民用建筑太陽能熱利用現(xiàn)狀分析與探討

劉 艦

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，全國建筑能耗的需求量不斷增加，常規(guī)不可再生能源利用情況日趨緊張，大力推廣使用替代可再生新能源就顯得十分重要了。而太陽能恰恰是自然界中永存的一種最廉價(jià)的清潔可再生基本能源，它取之不盡,用之不竭，所以目前在民用建筑領(lǐng)域中研究探討如何更好的利用太陽能資源在熱水供應(yīng)、供暖以及空調(diào)等幾個(gè)方面應(yīng)用，以減少常規(guī)能源的使用是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)利國利民的工作。在民用建筑中如住宅、學(xué)校、單體別墅、賓館等冬季供暖、夏季空調(diào)以及日常生活熱水供應(yīng)等系統(tǒng)占建筑總能耗的比重通常比較大，如何有效合理開發(fā)利用太陽能資源以充分發(fā)揮其環(huán)保、低碳節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)建筑專業(yè)設(shè)計(jì)師來說就顯得尤為重要了。所以太陽能熱利用技術(shù)越來越受到人們廣泛關(guān)注與重視，有望成為當(dāng)前主要替代新能源。

1 民用建筑能耗分析

民用建筑總能耗是指為維持某建筑內(nèi)溫度、濕度恒定所需要消耗的能量，它包括冷負(fù)荷和熱負(fù)荷兩部分。影響民用建筑能耗的主要因素有：建筑總體規(guī)劃、采暖空調(diào)系統(tǒng)、建筑體型系數(shù)、建筑平面布置、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、太陽能輻射強(qiáng)度等。本文主要探討如何合理運(yùn)用太陽能資源從而達(dá)到降低民用建筑能耗的目標(biāo)。通過外墻、外窗、頂棚、地面等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)而形成冷、熱負(fù)荷包括室內(nèi)外溫差傳遞的熱量和透過的太陽能輻射熱，透過的太陽能輻射得熱量對(duì)冷、熱負(fù)荷來說，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求正好相反：例如冬季天氣晴朗日照充足時(shí)，則希望設(shè)計(jì)出能夠較多得到太陽輻射能量的建筑外形，特別是需要有較大南外窗的建筑；相反冬季陰天、多云日照減少時(shí)，則應(yīng)盡量減少建筑室內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外的熱量傳遞損失，所以此時(shí)外窗面積相對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)越小越合理。從下面例子還可以明顯看出同樣一個(gè)民用建筑在不同的季節(jié)里可能出現(xiàn)完全相反的節(jié)能效果：在夏天如果能減少南面的窗、墻比，可以減少夏季冷負(fù)荷，從而可以節(jié)省制冷空調(diào)費(fèi)用，但是從冬天需要更多的獲得太陽輻射熱量的角度來看就顯得不合理了，南面的窗、墻比相對(duì)來說是越大越好。又如在我國北方建筑中為了降低建筑能耗通常加強(qiáng)外窗、外門等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性和保溫性，有可能出現(xiàn)由于封閉陽臺(tái)帶來的溫室效應(yīng)，會(huì)造成南向房間過熱和各不同朝向房間之間室內(nèi)溫差過大而形成的的熱力失調(diào)問題。所以在民用建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合而全面的考慮太陽能熱利用問題。

2 太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)

太陽能熱水供應(yīng)是目前國內(nèi)外民用建筑對(duì)太陽能熱利用中,應(yīng)用最為廣泛、最為實(shí)用，并且技術(shù)相對(duì)比較成熟的一種系統(tǒng)形式。在太陽能供熱水中最常見的一種裝置形式是太陽能熱水器，經(jīng)過多年來不斷地研究試驗(yàn)和創(chuàng)新，已使科技成果逐漸轉(zhuǎn)化為相對(duì)成熟產(chǎn)品且其生產(chǎn)模式已趨于產(chǎn)業(yè)化。其系統(tǒng)主要由集熱裝置、蓄熱水箱、熱水循環(huán)管路以及一些其他輔助動(dòng)力裝置(如循環(huán)水泵)、自動(dòng)控制部件(如溫差控制器)等構(gòu)成?，F(xiàn)階段我國民用建筑住宅、別墅、賓館中為了節(jié)約煤炭、電力等常規(guī)能源，減少日常運(yùn)行費(fèi)用開支，常安裝太陽能全玻璃真空管集熱器裝置與普通生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)相互配合使用，它是利用傳統(tǒng)平板型熱水器集熱原理而研發(fā)出來的一種全新太陽能集熱裝置。對(duì)于全年有熱水供應(yīng)的住宅或賓館等民用建筑而言，太陽能集熱器通常朝南傾斜放置于屋頂之上，對(duì)于我國北方地區(qū)大致每100 m2住宅需要13 m2～20 m2的太陽能真空管集熱器，這就需要建筑師在建筑設(shè)計(jì)初步階段應(yīng)充分考慮建筑的平面位置、高度以及屋頂構(gòu)造形式等，以保障太陽能集熱器的合理安裝面積以及良好使用效果。

3 主動(dòng)式太陽能供暖系統(tǒng)

主動(dòng)式太陽能供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱裝置(如真空管集熱器)、蓄熱設(shè)備(如貯熱水箱)、供暖管路、末端裝置(如散熱器、風(fēng)機(jī)盤管、輻射板)和輔助補(bǔ)充熱源等構(gòu)成。此系統(tǒng)最重要核心部件是太陽能集熱器，它此時(shí)相當(dāng)于常規(guī)供暖方式的熱源部分，其主要功能是盡可能地高效吸收并利用太陽日照輻射熱量，通過蓄熱設(shè)備貯存的熱量來對(duì)供暖管路系統(tǒng)中的媒介水進(jìn)行加熱，供暖管路中的熱水經(jīng)過循環(huán)水泵的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將大量熱量傳遞到用戶末端散熱裝置，最終將熱量釋放給房間，已達(dá)到冬季房間供暖要求。

我們知道因?yàn)樘柲鼙旧淼娜秉c(diǎn)之一是不夠穩(wěn)定(如雨雪、陰天等連續(xù)壞天氣)，再加上具有間斷性和分散性(如夜晚等)，可以說有時(shí)需要靠天吃飯，所以它作為供暖系統(tǒng)熱源勢必具有一定的局限性，為了保證某些民用建筑如住宅、別墅等冬季供暖的連續(xù)性，必須增設(shè)輔助補(bǔ)充熱源設(shè)備(如燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t、電加熱器或熱力換熱器等)。當(dāng)熱用戶的建筑耗熱量小于太陽能集熱裝置產(chǎn)熱量時(shí)，此時(shí)可以將多余的熱量貯存在蓄熱設(shè)備中，作為預(yù)留熱量留作后用，從而提高建筑能源的使用能效比；相反當(dāng)熱用戶的建筑耗熱量大于太陽能集熱裝置產(chǎn)熱量時(shí)，此時(shí)需要啟動(dòng)輔助補(bǔ)充熱源，兩套系統(tǒng)裝置通過合理的設(shè)計(jì)可以自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于輔助熱源的選擇首先要滿足民用建筑中有關(guān)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范和某些地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其次再根據(jù)太陽能供暖工程具體實(shí)際情況進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比之后選取。例如本地區(qū)電費(fèi)收取較低且電力供應(yīng)連續(xù)充沛，用電作為輔助熱源最為經(jīng)濟(jì)方便合理。

4 被動(dòng)式太陽能供暖建筑

被動(dòng)式太陽能供暖建筑，又稱為太陽房。它是建筑師根據(jù)太陽輻射基本原理，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)往往巧妙地利用建筑物的周邊地形環(huán)境、建筑物朝向，通過對(duì)建筑物室內(nèi)、外立體空間的合理布置，以及綜合考慮所選取的建筑材料性能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工系數(shù)等多方面因素，使建筑物在寒冷季節(jié)可以大量吸收、貯存和輸配太陽日照輻射量，并通過技術(shù)手段使室內(nèi)溫度在一定合理范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到冬季采暖目的。被動(dòng)式太陽能供暖建筑不需要專門的太陽能集熱裝置，其集熱部件作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分與房屋建筑構(gòu)造巧妙融合為一體，不需要常規(guī)供暖所需的熱水循環(huán)管路等配套系統(tǒng)，這是其與主動(dòng)式太陽能供暖主要不同之處。南向外玻璃窗是直接受益式太陽房中最重要的組成部分，在做太陽能建筑設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)?？紤]的是南向外玻璃窗與其對(duì)應(yīng)外墻的合理窗墻比，以期達(dá)到綜合節(jié)能效果。被動(dòng)式太陽能供暖較適合應(yīng)用在對(duì)采暖要求不高或間歇供暖的北方民用建筑中的農(nóng)村住宅、鄉(xiāng)村小學(xué)等，它屬于自給式供暖方式所以不夠穩(wěn)定，故應(yīng)用范圍具有一定局限性，不適宜全面展開推廣應(yīng)用。

5 太陽能供冷空調(diào)系統(tǒng)

民用建筑太陽能熱利用不但可以平時(shí)供生活用熱水、北方地區(qū)冬季供暖，還可以在夏季向建筑物供冷，其制冷空調(diào)主要采用太陽能溴化鋰吸收式制冷機(jī)組。通過太陽能集熱器獲得的輻射得熱量作為該系統(tǒng)制冷機(jī)組的主要?jiǎng)恿Σ糠郑⑵洚a(chǎn)生熱量不斷貯存在蓄熱水箱中作為該吸收式制冷機(jī)組發(fā)生器的熱源，而制冷機(jī)蒸發(fā)器吸收熱量后產(chǎn)生的冷凍水貯存在蓄冷水箱之中，通過冷凍水循環(huán)水泵以及冷凍水管網(wǎng)系統(tǒng)不斷向建筑用戶末端裝置(如風(fēng)機(jī)盤管、空氣處理機(jī)組或吊頂式輻射板等)進(jìn)行供冷。根據(jù)熱平衡原理機(jī)組中吸收器與冷凝器一定同時(shí)向外界環(huán)境釋放出大量熱量，此系統(tǒng)形式一般為節(jié)省建筑空間通常在建筑物屋頂設(shè)置水冷式冷卻塔裝置，通過冷卻水循環(huán)管路系統(tǒng)將熱量最終釋放給大氣環(huán)境。當(dāng)然由于太陽能熱利用有時(shí)不夠連續(xù)穩(wěn)定，該系統(tǒng)必須同時(shí)增設(shè)燃?xì)忮仩t等輔助能源設(shè)備，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，向水環(huán)路系統(tǒng)中補(bǔ)充熱量。該系統(tǒng)也可以用于北方民用建筑冬季用空調(diào)供暖，此時(shí)可將蓄熱水箱中貯存的熱水連到空調(diào)水系統(tǒng)管路即可。可以看出太陽能溴化鋰吸收式制冷機(jī)組比傳統(tǒng)用電驅(qū)動(dòng)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)節(jié)約常規(guī)能源。

6 太陽能熱利用技術(shù)在民用建筑領(lǐng)域綜合應(yīng)用

國內(nèi)外民用建筑領(lǐng)域中太陽能熱利用技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，特別是近幾年來隨著我國大力提倡綠色低碳節(jié)能環(huán)保政策后，不可再生能源尤其是太陽能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展很快，如何實(shí)現(xiàn)民用建筑設(shè)計(jì)與太陽能熱利用一體化就顯得日益重要。太陽能在建筑中的綜合應(yīng)用，不僅體現(xiàn)在太陽能供冷空調(diào)、采暖、供熱水等建筑使用能耗上，還可以結(jié)合太陽能發(fā)電等，這就使得人們對(duì)太陽能技術(shù)更加關(guān)注與重視。如上所述，無論是太陽能供冷空調(diào)系統(tǒng)還是主動(dòng)式太陽能供暖系統(tǒng)中都包含太陽能集熱裝置和輔助補(bǔ)充能源兩個(gè)系統(tǒng)。從近幾年來太陽能實(shí)際工程的運(yùn)行效果看，在我國太陽能資源豐富的某些北方地區(qū)供暖期較短，平均為3，4個(gè)月左右，而炎熱夏季時(shí)間也不是很長，僅僅利用設(shè)置在建筑屋頂面積較大的太陽能集熱裝置在冬季供暖、夏季制冷空調(diào)，系統(tǒng)初投資較大而設(shè)備利用率較低，運(yùn)行成本較高。但是如果能在非典型夏季或冬季也就是春秋等過渡季節(jié)向民用建筑用戶供生活熱水，即采用太陽能主動(dòng)式供暖與熱水供應(yīng)系統(tǒng)或太陽能供冷空調(diào)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合運(yùn)行方式，就可以大大提高太陽能集熱設(shè)備的使用率，節(jié)省設(shè)備全年綜合運(yùn)行費(fèi)用，從而發(fā)揮較大的節(jié)能、環(huán)保優(yōu)勢。同時(shí)建筑師在設(shè)計(jì)屋頂?shù)冉ㄖ獠繕?gòu)造時(shí)應(yīng)注意與太陽能集熱器的合理布置擺放相結(jié)合，做到不但建筑造型美觀而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用以減少建筑能耗，符合節(jié)約能源、低碳環(huán)保時(shí)代要求，這些都是今后我國在民用建筑領(lǐng)域太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展方向和前途所在。