(yīng)用方面本系統(tǒng)能通過(guò)較大面積的集熱器所形成較高溫度的氣體輸入空氣能熱水器可以有效的提高其效能，使其應(yīng)用達(dá)到最大化。另一方面

11、，對(duì)于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)壁式集熱器即為光伏組件也極大的增加了光伏電池的面積并解決了其與建筑物一體化的問(wèn)題，當(dāng)然考慮到各地區(qū)陽(yáng)光照射角度以及建筑物的方位等問(wèn)題不可能陽(yáng)面墻體均可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能一體化的。系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：1、打破傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)模式，以建筑物屋面、墻體（陽(yáng)面）為集熱器較大的增加太陽(yáng)能集熱面積；2、以輕型吸熱材料制造的空腔容器作為集熱器，氣體為熱媒并與建筑物墻面一體化從而解決了太陽(yáng)能熱水器在安裝、使用中安全以及冬季破裂等問(wèn)題；3、以氣體為熱媒為熱泵提供較高溫度的氣體從而得到廉價(jià)的熱水或其他形式的能源，其集中生產(chǎn)熱水的方式便于管理和控制；4、氣體（首選氮?dú)猓┳鳛闊崦綉?yīng)用，其優(yōu)越的熱物理特性以

12、及惰性氣體確保了系統(tǒng)具有長(zhǎng)壽命周期的特性。5、壁式集熱器（或者光伏組件）在建造中可以替代建筑外部裝飾、保溫等項(xiàng)目施工，從而降低施工造價(jià)和建造成本達(dá)到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的最大化。應(yīng)用實(shí)施的具體方法 本發(fā)明的具體實(shí)施可以包括以下三個(gè)方面，分別針對(duì)新建建筑、舊建筑改造以及工業(yè)化集成房屋和工業(yè)廠房提出實(shí)施的思路對(duì)于新建建筑：首先根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將外墻陽(yáng)面分為3部分并確定集箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制造集箱；2）根據(jù)建筑物陽(yáng)面外墻墻體結(jié)構(gòu)尺寸確定壁式集熱器（光伏組件）結(jié)構(gòu)及其主要性能設(shè)計(jì)并制造壁式集熱器、連接管；3）根據(jù)實(shí)際單體建筑物或小區(qū)布局以及基于熱傳導(dǎo)和相關(guān)設(shè)備的選型，設(shè)計(jì)并制造、采購(gòu)熱泵（空氣能熱泵熱水器）；4）根據(jù)建筑物建造實(shí)際進(jìn)度預(yù)埋連接管以及相關(guān)固定件、安裝集箱及集熱器并進(jìn)行相關(guān)氣密型實(shí)驗(yàn)，連接管道形成太陽(yáng)能光熱建筑應(yīng)用系統(tǒng)。對(duì)于舊建筑改造：應(yīng)以外墻面為集熱器或者光伏組件的容器內(nèi)面，在結(jié)構(gòu)梁上采取植筋方式固定輕型材料制造的面板為確保長(zhǎng)期安全使用應(yīng)該考慮一定距離增加剛性梁固定；通過(guò)相關(guān)措施可以在陽(yáng)面墻體形成局部氣墻式集熱器系統(tǒng)并將產(chǎn)生的較高溫度的氣體引入熱泵完成保溫、太陽(yáng)能一體化應(yīng)用改造。對(duì)于工業(yè)化集成房屋和工業(yè)廠房：根據(jù)結(jié)構(gòu)特性可以較為方便地在陽(yáng)面或者整個(gè)墻面以增加厚度和減少夾層等形式構(gòu)成實(shí)際上的密閉空間，配合管道等連接形成貫通的氣體通路。從而使氣體能夠方