太陽能在建筑節(jié)能中的應(yīng)用探析

童光全

[摘 要]太陽能是太陽發(fā)出的、以電磁輻射形式傳遞到地球表面的能量，經(jīng)光熱、光電轉(zhuǎn)換，這些能量可以被轉(zhuǎn)換為熱能和電能。文章從太陽能在建筑節(jié)能上的應(yīng)用以及局限性進(jìn)行了初步分析，以求人類在未來可以廣泛應(yīng)用到生活與生產(chǎn)中，為人類創(chuàng)造了一種新的節(jié)能無污染生活形態(tài)。

[關(guān)鍵詞]太陽能；建筑節(jié)能；應(yīng)用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.12.148

1 太陽能及建筑節(jié)能的概念

太陽能具有取之不盡、用之不竭、潔凈環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，所以，它被認(rèn)為是最好的可再生能源。光熱利用的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。目前使用最多的太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器、陶瓷太陽能集熱器和聚焦集熱器4種。通常根據(jù)所能達(dá)到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用、中溫利用和高溫利用。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽能采暖、太陽能溫室、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽爐等。

所謂建筑節(jié)能，最初是指減少建筑物中能量的流失，現(xiàn)在則普遍稱為“提高建筑物中的能源利用率”，即在保證提高建筑物舒適度的前提下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率。它所界定的范圍是指建筑使用能耗，包括空調(diào)、采暖、照明、家用電器、炊事等方面的能耗。建筑物是由各相關(guān)部分有機(jī)組合而成的系統(tǒng)，因而建筑節(jié)能是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。我國建筑節(jié)能的重點(diǎn)是：建筑本體的節(jié)能、暖通空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能以及提高照明和其他用電設(shè)備的效率。從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、管理等各個(gè)不同階段著手，降低建筑的能源需求，優(yōu)化供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開發(fā)新型能源系統(tǒng)方式，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和管理水平。因此，建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)包括：維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞機(jī)理、節(jié)能指標(biāo)體系優(yōu)化方法以及建筑低能耗維護(hù)結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、冷熱源優(yōu)化運(yùn)行方式，包括制冷采暖系統(tǒng)運(yùn)行工況優(yōu)化調(diào)控、冷熱負(fù)荷的預(yù)測技術(shù)、開發(fā)調(diào)節(jié)控制軟件等；建筑室內(nèi)溫度控制和冷熱量計(jì)量控制成套技術(shù)，新能源供熱制冷成套技術(shù)的研究開發(fā)，包括地?zé)崮?、太陽能、地下和地面水體儲(chǔ)能等的開發(fā)利用，低能耗建筑的綜合設(shè)計(jì)體系研究，建筑設(shè)計(jì)、環(huán)境控制和節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)化匹配，節(jié)能建筑和節(jié)能設(shè)備優(yōu)選和集成，以及相應(yīng)優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)等。目前，我國建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)包括：建筑本體、能源系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，可再生能源利用、節(jié)能診斷控制和能源管理、節(jié)能模擬分析、集成化設(shè)計(jì)、既有建筑節(jié)能改造等。所以，太陽能技術(shù)與建筑物有機(jī)結(jié)合，用太陽能全方位地解決建筑內(nèi)熱水、采暖、空調(diào)和照明用能的研究已經(jīng)成為建筑學(xué)和能源科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2 太陽能在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

目前，實(shí)現(xiàn)太陽能空調(diào)一般有兩條途徑：一是先實(shí)現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換，再以電力推動(dòng)常規(guī)的壓縮式制冷機(jī)制冷；二是進(jìn)行光—熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。前者系統(tǒng)比較簡單，但成本太高，以當(dāng)前太陽能電池的價(jià)格來算，在相同制冷功率情況下，其造價(jià)約為后者的4～5倍。因此，國內(nèi)外的太陽能空調(diào)系統(tǒng)至今仍以第二種為主，而后者又多采用吸收式制冷系統(tǒng)。

太陽能吸收式制冷，是利用太陽集熱器為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高，則制冷機(jī)的性能系數(shù)越高，這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。常規(guī)的吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要包括吸收式制冷機(jī)、空調(diào)箱、鍋爐等，而太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上再增加太陽集熱器、儲(chǔ)水箱和自動(dòng)控制系統(tǒng)。夏季，被集熱器加熱的熱水首先進(jìn)入儲(chǔ)水箱，當(dāng)熱水溫度達(dá)到一定值時(shí)，由儲(chǔ)水箱向制冷機(jī)提供熱媒水；從制冷機(jī)流出并已降溫的熱水流回儲(chǔ)水箱，再由集熱器加熱成高溫?zé)崴?；制冷機(jī)產(chǎn)生的冷媒水通向空調(diào)箱，以達(dá)到制冷空調(diào)的目的。冬季，同樣先將集熱器加熱的熱水進(jìn)入儲(chǔ)水箱，當(dāng)熱水溫度達(dá)到一定值時(shí)，由儲(chǔ)水箱直接向空調(diào)箱提供熱水，以達(dá)到供熱采暖的目的。當(dāng)太陽能不能夠滿足要求時(shí)，可由輔助鍋爐補(bǔ)充熱量。

與常規(guī)空調(diào)相比，太陽能吸收式空調(diào)具有三大優(yōu)點(diǎn)。第一，太陽能空調(diào)的季節(jié)適應(yīng)性好，也就是說，系統(tǒng)制冷能力隨著太陽輻射能的增加而變大，而這正好與夏季人們對(duì)空調(diào)的迫切要求一致。第二，傳統(tǒng)的壓縮式制冷機(jī)以氟利昂為介質(zhì)，它對(duì)大氣層有極大的破壞作用，而吸收式制冷機(jī)是以無毒、無害的澳化銼為介質(zhì)，它對(duì)保護(hù)環(huán)境十分有利。第三，同一套太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)可以將夏季制冷、冬季采暖和其他季節(jié)提供熱水結(jié)合起來，顯著地提高了太陽能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟(jì)性。

太陽能熱水器是我國太陽能利用中應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領(lǐng)域，太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益都非常好。但是仍然存在諸多問題，如太陽能設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家未考慮到我國地域遼闊，不能針對(duì)不同緯度地區(qū)太陽高度角不同而設(shè)計(jì)不同采光效果的熱水器；太陽能熱水器未能與建筑物融為一體，造成了視覺污染等。

在建筑中設(shè)計(jì)太陽能供暖系統(tǒng)，主要有兩種方式，一種是主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)，一種是被動(dòng)式采暖系統(tǒng)。主動(dòng)式采暖系統(tǒng)是通過利用外部常規(guī)能源，采取風(fēng)機(jī)、水泵等動(dòng)力設(shè)施，將熱空氣或者熱水從太陽能集熱器向采暖房或者儲(chǔ)熱器輸送。系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都可以控制而可實(shí)現(xiàn)一定的所要求的溫度。主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)比較復(fù)雜，并且初始成本高，而且只有將其作為整個(gè)建筑的有機(jī)組成部分時(shí)才能取得良好的設(shè)計(jì)效果。所以，主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)往往適用于新建筑。被動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)是太陽能供暖應(yīng)用中最為簡單的最為便宜的一種應(yīng)用形式，它是依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，按照建筑物的構(gòu)造和建筑位置的布置，通過向陽面的墻面或者窗戶等，盡可能地使房屋更多的儲(chǔ)存和吸收熱量，以實(shí)現(xiàn)采暖的目的。它不需要添置一些附加的設(shè)備，也不消耗較多的其他電力或者動(dòng)力，其構(gòu)造非常簡單，所需要的投資比較少，并且對(duì)其管理和維護(hù)起來也比較方便，具有明顯的節(jié)能效果。目前我國興建的太陽房主要集中在東北、華北、西北等地，主要的類型有附加溫室、集熱墻、直接受益或者是三者結(jié)合，它們主要是依靠箭鏃結(jié)構(gòu)的熱工特性來進(jìn)行取暖的，其調(diào)節(jié)控制的可能性比較小。

3 太陽能利用的局限性

太陽能的利用目前還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源，雖然太陽能資源總量相當(dāng)于人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。

4 結(jié) 論

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無須運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類進(jìn)入了一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代。

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