太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化應(yīng)用

蒙田 趙雁 敬成君

摘 要：太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑有機結(jié)合，可滿足太陽能資源豐富的地區(qū)的建筑供暖需求。本文在太陽能空氣集熱系統(tǒng)運用優(yōu)勢與原則的基礎(chǔ)上，分析了太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化的主要形式以及優(yōu)化方法，為建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用太陽能空氣集熱系統(tǒng)技術(shù)提供借鑒，以滿足現(xiàn)代建筑節(jié)能減排的要求。

關(guān)鍵詞：太陽能空氣集熱系統(tǒng)；建筑一體化；優(yōu)勢；原則；優(yōu)化

現(xiàn)階段，中國建筑能耗約占到全國總量的20%，與發(fā)達國家比仍相對較低[1]。隨著生活水平的逐漸提高中國建筑能源需求量還會增加，因此對既有建筑以及新建建筑來說太陽能空氣集熱系統(tǒng)的利用將會極大地減少建筑化石能源的消耗，具有可觀的經(jīng)濟效益與節(jié)能效果。

1 我國太陽能資源分布狀況

我國具有比較豐富的太陽能資源，按照接受輻射量的大小，大體分為五類地區(qū)，其中一、二、三類地區(qū)的年日照時數(shù)均大于2000小時[2]，對太陽能空氣集熱系統(tǒng)有很好的適應(yīng)性，如果將其與建筑墻面或者屋頂結(jié)合，無疑有很大的節(jié)能潛力。

2 太陽能空氣集熱系統(tǒng)應(yīng)用于建筑的優(yōu)勢

太陽能空氣集熱系統(tǒng)重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，無需額外的用地，能有效利用空間；太陽能空氣集熱系統(tǒng)以空氣作為介質(zhì)不存在凍結(jié)問題且空氣不會腐蝕集熱系統(tǒng)和管路，即使有少量泄露，對系統(tǒng)運行的效率也不會產(chǎn)生較大的影響[3]；太陽能空氣集熱系統(tǒng)利用太陽能發(fā)熱，據(jù)估計10m2的太陽能空氣集熱系統(tǒng)一年能減輕一噸的碳排放量；太陽能空氣集熱系統(tǒng)如果作為模塊化安裝，其生產(chǎn)周期短、成本低、運用方便靈活，可根據(jù)建筑的熱負荷任意變更，若前期有設(shè)計不當(dāng)，在建筑運營后也可再增減集熱系統(tǒng)的面積進行補救[4]。

3 太陽能空氣集熱系統(tǒng)應(yīng)用的原則

（1）材料選用上要選擇綠色環(huán)保的材料，同時在太陽能空氣集熱系統(tǒng)使用的過程中，要提高系統(tǒng)使用的安全性 [5]。

（2）地域選擇上要設(shè)立在太陽能資源豐富的地區(qū)，讓太陽能空氣集熱系統(tǒng)常年能夠穩(wěn)定的運行。

（3）太陽能空氣集熱系統(tǒng)的設(shè)計要配合建筑的外立面，做到與建筑外立面協(xié)調(diào)統(tǒng)一，又不失節(jié)奏與韻律[6]。

4 太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化的形式

如圖1所示，與建筑屋頂一體化的太陽能空氣集熱系統(tǒng)主要由蓋板層、吸熱板、空氣流道、金屬框架、風(fēng)機等組成。在應(yīng)用中主要分為與建筑平屋頂、坡屋頂兩種結(jié)合形式。室外冷空氣在風(fēng)壓熱壓的作用下通過空氣入口進入空氣流道內(nèi)吸收吸熱板的熱量后再送入室內(nèi)房間。設(shè)計過程中除了要滿足供暖需求外還需要集熱系統(tǒng)的重量在屋頂能承受的荷載范圍內(nèi)。

圖1 與屋頂一體化的太陽能空氣集熱系統(tǒng)示意圖

建筑南向立面往往有很多面積可利用，在冬季建筑立面上的太陽輻射強度甚至是水平面的1.5倍[7]，因此太陽能空氣集熱系統(tǒng)與墻面結(jié)合有很大的供暖潛力。如圖2所示，太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑墻面結(jié)合時通常采用滲透式系統(tǒng)，其主要由滲透式玻璃蓋板或滲透式金屬板材蓋板、吸熱板、空氣流道、支撐結(jié)構(gòu)、建筑既有墻面、風(fēng)機等構(gòu)成。室外冷空氣在風(fēng)壓熱壓的作用下通過滲透蓋板進入空氣流道內(nèi)吸收吸熱板的熱量，而后熱空氣通過通風(fēng)機組的作用被分配至所需要供暖的房間，實現(xiàn)節(jié)能的目的，多余的熱量則被儲存于墻面能夠供夜間使用。

4.1 太陽能空氣集熱系統(tǒng)與坡屋頂一體化

坡屋頂主要在中國傳統(tǒng)建筑、農(nóng)村建筑、別墅等建筑中比較常見，由于建筑體量較小，需要的太陽能空氣集熱系統(tǒng)面積也比較少，安裝幾個平方米的集熱系統(tǒng)通常能夠滿足建筑采暖的需要，如圖3（a）所示安裝在坡屋頂上的太陽能空氣集熱系統(tǒng)與水平面有一定的角度，能更好的接受太陽輻射。

圖2 與墻面一體化的太陽能空氣集熱系統(tǒng)示意圖

4.2 太陽能空氣集熱系統(tǒng)與平屋頂一體化

平屋頂在公共建筑、住宅、公寓等建筑中較為常見，建筑供暖需求量大，屋頂可利用的空間多，因此平屋頂?shù)奶柲芸諝饧療嵯到y(tǒng)通常采用并聯(lián)的方式如圖3（b）所示。由于建筑高度較高，在應(yīng)用時要考慮風(fēng)荷載的影響，對于嚴(yán)寒、寒冷等地區(qū)因其積雪的可能性較大需將集熱系統(tǒng)傾斜一定角度放置。

a集熱系統(tǒng)與坡屋頂結(jié)合 b集熱系統(tǒng)與平屋頂結(jié)合

圖3

4.3滲透式玻璃蓋板集熱系統(tǒng)與建筑墻面一體化

滲透式玻璃蓋板集熱系統(tǒng)可根據(jù)建筑設(shè)計的需要選用不同顏色的玻璃蓋板， 如圖4（a）所示其與建筑一體化后的效果類似于玻璃幕墻，能更好的與建筑融為一體不破壞建筑本身的風(fēng)格與質(zhì)感，又能與整個建筑體量形成統(tǒng)一對比的關(guān)系能更好的提升城市整體環(huán)境，滿足審美需求，因此滲透式玻璃蓋板集熱系統(tǒng)常用于公共建筑與居住建筑。

4.4滲透式金屬板材集熱系統(tǒng)與建筑墻面一體化

工業(yè)建筑大多用作生產(chǎn)加工，對實用性的要求很高，對建筑外觀的美學(xué)需求較為次之[8]，因此滲透式金屬板材集熱系統(tǒng)因其造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單則更適用于工業(yè)建筑如圖4（b）所示，其安裝時先固定槽鋼、限位卡、防水板、滴水板的位置，而后將型鋼固定于限位卡上，最后將金屬滲透吸熱板安置上去，雖然黑色金屬板材的使用效率最高，金屬板材還是可根據(jù)建筑的需要選用不同的顏色。

a玻璃蓋板滲透集熱系統(tǒng) b金屬板材滲透集熱系統(tǒng)

圖4

5 太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化的優(yōu)化原則

（1）太陽能空氣集熱系統(tǒng)通常南向布置，因此在建筑的規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)充分考慮南向墻面和屋頂空間的利用，增加南向墻面的面積為太陽能空氣集熱系統(tǒng)留足安裝空間。

（2）對布置于屋頂?shù)募療嵯到y(tǒng)而言，集熱系統(tǒng)在不同的地區(qū)會有不同的最佳傾斜角度，因根據(jù)該地區(qū)的經(jīng)度和緯度以及氣候特征來決定太陽能空氣集熱系統(tǒng)的傾斜角度。

（3）為了增加集熱系統(tǒng)的工作效率，在蓋板材料上盡量選透過率較高、抗沖擊、耐紫外線輻射的材料[9]。

（4）在陰天的氣候條件下，太陽輻射強度較低，集熱系統(tǒng)提供的能量可能小于建筑的熱損失，此時應(yīng)該提供其他熱源聯(lián)合運行。

6 結(jié)論

建筑能耗在我國總能耗占較大的比例，節(jié)能空間也很大，因此太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化具有顯著意義。在此背景條件下，本文分析了太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化的優(yōu)勢與原則，總結(jié)了太陽能空氣集熱系統(tǒng)與建筑一體化的可行方式與優(yōu)化方式。本文可為既有與新建建筑提供節(jié)能改造參考，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

參考文獻

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作者簡介

蒙田（1993-），男，漢，簡陽，四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，研究方向：太陽能