太阳能在建筑应用中的_一体化_.docx

2009 年第 11 期（第 26 卷 总第 153 期）暖 通 空 调doi：10.3969/j.issn.1673-1093.2009.11.020太阳能在建筑应用中的“一体化”黄帝凯，魏晓锋(大连理工大学，辽宁 大连 116000)摘要：随着我国经济高速发展，能源紧缺形势日益严峻。太阳能作为永不枯竭的绿色能源，其在建筑中的使用，对降低我国 建筑能源消耗、实现建筑节能有重要意义。介绍太阳能在建筑中的具体应用，就如何更好地利用太阳能提出了“一体 化”战略。关键词：太阳能；建筑节能；一体化中图分类号：TU831.3文献标志码：C文章编号：1673-1093（2009）11-0055-030引言建筑、能源和环境是人类社会生存和发展的 重要基础。我国城市化进程迅猛，经济高速发展， 导致能源紧缺形势日益严峻，能源利用所带来的 环境问题日益突出。能源紧张和环境污染已经成 为 制 约 我 国 经 济 、社 会 、城 市化可持续发展的 瓶颈。太阳能是永不枯竭的绿色能源，是21世纪最 具开发潜力、最清洁环保的能源之一。因此，在现 阶段我国传统能源占近70%现状下，大力发展太阳 能对降低传统能源消耗、改善环境质量具有重要 的社会意义；对降低我国建筑能源消耗、实现建筑 节能、促进建筑-能源-环境的可持续协调发展具 有重要的现实意义。不过，太阳能因其自身度局 限，它在建筑中的普及率并不高，连10%都不到而 且基本仅限于光热领域，并且是光热领域中的最 末端产品屋顶太阳能热水器。因此，如何完善太 阳能系统，更好的推广太阳能在建筑中的使用已 成为各国科学家、工程师共同关注的课题。1太阳能在建筑中的应用及现状太阳能在建筑中的应用可分为光热利用和光 电利用两种。光热利用主要是用太阳能提供生活 热水、采暖和制冷。而光电技术利用则是用太阳能 发电，为建筑物提供生活用电。介绍光热和光电技 术的具体原理及应用。1.1光电利用太阳能发电的主要原理是光生伏打效应，即 太阳光照射到光伏电池上时，电池吸收光能，产生 光生电子空穴对，在电池内建电场的作用下，光生电子与空穴被分离形成电压，进而发电。这个过 程的实质是：光子能量转换成电能的过程。太阳能光电技术在建筑中的应用由于成本较 高，在大部分国家都还没有普及。1.2光热利用1.2.1太阳能热水器太阳能热水器是一种利用太阳辐射通过温室 效应把水加热的装置。一般由集热器、贮热装置、 循环管路、辅助装置组成。集热器就是能吸收太阳 辐射并向载热工质传递热量的一种装置，是太阳 能热水器的关键部件，其造价几乎相当于整个热 水器装置的二分之一。太阳能热水器在太阳能光热转换装置中，可 用量最大，实际应用最广。这不仅因为它在设计制 造技术方面比较成熟，而且还有多年的使用经验。 太阳能热水器不仅可以给家庭、机关、旅馆、医院、 学校提供洗浴用的低温热水，同时还可以为暖房、 干燥、蒸馏、温室、制冷、热动力系统及工农业提供 所需的热水。1.2.2太阳能供暖太阳能供暖按利用太阳能的方式不同，可分 为被动式系统、主动式系统。不采用专门集热器、管道和泵等装置，只是依 靠建筑物的方位、本身构造和材料的热工性能，吸 收和贮存太阳入射热量，以达到采暖目的，这样的 系统叫做被动式太阳能供暖系统，也称太阳能自 然供暖。主动式则是应用太阳能集热器和其他辅助设 备，加热空气或水，使之达到供暖要求。2009 年第 11 期 551.2.3太阳能制冷太阳能制冷系统大体可分为三类，即压缩式 制冷、喷气式制冷和吸收式制冷。从表面上看，是 以完全不同的作用原理运行的，但从热力学基本 原理来看，却几乎是一样的，都是利用太阳能集热 器为制冷机提供其所需要的热煤水或蒸汽。太阳能制冷技术的最大优点在于它有很好的 季节匹配性，天气越热，越需要制冷的时候，太阳 辐射条件越好，太阳能制冷系统的制冷量也越大。 2 太阳能利用“一体化”战略由于太阳能的利用有其自身的弊端，如：利用 效率低，造价高，受环境影响大、不稳定，集热器和 光伏电池板需占用很大面积等。因此，为更好地在 建筑中使用太阳能，在节能环保的同时，能满足人 们的舒适性要求和经济性需求，太阳能利用“一体 化”无疑是个很好的选择。2.1太阳能与建筑一体化太阳能与建筑一体化是将太阳能利用设施与 建筑有机结合，利用太阳能集热器、太阳能电池组 件作为屋面和墙面材料，有效利用建筑物外表面， 无需额外用地或加建其他设施，既供电节能，又节 省了建材，降低了成本。同时太阳能与建筑一体化 把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技 术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部 分，相互间有机结合，取代了传统太阳能的结构所 造成的对建筑的外观形象的影响。在主动利用太阳能同时，太阳能与建筑一体 化设计中被动利用太阳能的技术和与相配合的建 筑保温设计也不用忽视。被动技术的应用与良好 的外围护结构，能大大降低主体建筑的采暖、制 冷、通风和采光的能耗，使采暖和制冷的传统能源 负荷趋近于零。2.2太阳能系统一体化2.2.1光伏光热一体化目前太阳能光伏电池板的光电转化效率只有 17%左右，并且转化效率受电池板温度的高低影响 很大，温度越高，发电效率越低。为尽可能使电池 效率保持在较高水平，可以在电池背面敷设流体 通道带走热量以降低电池温度，这种把太阳能光 伏电池板和太阳能集热器两者结合起来，既能发 电又能提供热能的系统即为光伏光热一体化(PV/ T)系统。56 2009 年第 11 期最新的太阳能光伏热电板技术，通过石墨导 热层可以有效地将电池板的废热输送给毛细管， 进而收集废热，因此可同时提高集热板的集热效 率和发电板的发电效率。而且毛细管的利用可以 实现无动力循环，解决了在光伏电池板后加冷却 空气、冷却水的放风机或水泵的能耗高的问题。研究表明，光伏光热一体化系统综合性能效 率大于60%，比单一热水系统或光伏系统效率有显 著提高。因此，大力发展光伏光热一体化系统和新 技术，对于解决太阳能利用效率低的问题有十分 积极的推动意义。2.2.2供暖和制冷一体化太阳能供暖和制冷一体化系统，可以同时在 冬季向建筑供暖和在夏季为建筑制冷。被动式太阳能技术的应用可让建筑自身在冬 季吸收热能作为供暖的热源，在夏季把建筑物内 的热量散发出去，作为调节室内温度的冷源，进而 达到节能环保的要求。而主动式太阳能供暖和制冷都属于太阳能光 热利用，其集热器、贮热装置等很多关键部件可以 共用，这在很大程度上降低了太阳能的使用成本。 可以预想，在不久的将来，太阳能收集、利用效率 将进一步提高，进而实现太阳能热、电利用的真正 统一，达到热、电根据需求相互平衡，相互补充。 2.3太阳能系统与其他能源系统一体化因为太阳能受环境影响很大，而且现阶段难 以完全满足建筑用能的需要。因此实现太阳能系 统与其他能源系统一体化是十分重要的。太阳能与传统能源的结合(如光伏组件与市政 供电系统并网)，在利用太阳能达到节能环保效果 的同时，还能最大限度地保证建筑的能源供应，是 现阶段太阳能与其他能源系统一体化的主要形 式。建筑中还可利用地热能、风能、生物能等绿色 能源。这些新能源与太阳能优势互补，实现能源梯 级利用，如，利用土壤中的热能对新风进行冬季预 热、夏季预冷处理。同时利用建筑智能控制系统， 最大限度地满足使用要求、最高效地利用能源。太阳能系统与其他能源系统一体化可有效的 缓解太阳能受环境影响大、不稳定等不利因素，同 时充分发挥其他新能源的特点，是太阳能使用的 最佳形式。3结语在我国，完全实现太阳能大众应用还有很长 的路要走，通过利用太阳能来降低建筑总耗能成 本，实现建筑生态化是未来太阳能“一体化”的发 展趋势。我们有理由相信，随着该领域研究的不断 发展，节能方式的不断完善，如果能真正做到“三 位一体”，即太阳能建筑一体化，太阳能系统一体 化，太阳能与其他能源系统一体化，实现建造“双 零建筑”(零能耗、零排放)的目标就在不远的明天。参考文献：1项立成，赵玉文，罗运俊.太阳能的热利用M.北京：宇航出版 社，1990.2王其恒.太阳能与建筑一体化的探索与应用J.安徽建筑，2009 (3)：45，48.3安文韬，刘彦丰.太阳能光伏光热建筑一体化系统的研究J.应 用能源技术，2007(11)：33-35. 4200810228051.4发明专利申请公开说明书.作者简介：黄帝凯(1987)，男，大连理工大学。!第六届 PECC 国际生态城市建设博览会散记在日前召开的第六届 PECC 国际生态城市建设博览会上，居住区自动隐形垃圾收集系 统、绿色住宅楼等代表最前沿的绿色环保新技术、新产品精彩亮相，为参观者勾勒出了一幅 生态宜居、舒适安心的绿色生活图景。两栋楼生活垃圾，30 秒收集完成本次展会上，已在中新天津生态城有所应用的国内首个“隐形”垃圾收集系统，引起了 参观者的极大兴趣。采用这种当前世界最先进的垃圾收集系统，居民只需把生活垃圾分类 倒入楼道内的回收口，垃圾便通过预先铺设的地下管道，利用真空抽吸原理自动被运送到 垃圾收集中心了。“垃圾收集中心的电脑系统，可实时用红外线监测各楼道管道口的垃圾数 量，当累积达一定数量后，收集中心的风机自动开启，这时管道内就产生了 2000 帕左右的 负压。随后，在这股强大的空气动力下，会以每秒 25 米的速度，将垃圾迅速吸附至收集中 心。一般情况下，从风机自动开机到收集完成两栋楼、上百户居民的生活垃圾，只需 30 秒。” 工作人员介绍说。据了解，未来中新天津生态城整个区域内的生活垃圾将全部采用该系统进行收集。用 隐蔽的地下管网来代替垃圾环卫车辆收集垃圾，可减轻交通负荷，降低 67%的能源消耗。绿色住宅，每年节省千元开支太阳能供电、地源热泵、浅层地能、同层排水、雨水回用在本次展会上，众多最新研 发的建筑节能技术，令人目不暇接。其中，百余家厂商都展示了各自一整套的绿色住宅解决 方案，大到污水回收、小到玻璃隔热，居住在这些将节能环保理念完美呈现的绿色建筑中， 平均每个家庭每年可节省开支千元以上。在房屋空间布局上，绿