太阳能利用与建筑一体化构想

太阳能利用与建筑一体化构想简介：本文分析了目前太阳能利用中出现的一些问题，指出太阳能与建筑的一体化势在必行，提出了太阳能利用与建筑一体化的新构想，对几种常用的太阳能利用与建筑一体化的实施方式进行了分析比较，希望对太阳能的利用和建筑的节能有一定的参考价值。关键字：太阳能，建筑，一体化1太阳能利用的现状我国有着丰富的太阳能资源，每年获得的太阳能约为3.6×1022J，相当于1.2万吨标准煤的热值[1]。约占全国国土面积的2/3的地区年平均辐射总量在3340～8400MJ/m2，年日照时数在超过2200h，相当于110～280kg标准煤的热值[2]。我国从70年代就开始了太阳能利用方面的研究，经过30年来的不懈努力，现已在太阳能利用和推广方面已经取得了一定的成绩，尤其在太阳能热水器方面取得了一大批科研成果。但我国的太阳能利用技术与发达国家相比还存在很大的差距，例如我国目前对太阳能在建筑中有效地利用还是探索阶段，不仅利用方式单一并且在与建筑一体化方面显得尤为落后。因此我国在太阳能技术的实用性、经济性、先进性、可操作性等方面都有很多值得进一步研究的地方。2太阳能利用所面临的问题2.1体制方面的问题在我国目前的经济体制下，绝大多数建筑的建设者、使用者和管理者是三者分离的，经济上没有直接的利害关系。管理者认为建筑业目前的当务之急是解决群众住房问题，如果筹集大量的资金去搞建筑节能，就会少建一些房屋，这与我国的目前现状而言是不适合；建筑的建设者认为用最少的投资建成尽可能多的建筑面积而节能会增加成本与售价进而影响销售，并且节能是政府的事情与开发商无关，因而置节能标准于不顾[1]；使用者认为进行建筑节能会花去很多的资金况且节能最终能否带来良好的经济效益还有待验证。2.2技术方面的问题就目前而言，全玻璃制真空管的太阳能集热装置占据着主导地位，成本较低且技术成熟，但当其与建筑物进行一体化的有机结合却存在着一系列的问题，例如承压运行问题、运行安全问题、密封可靠问题、结垢清理问题等等[3]；而采用金属制流道的集热装置并采用强制循环系统，虽然很好的解决了这些问题但又存在成本较高等缺陷。此外还存在着工作性能随天气影响较大的缺点。2.3建筑行业和太阳能产业界之间的问题建筑行业和太阳能产业界之间缺乏相互配合，建筑行业过去基本没有参与过太阳能利用与建筑一体化的设计与施工，存在对太阳能利用的原理、设计方法不够了解，缺乏必要的基础设计参数，对其节能意义认识不足等缺陷，没有按照利用太阳能的原理和方法进行设计，造成建筑的土建时就没有装置适当的预埋件，给太阳能装置的安装造成了一定的障碍，并在安装时可能损害建筑结构和增加建筑负荷；太阳能产业界只考虑太阳能设备的结构和性能，没有考虑将太阳能设备如何作为建筑物的有机组成部分与建筑结构相结合，不能与建筑结构从整体性上相协调，外观与造型难以适应现代建筑的要求。以上这些都为太阳能利用和与建筑一体化在我国城市建筑中的发展带来的一定困难。但本文认为我国可以参考美国《太阳能供暖降温房屋的建筑条例》和《节约能源房屋建筑法规》[4]等制定和完善我国《国家节能政策法》，鼓励新能源利用同时在经济和政策上也采取有效措施解决了这些问题，加快利用太阳能等可再生能源的发展。3太阳能利用与建筑一体化势在必行我国的建筑行业过去只着重于建筑的功能、需求和立面效果，却往往忽视了对清洁能源的利用，缺乏在能源使用过程中对消除各种污染的意识。过去很长时间里，安装太阳能利用设备没有同建筑设计进行有机地结合，使得太阳能集热设备的安装在建筑的外表面及屋顶形成了规格繁杂、形式各异，杂乱无章的无序状态，破坏了建筑楼宇的景观效果，造成新的建筑视觉污染。这个问题应成为太阳能产业界和建设行业应该共同研究讨论的一个大问题，建筑如何与太阳能设备很好的结合起来也已成为摆在我们眼前的事实。太阳能利用技术与建筑一体化的设计就是解决这些问题的关键所在，太阳能产业界应着力于开发和生产那些有利于与建筑进行一体化的模块化太阳能建材[5]。而建筑师在这方面更要多作一些努力和探索，做到在建筑设计方案的设计开始阶段就把太阳能设备作为建筑中的一个不可缺少的构件来考虑，使建筑美学与太阳能技术完美结合，共同创造新型的太阳能一体化建筑。4太阳能利用与建筑一体化构想的提出：一体化的设计思想是由美国太阳能协会创始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡导的，其主体思想是将能把太阳能转化为电能的半导体材料直接镶嵌在墙壁的外表面和屋顶上，取代在屋顶上安装笨重的太阳能收集装置，从而实现太阳能利用与建筑的一体化，并通过所产生的电能来驱动室内的用电设备实现室内的采暖、照明、制冷等。这种一体化方案仅仅是通过综合考虑建筑构件和太阳能设备的协调使其做到构造合理。但这种一体化方案存在对太阳能收集途径单一、利用率低下、浪费严重等方面的缺点，例如：目前的太阳能发电系统对太阳能的光电转化率低下，大量的光和热被白白的流失掉；其次热-电-热的能量二次转化使得能量在转换和传输的过程中增加了损失，使得太阳能的利用率更为低下。所以本文并不完全赞同此项一体化方案，本文的看法是应当综合考虑建筑造型与太阳能技术的有机结合，采取被动式与主动式相结合，多途径多层次的太阳能多元化收集与利用方式。5太阳能利用与建筑一体化的新构想：考虑到建筑在设计上要有利于收集利用太阳能，同时兼顾建筑的美观性、实用性与经济性，本文提出如下的太阳能利用与建筑一体化的新构想：在建筑物的南向及东西两向等接受太阳能较好的外表面墙体护围结构上采用与太阳墙、光伏组件的一体化设计；在建筑物的北向等接受太阳能较少的外表面墙体护围结构上采用保温墙体设计；在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中；在建筑的供热、制冷及供应热水方面采用分体式太阳能热泵吸收式中央空调系统，从而在提供生活用热水的同时兼顾空调采暖和制冷；以太阳能为主，燃气或电力为辅的集中供能方式。这样以来就实现了被动式与主动式相结合，多途径多层次的太阳能多元化收集与利用。6太阳能利用与建筑一体化的实施方式6.1太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化在南向及东西向等接受太阳能较好的墙面上采用主动式与被动式相结合，集发电、采暖、通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。如图（1）、（2）和（3）所示，墙体的最外层是光电幕墙，安装在多孔的波状金属板上，空气在金属板下的空腔内受热，在风机的动力作用下空腔内的热空气从墙体的顶部通过风道进入空调的新风系统或者直接排出室外[6]。与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的护围结构，照射在墙面上的太阳能不但被有效的利用起来而且显著改善了护围结构的隔热保温性能。光电幕墙对太阳光的反射率约为15%，光电幕墙的光电转化率在17～35%之间；在冬季被光电幕墙浪费的那部分太阳能又被集热板吸收用于空调机组新风的预加热，使新风空气预热到30℃左右，热效率在50%-60%之间，相当于每平方米能产生多于500W的热量，同时使通过墙体向外界扩散的热量随管道内的热空气重新进入空调的新风系统，降低了墙体与室外空气的热交换；在夏季，风机停止运转，被加热的热空气在自然对流的作用下从波状金属板与墙体组成空腔的上部流出，一方面使外界的热量不能直接通过墙体的传热进入室内，减少了空调的负荷，另一方面空气在空腔内的流通降低了光电幕墙的温度，能使光电幕墙的光电转换率提升10%。这样以来从经济上分析这种采用复合的太阳能采集技术的墙体的初期投资回收速度比单纯采用光电板回收速度提高了3-4倍。图1太阳墙原理示意图图2附于钢结构或砖体结构示意图6.2光伏组件与市政供电系统并网太阳能发电系统所发的电能通过逆变器把直流电转换为交流电，再由控制器对所发的电能进行调节和控制，在白天一方面把整压整流后的电能送往建筑内的用电负载，另一方面白天日照充足时在满足建筑自身用电负荷的同时把多余的电能进行并网向市政电网系统进行供电，而当晚上或阴天时所发的电能不能满足建筑自身负载需要时，控制器又并网市政供电系统，保证用户的正常用电。这样在白天的太阳能光伏发电的发电量充足且电价较高的时候并网市政电网把多余的电能向外供电出售电能，而在晚上太阳能发电装置不能发电且电价较低的时候又从市政电网中取电买入电能。这样的光伏一体化墙面较传统的墙面在节能上面优势是显而易见而且比早期的光伏发电系统减少了多余电能储存系统有效降低了光伏发电系统的整体成本，而且在白天的用电高峰时段在满足建筑自身用电的同时能向市政电网供应电能在一定程度上缓解电力紧张，况且这时的电价比较高而在夜间用电低峰时段电价相对较低又从市政电网获取电能这样就能更好的降低建筑的运行成本，使初期投资回收速度进一步提高。6.3太阳能热泵集热装置与建筑屋顶一体化在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，在设计上一方面使建筑的正立面结构看上去富有建筑的艺术性和现代性，另一方面使安插在建筑构造构件中的集热装置模块可以很好的吸收太阳辐射能。然后把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中。采用太阳能热管模块化集热器可以较好的承受压力且密封性较好，既能直接吸收太阳辐射能又能间接吸收室外环境中的热能，即使冬季气温为-20℃的时候依然能够进行太阳能低温集热。应用这种太阳能集热装置做成直接蒸发式太阳能热泵机组的蒸发器，则蒸发器成为“热源”，直接作用于蒸发器中的流动工质——热媒，使其加热到10～30℃左右并迅速汽化，通过热泵机组压缩机的压缩制热后，在冷凝端与管壳式热交换器中的水换热可使冷凝水的温度达到60℃以上，作为采暖热源和作为热水直接供应给用户[7]或是向吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。太阳能热泵吸收式中央空调系统冬天向建筑供暖时能耗比Cop值约为6，即投入1KWH的电力，可得到约6KWH的热能；夏天向建筑供冷时能耗比Cop值约为4，即投入1KWH的电力，可得到约4KWH的热能，而且系统紧凑，省去了锅炉房，节省了初期投资，也节省了建筑空间。比直接将太阳能转化为电能再用电能驱动中央空调和热水器节能效果更为显著。6.4太阳能一体化设计中与之相配合的建筑保温设计在建筑的北向墙体和受日照较少的墙体上采用轻质建筑保温墙体，如图（4）所示这样就有效的减少了墙体与外界空气的热交换，并能在框架结构的建筑中采用较薄的基层墙体而达到较好的隔热保温作用同时有效降低了建筑成本和减轻建筑负荷。玻璃门窗建议使用其外侧经过镀膜处理且与护围结构颜色相适宜的Low-E中空玻璃，因其具有极佳的热学、隔声、防结霜、不结露与密封等性能。白天在阻挡来自室外的有害辐射的同时并不影响窗体的透光率；夜晚和阴雨天气,来自室内物体的热辐射约有50%以上被其反射回室内[8]。这样就使整个建筑呈现一种类似于“暖水保温瓶”的现象，在一定程度上实现了建筑物的单向热传导性，降低了建筑内热能或冷能的流失，减少了建筑的整体能耗。图3太阳能墙体与光伏组件的结合图4保温墙体示意图7远景与展望:太阳能作为一种取之不尽的新型环保能源已成为世界各国世界上能源研究工作中的一个重要课题。并且在建筑领域已经开发并利用在热水、采暖、照明、制冷、电力等多个方面。如：太阳能光伏发电、太阳能热泵空调等。太阳能光热光伏利用与建筑一体化不断完善，采用太阳能利用与建筑一体化设计的太阳能建筑将来必定成为我国今后几年里建筑业发展的主流方向，并从一些试点工程迅速的向全国进行普及，太阳能建筑的大规模出现已经成为一种时代的必然。我国太阳能一体化建筑在正常发展和生态驱动发展两种发展模式下，2010年左右其显著的经济和社会效益将会逐渐显现出来，届时太阳能利用量占社会总能耗的比例将不断的提高，CO2及氮氢化合物的排放将大幅减少。预计2020年的太阳能利用量在社会总能源供给中达到4.7%，减少CO2及氮氢化合物排放10～20TtC/yr[9]。8参考文献：[1]高辉、何泉.太阳能利用与建筑一体化设计，华