太陽(yáng)房集熱與建筑節(jié)能

【摘 要】文章從能源節(jié)約角度出發(fā)，分析了太陽(yáng)房與建筑節(jié)能之間的關(guān)系，探討了在新形勢(shì)下太陽(yáng)能光伏—建筑一體（BIPV）化發(fā)展的巨大潛力。

【關(guān)鍵詞】能源危機(jī)；建筑節(jié)能；太陽(yáng)房集熱；太陽(yáng)能光伏—建筑一體化（BIPV）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，常規(guī)資源的日益緊張，“太陽(yáng)能光伏建筑一體化”已成為我國(guó)建筑節(jié)能領(lǐng)域的重要議題。太陽(yáng)能作為可再生的綠色資源，取之不盡用之不竭。

從太陽(yáng)能利用的形式看，主要有三種：非聚合的電磁能轉(zhuǎn)變成聚合電磁能；電磁能轉(zhuǎn)變成熱能；電磁能轉(zhuǎn)化成電能。其中第二種形式的太陽(yáng)能利用較為廣泛，也適合住宅太陽(yáng)能利用的特點(diǎn)，下面主要針對(duì)太陽(yáng)能被動(dòng)房進(jìn)行分析。

“被動(dòng)式太陽(yáng)能”是指不借助工具而對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行收集、貯存和再分配的系統(tǒng)。通常是通過(guò)建筑朝向和環(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和構(gòu)造的恰當(dāng)選擇使其在冬季能集取、保持、貯存、分布太陽(yáng)熱能，從而解決建筑的采暖問(wèn)題，同時(shí)在夏季又能遮蔽太陽(yáng)輻射，散逸室內(nèi)熱量從而使建筑降溫。

太陽(yáng)房建筑熱工措施期望達(dá)到的主要目的是：使房間在冬季有盡量多的太陽(yáng)得熱量，盡量少的熱損失及必要的熱穩(wěn)定性，并處理好以上三者的關(guān)系，既要使房間的冬季溫度符合采暖要求，又要使太陽(yáng)能熱工措施的投資盡量少，單位投資的節(jié)能效益盡量顯著。對(duì)于被動(dòng)式太陽(yáng)房建筑設(shè)計(jì)的技術(shù)可行性，應(yīng)該滿足四點(diǎn)：建筑物具有有效的絕熱外殼；南向設(shè)有足夠數(shù)量的集熱表面；室內(nèi)布置盡可能多的貯熱體；主要采暖房間緊靠集熱表面和貯熱體布置。

目前較為流行的被動(dòng)太陽(yáng)能空間熱量采集方式可分為三種：直接受益式、集熱蓄熱墻和附加日光間。

1.直接受益式

直接受益式是讓太陽(yáng)光通過(guò)透光材料直接進(jìn)入室內(nèi)的采暖形式。原理是通過(guò)增大南向玻璃窗，增加太陽(yáng)射入房間的熱量。冬天陽(yáng)光通過(guò)大面積的南向玻璃窗，直接照射到室內(nèi)的地面、墻壁和家具上，使其吸收大部分熱量而溫度升高。被圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面吸收的太陽(yáng)能，一部分以輻射和對(duì)流的方式在室內(nèi)空間傳遞，一部分導(dǎo)入蓄熱體內(nèi)，然后逐漸釋放出熱量，使房間在晚上和陰天也能保持一定的溫度。為了使太陽(yáng)能采暖房在冬季有較高的室內(nèi)平均溫度和較小的室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)，采用這種方法時(shí)，房屋南面應(yīng)安裝較大面積的玻璃窗，同時(shí)要求窗扇的密封性能較好并配有保溫窗簾。另外，要求外圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的熱阻，室內(nèi)要有足夠蓄熱，性能好的重質(zhì)材料，以便集熱多，熱損失較少。在夏季，如果夜晚比較涼爽，則重質(zhì)材料也能夠在白天保持涼爽。這首先是由于它具有熱惰性，因?yàn)楹駥?shí)的墻在白天能夠阻滯熱量傳到室內(nèi)；其次是由于夜間室外空氣流進(jìn)室內(nèi)，使重質(zhì)材料冷卻。

窗戶是利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵部位，所以它的設(shè)計(jì)非常重要。窗體尺度大，有利于采光，而夜晚散熱也大，所以應(yīng)該有一定的保溫措施。在夏天要防止過(guò)多的太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)，可以考慮加置活動(dòng)遮陽(yáng)板在夏季遮擋陽(yáng)光進(jìn)入。

2.集熱蓄熱墻

這種太陽(yáng)房是利用南向垂直集熱蓄熱墻吸收穿過(guò)玻璃的陽(yáng)光，把熱量傳送至室內(nèi)。集熱墻的形式較多：

2.1 實(shí)體式集熱蓄熱墻：一般利用在南向?qū)嶓w墻外覆蓋玻璃罩蓋，在墻體的上、下部開(kāi)設(shè)通風(fēng)孔。太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃，除少部分被玻璃吸收外，大部分被集熱墻體吸收。集熱墻體吸收的太陽(yáng)輻射通過(guò)兩種途徑傳入室內(nèi)：其一是墻體熱傳導(dǎo)，把熱量從墻體外表面?zhèn)魍鶋w內(nèi)表面，再由內(nèi)表面通過(guò)對(duì)流及輻射將熱量傳入室內(nèi)；其二由集熱墻外表面通過(guò)對(duì)流方式將熱量傳給集熱墻玻璃罩蓋和墻體外表面之間的夾層空氣，再由被加熱后的夾層空氣通過(guò)和房間空氣之間的對(duì)流（經(jīng)由集熱蓄熱墻上、下風(fēng)口），把熱量傳給房間，達(dá)到采暖的目的。夏季關(guān)閉集熱墻上部的通風(fēng)口，打開(kāi)北墻調(diào)節(jié)窗和南墻玻璃蓋層上通向室外的排氣窗用夾層的“熱煙筒”作用，將室內(nèi)熱空氣抽出，達(dá)到降溫的目的。

2.2 對(duì)流環(huán)路式集熱墻：在南墻設(shè)置空氣集熱器，或在墻體外表面和其玻璃罩蓋之間，緊貼墻體外表面敷設(shè)保溫層及保護(hù)層，利用墻體上下通風(fēng)口和室內(nèi)進(jìn)行空氣對(duì)流循環(huán)加熱的采暖形式。對(duì)流環(huán)路式集熱墻與集熱蓄熱墻相比，接受陽(yáng)光后升溫較快，白天向室內(nèi)供熱多，適合于白天使用頻率較多的房間。

2.3 水墻式集熱蓄熱墻簡(jiǎn)稱水墻。作為蓄熱材料的水通常置于屋內(nèi)的一面墻中，稱為“水墻”，水墻應(yīng)該建在房間里一天中大部分時(shí)間陽(yáng)光能夠直接照射到的地方。用來(lái)建造這種“水墻”容器的材料一般為塑料或金屬。主要問(wèn)題是運(yùn)行管理比較麻煩。

2.4 相變材料蓄熱墻式，常將相變材料裝封，設(shè)置成垂直集熱墻或花格墻，置于陽(yáng)光能直射到的地方。其主要問(wèn)題是相變材料的相變溫度和時(shí)間難以隨采暖需要進(jìn)行控制，技術(shù)還不是很成熟，且施工復(fù)雜，造價(jià)較高。

3. 附加日光間

附加日光間是直接受益和集熱墻技術(shù)混合的產(chǎn)物，是將日光間建在建筑南側(cè)，中間用一堵墻（帶門、窗或通風(fēng)孔）把建筑主體與日光間隔開(kāi)。過(guò)熱的空氣可以用于加熱相鄰的房間，或者貯存起來(lái)，在沒(méi)有太陽(yáng)照射時(shí)使用。實(shí)際使用中，附加陽(yáng)光間內(nèi)的溫度一直都比室外溫度高，因此，陽(yáng)光間既可以供給房間以熱能，又可以作為緩沖區(qū)，減少房間的熱損失。由于陽(yáng)光間直接得到太陽(yáng)的照射和加熱，所以它本身就是直接受益系統(tǒng)。白天當(dāng)陽(yáng)光間內(nèi)空氣溫度大于相鄰的房間溫度時(shí)，通過(guò)開(kāi)門（窗或通風(fēng)孔）將陽(yáng)光間的熱量通過(guò)對(duì)流傳入相鄰的房間，其余時(shí)間關(guān)閉。

與集熱蓄熱墻式相比，附加陽(yáng)光間增加地面作為集熱蓄熱體；與直接受益式相比，采暖房間的溫度波動(dòng)小。在加建日光間中，布置貯熱體最容易的位置是地板?；炷?、地磚等都有很大的貯熱容量，從而使溫度波動(dòng)減弱。在新建筑中，日光間與建筑物之間的墻體，是設(shè)置貯熱體最有效的部位。這些墻體在冬季充分接受太陽(yáng)照射，并把熱量一部分傳給住宅，一部分用來(lái)溫暖日光間。用單層玻璃把墻覆蓋起來(lái)，可以為建筑物收集更多的熱量，而使日光間保持較低的溫度。

此外，日光間本身可設(shè)計(jì)為休息活動(dòng)室或溫室花房等，易與整個(gè)建筑的功能布局融為一體。尤其像在我國(guó)青海、西藏等高海拔，日照充足的地區(qū)應(yīng)用尤為廣泛，我院承接的玉樹(shù)災(zāi)后重建居住項(xiàng)目中，日光間的概念被極大的推廣到了工程實(shí)踐中，也收到了良好的效果。

4. 太陽(yáng)能光伏—建筑一體化（BIPV）

BIPV分成兩種形式：光伏屋頂結(jié)構(gòu)和光伏墻系統(tǒng)。BIPV系統(tǒng)由光伏陣列（電池）、陣列與墻面（屋頂）間的空氣流道、固定支架、空氣入口、空氣出口、一級(jí)墻體和屋面組成。完整的BIPV系統(tǒng)還應(yīng)該包括負(fù)載，有時(shí)還帶有蓄電池、逆變器及有利于系統(tǒng)控制盒調(diào)節(jié)的復(fù)雜裝置?？諝饬鞯涝贐IPV系統(tǒng)中是不可缺少的，良好的空氣冷卻是保證光伏發(fā)電高效率的有效途徑。

不論從建筑、技術(shù)或經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，BIPV均有諸多優(yōu)點(diǎn)：有效利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，無(wú)需占有土地：原地發(fā)電、使用，節(jié)省送電網(wǎng)投資：增強(qiáng)供電可靠性：可確保建筑全部或大部分用電。如果把光伏陣列墻作為建筑的玻璃幕墻，采用大尺度的新型彩色光伏模塊代替昂貴的外裝飾材料，不僅降低了建筑造價(jià)，還呈現(xiàn)了獨(dú)特的建筑魅力。

太陽(yáng)能由于其自身的諸多缺點(diǎn)，常規(guī)利用技術(shù)還存在很多問(wèn)題和難點(diǎn)，應(yīng)該說(shuō)任何一種太陽(yáng)能利用技術(shù)都不是完全獨(dú)立的，只有加強(qiáng)各技術(shù)間的綜合應(yīng)用，才能夠克服單一技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)更好更高效利用太陽(yáng)能的目標(biāo)，隨著人們對(duì)可再生能源認(rèn)識(shí)的提高以及太陽(yáng)能市場(chǎng)的逐漸成熟，太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換，光熱轉(zhuǎn)換以及太陽(yáng)能熱電聯(lián)用等，在建筑節(jié)能上的應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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