簡述太陽能技術(shù)在建筑設(shè)計中的運(yùn)用

趙文彬 張娥連

(1.北京正東國際建筑設(shè)計有限公司山西分公司，山西 太原 030006； 2.山西筑城建筑設(shè)計有限公司，山西 太原 030006)

簡述太陽能技術(shù)在建筑設(shè)計中的運(yùn)用

趙文彬1張娥連2

(1.北京正東國際建筑設(shè)計有限公司山西分公司，山西 太原 030006； 2.山西筑城建筑設(shè)計有限公司，山西 太原 030006)

介紹了太陽能光電系統(tǒng)的分類情況，分析了建材—體型太陽電池模板所具有的優(yōu)勢，著重探討了太陽能熱水系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分的功能，并對太陽光源技術(shù)在建筑設(shè)計中的運(yùn)用進(jìn)行了研究，以供參考。

太陽能，建筑設(shè)計，能源

0 引言

能源是人類發(fā)展過程中不可缺少的部分，其中石油，煤炭等不可再生資源更是我國日常生產(chǎn)與人們生活中的基礎(chǔ)能源，但是，隨著人類社會的發(fā)展，這些能源的消耗量會越來越大，因此，找到能夠代替它們的新能源，是目前我國相關(guān)工作人員工作中的重點(diǎn)。太陽能作為一種新型的可再生能源，已經(jīng)在我國有了廣泛的應(yīng)用和推廣。應(yīng)用在建筑上的太陽能技術(shù)可分為三大項(xiàng)目：第一項(xiàng)是太陽能光電板在建筑物上之利用。第二項(xiàng)是太陽熱能在建筑上之利用。第三項(xiàng)為太陽光在建筑上之利用。本文對太陽能光電系統(tǒng)的構(gòu)成作整理，并對太陽能光電系統(tǒng)在建筑上應(yīng)用的形式做一整理。

1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)在建筑上之利用

太陽能光電系統(tǒng)依其系統(tǒng)組成和負(fù)荷種類可做如下的分類：市電并聯(lián)型系統(tǒng)及獨(dú)立型系統(tǒng)，而市電并聯(lián)型又可區(qū)分有回購電及無回購電，而獨(dú)立型系統(tǒng)又可區(qū)分為專用負(fù)荷(如交通標(biāo)志、街路燈等)及一般負(fù)荷。

1.1 獨(dú)立型系統(tǒng)

獨(dú)立型系統(tǒng)是一種僅以太陽電池作為電源，供應(yīng)負(fù)荷耗電的系統(tǒng)。白天太陽能電池所發(fā)的電供給一般負(fù)載或家電使用，如有多余的電力則儲存在蓄電池內(nèi)，以作為夜間照明或電器等的電源使用，所以其限制性須配合蓄電池使用。此外，亦有僅在白天利用太陽電池直接驅(qū)動的形式，其不與公共電力網(wǎng)銜接，較大的獨(dú)立系統(tǒng)通常與柴油發(fā)電機(jī)或水利渦輪機(jī)結(jié)合。

1.2 市電并聯(lián)型系統(tǒng)

市電并聯(lián)型系統(tǒng)是一種白天利用太陽電池所產(chǎn)生之電力供應(yīng)設(shè)施負(fù)擔(dān)，雨天或夜間則由并聯(lián)的商用系統(tǒng)經(jīng)由變流器(通常是與當(dāng)?shù)氐碾娏W(wǎng)銜接)獲取電力的系統(tǒng)。當(dāng)太陽電池發(fā)出的電多于設(shè)施內(nèi)負(fù)荷所需的消費(fèi)電力時，可將剩余電力流回商用系統(tǒng)者稱之為“有逆潮流(回送電力)”，反之，若在設(shè)施內(nèi)負(fù)荷即耗用完的系統(tǒng)則稱為“無逆潮流”。此為較具經(jīng)濟(jì)性的使用方式，現(xiàn)今世界各國都在向此目標(biāo)推動。

2 建材一體型太陽電池模板

所謂建材一體型太陽光電系統(tǒng)(BIPV)乃是開發(fā)具有建材功能之太陽光電模板(PVmodule)，然后以建筑設(shè)計手法將太陽能光電模板導(dǎo)入建筑物本體，讓BIPV的系統(tǒng)組件不止可以發(fā)電并且也是建筑外殼的一部分。因此BIPV是一種可反映風(fēng)土氣候之被動式(passive)綠色建筑設(shè)計手法，其不僅具有發(fā)電及儲能的經(jīng)濟(jì)效益，更可進(jìn)而替代既有建材，降低初制成本，并且結(jié)合遮陽處理、采光照明等設(shè)計手法，以獲得建筑節(jié)能效益。

太陽能光電板作為建筑面材或構(gòu)材的一部分，亦給予建筑物更深一層的定義，即使建筑物活化、有機(jī)化。建筑物從傳統(tǒng)的“被動式”構(gòu)架走向“主動式”的格局，建筑物的外表不僅是作為外殼，亦有發(fā)電、儲熱等其他主動功能。BIPV在建筑物中，主要應(yīng)用在屋頂(設(shè)置于屋頂上或直接作為屋頂之構(gòu)材)、外墻(雙層墻或直接作為外墻構(gòu)材)、遮陽板(取代傳統(tǒng)做法，以太陽能光電板作為遮陽板)。

3 太陽熱能在建筑上之利用

太陽能熱水系統(tǒng)的構(gòu)造主要是由集熱器、儲水桶、管路和控制系統(tǒng)等四部分構(gòu)成。

3.1 集熱器

集熱器為太陽能熱水系統(tǒng)的心臟，主要功能是將太陽能輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，再傳給循環(huán)工作流體。太陽光穿過透明面蓋到達(dá)吸收板，經(jīng)板面之特殊處理轉(zhuǎn)換成熱能由吸收管內(nèi)之流體帶出。整個吸收板、吸收管以及面蓋以外框固定，而中間填塞隔熱材料以防止熱損失。面蓋的作用為防止對流熱損失并可保護(hù)吸收板，多使用高強(qiáng)度高透射率強(qiáng)化玻璃制成。吸收板一般的材料為銅板、鋁板或不銹鋼板，也有使用有機(jī)聚合體制成者。另一種最近較為流行的集熱裝置為真空管集熱器，其基本構(gòu)造為內(nèi)外雙層玻璃管套，中間為真空層，外層玻璃為透明，內(nèi)層玻璃鍍有深色吸收膜，太陽輻射光波經(jīng)由外層玻璃進(jìn)入，經(jīng)過真空層，被吸收膜吸收進(jìn)入內(nèi)層玻璃管中，并加熱其中流通的熱水，而鍍膜與真空層皆具有阻斷熱能散失的功能，其所得到的熱水溫度比上述的板管式高，所以適合高緯度的北部地區(qū)及高山地區(qū)使用。

3.2 儲水桶

因太陽光并非隨時穩(wěn)定照射，由集熱器流出之熱水需暫時儲存，以供使用需要。一般儲水槽多用不銹鋼桶加一層或數(shù)層絕熱材料而成，在正常情況下，可保持水溫一天下降3 ℃以內(nèi)。儲水槽可分立式、臥式兩種，其結(jié)構(gòu)大致相同，都是內(nèi)外各一層水桶，中間填塞隔熱材料保溫。一般而言，直立效果較佳，但市面上多使用臥式，因結(jié)構(gòu)上較易固定，外表較美觀，且不占空間，為減少冷熱水之混合，儲水儲內(nèi)亦有種種設(shè)計，如分層隔板，進(jìn)水擋板及進(jìn)水噴管。

3.3 管路

管路的配置依不同裝設(shè)環(huán)境、系統(tǒng)及需求而異，一般用戶如另裝有瓦斯熱水器，可將太陽能熱水器與其串聯(lián)，亦即以太陽能熱水器之熱水出口接于瓦斯熱水器之冷水入口，如果太陽能熱水器出水溫度夠高，則可直接使用，如果水溫不夠，可當(dāng)成預(yù)熱設(shè)備，再經(jīng)瓦斯熱水器加熱，亦能節(jié)省部分燃料費(fèi)。小型太陽能熱水器的管路材質(zhì)有鍍鋅鋼管、不銹鋼管、PB管、銅管。較常用的為銅管與PB管。集熱器與儲水槽之間的管路與往浴室之管路必須要有保溫，且須要有外覆材。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括溫度控制及時間控制，可依所選定時間控制儲水槽內(nèi)水溫。大部分家用太陽能熱水器如單獨(dú)使用時，都裝有輔助電熱器，可在日射量不足時，輔助加熱達(dá)到所需溫度。在大型強(qiáng)制式熱水系統(tǒng)之儲水桶與集熱器間裝有溫差控制器，如果溫度差達(dá)到一定值，將自動啟動泵并將儲水桶內(nèi)較冷水打至集熱器吸收太陽輻射能加熱。

4 太陽光源在建筑物上的利用

4.1 無熱量照明

利用設(shè)置于室外的集光機(jī)，可不受方位限制的采光。并使用單透鏡“色相差”技術(shù)來隔離太陽光中的紫外線、紅外線，獲取無熱量的照明。

4.2 自動追蹤系統(tǒng)

利用自動追蹤系統(tǒng)感應(yīng)太陽方位，以雙軸馬達(dá)驅(qū)動集光透鏡動態(tài)捕捉太陽方向。陽光直射時，以傳感器捕捉太陽；云遮日時，以程序計算太陽運(yùn)行軌跡追蹤之。

4.3 光纖傳送太陽光

透過高性能透鏡將太陽光能濃縮一萬倍，再將光纖入口端部對準(zhǔn)集光透鏡焦點(diǎn)。進(jìn)入光纖內(nèi)的太陽光以連續(xù)反射方式前進(jìn)，再由出口端將光線釋放出來。以玻璃石英所制成的光纖可以有效率地傳遞可見光。針對各個空間死角，光纖可隨意彎曲將太陽光帶到每一個需要照明的角落。

4.4 運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)均節(jié)約能源之照明系統(tǒng)

本系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)僅耗雙軸馬達(dá)之電能，可加裝太陽能光電板作為驅(qū)動能源。系統(tǒng)其他部分均無需消耗能源，故可說是名符其實(shí)“綠色”的照明系統(tǒng)。

5 結(jié)語

目前建筑物設(shè)計的趨勢，已從傳統(tǒng)的“被動式”節(jié)能手法，趨向采用“主動式”的節(jié)能設(shè)備。這種積極的態(tài)度，除了受能源日趨短缺，減少“碳”排放維護(hù)自然環(huán)境等觀念影響外，亦受再生能源或綠色能源技術(shù)開發(fā)成功之鼓舞。利用綠色能源先進(jìn)技術(shù)，來改善建筑物的物理環(huán)境，達(dá)成建筑物節(jié)能減碳的目的。

[1] 王 垚.太陽能技術(shù)在建筑上的應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

[2] 王啟鑌，宋 蕾，李 萍，等.建筑設(shè)計中太陽能技術(shù)的綜合利用[A].全國暖通空調(diào)制冷2010年學(xué)術(shù)年會資料集[C].2010.

[3] 王麗麗.太陽能技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國外資，2011(9)：25-26.

Discussionontheapplicationofsolarenergytechnologyinarchitecturaldesign

ZHAOWen-bin1ZHANGE-lian2

(1.ShanxiBranch,ZhengdongInternationalArchitectural&EngineeringDesign(Beijing)Co.,Ltd,Taiyuan030006,China; 2.ShanxiZhuchengConstructionDesignLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

This paper introduced the classification situation of solar photovoltaic system, analyzed the advantages of building integrated solar cell template, emphatically discussed the main components function of solar hot water system, and researched the applicatio of solar light source technology in architectural design, for reference.

solar energy, architectural design, energy

1009-6825(2014)33-0198-02

2014-09-18

趙文彬(1982- )，男，助理工程師； 張娥連(1983- )，女，助理工程師

TU832.17

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