太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究

鄭傳斌，段 翔

(武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023)

新世紀(jì)以來，建設(shè)資源節(jié)約型社會是黨中央根據(jù)科學(xué)發(fā)展觀的要求，經(jīng)過深入研究后做出的戰(zhàn)略性決策。我國2010年村鎮(zhèn)住宅面積約為230億m2，約占全國總建筑面積的50%。由于生活水平提高，農(nóng)民開始大量建設(shè)住宅，每年新建的村鎮(zhèn)住宅面積如表1所示，由表可知，從1998年—2008年，我國每年新建的村鎮(zhèn)住宅面積基本維持在6.5億～8.5億m2，這表明村鎮(zhèn)居住條件的得到了很大的改善，而且在今后一段時(shí)間內(nèi)，每年新建的村鎮(zhèn)住宅面積具有緩慢上升的趨勢。

資料顯示，建筑耗能約占全社會商品用能的三分之一，而我國村鎮(zhèn)住宅建筑耗能是其重要組成部分，且其比重不斷增大，因此應(yīng)將其作為節(jié)能工作的重點(diǎn)。而太陽能技術(shù)是“十一五”期間技術(shù)比較成熟、應(yīng)用最為廣泛的可再生能源之一，所以，發(fā)展和推廣太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能中的應(yīng)用已經(jīng)勢在必行，然而，太陽能技術(shù)在我國的應(yīng)用推廣還存在許多問題。

1 太陽能技術(shù)的分類及其應(yīng)用

目前，太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能中的應(yīng)用主要有太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)和太陽能光電照明。

表1 我國每年新建農(nóng)村住宅面

1.1 太陽能熱水系統(tǒng)

目前，太剛能熱水系統(tǒng)已逐漸普及，尤其是家用太陽熱水器，由于其安裝方便、使用方便利價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，使得家用太陽熱水器在村鎮(zhèn)住宅中的應(yīng)用越來越廣泛。

(1)太陽能熱水系統(tǒng)集熱面積的確定

村鎮(zhèn)住宅在購買家用太陽熱水器時(shí)要根據(jù)家里的人口數(shù)量、使用熱水量以及安裝面積等因素確定。常用的集熱面積的計(jì)算公式如下:

式中A——太陽能熱水系統(tǒng)集熱面積(m2);

Q——太陽能熱水系統(tǒng)的熱負(fù)荷(MJ);

Jt——平日太陽輻照量(MJ);

ηS——集熱器的平均即熱效率(%)，按目前的技術(shù)水平在0.3 ～0.5 之間;

ηL——水箱和管路的熱損失率(%)，一般在0.2～0.3之間。

(2)太陽集熱器安裝傾角的確定

式中S——集熱器的角度(°);

φ——當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

公式(2)中，夏季取“－”，冬季取“+”。

(3)太陽集熱器管線的確定

式中 d——太陽集熱器管線管徑(mm);

Q——水泵流量(L/s);

v——管道流速(m/s)。

(4)太陽集熱器管線水泵揚(yáng)程的確定

H——水泵揚(yáng)程(m);

H0——位置高差(m);

∑hf——總沿程阻力損火(m);

∑hj——總局部阻力損失(m);

ΔH——揚(yáng)程余量(m)。

1.2 太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)

太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)采用空氣作為傳熱介質(zhì)的太陽能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、溫控器、空氣集熱器、風(fēng)管等組成，如圖1所示。

圖1 空氣集熱系統(tǒng)示意圖

空氣集熱器(見圖2)是太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)的核心部件，該部件的技術(shù)要點(diǎn)如下:

透光蓋板應(yīng)采用透光材料，封閉空氣層的厚度應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定，按照規(guī)范嚴(yán)格設(shè)計(jì)翹片擴(kuò)展表面的結(jié)構(gòu)，注意消除流動空氣與翹片的換熱，要注意集熱器內(nèi)部流動空氣的壓強(qiáng)要適宜，對集熱器定期進(jìn)行自動清潔措施，注意保溫背板、周圍框架之間的熱橋［1］。

圖2 空氣集熱器示意圖

1.3 太陽能光電照明

當(dāng)前，太陽能光電照明系統(tǒng)具體過程包括:快充、過充和浮充。充電時(shí)，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到一定限值Uc后便會進(jìn)入過充階段，當(dāng)充電電流降到一定限值Ic時(shí)就會進(jìn)入到浮充階段VF。

式中 VFO——基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓(V);

TO——溫度值(℃);

C——電壓溫度系數(shù)。

圖3 充電算法流程

根據(jù)實(shí)際情況研發(fā)出了一種智能化的充電算法，根據(jù)蓄電池的狀態(tài)來選擇適當(dāng)?shù)某潆姺绞?見圖3)。首先確定太陽電池為非滿狀態(tài)，DC—DC轉(zhuǎn)換電路便發(fā)揮相應(yīng)的作用，進(jìn)行最大功率充電——MPPT;當(dāng) U=U。時(shí)，若 I≥Ic，此時(shí)進(jìn)行恒壓充電——CV;否則進(jìn)行浮充充電——VF［2］。

2 對推廣太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能中的應(yīng)用的思考與建議

(1)進(jìn)一步完善村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能的政策法規(guī)體系，大力推廣太陽能技術(shù)

德國的許多城市都建立了以“建筑生態(tài)護(hù)照”制度為代表的生態(tài)建筑法律法規(guī)，美國綠色建筑協(xié)會(USGBC)2000年啟動了“能源與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)層”項(xiàng)目，圖4是以日本為基準(zhǔn)值1，單位GDP一次能源消耗量各國比較［3］，由圖4可見，日本在節(jié)能方面處于世界領(lǐng)先水平，日本之所以取得如此重大的成就，很大程度在于善的住宅建筑節(jié)能的政策法規(guī)體系。到目前為止，國家頒布了120多項(xiàng)節(jié)能法規(guī)和條例、50多項(xiàng)節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范和170項(xiàng)與節(jié)能有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)［4］。不過大部分是針對城市制訂的，而對村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能就比較少，隨著我國城市化進(jìn)程加快，村鎮(zhèn)住宅建設(shè)速度加快，出臺相關(guān)建筑節(jié)能法規(guī)必須提上日程。

(2)倡導(dǎo)太陽能集熱裝置構(gòu)件化與建筑一體化設(shè)計(jì)

圖4 單位GDP一次能源消耗量各國比較(2005年)

太陽能集熱裝置構(gòu)件化與建筑一體化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)將太陽能集熱裝置與與屋面、陽臺和門窗等有機(jī)地結(jié)合成為村鎮(zhèn)住宅建筑的一部分。例如將太陽能集熱器布置在陽臺外側(cè)(圖5)，水箱則放在陽臺內(nèi)部，既節(jié)充分利用了太陽能，又減少了使用空調(diào)等設(shè)備對環(huán)境的污染。還可以對村鎮(zhèn)住宅的造型進(jìn)行改造已達(dá)到充分利用太陽能的目的，圖6是一幢村鎮(zhèn)太陽能住宅，該住宅的特點(diǎn)是住宅屋面為傾斜一定度角玻璃與紅瓦混合而成，冬季，玻璃窗密封，太陽光直接進(jìn)入室內(nèi)，頂層起著暖房的作用;而夏季將玻璃窗開啟，又會形成穿堂風(fēng)，加速室內(nèi)空氣流動，有利于降溫。因此，村鎮(zhèn)太陽能住宅具有冬暖夏涼的特點(diǎn)。

圖5 太陽能集熱器

圖6 村鎮(zhèn)太陽能住宅

(3)推廣應(yīng)用村鎮(zhèn)建筑熱能評價(jià)方法

對于村鎮(zhèn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)或節(jié)能評估時(shí)，盡量采用模擬分析的方法，將村鎮(zhèn)建筑節(jié)能量化，是能耗達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。其具體過程如圖7所示。

圖7 建筑能耗模擬方法

在計(jì)算輸入?yún)?shù)中，氣候參數(shù)(光照)、室內(nèi)采光狀況和太陽能設(shè)備使用狀況的參數(shù)都是選取具有代表性的、多地區(qū)多年的平均值進(jìn)行確定，從而作為計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)剛到具體的村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)利評估。

(4)推廣太陽能光伏建筑一體化技術(shù)

太陽能光伏建筑一體化(Building Integrated Photovohaic，簡稱BIPV)技術(shù)即將太陽能發(fā)電產(chǎn)品與村鎮(zhèn)住宅進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的技術(shù)(圖8)。一方面，它能夠接受太陽能，將其轉(zhuǎn)化成電能供建筑使用;另一方面，它又作為村鎮(zhèn)住宅的有機(jī)組成部分，起到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。太陽能光伏建筑具有耗能低、建材可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，因此，在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能方面具有不可代替的作用。

3 結(jié)束語

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展，人民收入水平不斷提高，城市化進(jìn)程加快，我國每年新建的村鎮(zhèn)住宅面積快速增加，我國村鎮(zhèn)住宅建筑耗能比重不斷增大，發(fā)展和推廣太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能中的應(yīng)用已經(jīng)勢在必行。

圖8 光伏建筑一體化系統(tǒng)圖

本文通過對太陽能技術(shù)的分類及其應(yīng)用的介紹，進(jìn)而提出了進(jìn)一步完善村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能的政策法規(guī)體系，倡導(dǎo)太陽能集熱裝置構(gòu)件化與建筑一體化設(shè)計(jì)，推廣應(yīng)用村鎮(zhèn)建筑熱能評價(jià)方法，以及推廣太陽能光伏建筑一體化技術(shù)等建議，旨在推廣太陽能技術(shù)在村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能中的應(yīng)用。

［1］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012:167.

［2］楊曉光，寇臣銳，汪友華.太陽能LED照明路燈充電器的研制［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2010，31(1):67-68.

［3］李積權(quán)，渡邊俊行，赤司泰義.日本建筑節(jié)能對策［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，7(3):244

［4］張麗.中國終端能耗與建筑節(jié)能［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:77.