健康住宅中太陽能利用技術(shù)芻議

楊怡泉,李九宏

(1.河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司,鄭州 450003;2.中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,鄭州 450044)

1.引言

目前,我國建筑物的單位能耗較高,以住宅為例,多層住宅單位能耗為氣候條件相近發(fā)達(dá)國家的 2～5倍,而空調(diào)住宅的能耗為普通住宅能耗的 6～7倍;同時,近幾年我國住宅面積年增長約為 20億m2,到 2020年建筑總面積將達(dá) 500億m2,能源需求劇增。因此倡導(dǎo)健康住宅節(jié)約能源的設(shè)計理念,最大限度地利用太陽能等自然能源,實(shí)現(xiàn)建筑、能源與環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.健康住宅

2.1 健康住宅的概念

《健康住宅建設(shè)技術(shù)要點(diǎn)》[1]突出了健康住宅,不但在居住環(huán)境的居住空間、空氣環(huán)境、聲、光、熱、水、綠化環(huán)境等方面,而且擴(kuò)展到居住區(qū)的社會環(huán)境健康性,包括居住區(qū)社會功能、居住區(qū)心理環(huán)境、公共衛(wèi)生體系、文化教育體系、保健體系、健康保險體系、業(yè)主健康行動、健康物業(yè)管理等方面,并且提出了與社會、技術(shù)以及居民可支付能力等水平相關(guān)的量化技術(shù)指標(biāo)。

2.2 健康住宅的標(biāo)準(zhǔn)

《健康住宅建設(shè)技術(shù)要點(diǎn)》中已經(jīng)定義了健康住宅的標(biāo)準(zhǔn),具體來說,健康住宅最低有以下幾點(diǎn)要求:

(1)會引起過敏癥的化學(xué)物質(zhì)的濃度很低。盡可能不使用易散的化學(xué)物質(zhì)的膠合板、墻體裝修材料等。

(2)設(shè)有換氣性能良好的換氣設(shè)備,能將室內(nèi)污染物質(zhì)排至室外,特別是對高氣密性、高隔熱性來說,必須采用具有風(fēng)管的中央換氣系統(tǒng),進(jìn)行定時換氣。在廚房灶具或吸煙處,要設(shè)局部排氣設(shè)備。

(3)起居室、臥室、廚房、廁所、走廊、浴室等要全年保持在 17℃～27℃之間。

(4)室內(nèi)的濕度全年保持在 40%～70%之間;二氧化碳要低于 1000ppm;懸浮粉塵濃度要低于 0.15mg/m2;噪聲要小于 50(db)分貝。

3.健康住宅太陽能應(yīng)用

3.1 我國的太陽能資源

太陽能是一個取之不盡,用之不竭的能量庫。2000年全世界消耗的總能量也僅占地球每天接收的太陽能量的 2.5%左右。我國太陽能資源十分豐富,約二分之一的國土太陽輻射總量接近或超過 6000MJ/(m2·年),尤其是華北、西北的廣大地區(qū),日照充足,為利用太陽能提供了良好的條件。表 1給出了我國太陽能資源的大致分布情況[2]。

除四川盆地等局部地區(qū)不適宜太陽能利用以外,我國大部分地區(qū)都具有較好的太陽能資源,尤其是西北、西南、華南地區(qū),具有豐富的太陽能資源,這為我國在建筑中充分利用太陽能這種綠色的清潔能源,減少建筑能耗,改善我國能源結(jié)構(gòu),為提高我國可持續(xù)發(fā)展能力提供了資源保證。

3.2 我國太陽能利用現(xiàn)狀

中國蘊(yùn)藏著豐富的太陽能資源,太陽能利用前景廣闊。中國太陽能利用進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用階段的條件已經(jīng)成熟。中國已經(jīng)成為世界上產(chǎn)量最大的太陽能消費(fèi)品生產(chǎn)國,形成了廣闊的農(nóng)村太陽能產(chǎn)品消費(fèi)市場。2002-2008年間,太陽能熱產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,已經(jīng)成為世界太陽能產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展最快的國家之一。2007年,我國光伏電池產(chǎn)量首次超過德國和日本,居世界第一位。

在可再生能源產(chǎn)業(yè)中,太陽能熱水器已成為擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、生產(chǎn)規(guī)模全球最大、普及面最廣的綠色朝陽產(chǎn)業(yè)。太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近三十年的發(fā)展,基本形成較為完整的產(chǎn)業(yè)化體系、市場開發(fā)體系和服務(wù)體系。2008年太陽能熱水器產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到 3100萬平方米,占世界總產(chǎn)量的 76%,總保有量 12300萬平方米,占世界總保有量的 56%;我國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國,也擁有最大的太陽能熱水器消費(fèi)市場。

我國已成為全球第三大光伏產(chǎn)品制造基地。在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)——太陽能電池制造上,我國已基本具備生產(chǎn)設(shè)備整線裝備能力。在目前國產(chǎn)設(shè)備及進(jìn)口設(shè)備的主流建設(shè)方案中, 國產(chǎn)設(shè)備在數(shù)量上已占多數(shù)。

表 1 我國太陽能資源分布表

3.3 健康住宅太陽能利用

為了實(shí)現(xiàn)健康住宅節(jié)約能源的設(shè)計理念,最大限度地利用太陽能等自然能源,實(shí)現(xiàn)建筑、能源與環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展,可以從通風(fēng)結(jié)構(gòu)、熱水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)等幾個方面利用太陽能來滿足健康住宅的具體要求,既營造了健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境,又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.健康住宅中可應(yīng)用的太陽能技術(shù)

4.1 太陽能通風(fēng)結(jié)構(gòu)

太陽能通風(fēng)結(jié)構(gòu)是將太陽能空氣集熱器與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合,從而使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與通風(fēng)、被動式采暖以及被動式冷卻相結(jié)合,在改善室內(nèi)熱環(huán)境方而起到積極的作用。其工作原理是利用太陽輻射能量產(chǎn)生熱壓,誘導(dǎo)空氣流動,將熱能轉(zhuǎn)化為空氣運(yùn)動的動能。太陽能通風(fēng)結(jié)構(gòu)的主要形式包括:太陽能集熱墻體[3]以及太陽能集熱屋面[4]。在太陽輻射的作用下,將會誘導(dǎo)熱壓作用下的自然通風(fēng),從而實(shí)現(xiàn)房間的被動式采暖與降溫。

太陽能集熱墻體的冬季采暖工況:(1)關(guān)閉風(fēng)閥 3和 4,打開風(fēng)閥 1和 2,室內(nèi)空氣自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)采暖;(2)關(guān)閉風(fēng)閥2和 3,打開風(fēng)閥 1和 4,室外空氣自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)采暖。夏季自然通風(fēng)工況:關(guān)閉風(fēng)閥 1和 4,打開風(fēng)閥 2和 3,通過自然通風(fēng)排除室內(nèi)余熱,降低室內(nèi)空氣有害氣體的濃度,實(shí)現(xiàn)換氣功能,保證室內(nèi)空氣的質(zhì)量滿足健康住宅的要求。

4.2 太陽能熱水系統(tǒng)[5]

太陽能熱水系統(tǒng)一般包括太陽能集熱器、儲水箱、循環(huán)泵、電控柜和管道等。太陽能熱水系統(tǒng)按照其運(yùn)行方式可分為四種基本形式:自然循環(huán)式、自然循環(huán)定溫放水式、直流式和強(qiáng)制循環(huán)式(如圖 1所示)。目前在我國家用太陽能熱水器和小型太陽能熱水系統(tǒng)多采用自然循環(huán)式,而大中型太陽能熱水系統(tǒng)多采用強(qiáng)制循環(huán)式或定溫放水式。太陽能熱水與地板采暖復(fù)合系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測試階段,特別值得注意的是,地板采暖要求的水溫為 40℃～45℃,這種形式采暖不僅保證了房間氣候的熱舒適性,而且其單位面積能耗大大下降。通常 1m2太陽能集熱器可以配置 3m2～5m2采暖面積。

圖 1 太陽能熱水系統(tǒng)的四種基本形式

4.3 太陽能采暖系統(tǒng)

圖 2 太陽能空氣采暖系統(tǒng)

太陽能采暖包括以空氣為介質(zhì)的系統(tǒng)和以水為介質(zhì)的系統(tǒng)。如圖 2所示,太陽能空氣采暖系統(tǒng)由空氣集熱器、蓄熱裝置、風(fēng)機(jī)、輔助熱源以及風(fēng)道等組成,與后者相比,它可以避免集熱器的凍結(jié)以及腐蝕等問題,其缺點(diǎn)是風(fēng)機(jī)電耗較高、蓄熱裝置的體積較大、空氣滲漏較嚴(yán)重,集熱效率較低。以水為介質(zhì)的太陽能采暖系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,它的集熱效率比太陽能空氣采暖系統(tǒng)高,通過適當(dāng)增加太陽能集熱器的采光面積,太陽能采暖系統(tǒng)可以和太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)合使用。目前,在十分重視環(huán)境保護(hù)的歐美國家,己經(jīng)建成大批集太陽能熱水和采暖于一體的復(fù)合系統(tǒng)。

4.4 太陽能空調(diào)系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)太陽能空調(diào)有兩條途徑:(1)太陽能光電轉(zhuǎn)換,利用電力制冷;(2)太陽能光熱轉(zhuǎn)換,以熱能制冷。前一種方法成本高,以目前太陽電池的價格來算,在相同制冷功率情況下,造價約為后者的 4～5倍。國際上太陽能空調(diào)的應(yīng)用主要是后一種方法。利用光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的太陽能空調(diào)一般通過太陽能集熱器與除濕裝置、熱泵、吸收式或吸附式制冷機(jī)組相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

(1)太陽能固體除濕空調(diào)系統(tǒng)

干燥劑除濕冷卻系統(tǒng)屬于熱驅(qū)動的開式制冷,一般由干燥劑除濕、空氣冷卻、再生空氣加熱和熱回收等幾類主要設(shè)備組成。其中,干燥劑有固體和液體,固定床和回轉(zhuǎn)床之分;空氣冷卻有水冷、直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻之分;再生用熱源有來自鍋爐、直燃、太陽能等。干燥劑系統(tǒng)與利用閉式制冷機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)相比,具有除濕能力強(qiáng)、有利于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、處理空氣不需再加熱、工作在常壓、適宜于中小規(guī)模太陽能熱利用以及有很大的靈活性等特點(diǎn)。固體轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)已普遍用于連續(xù)除濕的場合,兩股不同的氣流分別流經(jīng)旋轉(zhuǎn)的除濕轉(zhuǎn)輪,處理側(cè)空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時,空氣通過吸附作用而去濕,這并不改變干燥劑的物理性質(zhì);再生側(cè)空氣被加熱后用來再生干燥劑。圖3所示為利用空氣集熱器的的太陽能轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)[8]。

圖 3 太陽能 (空氣)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

(2)太陽能液體除濕空調(diào)系統(tǒng)

太陽能液體除濕空調(diào)系統(tǒng)利用濕空氣與除濕劑中的水蒸汽分壓差來進(jìn)行除濕和再生。它能直接吸收空氣中的水蒸汽,以避免壓縮式空調(diào)系統(tǒng)為了降低空氣濕度,而首先必須將空氣降溫到露點(diǎn)以下,從而造成系統(tǒng)效率的降低。其次,該系統(tǒng)用水做工作流體,消除了對環(huán)境的破壞,而且以太陽能為主要能源,耗電很少。該系統(tǒng)同樣可以單獨(dú)控制處理空氣的溫度和濕度,實(shí)現(xiàn)熱、濕分別處理。在大通風(fēng)量和高濕地區(qū),該系統(tǒng)仍有較高的效率。太陽能液體除濕系統(tǒng)通常采用除濕塔作為除濕部件,利用太陽能集熱器進(jìn)行溶液濃縮,其系統(tǒng)如圖 4所示[6]。液體除濕空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能、清潔、易操作、處理空氣量大、除濕溶液的生溫度低等優(yōu)點(diǎn),很適合以太陽能和其它低濕熱源作為其主要供能,具有較好的發(fā)展前景。

圖 4 太陽能液體除濕系統(tǒng)

(3)太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)

以熱能制冷的多種方式中,以吸收式制冷最為普遍,國際上一般都采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)。圖 5給出了太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的基本原理。

(4)太陽能固體吸附式空調(diào)系統(tǒng)

太陽能固體吸附式制冷是利用吸附制冷原理,以太陽能為熱源,采用的工質(zhì)對通常為活性炭——甲醇、分子篩——水、硅膠——水及氯化鈣——氨等。利用太陽能集熱器將吸附床加熱后用于脫附制冷劑,通過加熱脫附——冷凝——吸附——蒸發(fā)等幾個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)制冷。

圖 5 太陽能吸收空調(diào)系統(tǒng)基本原理

4.5 太陽光照明系統(tǒng)

發(fā)達(dá)國家的建筑能耗占總能耗的 30%～50%,其中照明能耗又占商業(yè)建筑能耗的 30%～60%,我國發(fā)達(dá)地區(qū)的建筑能耗平均占總能耗的 20%～30%,其中照明占建筑能耗的30%左右。

太陽能采光照明系統(tǒng)包括采光、傳光和照明三部分。采光系統(tǒng)分為聚光和非聚光兩種:非聚光采光照明系統(tǒng)通常用平面反光鏡或曲面鏡等光學(xué)系統(tǒng)采光,傳光方式多數(shù)采用空中傳光;聚光采光照明系統(tǒng)用透鏡或定日鏡等光學(xué)系統(tǒng)采光,傳光方式采用導(dǎo)光管或光纖。

目前已有全自動跟蹤太陽的采光裝置[9],主要由采光器、自動跟蹤系統(tǒng)、傳光光纖三大部分組成。其中自動跟蹤系統(tǒng)主要包括太陽光跟蹤傳感器、跟蹤控制電路、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電機(jī)。太陽光跟蹤傳感器探測太陽位置傳遞信號至跟蹤控制電路,控制電路輸出驅(qū)動信號驅(qū)動相應(yīng)電機(jī),通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動采光器轉(zhuǎn)動,從而實(shí)現(xiàn)跟蹤并對正太陽的功能,工作原理如圖 6所示。該裝置采用光電傳感技術(shù),精密地跟蹤太陽,將聚光元件采集到的太陽光經(jīng)傳光光纖傳至室內(nèi)照明,光路傳輸示意如圖 7,太陽 1發(fā)出的光線經(jīng)過聚光元件 2的會聚,經(jīng)過濾光片 3,通過光纖 4傳至彌散燈頭 5后輸出。

圖 6 全自動跟蹤太陽能采光裝置工作原理圖

圖 7 光路傳播示意圖

5.結(jié)束語

太陽能在健康住宅中的使用方式多種多樣,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。由于太陽能具有間歇性的特點(diǎn),而且初期投資一般較高,因此,應(yīng)考慮與常規(guī)能源相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行。同時,為了提高太陽能系統(tǒng)的利用率,將采暖、制冷、熱水供應(yīng)組成統(tǒng)一的系統(tǒng),可以達(dá)到對太陽能集熱系統(tǒng)的全年使用。

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