太陽能技術(shù)在建筑中的應用及思考

張龍瑞

（國防科技大學校務部，湖南 長沙 410073）

太陽能技術(shù)在建筑中的應用及思考

張龍瑞

（國防科技大學校務部，湖南 長沙 410073）

對太陽能技術(shù)在建筑中的應用方式進行了歸納，分析了太陽能建筑發(fā)展中存在的問題，在此基礎(chǔ)上討論了太陽能建筑的應用發(fā)展方向。

太陽能技術(shù)；供暖；制冷

隨著常規(guī)能源的日益緊張以及環(huán)保的呼聲愈來愈強，可再生能源的重要性凸顯，受到了各國的關(guān)注和扶持。太陽能是永不枯竭的清潔能源，有著礦物能源不可比擬的優(yōu)越性。我國的太陽能資源豐富，60%以上的地區(qū)具有豐富的太陽輻照量，年日照時數(shù)可達2200 h。尤其是華北和西北地區(qū)，日照充足，為利用太陽能提供了很好的基礎(chǔ)條件。開發(fā)和利用太陽能，既是近期急需的能源補充，又是低碳、環(huán)保的要求。將太陽能應用于建筑物，會獲得很好的節(jié)能和環(huán)保效益。

1 太陽能供暖

1.1 被動式太陽能供暖

這種方式無需其他輔助能源，通過合理布置建筑方位和恰當處理建筑構(gòu)件，即可利用太陽能實現(xiàn)建筑節(jié)能。其優(yōu)點是造價較低，節(jié)能效果顯著，是目前世界上推廣太陽能技術(shù)的主要做法。典型的被動式太陽房，是直接利用照射到建筑內(nèi)部的太陽能，太陽能在白天以光能的形式照射到起儲熱作用的內(nèi)墻和地板上，晚上墻和地板內(nèi)存儲的熱量又被釋放出來。

還有間接利用圍護結(jié)構(gòu)表面所吸收的太陽能加熱室內(nèi)空氣，使讓太陽光通過玻璃透射到重質(zhì)墻體涂黑的吸熱表面，提高墻表面溫度，使墻體蓄熱。冬季，室內(nèi)需要供熱時，玻璃和墻體之間的熱空氣，經(jīng)自然對流送入房間，而室內(nèi)冷空氣通過墻下通風口進入玻璃和墻體間的夾層被加熱，自然循環(huán)。太陽落山后，則可利用重質(zhì)墻體所存儲的熱量，繼續(xù)放熱。大大減少了單位面積的采暖負荷，節(jié)省了供暖能耗。

1.2 主動式太陽能供暖

這種方式用電作為輔助能源[1]，驅(qū)動被太陽能加熱的水，在管道中循環(huán)流動以供熱,包含太陽能集熱器、風機、水泵、散熱器和儲熱器等。隨著太陽能集熱器產(chǎn)品的迅速發(fā)展，尤其是熱管式真空管（見圖1）太陽能集熱器的出現(xiàn)，其工作溫度高、承壓能力大、耐冷熱沖擊和抗冰雹等優(yōu)點，使主動式太陽能采暖系統(tǒng)，逐漸應用于人民生活。

通過雙回路強制循環(huán)系統(tǒng)，還可以解決凍結(jié)問題，這種系統(tǒng)多用于高緯度區(qū)域。在儲熱水箱中，設(shè)計與太陽能集熱器連接的換熱器，由集熱器、換熱器及循環(huán)水泵組成第一回路，在該回路中灌注防凍液，并暴露于室外。由熱水箱、散熱器及相應水管路組成第二回路，置于室內(nèi)，被加熱的水在水箱內(nèi)通過換熱器盤管進行間接加熱。

圖1 熱管式真空管

燃油鍋爐和電加熱器的應用，彌補了太陽能供給功率與供熱負荷需求的時間差異。此外，地板采暖也在發(fā)達國家得到了廣泛應用。地板輻射采暖的供水溫度低于60℃，室內(nèi)地表溫度可達25℃，具有舒適、隔音、清潔衛(wèi)生和安全可靠等優(yōu)點。該系統(tǒng)供水溫度與太陽能集熱器出口的水溫接近，也成為節(jié)能采暖發(fā)展的方向之一。

2 太陽能制冷

2.1 太陽能吸收式制冷機

這種方式應用性強，是目前應用太陽能制冷最成功的方式之一[2]。吸收式制冷機在較低熱源溫度下運行，制冷效率較高，有助于小型化。目前用作太陽能空調(diào)機的，絕大部分都是溴化鋰（H2O+LiBr）吸收式制冷機，有較小型的采用無溶液泵的自然循環(huán)式制冷機。

另一類吸收式制冷機是氨吸收式(NH3+H2O)制冷機，其優(yōu)點是能夠制取低溫（低于0℃）、溶液不結(jié)晶等優(yōu)點。因此有可能用氨-水吸收式制冷機做成冰箱、冷庫的制冷機。另外，由于系統(tǒng)不需要真空操作運行，能將集熱器直接當作發(fā)生器用，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行，缺點是系統(tǒng)不宜設(shè)置在室內(nèi),以防氨泄漏產(chǎn)生危害。

圖2 吸收式制冷系統(tǒng)的組成部件

2.2 太陽能集熱器與吸收式制冷機的結(jié)合系統(tǒng)

該系統(tǒng)也叫太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、儲液器、蒸發(fā)器、閥門等組成。

白天太陽輻射充足時，系統(tǒng)吸收太陽輻射能后，吸附床溫度升高，使吸附的制冷劑在集熱器中解附，吸附器內(nèi)壓力升高。解附出來的制冷劑進入冷凝器，經(jīng)冷卻介質(zhì)（水或空氣）冷卻后凝結(jié)為液態(tài)，進入儲液器。

夜間或太陽輻射不足時，環(huán)境溫度降低，集熱器通過自然冷卻后，吸附床的溫度下降，吸附劑開始吸附制冷劑，由于蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)，溫度驟降，通過冷媒水獲得制冷的目的，也可以直接制冰。與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)比，吸附式制冷具有結(jié)構(gòu)簡單、運行費用低、使用壽命長、無噪聲以及無環(huán)境污染等優(yōu)點；與吸收式制冷系統(tǒng)比，吸附式制冷不存在結(jié)晶問題和分餾問題，且能用于振動、傾顛或旋轉(zhuǎn)的場所。

2.3 光電式制冷系統(tǒng)

光電式制冷是太陽能發(fā)電的一種應用，利用光伏轉(zhuǎn)換裝置，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過高頻或工頻逆變后，驅(qū)動一般的壓縮式制冷機，實質(zhì)上仍屬于壓縮式制冷。

其關(guān)鍵是光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)。盡管目前光電式太陽能制冷技術(shù)已應用于空調(diào)和冰箱，但對制冷系統(tǒng)特性的研究不多，壓縮機中一般尚未考慮光伏系統(tǒng)的特性，因此整個系統(tǒng)效率較低，成本比以熱能為動力的制冷循環(huán)要高。

3 發(fā)展中存在的問題

3.1 激勵政策欠缺

強有力的激勵政策是太陽能應用迅速發(fā)展的重要條件，而目前我國對新能源的管理主要是靠行政手段，缺乏強制性的法規(guī)內(nèi)容和實施的具體細則，缺乏相應的經(jīng)濟激勵措施以及行政監(jiān)督手段，操作性不強[3]。

在鼓勵太陽能應用方面，急需相應的政策出臺。只有不斷推動太陽能建筑的應用，在激發(fā)生產(chǎn)者積極性的同時，刺激消費者的需求，這樣才能實現(xiàn)太陽能建筑政策系統(tǒng)化，推動太陽能技術(shù)在建筑中的應用。

3.2 太陽能與建筑有待一體化

太陽能建筑的生產(chǎn)、使用的各個環(huán)節(jié)，都需要政府嚴格把關(guān)，這對保證用戶對新產(chǎn)品的信任方面極其重要。我國建筑業(yè)和太陽能技術(shù)兩個行業(yè)之間幾乎脫節(jié)，交流不夠[4]。建筑行業(yè)不甚了解太陽能行業(yè)的技術(shù)標準；太陽能行業(yè)也不太了解建筑行業(yè)的設(shè)計要求和房產(chǎn)建筑的供求信息。建筑行業(yè)缺乏精通太陽能技術(shù)的設(shè)計人才，太陽能行業(yè)也缺乏熟悉建筑規(guī)范的技術(shù)人員，雙方各自發(fā)展，交流很少。這嚴重影響了太陽能建筑的發(fā)展。后續(xù)追加安裝的太陽能系統(tǒng)，不但影響了建筑的美觀，還可能會影響到建筑結(jié)構(gòu)承重。

3.3 節(jié)能意識需要加強

民眾較高的節(jié)能環(huán)保意識是推動太陽能建筑發(fā)展的重要支撐[3]。日本、荷蘭等發(fā)達國家把消費太陽能當作一件很有意義的事，甚至愿意多出錢享受綠色能源，從而擴大了太陽能的應用市場，這值得我們學習。

4 發(fā)展方向

4.1 政府制定鼓勵支持政策

太陽能建筑具有較高社會效益，但投資相對較高，投資回收期較長，可能會影響到開發(fā)商的積極性。因此，政府應積極建設(shè)試點工程，針對生產(chǎn)廠商、房地產(chǎn)開發(fā)商、終端用戶制定更完善、合理的鼓勵和支持政策，提高系統(tǒng)整體技術(shù)水平，促進太陽能建筑行業(yè)及市場的良性發(fā)展。

4.2 提高太陽能集熱系統(tǒng)效率

目前建設(shè)的太陽能采暖工程中，集熱器、水箱等關(guān)鍵產(chǎn)品還有較大的改進空間，如進一步提高平板集熱器的密封性以增加集熱效率等，企業(yè)應加強研發(fā)力量，提高產(chǎn)品品質(zhì)和工藝水平，開發(fā)安全可靠、高效穩(wěn)定的新產(chǎn)品，以不斷提高太陽能集熱系統(tǒng)的效率。

4.3 提高太陽能利用率

太陽能全年綜合利用，可大大提高其利用率，同時也可以解決冬夏熱量不平衡問題?？刹捎玫拇胧┯校哼m當降低系統(tǒng)的太陽能保證率，合理匹配供暖和供熱水的建筑面積（同一系統(tǒng)供熱水的建筑面積，應大于供暖的建筑面積），夏季利用太陽能制冷以及跨季節(jié)蓄熱等。

4.4 太陽能與建筑一體化

所謂與建筑一體化，就是要做到與工程建設(shè)項目同步設(shè)計，同步施工，同步驗收，同時投入使用[5]。這樣就可以避免影響建筑美觀、破壞建筑結(jié)構(gòu)，并使各專業(yè)協(xié)調(diào)進行，減少安全隱患。

5 結(jié)束語

太陽能作為自然界中最豐富的可再生能源之一，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。太陽能技術(shù)在建筑中的利用是當今太陽能利用的主要潮流和趨勢之一，值得大力推廣。在其具體應用方向上，應該特別注意提高效率，重視太陽能與建筑的一體化設(shè)計。

[1]孟 華，惟 定.太陽能在暖通空調(diào)中的應用[J].可再生能源，2003，（4）:18-20.

[2]金曉斌.住宅樓太陽能綜合利用的研究[D].南京：南京理工大學,2008.

[3]沈 輝.住宅中太陽能的應用與研究[D].鄭州：鄭州大學,2007.

[4]李曹薇.太陽能應用于居住小區(qū)規(guī)劃初探[D].南京：南京大學，2001.

[5]祖文超，戎衛(wèi)國，李顯英，等.太陽能供熱采暖系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及思考[J].制冷與空調(diào)，2010，（24）:78-81.

Application and Consideration of Solar Energy Technology in Construction

ZHANG Long-rui
(Logistics Department,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The application of solar energy technology in construction was concluded.The problem in the development of solar energy construction was analyzed.Based on above analysis,the developing orientation of solar energy construction was discussed.

solarenergy technology;heat supply;refrigeration;construction

TK51

B

1672-545X（2011）08-0208-03

2011-05-15

張龍瑞（1961—），男，河南靈寶人，工程師，碩士，主要研究方向：暖通、水電領(lǐng)域。