生态建筑太阳能复合能量系统研究综述.doc

生态建筑太阳能复合能量系统研究综述供稿人：骆金龙1 引言2001年5月，建设部通过了绿色生态住宅小区建设要点与技术导则，首次提出了“绿色生态小区”的概念、内涵和技术原则。它明确要求，绿色生态小区中，绿色能源（太阳能、风能、地热能等）的使用量宜达到小区总能耗的10；在热环境系统中也提到绿色住宅的采暖、空调、热水供给等应尽量采用太阳能、地热能等绿色可再生能源。由此可见，生态建筑在能源消耗上，将尽可能地利用可再生的自然能源，如太阳能、风能、地热能等，而少消耗煤、石油等矿物燃料郑宏飞陈子乾，工业建筑 33(10)，2003，P5-8。随着我国经济和住宅建设的发展，以及人们生活水平的提高，建筑物的能耗在总能耗中所占的比重越来越大。目前，我国建筑物的单位能耗甚高，以住宅为例，多层住宅单位能耗为气候条件相近的发达国家的2-5倍，而空调住宅的能耗为一般住宅能耗的6-7倍。同时，我国住宅面积年增长率约为10亿m2，九五期间共计增长了55亿m2，到2020年总量将达500亿m2，用能需求将持续增加。因此，必须重视建筑节能，倡导生态建筑理念，最大限度地利用太阳能等自然能源，实现建筑、能源与环境的可持续发展王如竹翟晓强，建筑热能通风空调23(1)，2004，P1-10,20。2 太阳能复合能量系统组成基于太阳能热利用的建筑物复合能量系统的基本思路就是利用太阳能这种最丰富、最便捷、无污染的能源来进行采暖制冷以及供应热水，以满足人们生活的需要，同时达到减少和不用矿物燃料的目的。它主要包括四方面的内涵：太阳能通风结构、太阳能热水系统、太阳能采暖系统和太阳能空调系统。前者属于被动式太阳能利用技术，它与建筑结构融为一体；而后三者属于主动式太阳能利用技术，它们的关键部件是太阳能集热器（目前建筑物中大多采用非聚光型集热器对太阳能进行收集，包括平板集热器和真空管集热器）王如竹，建筑热能通风空调 23(1), 2003，P1-10。 太阳能通风系统利用太阳能强化自然通风，不仅可以改善室内热环境，而且可以避免由空调所引发的各种“空调病”。导致自然通风的动力是由密度差引起的热压和风力所造成的风压。一般来讲，风压是一个不稳定的因素，它随着室外风速和风向的变化具有很大的波动；而热压相对来说却是一个较稳定的因素。目前，主要的结构形式包括太阳能烟囱赵平歌，西安工业学院学报24(2)，2004，P181-184、Trombe墙，以及太阳能空气集热器及其结合P.Raman S.Mande，Solar Energy 70(4)，2001，P319-329。我国上海交通大学的研究人员曾将这三种结构与生态建筑结合，提出了三种复合能量系统翟晓强 王如竹，工程热物理学报25(4)，2004，P568-570，如下图所示：左：烟囱和Trombe墙复合系统；中：Trombe墙和屋面蒸发冷却设备复合系统；右：空气集热器和地面蒸发冷却设备复合系统。 太阳能热水系统太阳能热水系统是基于太阳能热利用的建筑复合能量系统的基础，它一般包括太阳能集热器阵列、蓄热水箱、管道等部件。按照其运行方式，太阳能热水系统分为自然循环式以及机械循环式。家用太阳能热水器以及小型太阳能热水系统多采用自然循环式，而大中型太阳能热水系统多采用机械循环式。太阳能热水供应在发达国家已经形成一定市场规模，并有专家预测2008年人类生活用水的80%将来自太阳能太阳能热水器市场眺望 技术与市场 1，2005，P6-7。我国是全世界最大的太阳能热水器生产国，在掌握太阳能热水技术上已趋于成熟阶段。从上世纪末以来，我国推广太阳能热水器在不断加温，但目前我国装有太阳能热水器的家庭，仍仅占总数的10左右徐志辉，住宅科技1，2004，P45-46。 太阳能采暖系统与传统的对流散热器，以及风机盘管采暖系统相比，低温热水地板辐射采暖系统（简称为地板采暖系统）是近几年才在我国开展的一种新型的采暖方式，它有待进一步研究梁晶 贾靳民等，建设科技5，2003，P32-34。它以整个地面作为散热面，地板与室内空气进行对流换热的同时，与其它围护结构表面进行辐射换热，从而使围护结构内表面的温度升高，减少了四周表面对人体的冷辐射，提高舒适度；地板采暖系统的优点还体现在它能利用低品位的能源作为热源，并且使室内温度分布比较均匀、温度梯度小，是一种减少建筑能耗，提高热舒适性的较理想的采暖系统冯晓梅肖勇全，山东建筑工程学院学报17(1)，2002，P18-23。地板采暖由于使用地面作为散热源，所以一般要求地面温度不能过高，一般人员长期停留的地点，不能高于29CN.A. Buckley，ASHRAE JOURNAL 31(9)，1989，P17-26，地板采暖的供水温度一般在60C以下齐政新 李岩，煤气与热力23（5），2003，P312-315，特别适合于热源温度低的情况。太阳能由于其自身的热密度较低，集热温度很难达到较高水平，所以利用太阳能是地板采暖的最佳方式。 太阳能空调系统作为生态建筑能源技术中最重要的太阳能空调制冷，目前仍尚未产业化，这主要是因为现有的制冷技术与市场上普遍使用的太阳能集热器不能很好地“接轨”。此外，造价高以及太阳能集热器的非通用性也影响了太阳能空调的推广应用。实现太阳能空调有两条途径：（1）太阳能光电转换，利用电力制冷；（2）太阳能光热转换，以热能制冷。前一种方法成本高，以目前太阳电池的价格来算，在相同制冷功率情况下，造价约为后者的4-5倍。国际上太阳能空调的应用主要是后一种方法王如竹，太阳能学报 23(3)，2002，P322-335。以热能制冷也有多种方式，比如吸收式和吸附式，其中以吸收式制冷较为成熟。国际上一般都采用溴化锂吸收式制冷机，目前的热水型（单级）吸收式制冷机要求的热源温度在88-90C以上，这对太阳能集热器的要求比较高。因此，虽然在较高的温度下运行，制冷机的COP会高一些，但系统总的热效率并不高。对于小型太阳能空调来说，吸附式制冷系统可能是一个更好的选择R.Z.Wang，Renewable and Sustainable Energy Review 5（1），2001，P1-37。此外，与吸收式制冷机组相比，吸附式制冷机组无运动部件，无溶液泵等附件，也不存在腐蚀现象Y.Li K.Sumathy，Energy Conversion and Management 45，2004，P2761-2775。国外有文献报道研制了一些高性能的太阳能吸附式制冷机，其COP达到0.19H.Catherine1 D.Philippe1 Solar Energy 77(3), 2004, P311-319；F.Buchter Dind, International Journal of Refrigeration 26(1)，2003，P79-87。我国上海交通大学研究人员提出太阳能吸附式制冰、热水复合系统，在这个系统中，采用2m2真空管太阳能集热器，制冷系数COP约为0.15-0.23，热水加热效率约为0.35-0.38A.O. Dieng, R.Z. Wang，Renewable and Sustainable Energy Reviews 5，2001，P313-342。3 复合能量系统最新进展生态建筑的太阳能能量系统由于在环保和节能方面具有重要战略意义，如前所述，已经在国内外获得了广泛研究。然而，对于集自然通风、空调、采暖和热水供应于一身的太阳能复合能量系统，则文献报道较少。从国内报道来看，太阳能复合能量系统的研制单位主要是上海交通大学，其代表性文献：王如竹，太阳能学报23(3)，2002，P322-335；刘艳玲 王如竹，中国建设动态 阳光能源8，2002，P14-16；翟晓强王如竹，上海建设科技4，2003，P20-22；沈荣华 徐娓等，节能8，2002，P8-10；中国科学院广州能源研究所，代表性文献：李戬洪 马伟斌，太阳能学报20(3)，1999，P239-243；谢应明梁德青等，能源工程6，2004，P59-61；罗赞继，中国建设动态：阳光能源08M，2004，P34-36；大型太阳能空调系统综合示范工程：万方数据资源 科技成果类数据库，其研制的系统具体如下表所示：类 别上海交通大学能量系统广州能源所能量系统系统功能自然通风、空调、取暖、热水供应。自然通风、空调、取暖、热水供应。系统结构制冷机组吸附式。吸收式。空调末端风机盘管。地板辐射。自然通风将太阳能热水引入翅片管式换热器，以此强化自然通风。通风系统附属于建筑结构。制冷技术参数COP可达0.38。COP最高超过0.8。从上表来看，两个系统的功能相同，但结构和制冷性能不同。上海交通大学研制的复合能量系统由于采用吸附式制冷机组，其COP系数比广州能源所采用的吸收式制冷较差，但其要求的太阳能热水温度则较低，这将更有利于获得更高的集热器光热转换效率。从国外报道来看，其复合能量系统主要是利用光电池进行光电转换以获得电能来实现夏天致冷和冬天取暖如发明专利：PN: GR1003860 PD: 2002-04-08 PA: PAPADOPOULOS CHRISTOU ALEXANDR(GR)。而有关光热转换的能量系统报道中，其太阳能吸附式空调COP为0.19，则低于我国上海交通大学达到的0.38。此外，由于建筑物复合