太陽能在中高層建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：在社會(huì)生產(chǎn)力大發(fā)展和科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的現(xiàn)代化社會(huì)中，能源的有效利用以及能源的快速消耗給人類與自然帶來了巨大的壓力，建筑行業(yè)和能源行業(yè)要想穩(wěn)定發(fā)展，則必須突破瓶頸，調(diào)整發(fā)展模式。建筑行業(yè)的能耗主要集中在：工程施工、供熱制冷、電力照明等各方各面。對(duì)建筑物本身來說，一方面要充分考慮節(jié)能環(huán)保理念，另外需積極采用新型再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和能源的二次利用。筆者就太陽能在高層建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和分析，供廣大實(shí)踐工作者理論參考。

關(guān)鍵詞：太陽能技術(shù)；建筑節(jié)能設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU976+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）15-0286-02

1 引 言

太陽能是一種綠色清潔、廣泛分布、成本低廉的可再生能源。太陽能采集技術(shù)起源較早，經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐和優(yōu)化，太陽能利用技術(shù)得到了迅速發(fā)展。太陽能利用主要分為太陽能熱利用和太陽能光利用兩種，其中太陽能熱利用又包括太陽能熱水、供熱制冷、海水淡化、熱動(dòng)力發(fā)電等方面。而太陽能光利用主要是通過太陽能來發(fā)電或者制氫。由于石油等不可再生能源的日益緊張，在世界各國(guó)的大力推動(dòng)下，太陽能資源豐富，易取，在世界能源供應(yīng)體系中的重要性日益凸顯，已經(jīng)成為了可再生能源主力。

2 利用太陽能的必要性與可行性

2.1 能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)需要

就能源節(jié)約的角度而言，從工業(yè)革命開始，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗量不斷增長(zhǎng)，能源形勢(shì)問題日益嚴(yán)峻。太陽向地球每年的輻射量是地球自身能量消耗的1200余倍。所以太陽能資源的合理利用和開發(fā)是解決全世界能源危機(jī)的關(guān)鍵所在。

就地球環(huán)境保護(hù)的角度而言，現(xiàn)階段全球資源消耗越來越快，伴隨而來的是自然環(huán)境日益惡化。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)每年的CO2排放量超過8億t；的排放量超過1927萬t，位居世界首位，而且這些氣體的生成速度遠(yuǎn)大于自身的凈化能力。因此，積極開發(fā)新式的清潔能源對(duì)于有效緩解現(xiàn)階段的環(huán)境問題具有至關(guān)重要的意義。

2.2 太陽能技術(shù)應(yīng)用的可行性

太陽能技術(shù)主要是利用太陽能轉(zhuǎn)換裝置將太陽輻射能量轉(zhuǎn)換為熱能或電能的技術(shù)。因此實(shí)際應(yīng)用太陽能技術(shù)具有一定的地理?xiàng)l件制約，按照目前我國(guó)各地太陽能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，可以大體上劃分為5類地區(qū)：全年日照時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到3200～3300h的地區(qū)；全年日照時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到3000～3200h的地區(qū)；全年日照時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到2200～3000h的地區(qū)；全年日照時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到1400～2200h的地區(qū)；全年日照時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到1000～1400h的地區(qū)。前三類地區(qū)中，年日照平均時(shí)長(zhǎng)達(dá)2000h，是我國(guó)太陽能資源最為豐富的地區(qū)，面積占我國(guó)總面積的2/3。

3 太陽能技術(shù)的發(fā)展

3.1 太陽能利用技術(shù)

3.1.1 平板型集熱器

平板型集熱器中主要包括隔熱層、集熱板、蓋板以及外殼等。集熱板的功能為吸收陽光，將其轉(zhuǎn)化為熱能，利用流管傳導(dǎo)至集熱介質(zhì)中。

集熱介質(zhì)也是一種非常常用的熱交換器。它的關(guān)鍵構(gòu)件是平板吸熱構(gòu)件。平板吸熱構(gòu)件要求能夠具有陽光高吸收率、低熱輻射率；科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以最高的效率將太陽熱能傳導(dǎo)給集熱介質(zhì)；同時(shí)要求集熱介質(zhì)具有長(zhǎng)期的耐候性以及耐熱性能。除此之外，還要求加工工藝流程比較簡(jiǎn)單、材料價(jià)格要低廉等。集熱器通過有效吸收太陽輻射能量，一部分熱量被傳熱介質(zhì)集中起來，變成有用能量，而其余部分可以利用集熱器材料向周邊散釋自然輻射。

3.1.2 聚光型集熱器

聚光型太陽能集熱器也通過聚集反射太陽光將太陽光集中于吸熱層中，從而提升太陽能的吸收率。聚光型太陽能集熱器中最為重要的部件就是聚光鏡，其關(guān)鍵作用就是將太陽光聚集于近乎一點(diǎn)，讓吸熱層得以充分吸收。聚光型集熱器的熱損失主要為三種形式，即熱對(duì)流、熱輻射以及熱傳導(dǎo)。至于非選擇性吸熱層，處于高溫環(huán)境下，輻射是造成太陽能熱損失的主要途徑。

3.2 太陽能熱動(dòng)力發(fā)電

3.2.1 塔式太陽能熱動(dòng)力發(fā)電

塔式太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱子系統(tǒng)、聚光子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)等構(gòu)成，塔式系統(tǒng)又名集中式系統(tǒng)。該系統(tǒng)需先在場(chǎng)地上安裝大型太陽能反射鏡，即定日鏡，每臺(tái)都裝設(shè)有跟蹤機(jī)構(gòu)，從而可以準(zhǔn)確地將太陽光集中于高塔頂端的接收器上。定日鏡一般布設(shè)在塔的北部；低緯度地區(qū)可以在塔的周圍分別設(shè)置定日鏡。很多定日鏡組合成龐大的定日鏡場(chǎng)，其形成的聚光面積十分大，可將其看作為一個(gè)巨大的成像聚光集熱器，所以塔式太陽能集熱裝置的聚光倍率較高，超過1000倍，接收器正常工作時(shí)的平均溫度能夠達(dá)到1000℃以上。

3.2.2 槽式太陽能熱動(dòng)力發(fā)電

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全名為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理為多個(gè)槽式聚光集熱器經(jīng)過串聯(lián)并聯(lián)處理，可以有效吸收太陽能，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為熱能，用于工質(zhì)加熱，形成大量高溫蒸汽，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組快速發(fā)電。

4 被動(dòng)式能源建筑的形式

根據(jù)太陽能的利用方式可將中高層能源建筑分為直接受益型、集熱蓄熱墻型等，詳細(xì)如下：

4.1 直接受益型

直接受益型是直接通過陽光進(jìn)入房間，利用透光性材料和透光面積較大的南方窗戶玻璃。通過存儲(chǔ)熱能至圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的墻、地上，在夜晚對(duì)流輻射與室內(nèi)空間的熱傳導(dǎo)也逐漸釋放。建筑要求：正陽南部建筑應(yīng)安裝大面積直接暴露的玻璃窗，圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要具有較大的熱阻，室內(nèi)應(yīng)當(dāng)有良好的儲(chǔ)物性能材料，才能高效地聚集能量。

4.2 集熱蓄熱墻型

集熱蓄熱墻型的工作原理是利用設(shè)置在建筑南向垂直方向的集熱墻，通過傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流吸收太陽光達(dá)到傳熱的效果。中高層建筑要求：建筑物的墻壁被玻璃覆蓋，墻上有通風(fēng)孔。一方面，太陽能通過對(duì)流熱吸收壁熱，吸收熱能進(jìn)入室內(nèi)。另一方面，傳熱壁通過對(duì)流將熱量傳遞到玻璃和壁之間的中間層，然后從室內(nèi)空氣和空氣傳遞熱量。

5 太陽能在中高層建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及存在問題

5.1 太陽能在建筑電氣中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前太陽能技術(shù)在中高層建筑電氣中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

5.1.1 太陽能照明

太陽能可以提供有限的能量，但是不足以成為建筑物的主要能源。因此太陽能與照明設(shè)備的結(jié)合是最為常見的。太陽能照明的雖然不能用于中高層建筑長(zhǎng)期自然照明，但是可以應(yīng)用于中高層建筑應(yīng)急照明。太陽能在建筑電氣節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用也較為成熟。

5.1.2 太陽能空調(diào)

太陽能空調(diào)器主要分為兩種類型：①先用光電轉(zhuǎn)換，再把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后用傳統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式制冷器；②光熱轉(zhuǎn)換制冷的后期發(fā)展。

5.1.3 太陽能加熱

太陽能加熱是太陽能利用中起源最早的技術(shù)類型，當(dāng)前加熱技術(shù)應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，市場(chǎng)上的太陽能熱水器類型多樣，更新?lián)Q代速度快，后期也衍生出太陽能地板產(chǎn)品。太陽能加熱成為了商業(yè)利用價(jià)值高且應(yīng)用廣泛的技術(shù)之一。

5.2 現(xiàn)有太陽能技術(shù)在建筑電氣應(yīng)用過程中的問題

太陽能在建筑電氣中的應(yīng)用仍然存在諸多缺陷亟待解決和優(yōu)化，除太陽能系統(tǒng)自身的問題，還需要對(duì)以下問題進(jìn)行考量。

5.2.1 缺乏穩(wěn)定性

太陽系能量的輸出受外界環(huán)境影響較大。例如，如果遇到連續(xù)下雨的天氣，將很難對(duì)太陽能進(jìn)行有效收集利用。

5.2.2 利用效率偏低

當(dāng)前太陽能電池板多固定于特定的角度上，但是因?yàn)樘栆恢碧幱谝苿?dòng)狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)換裝置的利用率低。

5.2.3 應(yīng)用范圍狹小

太陽能技術(shù)在建筑用電方面的應(yīng)用存在較大局限，除日常的照明和空調(diào)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用較少，技術(shù)也不成熟。

6 結(jié)束語

綜上，太陽能建筑是建筑行業(yè)技術(shù)研究和綠色環(huán)保研究的重點(diǎn)，本文對(duì)被動(dòng)式太陽能技術(shù)在高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述，太陽能建筑理念與可持續(xù)發(fā)展理念相符。在設(shè)計(jì)過程中，要積極以技術(shù)理論為指導(dǎo)，滿足建筑設(shè)計(jì)的低能耗，滿足人們的節(jié)能性能。對(duì)舒適性的要求。

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收稿日期：2018-4-24

作者簡(jiǎn)介：馬云銳（1974-），男，工程師，本科，主要從事學(xué)校的供電管理工作。