太陽(yáng)能技術(shù)在民用建筑中的應(yīng)用

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，建筑是傳統(tǒng)的高能耗領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的三分之一，采暖、熱水、空調(diào)能耗占建筑能耗的65%左右，而綜合利用太陽(yáng)能，全面實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑一體化，可有效地降低建筑物能耗，減少常規(guī)能源的使用量。目前，在我國(guó)的大多數(shù)城市，政府都出臺(tái)了節(jié)能及綠色建筑的文件，要求在民用建筑中安裝太陽(yáng)能利用系統(tǒng)。

太陽(yáng)能利用的常見(jiàn)方式為直接利用、光--熱轉(zhuǎn)換利用、光--電轉(zhuǎn)換利用。

直接利用的主要技術(shù)就是太陽(yáng)能導(dǎo)光管;光—熱轉(zhuǎn)換利用技術(shù)主要包括太陽(yáng)能生活熱水、太陽(yáng)能供暖、太陽(yáng)能制冷、太陽(yáng)能熱壓通風(fēng)等。光—電轉(zhuǎn)換利用技術(shù)主要是太陽(yáng)能光伏發(fā)電及太陽(yáng)能玻璃發(fā)電。

下文分別介紹這幾種技術(shù)：

【 1 】太陽(yáng)能直接利用技術(shù)：太陽(yáng)能導(dǎo)光管

導(dǎo)光管采光系統(tǒng)通過(guò)室外采光裝置收集室外的陽(yáng)光并濾除90%以上的紫外線，將安全的陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)由特殊制作的導(dǎo)光管傳輸后，由安裝與系統(tǒng)另一端的漫射裝置把自然光線均勻發(fā)散到室內(nèi)任何需要光線的地方。利用該系統(tǒng)得到的室內(nèi)光線從黎明到黃昏，甚至是陰天都十分充足。

圖1 太陽(yáng)能導(dǎo)光管工作原理圖

圖2 太陽(yáng)能導(dǎo)光管的應(yīng)用--成都大源商務(wù)區(qū)地下環(huán)廊

【 2 】太陽(yáng)能光--熱轉(zhuǎn)換利用技術(shù)

2.1 太陽(yáng)能生活熱水

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器，收集太陽(yáng)輻射能，把水加熱，供應(yīng)建筑物生活熱水的系統(tǒng)，是目前太陽(yáng)熱能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值、技術(shù)最成熟且已商業(yè)化的一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品。太陽(yáng)能常見(jiàn)的集熱器類(lèi)型有：全玻璃真空管集熱器、U形真空管集熱器、熱管式真空管集熱器、平板式集熱器。

按各用戶集熱器是獨(dú)立還是合并設(shè)置，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)分為分散系統(tǒng)及集中系統(tǒng)。分散系統(tǒng)中，按集熱器的位置又分為屋面一體機(jī)、屋面分體機(jī)、陽(yáng)臺(tái)分體機(jī)、外墻面分體機(jī)等4種方式。集中系統(tǒng)中，按輔助熱源的方式，又分為分散輔熱--分戶水箱、集中輔熱--集中供水等2種方式。

2.2 太陽(yáng)能供暖

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器(集熱器類(lèi)型與太陽(yáng)能熱水相同)、水箱、連接管道、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，是指通過(guò)集熱器，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱水，將熱水儲(chǔ)存在水箱內(nèi)，通過(guò)循環(huán)泵輸送到發(fā)熱末端(例如：地板輻射采暖、暖風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等)，提供建筑供暖的需求。

由于太陽(yáng)能具有能量的不穩(wěn)定性，會(huì)受到天氣的直接影響，如夜晚及陰雨天沒(méi)有太陽(yáng)能可以利用，所以太陽(yáng)能供熱一般都需要其它形式的輔助能源。太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的工作溫度越低熱效率越高，因此太陽(yáng)能供熱適宜采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?供回水溫度最低可以是30℃)。推薦太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)工作溫度低于50℃。太陽(yáng)能輻照變化與熱負(fù)荷之間是不平衡的，白天光照強(qiáng)烈，熱負(fù)荷低;夜間無(wú)太陽(yáng)光，熱負(fù)荷高。

為了解決這一問(wèn)題，需設(shè)置儲(chǔ)熱水箱，儲(chǔ)存高輻照時(shí)太陽(yáng)產(chǎn)生的熱量，供應(yīng)低輻照或夜間使用。

2.3 太陽(yáng)能制冷

采用聚焦型集熱器來(lái)收集太陽(yáng)能，產(chǎn)生高溫?zé)崴蛘羝?，用?lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)，產(chǎn)生空調(diào)系統(tǒng)所需要的冷凍水。

2.4 太陽(yáng)能熱壓通風(fēng)

一定空間內(nèi)，空氣溫度的差值所導(dǎo)致的空氣密度不同而產(chǎn)生的壓力差就稱之為“熱壓”，可利用該熱壓形成的煙囪效應(yīng)，來(lái)進(jìn)行自然通風(fēng)。在建筑物的底部，室外空氣壓強(qiáng)大于室內(nèi)壓強(qiáng)，隨著高度的增加，室內(nèi)外的壓強(qiáng)差趨向于零。在建筑頂部，室內(nèi)的空氣壓強(qiáng)比室外空氣壓強(qiáng)高。大約在高度一半的水平面上，室內(nèi)外壓強(qiáng)相等，這個(gè)室內(nèi)外壓強(qiáng)差等于零的平面稱為“中和面”。中和面以下，室內(nèi)空氣壓強(qiáng)小于室外空氣壓強(qiáng)，氣流由室外導(dǎo)入室內(nèi);中和面以上，室外空氣壓強(qiáng)小于室內(nèi)空氣壓強(qiáng)，氣流由室內(nèi)空間流向室外。

日光城是奧地利首府林茨北部的一個(gè)新城區(qū)，在西區(qū)的住宅設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師將樓梯間設(shè)計(jì)為一個(gè)貫通玻璃體，在其頂部設(shè)置了通風(fēng)窗及太陽(yáng)能集熱板，借助煙囪效應(yīng)，樓梯間形成被動(dòng)式通風(fēng)豎井，拔出建筑內(nèi)的熱空氣。

在炎熱夏季的下午，西向太陽(yáng)的輻射是導(dǎo)致建筑室內(nèi)溫度過(guò)高的主要原因。在建筑西側(cè)一定距離處設(shè)置防曬墻，對(duì)于阻擋太陽(yáng)輻射起了積極的作用，同時(shí)防曬墻與建筑西墻之間的空腔形成通風(fēng)通道，在輻射熱的作用下，空腔內(nèi)形成煙囪效應(yīng)，冷空氣從空腔的底部進(jìn)入，熱空氣從空腔的頂部流出，形成了自下而上的空氣流動(dòng)，帶走多余的熱量，降低了西向墻壁的溫度。

【 3 】太陽(yáng)能光--電轉(zhuǎn)換利用技術(shù)

3.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，主要用于無(wú)電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)和人口分散地區(qū)，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)很高;在有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價(jià)，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

太陽(yáng)能電力墻是將太陽(yáng)能光電池與建筑材料相結(jié)合，構(gòu)成一種可用來(lái)發(fā)電的外墻貼面，既具有裝飾作用可為建筑物提供電力能源，目前其成本與花崗石一類(lèi)的貼面材料相當(dāng)。圖13為在瑞士斯特克波的一座42m高的鐘塔，表面覆蓋著光電池組件構(gòu)成的電力墻，墻面發(fā)出的部分電力用來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)鐘塔巨大的時(shí)針，其余電力被送入電網(wǎng)。

3.2 太陽(yáng)能玻璃發(fā)電

將一部分透射光分散在玻璃窗上，被納米粒子(半導(dǎo)體量子點(diǎn))吸收，然后重新發(fā)射出肉眼看不見(jiàn)的紅外波長(zhǎng)，再被傳導(dǎo)到窗戶邊框上的太陽(yáng)能電池上。這種新興的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化設(shè)備——發(fā)光太陽(yáng)能聚光器能把幾乎透明的玻璃窗變成發(fā)電機(jī)，為人們提供電能。在艷陽(yáng)高照時(shí)，屋子里的每一扇玻璃窗都會(huì)成為發(fā)電機(jī)，可以在炎炎夏日為空調(diào)提供電力，或者在寒冬給房間里的熱水器供電。量子點(diǎn)發(fā)光太陽(yáng)能聚光器還具有節(jié)能作用，其過(guò)濾效果能降低室內(nèi)溫度，這也意味著可以減少空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

太陽(yáng)輻射能作為一種自然能源，以其儲(chǔ)量豐富且無(wú)污染性顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已被國(guó)際公認(rèn)為未來(lái)最具競(jìng)爭(zhēng)性的能源之一。我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。我國(guó)地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上，在我國(guó)廣闊的土地上，有著豐富的太陽(yáng)能資源。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，西藏日輻射量最高達(dá)每平米7千瓦時(shí)。年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)。與同緯度的其他國(guó)家相比，與美國(guó)相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。

在人口膨脹、資源緊張等問(wèn)題困擾人類(lèi)的今天，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能，提倡建造綠色建筑，充分體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)回歸自然的理念。

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