太阳能技术——在建筑上的应用研究.doc

太阳能技术在建筑上的应用研究摘要：我国的房屋建筑规模堪称世界第一，现有建筑总面积已达400多亿平米，到2020年新增城镇民用建筑面积将再增100150亿平米。但现有的建筑中95%以上都是高能耗建筑。这对我国本就贫乏的能源造成了巨大压力。因此将太阳能技术与建筑相结合，大力研究可再生能源，对能源的可持续利用，环境资源的保护有着十分重要的战略意义。关键词：太阳能 被动式 主动式 太阳能一体化1引言 21世纪是人类历史上社会生产力高度发展,科学技术突飞猛进的时代。工业革命的浪潮提高了人类战胜自然的能力,摆脱了自然环境的束缚,依靠大规模的工业化生产,创造了前所未有的物质文明。人类社会在这样高速发展的同时,也造就了世界范围内的能源消费量大幅度的增长。近四十年来世界的经济发展很快,许多国家高速度的实现了现代化,这些都有赖于能源的大量开采和有效利用。但是由于常规能源的有限性和分布不规则性,随着经济全球化和工业化现代化进程的飞速发展；以及人们对地球资源不假思索的大规模开发所造成的惊人浪费，使得世界大部分国家能源供应的不足,不能满足其经济发展的需要。截止2007年底，世界石油可开采储量为1427亿吨，可采40年左右；天然气为155.78104亿立方米，可采60年左右；煤矿为9844.5亿吨，可采200多年。国际能源机构（IEA）发布的2009世界能源展望报告中提出，2007年到2030年，全球一次能源需求量会以每年1.5%的速度增长，从120亿吨石油当量增长到168亿吨石油当量，总体增幅达40%。反应了经合组织（OECD）以及中国等国能源需求发展的情况。与此同时,开发和利用这些资源也造成了人类生存环境的极大污染和生态系统的严重破坏。目前，能源问题被列为人类面临的四大问题之一(其它为粮食问题、人口问题、环境问题)。为了节约和有效地利用现有的资源，改变人类居住环境的破坏,世界各国纷纷进行研究，采取对策。其中在积极进行能源节约技术的研究同时。人们越来越重视对可再生能源,绿色能源,新能源的开发和利用(如太阳能,风能,水能,地热能,潮汐能等)。12被动式与主动式太阳能技术2.1太阳能及太阳能建筑 太阳能指的是太阳光的辐射能量，太阳能建筑即利用太阳的辐射能量，代替部分常规能源，使房屋达到一定温度环境的一种建筑。太阳能建筑分为主动式和被动式两大类。22.2被动式太阳能建筑被动式太阳能建筑的最基本的工作机理是所谓的“温室效应”。其围护结构因该具有较大的热阻，以保持房屋良好的蓄热性能。被动式采暖设计，是通过建筑朝向和周围环境的合理分布、内部空间和外部形体、色彩的巧妙设计、以及建筑材料的组合构造措施的恰当选择，并采取一些与建筑构配件密切结合的太阳能采暖、保持、储存和辐射分布装置，从而解决建筑物冬季采暖问题，同时在夏季通过相应的技术措施，组织合理有效的自然通风、夜间致凉、散逸室内热量，达到建筑物降温的目的。被动式太阳能建筑设计的基本思路是控制阳光和空气在恰当的时间进入建筑并储存和分配热空气。其设计原则是要用有效的绝热外壳和足够大的集热表面，室内布置尽可能多的蓄热体，以及主次房间的平面位置合理。32.3主动式太阳能技术主动式太阳能技术的应用主要为两方面：一种是太阳能作为热能的应用，如取暖、烧水；另一种则作为电能的收集利用。前者是太阳能转化为热能，效率较高，成本较低，在太阳能资源丰富的地区被广泛的使用；而后者是太阳能转化为电能，效率较低，成本很高，在生活使用上还很少用。因此，目前提到主动式太阳能技术主要是指太阳热能的使用技术。主动式太阳能建筑是一种构造较复杂，造价较高，需要用电作为辅助能源的建筑形式。其主要构件是太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖供热系统。它的工作原理主要是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由风机或者盘管将热量送入住宅内用以采暖或是用以加热家庭需要的热水，同时住宅中设有一定的蓄热装置，用以保存太阳热能以备后用。一套完整的主动式太阳能系统是由太阳能集热器、储热装置、循环管路和一些辅助装置组成。在应用上最常见的就是太阳能热水器系统。43被动式太阳能技术的应用分析被动式太阳能建筑是指太阳能向室内的传递不借助于机械动力，完全由自然的方式，即蓄热体进行的建筑形式。所谓蓄热体一般指可以储存热量的集热体，蓄热体相对于建筑物构造体有附属于或不附属于两种存在方式。若属于构造一部分，则一方面支撑建筑物，另一方面具有储热体的功能。不为构造体的蓄热体能很简单地设置于建筑物中，可灵活增减，配合季节调节室内温度。用于蓄热体的材料很简单，可以是液态的水、盐水、油等液体，也可以是固体的砖瓦、预制混凝土、沙、粘土、石块等。蓄热体设置在太阳能接收式冷暖系统的建筑物的任何位置都会发挥功用，但为能发挥最大限度的功能，必须选择理想的位置。为了对被动式太阳能建筑进行更深入的研究，笔者对银川碱富桥村太阳能采暖工程进行了资料调研和收集。对碱富桥村被动式太阳能技术应用进行了分析，提出围护结构的措施，为进一步研究被动式太阳能建筑技术打下了良好的基础。3.1被动式技术的应用直接受益式碱富桥村当地传统农宅多为土坯房，为避免冬季失热，窗户面积小，并且土坯砌块作为承重围护结构，墙面开洞口面积受限。这些都导致传统民居冬季室内阴暗寒冷。结合当地技术条件和经济状况，项目实践中采用了行之有效且经济的方案。即：增加南向房间窗户的尺寸；窗户采用双层玻璃；适当降低南向房屋的进深，加大面宽；墙体采用蓄热性能好的重质材料，以避免一天内房间室温波动过大。附加阳光间附加阳光间位于位于住宅南侧，将具有大面积玻璃的南向房间作为门廊或者前厅，在屋顶加设部分倾斜的玻璃面，以增加集热量。冬季阳光通过大玻璃直接照射到室内，大部分太阳能被被吸收并转换成热量，从而使室内温度升高。同时在阳光间毗邻房间之间加设玻璃隔断门，可以减少夜间室内热量通过大玻璃窗散失，有效解决阳光间在夜晚的保温问题。具体施工操作上，为了避免撞碎玻璃，阳光间的玻璃墙面不直接落地，留有400600mm高的矮墙。3.2被动式技术的分析以下是对碱富桥村三种户型太阳能形式进行了分析比较。对于A户型，在客厅使用附加阳光间，而南向两个卧室采用直接受益窗式的这种设计是比较成功的。因为客厅的面积相对与两间卧室来说面积比较大，在此使用阳光间，保证了充分收集太阳辐射的同时，在南面形成了一个温度阻尼区，起到了保温的效果；而银川地区太阳能资源比较丰富，在卧室面积不大的情况下，采用直接受益式是完全可以发挥采暖功能的。对于B户型来说，西侧卧室，和中间的客厅只采用直接受益式技术，而只是将阳光间用在了东侧卧室，这样有一定的不合理处。作为使用面积比较大，且为人们日常主要活动场所的客厅，仅仅利用直接受益窗，在热舒适性和温度稳定性上会存在一定问题。为了改变这种情况，可以将东侧卧室的阳光间向西延伸至整个客厅的南向，使其成为客厅和东侧卧室的公共阳光间。对于C户型，它是为了满足农家乐的需求所设计的。该设计中卧室、客厅、客房、农家乐餐厅等主要房间都安排在建筑南向布置。这样设计虽然各主要房间可以很充分的获得太阳辐射能，但是房屋整体设计比较狭长，因而又不利于节能保温。因次在设计中，可以将该户型的单层，改为双层。将农家乐餐厅布置在一层，客厅和卧室布置在二层。在一层餐厅和二层客厅设公共阳光间，二层卧室采用直接受益式太阳能技术。4主动式太阳能与建筑一体化研究目前主动式太阳能技术大部分都是对太阳能热水系统的应用。因其应用广泛，存在一定的问题。本章对其进行研究，以找出合理的解决问题的方法。太阳能建筑一体化是指建筑从设计一开始，就将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中，“相加”设计，统一施工，使太阳能热水系统成为建筑不可分割的一部分。4.1太阳能集热器对于太阳能热水系统来说，太阳能集热器是吸收太阳辐射能，加热水等媒质的核心装置，它的性能是衡量太阳能热水系统好坏的一个重要标志。因此，首先对太阳能集热器进行研究。太阳能集热器根据其机构和工作原理可以分为平板式热水器（板管式）、真空管热水器、闷晒式集热器。（1）闷晒式闷晒式是集热器与蓄水箱合为一体的形式，是太阳能热水器的初级形式。将太阳能闷晒盒内装上黑色的塑料或者金属的盛水胆。当太阳照射在闷晒盒时，盒内温度升高，使水胆内的水被加热。1平米闷晒式太阳能热水器，一般每年510月的晴朗天气时，每天可以获得40摄氏度左右的热水约60100公斤，可以节约标准煤80公斤左右5。这种热水器比较简单，造价也低，对于热水温度不要求太严格的用户，是经济实惠的。在西安有些家庭用飞机汽油桶涂上黑色吸热材料放在屋顶来为自己提供热水也收到了很好的效果。（2）平板式集热器它是由吸热板、盖板、保温层和外壳四部分组成。其基本结构：吸热板：是吸收太阳能辐射能量并向集热器工作介质传递热量的部件。通常采用铜材。盖板：其作用是减少热损失，在吸热板上表面加设可透过可见光但是不透过红外热射线的透明盖板，能够减少吸热板散射引起的热损失。其特点是高全光透过率、高耐冲击强度、良好的耐候性能和绝热性能。保温层：减少集热器向四周环境的散热，提高集热器的热效率。其常用的保温材料有：岩棉、矿棉、聚苯乙烯等。外壳：将吸热板、盖板、保温材料组成为一个整体并保持一定的刚度和强度。一般由钢材。玻璃钢等制成。平板式太阳能集热器的工作过程：是阳光透过玻璃盖板照射在表面有涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能量后温度升高。一方面将热量传给集热器内部的工质，工质温度升高后，作为有用能量输出；另一方面还同时向四周散热。盖板则起温室效应，使工质能带走更多热量，即提高太阳集热器的热效率6。（3）真空管集热器这种集热器是在平板式集热器的基础上发展起来的。真空管集热器的核心就是真空管，它主要是由内部的吸热体和外层的玻璃管所组成。吸热体表面通过各种方式沉积有光谱选择性吸收涂层。由于吸热体与玻璃管之间的夹层保持高真空度，可以有效的抑制真空管内空气的传导和对流热损失；再由于选择性吸收涂层具有低的红外发射率，可以明显的降低吸收板的热损失。它的最大优点就是在高温或者低温环境下都具有优良的热性能1。4.2太阳能热水器的形式太阳能热水器系统与建筑结合是太阳能与建筑结合的一个主动系统。此系统在形式上分为：整体式热水系统和分体式热水系统5。（1）整体式太阳能热水系统整体式太阳能热水器系统是人类最早使用的一种太阳能热水器。它的特点是集热器与蓄热水箱合二为一。水在集热器和水箱中以自然对流的方式流动，其工作原理：水在集热器中吸收太阳热温度升高，密度变小，水自然上升，进入上部水箱；下部冷水密度大，由水箱中水从底部慢慢向上顶。水箱中的水通过集热器的循环加温，逐步达到平衡状态。这种形式的热水器的优点是结构简单（集热器与水箱是一体的）、运行安全，管理方便。缺点是蓄热水箱必须置于集热器的上方，所以比较适用于50以下的小型太阳热水系统6。（2）分体式太阳能热水器系统整体式太阳能热水系统靠水的自然循环进行加热，为了克服这种形式的缺点，人们发展了机械循环式，即分离式太阳能热水器。分离式太阳能热水器系统是指太阳能集热器与蓄水箱分开的热水工程，系统安装辅助能源以及附属设备，通过一系列的控制方式，保证各个时段的用水，用时也使太阳能集热器的热效率可充分发挥出来。分离式太阳能热水器系统的特点有：a:能节省总体管道的设置，较易做到主管热水循环，因此该系统有节约投资的优越性。容易与其它能源相结合。b:供水系统选用形式多样，如变频供水、增压泵供水等。c:此种系统通过一系列变型可应用于其他领域，如采暖、泳池加热等。4.3太阳能地暖系统当热水器系统应用在采暖中，通过加设水泵、地面盘管等设备就形成了太阳能地暖系统。太阳能热水系统的应用不仅仅能够提供生活热水，还可以用来改善建筑室内的热环境，太阳能低温热水地板系统就是很好的一个应用。它是利用低温热水为热媒，以太阳能集热器作为热源的一种采暖方式7。4.4太阳能建筑一体化建议4.4.1一体化的现状现阶段我国太阳能热水系统大部分情况还是以家用为主，成为房屋建成后用户购买和安装的一个后置部件，其中存在的很多问题已经成为太阳能一体化推广的应用的制约因素8。（1）从视觉角度，影响建筑美观。由于很多房屋在建筑设计之初未考虑太阳能热水器的安装位置，太阳能热水系统与建筑形象不协调，破坏建筑景观。绝大多数的太阳能热水器属于事后安装，没有统一规划，安装时间不同步，规格各异，安装位置参差不齐，管道布置凌乱，造成杂乱无章的无序状态，形成视觉污染；（2）从产品角度，太阳能产品还没有做到构件化、规模化、标准化。另外，集热器存在着采光、外观的特殊要求，在安装朝向、安装位置等方面的局限性，很难与建筑及城市景观融为一体，同时还存在着安装安全等缺陷；（3）从设计角度，太阳能热水器一般由给排水设计专业人员完成。设计过程往往缺少建筑师结构师的参与，没有与结构安全相关的计算，缺乏与各专业相关的通用设计图集和应用技术规范。4.4.2一体化的基本原则基于一体化情况的不容乐观，从美观，安全等方面入手，提出了太阳能热水器系统使用中注意的基本原则。“太阳能建筑一体化”的概念，就是从太阳能应用技术和建筑环境美观两方面入手，利用太阳能构件为建筑增加美学趣味。通过合理设计，使其成为整个建筑的一个有机的组成部分，充分利用建筑可利用太阳能的外在部位并实现建筑外在景观的和谐9。太阳能与建筑结合的一般原则为：（1）在外观上：合理摆放太阳能集热器，无论在屋顶或立面墙上，应实现两者的协调统一。（2）在结构上:妥善解决太阳能集热器的安装问题，确保建筑物的承重、防水等功能不受影响，还要充分考虑太阳能集热器抵御强风、暴雪等的能力。（3）在管路布置上：合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路，尽量减小热水管路的长度，建筑物中都要事先留出所有管路的通口。（4）在系统运行上：要求系统可靠、稳定、安全，易于安装、检修、维护，合理解决太阳能与辅助能源的匹配，尽可能实现系统的智能化全自动控制。4.4.3结合措施作为太阳能建筑一体化的解决方式，一般将太阳能热水器或者太阳能集热器有机的与屋顶、阳台、墙体、遮阳等建筑构件结合。（1）与屋顶结合太阳能热水系统在屋顶安装时，由于位置较高，可以形成自然压头，管路选择比较灵活，同时对于选择的集热器类型有较大的自由度，自然循环式、强制循环式、直流式均可。与此同时，在屋顶日照条件好，不受朝向影响，不容易受到阻挡，可以充分的接受太阳辐射；其次系统可以紧贴屋顶结构安装，减少风力的不利影响；再次可以代替保温隔热层遮蔽屋面，减少屋顶夏天的热负荷。对于建筑面积不大、高度不高的平屋面建筑，适合使用整体式太阳能热水器；对于建筑面积大的平屋面和坡屋面更多的适合使用分体式热水系统。（2）与阳台和立面墙相结合将集热器安装在南向外墙或者阳台上，主要解决了高层建筑中低层住宅管道太长以及屋顶有时没有空间安装的问题。热水器选用分体式系统，水箱一般放置于室内或者结合阳台布置弃用了大水箱。这样每户的集热器都成为了构图元素，避免了立面整体效果的破坏。在高纬度地区，集热器可以设置在除北、东北、西北的任何一个方向建筑墙面上，或者直接构成建筑墙面；在低纬度地区，集热器可设置在建筑物南偏东、南偏西或东、西向墙面上。它的优点是：集热器位于自家外墙或阳台处，不会影响其他用户；连接管道短，热损失少，安装检修方便；与建筑能有效结合，成为建筑物的一个造型元素。这种形式已成为太阳能建筑一体化发展的一个主要方向。（3）与遮阳板相结合将集热器安装在窗户上方的托架上成为建筑遮阳构件。这种形式不但能够在夏季起到防晒作用，同时最大限度的吸收太阳辐射能来为用户提供热水，有效地利用了空间。在使用过程中有些问题需要注意：确保安装牢固；集热器是玻璃材质，要增加适当的保护措施防止重物砸坏；不易调整角度。整体式太阳能热水器在使用过程中存在一定的缺陷，因管道较长使得能耗增加，在使用时出现浪费水的现象；同时由于集热器与蓄水箱连为一体，造成了荷载和体积过大，不利于与建筑构件相结合。目前，多用于低层和多层住宅的顶层。水箱与集热器分离的分体式太阳能热水器是一种可直接进入多层、高层中各家住户的新型装置。蓄水箱与集热器分离，置于室内或者阳台和屋面顶部。由于分体式