[科普中國(guó)]-主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能建筑就是利用太陽(yáng)能供暖和制冷的建筑。在建筑中應(yīng)用太陽(yáng)能供暖、制冷，可節(jié)省大量電力、煤炭等能源而且不污染環(huán)境，在年日照時(shí)間長(zhǎng)、空氣潔凈度高、陽(yáng)光充足而缺乏其他能源的地區(qū)，采用太陽(yáng)能供暖、制冷，尤為有利。目前太陽(yáng)能建筑還存在投資大，回收年限長(zhǎng)等問(wèn)題2。

太陽(yáng)能建筑按照采暖系統(tǒng)的不同可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑需要一定的動(dòng)力進(jìn)行熱循環(huán) ,主要由集熱器、管道、儲(chǔ)熱裝置、循環(huán)泵、散熱器等組成。

原理： 靠常能(泵、鼓風(fēng)機(jī))運(yùn)行的系統(tǒng)，由集熱器、蓄熱器、收集回路、分配回路組成，通過(guò)平板集熱器，以水為介質(zhì)收集太陽(yáng)熱。吸熱升溫的水，貯存於地下水柜內(nèi)，柜外圍以石塊，通過(guò)石塊將空氣加熱後送至室內(nèi)，用以供暖。如將蓄熱器埋於地層深處，把夏季過(guò)剩的熱能貯存起來(lái)，可供其他季節(jié)使用。

主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)按傳熱介質(zhì)又可分為空氣循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和水、氣混合系統(tǒng)。一般說(shuō)來(lái)，主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑能夠較好地滿足住戶的生活要求，可以保證室內(nèi)采暖和供熱水，甚至制冷空調(diào)，但設(shè)備復(fù)雜，投資 投資 理財(cái) 投資指的是特定經(jīng)濟(jì)主體為在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)獲得收益或是資金增值而投放足夠數(shù)額資金的經(jīng)濟(jì)行為。 需要輔助能源，而且所有的熱水集熱系統(tǒng)都需要有防凍設(shè)施，這些缺點(diǎn)造成主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑建筑、樓房 、廣場(chǎng) 、建筑是建筑物與構(gòu)筑物的總稱，是人們運(yùn)用一定的科學(xué)規(guī)律、風(fēng)水理念和美學(xué)法則創(chuàng)造的人工環(huán)境目前在我國(guó)難以推廣應(yīng)用。

能源緊張的情勢(shì)下,太陽(yáng)能作為清潔無(wú)污染、取之不盡用之不竭的可再生能源,對(duì)改善能源利用及結(jié)構(gòu)形式具有很大的提升空間,是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型能源結(jié)構(gòu)的有效途徑。當(dāng)今中國(guó),太陽(yáng)能主要利用在光伏和光熱兩方面,前者利用太陽(yáng)能發(fā)電,如光伏發(fā)電,后者則是通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)用的方式以水為介質(zhì)將太陽(yáng)福射能存儲(chǔ)在熱水中,如常見(jiàn)的太陽(yáng)能集熱器或太陽(yáng)能熱水器等太陽(yáng)能集熱設(shè)備,主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)也大多是基于這一應(yīng)用最為普遍的太陽(yáng)能利用形式構(gòu)造而成的。目前,主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)主要有以熱風(fēng)和熱水兩種方式進(jìn)行采暖,其中熱風(fēng)式需要較大的空間放置循環(huán)動(dòng)力設(shè)備,而熱水式雖然對(duì)技術(shù)和資金要求較高,卻是在今后太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的主要集熱形式。根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)形式,太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)有如下分類:按系統(tǒng)運(yùn)行方式分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng);按熱水供給方式分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng);按輔助加熱設(shè)備在儲(chǔ)水箱空間位置分為內(nèi)置加熱系統(tǒng)和外置加熱系統(tǒng)。

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑發(fā)展現(xiàn)狀太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)目前,我國(guó)已成為世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó),但在建筑中大規(guī)模應(yīng)用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)仍存在著認(rèn)識(shí)上、技術(shù)上的諸多問(wèn)題。如在許多住宅小區(qū),物業(yè)管理都明令禁止住戶在屋頂上安裝太陽(yáng)能熱水器。更有甚者,丹東市2004年就曾出臺(tái)政策規(guī)定禁止任何單位和個(gè)人安裝太陽(yáng)能熱水器,已安裝的也要拆除。導(dǎo)致太陽(yáng)能建筑理想與現(xiàn)實(shí)之間差距的原因如下:

1)我國(guó)絕大部分已建住宅都沒(méi)有配備生活熱水系統(tǒng),主要依靠居民自己安裝燃?xì)饣螂姛崴?由于原有住宅建筑設(shè)計(jì)對(duì)太陽(yáng)能熱水器沒(méi)有充分考慮,造成居民安裝困難,熱水器是居民自行安裝于屋面,缺乏統(tǒng)籌,破壞屋面美觀。

2)伴隨著太陽(yáng)能熱水器與建筑的矛盾,其本身也存在使用上的不便。

3)由于太陽(yáng)能供給不穩(wěn)定的先天缺陷,太陽(yáng)能不能完全滿足全部生活熱水的需求,所以其系統(tǒng)必須有補(bǔ)熱措施以滿足用戶的全天候要求,目前通用的做法是采用安全簡(jiǎn)便的電加熱?？裳a(bǔ)熱裝置控制不合理———不管用量多少,儲(chǔ)水罐水溫低于設(shè)置值就啟動(dòng)加熱不經(jīng)濟(jì)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生電能,所發(fā)的電能通過(guò)逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電,再由控制器對(duì)電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。白天,太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)一方面把整壓整流后的電能送往建內(nèi)的用電負(fù)載,另一方面在滿足建筑自身用電負(fù)荷的同時(shí)把多余的電能進(jìn)行并網(wǎng)向市政電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行供電;晚上或陰天時(shí),所發(fā)的電能不能滿足建筑自身負(fù)載需要,控制器又并網(wǎng)市政供電系統(tǒng),保證用戶的正常用電,這樣就能降低建筑的運(yùn)行成本,減少了傳統(tǒng)能源的使用3。

對(duì)比太陽(yáng)能“光熱應(yīng)用”已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家,同屬于主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)的“光電應(yīng)用”在我國(guó)建筑業(yè)中運(yùn)用還屬于鳳毛麟角。太陽(yáng)能光伏發(fā)電推廣的最大瓶頸突出表現(xiàn)在其核心構(gòu)件———太陽(yáng)能電池板的高昂成本上。

主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)簡(jiǎn)介通常太陽(yáng)能集熱器作為主動(dòng)式太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)的熱源。太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)可以用空氣或水作為熱媒。因此存在太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱式采暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水集熱式采暖系統(tǒng)。

太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱器可用作采暖系統(tǒng)熱源。在屋面上朝南方向布置太陽(yáng)能空氣集熱器，被加熱的空氣通過(guò)儲(chǔ)熱層后由風(fēng)機(jī)送入房間。太陽(yáng)能集熱器也可以配備其他輔助熱源，并設(shè)置控制調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)送風(fēng)溫度確定輔助熱源的投入比例。

太陽(yáng)能熱水集熱器既可以提供衛(wèi)生熱水，還可以用作低溫?zé)崴匕遢椛洳膳臒嵩?③太陽(yáng)能熱水集熱式地板輻射采暖兼生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在屋頂設(shè)置太陽(yáng)能熱水器，系統(tǒng)包括集熱器循環(huán)水泵、蓄熱水箱、供熱水箱、采暖循環(huán)水泵、輔助熱源、輔助熱源熱水循環(huán)泵、輔助加熱換熱器和地板輻射采暖盤管等。太陽(yáng)能熱水器中的熱水流過(guò)地板采暖盤管向房間供熱，返回蓄熱水箱后由集熱循環(huán)水泵送到太陽(yáng)集熱器重新加熱；夜間或陰天太陽(yáng)能不足時(shí)則由輔助熱源加熱系統(tǒng)保證室內(nèi)采暖和生活熱水需求。

太陽(yáng)能熱水集熱器也可以與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)融合一體，例如在工程中的太陽(yáng)能全玻璃真空集熱管幕墻生活熱水系統(tǒng)。

充分吸收并存儲(chǔ)太陽(yáng)輻射熱，部分熱量通過(guò)輻射和對(duì)流傳至下面房間。夜間則關(guān)閉保溫板，防止向外的熱量損失。夏季保溫蓋板的啟閉情況與冬季相反，在白天關(guān)閉保溫蓋板以減少向室內(nèi)環(huán)境的傳入熱量，同時(shí)用較低溫度的水袋吸收下面房間的熱量，從而降低室內(nèi)溫度；夜間則打開(kāi)保溫蓋板使水袋向外界環(huán)境放出熱量。

特點(diǎn)主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)兩個(gè)突出的特點(diǎn)4:

(1)要有足夠面積的集熱器,在一般情況下,當(dāng)太陽(yáng)能的利用率處于60%左右時(shí),集熱器面積應(yīng)該至少應(yīng)為地板面積的50%或者更大;

(2)由于受到氣候、季節(jié)和晝夜等斷續(xù)性的影響,由于太陽(yáng)能的不連續(xù)且不穩(wěn)定性,所以在釆暖系統(tǒng)中必須配置輔助的加熱設(shè)備和蓄熱設(shè)備,通常je熱裝備的容量應(yīng)按滿足維持2-3天能量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì),輔助熱源量的配置相對(duì)主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型至關(guān)重要。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏建筑，是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念，簡(jiǎn)單地講就是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來(lái)提供電力。根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。另一類是光伏方陣與建筑的集成。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?。在這兩種方式中，光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。由于光伏方陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，因而倍受關(guān)注。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級(jí)形式，它對(duì)光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時(shí)還要兼顧建筑的基本功能要求?！笆濉逼陂g，將要?jiǎng)?chuàng)建2000家節(jié)約型公共機(jī)構(gòu)示范單位。除了公共機(jī)構(gòu)外，商業(yè)機(jī)構(gòu)由于用電量較大，參與節(jié)能的意愿相對(duì)較高，而且具有資金優(yōu)勢(shì)，也應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展光伏建筑一體化模式。

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑的新型技術(shù)措施熱管集熱器熱管是1964年前后才付諸實(shí)用的具有很高熱傳輸性能的元件,它集沸騰與凝結(jié)于一體.一般熱管是由管殼、管芯(起毛細(xì)管作用的多孔結(jié)構(gòu)物)和工作液組成的一個(gè)封閉系統(tǒng).當(dāng)在一端加熱時(shí),管內(nèi)的液體蒸發(fā),過(guò)量的蒸汽在管的另一端冷凝,冷凝液借助在毛細(xì)芯截面中的毛細(xì)力返回到加熱端.在某些太陽(yáng)能采暖應(yīng)用中,冷凝液的返回能夠通過(guò)重力流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn).由于熱管內(nèi)的蒸發(fā)、冷凝過(guò)程幾乎是在等溫、等壓下進(jìn)行的,所以熱管能在非常小的溫差下從內(nèi)部傳遞熱量,對(duì)重力輔助熱管,假如冷凝段在下而加熱段在上,則工質(zhì)液體回流中斷.因此,熱管具有控制熱流方向的“熱二極管”的作用5.

熱管式集熱器與傳統(tǒng)集熱器比較,具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)用熱管傳輸熱量可避免普通集熱器存在的集熱管冬天晚間結(jié)冰問(wèn)題.

(2)由于重力輔助熱管的“熱二極管”的作用,熱量只能從吸熱板向換熱器輸送,能防止晚上或陰天時(shí)的倒流散熱.

(3)熱容小,啟動(dòng)性能好.另外,還有熱管式真空管平板型集熱器,它兼有熱管式平板型集熱器與玻璃真空管平板型集熱器的優(yōu)點(diǎn).熱管式真空管平板型集熱器由于熱管外表面涂有選擇性吸收涂層,而且真空絕熱,因此熱損失小,在高的工作溫度下仍有較高的集熱效率.熱管選用合適的工質(zhì)使集熱器溫度超過(guò)工質(zhì)的臨界溫度后,熱管的傳熱就停止,這就防止了集熱器在無(wú)負(fù)荷情況下帶來(lái)的高溫問(wèn)題,利于整個(gè)采暖期使用.

相變材料蓄熱由太陽(yáng)能集熱器得到的熱收益為Q,需要的熱負(fù)荷為L(zhǎng).當(dāng)Q>L時(shí),多余的熱能可貯存在貯熱裝置內(nèi);Q