第十章 太陽(yáng)能利用

第10章：

太陽(yáng)能利用

太陽(yáng)能雖然和我們?nèi)粘Ｉ铍x得很近，在生活中應(yīng)用的比較普遍，但是，太陽(yáng)能的應(yīng)用上，并不是占主導(dǎo)位置。這取決于太陽(yáng)能的利用率是比較低的，我們采用普通的方法在太陽(yáng)能中所獲得的能量比較小，達(dá)不到人類在生活中對(duì)能量的需求。所以到目前為止，太陽(yáng)能作為能源技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用還是比較少的。

太陽(yáng)能利用技術(shù)太陽(yáng)能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式●優(yōu)點(diǎn)：(1)普遍：太陽(yáng)光普照大地，沒(méi)有地域的限制無(wú)論陸地或海洋，無(wú)論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開(kāi)發(fā)和利用，且無(wú)須開(kāi)采和運(yùn)輸。

(2)無(wú)害：開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能不會(huì)污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。

(3)巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)輻射能約相當(dāng)于130萬(wàn)億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開(kāi)發(fā)的最大能源。

(4)長(zhǎng)久：根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是用之不竭的。

太陽(yáng)能利用技術(shù)

●缺點(diǎn)

(1)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及氣候因素的影響，到達(dá)某一地面的太陽(yáng)輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。，但目前蓄能也是太陽(yáng)能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。

(2)效率低和成本高：目前太陽(yáng)能利用裝置，因?yàn)樾势停杀据^高，總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。在今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，太陽(yáng)能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。

太陽(yáng)能利用技術(shù)

太陽(yáng)能與建筑一體化是將太陽(yáng)能利用設(shè)施與建筑有機(jī)結(jié)合，利用太陽(yáng)能集熱器替代屋頂覆蓋層或替代屋頂保溫層，既消除了太陽(yáng)能對(duì)建筑物形象的影響，又避免了重復(fù)投資，降低了成本。太陽(yáng)能與建筑一體化是未來(lái)太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的方向。太陽(yáng)能與建筑一體化技術(shù)的特點(diǎn)：

1.把太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能的結(jié)構(gòu)所造成的對(duì)建筑的外觀形象的影響；

2.利用太陽(yáng)能設(shè)施完全取代或部分取代屋頂覆蓋層，可減少成本，提高效益；

3.可用于平屋頂或斜屋頂，一般對(duì)平屋頂而言用覆蓋式，對(duì)斜屋頂用鑲嵌式

太陽(yáng)能與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)適用對(duì)象：

1、適用于城建較嚴(yán)格，要求安裝規(guī)范、美觀、不損害市容市貌的單位、集體、小區(qū)等。

2、適用于在建筑設(shè)計(jì)之處，就將太陽(yáng)能作為建筑的一部分考慮在內(nèi)，與建筑一同設(shè)計(jì)。

3、適用于各種形式的建筑，例如：住宅小區(qū)、高層樓群、別墅等等。

4、單臺(tái)集體購(gòu)買統(tǒng)一安裝，該種形式主要適合于新建住宅小區(qū)和舊房改造。

近年來(lái)，我國(guó)應(yīng)用太陽(yáng)能采暖發(fā)展迅速，節(jié)能效果明顯。在建筑物的能耗結(jié)構(gòu)中，其中75％的能源用于建筑采暖和熱水供應(yīng)。將太陽(yáng)能利用與建筑節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，可以降低能源消耗，減少環(huán)境污染，是建筑節(jié)能的一個(gè)重要途徑。建筑中利用太陽(yáng)能的方式大致分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式太陽(yáng)能是指不借助風(fēng)扇、泵和復(fù)雜的控制系統(tǒng)而對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行收集、儲(chǔ)藏和再分配的系統(tǒng)。這種功能建立在對(duì)建筑設(shè)計(jì)的綜合研究之上，那些建筑的基本要素，如窗、墻、樓板等都盡可能地負(fù)擔(dān)著各種不同的功能。例如，墻不僅起支撐屋頂和圍護(hù)的作用，還負(fù)擔(dān)著熱能的儲(chǔ)存和釋放作用。每一個(gè)被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)至少要有兩個(gè)構(gòu)成要素：朝南的玻璃采集器和通常由砌塊、巖石或水等保溫材料組成的能量?jī)?chǔ)存構(gòu)件。根據(jù)這兩個(gè)要素之間的關(guān)系，被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)主要的幾種形式有：直接獲取系統(tǒng)、圖洛姆(Trombe)保溫墻、太陽(yáng)室、屋頂水池、現(xiàn)代園藝溫室等。

1.直接獲取系統(tǒng)

在直接獲取系統(tǒng)中，每個(gè)朝南的窗戶都是一個(gè)直接獲取太陽(yáng)能的系統(tǒng)，而其他朝向的窗戶在冬季所喪失的熱量比其獲取的熱量要多。在直接獲取系統(tǒng)中，溫室效應(yīng)能夠起到一個(gè)熱調(diào)節(jié)閥的作用，它使太陽(yáng)的短波輻射進(jìn)入，同時(shí)又阻止了熱量的喪失。建筑內(nèi)部的保溫材料能夠吸收這些熱量，同時(shí)可以防止白天室內(nèi)溫度過(guò)高，而夜晚則將儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)，如果設(shè)計(jì)合理，保溫墻散發(fā)的熱量將能夠使房間在整個(gè)夜晚感覺(jué)非常舒適。因此，保溫材料的面積和南向玻璃面積之比在直接獲取系統(tǒng)中是非常關(guān)鍵的。被動(dòng)式太陽(yáng)能的種類被動(dòng)式太陽(yáng)能的種類2.水墻式

將朝陽(yáng)墻面做成裝水的墻體，墻外設(shè)玻璃幕墻，兩者之間留出空氣隔層。在冬季的白天，陽(yáng)光把水墻加熱後向室內(nèi)散熱﹔夜晚關(guān)閉活動(dòng)的隔熱保溫板，使已蓄熱的水墻能保證室內(nèi)熱量不致散失。夏季還可利用水墻作為隔熱墻之用，防止輻射熱入室。水墻太陽(yáng)能房示意圖關(guān)于水墻的尺寸，顏色及材料的選擇：

1.尺寸：一般水墻的容積可按太陽(yáng)房的窗的玻璃面積乘以30cm左右來(lái)進(jìn)行估算。

2.顏色：水墻容器表面的顏色以黑色最好，藍(lán)色和紅色容器的吸熱能力比黑色容器分別少5%---9%。

3.材料一般可用金屬和玻璃鋼制成。容器表面常做成螺紋的圓柱體，以增加剛度。水幕太陽(yáng)能墻:擺脫對(duì)空調(diào)的依賴

畫面左側(cè)為設(shè)置了循環(huán)流水系統(tǒng)的玻璃外墻，右側(cè)為太陽(yáng)能外墻，墻上鋪滿鮮花和綠植

世博園阿爾薩斯案例館的水幕玻璃

位于浦西世博園“城市最佳實(shí)踐區(qū)”一角的阿爾薩斯案例館，被青枝綠葉覆蓋著，但這棟建筑最新奇的不是綠墻，而是“水幕太陽(yáng)能墻”?！皦w”包括三個(gè)層面，外層為太陽(yáng)能電板和第一層玻璃，中間層為密閉艙，第三層為水幕玻璃。水幕太陽(yáng)能墻向世人展示了一種建筑本身具有的氣候調(diào)節(jié)機(jī)制，尤其適用于冬冷夏熱的地區(qū)。阿爾薩斯案例的原型是法國(guó)阿爾薩斯布克斯韋爾中學(xué)的太陽(yáng)墻，在當(dāng)?shù)刂饕獞?yīng)用于冬季供暖。但考慮到上海夏季高溫潮濕的氣候特點(diǎn)，這一走進(jìn)“城市最佳實(shí)踐區(qū)”的案例又增添了夏季功能。太陽(yáng)能水幕墻夏天運(yùn)行時(shí)，密閉艙會(huì)打開(kāi)。密閉艙中的空氣和沿著立面往下流的水幕相連，加上太陽(yáng)能墻產(chǎn)生的陰影，起到給建筑降溫的效果。利用太陽(yáng)能水幕墻的原理，可以在夏季有效降低室內(nèi)溫度，在冬季補(bǔ)充室內(nèi)溫度，極大地降低對(duì)空調(diào)的依賴。常規(guī)空調(diào)是不是不夠綠色環(huán)保？能否讓建筑具有自動(dòng)調(diào)溫功能？在2010年上海世博會(huì)上，來(lái)自法國(guó)阿爾薩斯的案例給出了一個(gè)肯定的答案。被動(dòng)式太陽(yáng)能的種類3.蓄熱墻式

將朝陽(yáng)墻面做成厚重實(shí)墻，外涂黑色，外層設(shè)玻璃幕墻，兩者之間留出空氣隔層。實(shí)墻上留出適當(dāng)?shù)牟晒饷娣e，上、下留洞口。白天室內(nèi)的冷空氣通過(guò)下部洞口，進(jìn)入空氣隔層受熱上升，經(jīng)由上部洞口進(jìn)入室內(nèi)，如此形成對(duì)流循環(huán)，室內(nèi)溫度即可不斷提高。夜間將洞口關(guān)閉，并下簾幕，使室內(nèi)熱量不致散失。夏季開(kāi)啟厚墻和玻璃幕墻上的小窗，可通風(fēng)降溫。圖洛姆(Trombe)保溫墻系統(tǒng)

圖洛姆保溫墻系統(tǒng)是將保溫墻置于南向玻璃窗內(nèi)側(cè)。由于它是由法國(guó)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室主任FelixTrombe教授研制成功的，因此又常常稱它為Trombewall(圖洛姆墻)，當(dāng)圖洛姆墻應(yīng)用于建筑物向室外排風(fēng)時(shí)，也稱它為太陽(yáng)能煙囪。其原理均是在朝南向陽(yáng)墻的外表面涂以深色選擇性涂層，并在離墻外表面10cm左右處裝上玻璃或透明塑料薄片以形成空氣間層，利用溫室效應(yīng)原理加熱夾層空氣，從而產(chǎn)生熱壓來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)。冬季可以通過(guò)打開(kāi)集熱墻上、下兩個(gè)通風(fēng)口形成循環(huán)對(duì)流來(lái)對(duì)室內(nèi)空氣加熱，當(dāng)需要新鮮空氣或室外氣溫比較合適時(shí)，也可打開(kāi)玻璃下面的進(jìn)風(fēng)口、關(guān)閉集熱墻下面的風(fēng)口來(lái)對(duì)室外新鮮空氣先加熱后再流入室內(nèi)。夏季，則只打開(kāi)玻璃上風(fēng)口與集熱墻下風(fēng)口，利用夾層空氣的熱壓流動(dòng)來(lái)預(yù)防室內(nèi)過(guò)熱，同時(shí)帶走室內(nèi)的部分余熱。

同時(shí)，由于圖洛姆保溫墻很厚，通常為12英寸左右，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，熱量到晚上才能傳到墻體的內(nèi)表面。如果有足夠的保溫材料，整個(gè)晚上圖洛姆保溫墻體都能起到散熱器的作用。一般說(shuō)來(lái)，僅在需要太陽(yáng)熱量而不需要太陽(yáng)光的情況下才選擇圖洛姆保溫墻這種方式。因?yàn)檫@種情況很少出現(xiàn)，所以圖洛姆保溫墻多與直接采暖方式結(jié)合使用。4.太陽(yáng)室（附加日光間）太陽(yáng)室是一種為建筑物主體采暖而設(shè)計(jì)的房間，其用途猶如第二起居室。這種概念源自18世紀(jì)～19世紀(jì)流行的“暖房”。今天太陽(yáng)室常被人們稱為“日光浴室”。

因?yàn)樘?yáng)室隔熱及遮陽(yáng)的效果差，所以不能加熱或制冷。機(jī)械采暖和制冷需要太多的能量，而太陽(yáng)室則是損失能量快于獲取能量。它存在溫度變化幅度過(guò)大的問(wèn)題，當(dāng)溫度達(dá)到最高時(shí)，太陽(yáng)室將暫時(shí)不能使用。因此，一個(gè)好的太陽(yáng)室設(shè)計(jì)應(yīng)使其在一年中可以有較多的時(shí)間令人感到舒適。被動(dòng)式太陽(yáng)能的種類附加陽(yáng)光間除最好能在墻面全部設(shè)置玻璃外，還應(yīng)在毗連主房坡頂部分加設(shè)傾斜的玻璃。這樣做可以大大增加集熱量，但傾斜部分的玻璃擦洗比較困難。另外，當(dāng)夏季時(shí)，如無(wú)適當(dāng)?shù)母魺岽胧?，?yáng)光間內(nèi)的氣溫往往將變得過(guò)高。當(dāng)冬季時(shí)，由于玻璃墻的保溫能力非常差，如無(wú)適當(dāng)?shù)母郊颖卦O(shè)施，則日落后的室內(nèi)氣溫將會(huì)大幅度地下降。以上這些問(wèn)題，必須在設(shè)計(jì)之前充分考慮，并應(yīng)提出解決這些問(wèn)題的具體措施。附加陽(yáng)光間有以下優(yōu)點(diǎn)：①有附加陽(yáng)光間的年度熱損失只相當(dāng)于無(wú)該陽(yáng)光間的年度熱損失的一半；②附加陽(yáng)光間的管理比特朗伯墻簡(jiǎn)單；③可以種花卉、果樹(shù)，成為毗連種植溫室，同時(shí)還可曬衣物；④開(kāi)闊視野，舒暢心情；⑤夏季可開(kāi)創(chuàng)通風(fēng)，并設(shè)窗簾等遮陽(yáng)物，防止直射熱。被動(dòng)式太陽(yáng)能的種類5.屋頂水池式在屋頂上用透明材料做成水袋或水池，上蓋活動(dòng)式隔熱保溫板。在冬季的白天，將保溫板拉開(kāi)，太陽(yáng)將水加熱，夜間關(guān)閉保溫板。水有較大的熱容，可持續(xù)向室內(nèi)散熱。夏季的白天大部分陽(yáng)光被保溫板所反射，其馀被水吸收，水袋或水池起隔熱作用﹔夜間打開(kāi)保溫板，使之散熱、降溫。被動(dòng)式太陽(yáng)房發(fā)展中存在的問(wèn)題(l)整體上缺乏太陽(yáng)能行業(yè)與建筑行業(yè)的相互配合當(dāng)前，太陽(yáng)能與建筑相結(jié)合已成為太陽(yáng)能界和建筑界互動(dòng)的新潮，但如何在建筑這個(gè)載體上更加合理充分的利用太陽(yáng)能資源，使太陽(yáng)能產(chǎn)品能夠規(guī)范地與建筑相結(jié)合，已成為業(yè)內(nèi)人士探討的話題和需要研究的課題。由于整體上缺乏太陽(yáng)能行業(yè)與建筑行業(yè)的相互配合，太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能光伏發(fā)電置于建筑物之上，增加了建筑的負(fù)荷和造價(jià)，使太陽(yáng)能技術(shù)孤立于建筑功能、結(jié)構(gòu)、美學(xué)等因素之外，影響了太陽(yáng)能建筑一體化的進(jìn)程。（2）集熱構(gòu)件的工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；粍?dòng)式太陽(yáng)能集熱墻的推廣利用已經(jīng)歷了近三十年的發(fā)展歷程，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但也存在很多問(wèn)題，集熱標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)一直沒(méi)有被突破，是影響太陽(yáng)能建筑推廣的主要原因;（3）太陽(yáng)房新型建筑材料尚待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型建筑材料的研究與發(fā)展制約了太陽(yáng)房的推廣。目前我國(guó)建材市場(chǎng)上較少看到非常適合太陽(yáng)能建筑的新型保溫、儲(chǔ)熱等水平高又價(jià)格低廉的建筑材料。構(gòu)件的工廠化、（4）太陽(yáng)能建筑施工及施工質(zhì)量問(wèn)題太陽(yáng)能建筑施工相對(duì)比較復(fù)雜，施工質(zhì)量的好壞嚴(yán)重影響它的集熱效果，也因此影響了它的推廣利用。（5）政策扶持力度不夠政策扶持力度不夠，沒(méi)有一個(gè)獎(jiǎng)懲分明的有效政策，雖然媒體等積極推廣宣傳，但太陽(yáng)能建筑的一次性投入成本相對(duì)較高，國(guó)家財(cái)政應(yīng)采取相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)措施，通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段的介入，提高建設(shè)單位推廣使用太陽(yáng)能建筑的熱情和積極性。主動(dòng)式太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)早期最廣泛的太陽(yáng)能應(yīng)用即用于將水加熱，現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬(wàn)太陽(yáng)能熱水裝置。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要元件包括收集器、儲(chǔ)存裝置及循環(huán)管路三部分。此外，可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應(yīng)無(wú)日照時(shí)使用，另外尚可能有強(qiáng)制循環(huán)用的水，以控制水位或控制電動(dòng)部份或溫度的裝置以及接到負(fù)載的管路等。太陽(yáng)熱水器太陽(yáng)熱水器于1920年代即流行于美國(guó)的西南部地區(qū)。隨著石油和電力價(jià)格的上升，更有效率的“太陽(yáng)能熱水器”和“太陽(yáng)能熱暖器”亦隨之產(chǎn)生。在澳洲、日本、以色列、和前蘇聯(lián)于1970年代就已是普遍的使用。于美國(guó)北部，每平方公尺的太陽(yáng)能熱接收器，每六個(gè)月可節(jié)省30.5公升的熱氣用的汽油，或是215千瓦小時(shí)的電力。太陽(yáng)能熱水器太陽(yáng)能熱水器通常由平板集熱器、蓄熱水箱和連接管道組成。按照流體流動(dòng)的方式分類，可將太陽(yáng)能熱水器分成三大類：悶曬式、直流式和循環(huán)式。太陽(yáng)能熱水器悶曬式。其特點(diǎn)是水在集熱器中不流動(dòng)，悶在其中受熱升溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)水升溫到一定值時(shí)即可放水使用。直流式。由集熱器、蓄熱水箱和相應(yīng)的管道組成。水在其中不循環(huán)，一般水的流量比較小。循環(huán)式。這是應(yīng)用最廣泛的熱水器。又分為自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán)。

太陽(yáng)能采暖太陽(yáng)能采暖可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。主動(dòng)式是利用太陽(yáng)能集熱器和相應(yīng)的蓄熱裝置作為熱源來(lái)代替常規(guī)熱水（或熱風(fēng)）采暖系統(tǒng)中的鍋爐。被動(dòng)式則是依靠建筑物結(jié)構(gòu)本身充分利用太陽(yáng)能來(lái)達(dá)到采暖的目的，因此它又稱為被動(dòng)式太陽(yáng)房。

太陽(yáng)能熱水器安裝位置最佳朝向是正南，偏差允許在±10度以內(nèi)，有利于集熱器表面上的太陽(yáng)輻射度。熱水設(shè)備多安裝在屋頂上，不受建筑物和樹(shù)木遮擋，并盡可能選擇避風(fēng)處或采取防風(fēng)措施。集熱器和建筑物要連接牢固。多排集熱器前后布置時(shí)，前后間距可按照集熱器安裝高度0.85倍考慮。安裝位置也可在南向陽(yáng)臺(tái)或南墻面。這樣安裝，優(yōu)點(diǎn)是：維修方便。缺點(diǎn)是：管道遠(yuǎn)離廚房、衛(wèi)生間，必須穿越整個(gè)居室；集熱器大小受限制；集熱器易受上層跌落物影響；低層住戶采光受擋。太陽(yáng)能熱水器安裝位置