當今,隨著人口的增長以及人民生活水平的提高,建筑的能耗也正在大幅攀升,尤其在北方的低溫地區。據估算,僅在北京建筑采暖能耗就占全部總能耗的10%以上,有些低溫地區最高采暖能耗可以占到總能耗的一半以上。目前,在世界范圍內,煤、石油、天然氣等一次性能源的儲量正在迅速下降,按已探明儲量和消耗速度計算,全球主要能源——石油將在四五十年內枯竭,能源危機已成為困擾全球的大問題。與此同時,社會的可持續發展要求能源開發同環境保護、生態平衡統籌安排。因此,節約能源和積極開發清潔可再生的新能源是許多國家正在積極研究的課題。其中,經過多年的研究與實踐,太陽能在建筑中的應用已取得可喜的進步。

太陽能技術在建筑中應用的有三種方式

1.被動式太陽房

被動式太陽房是目前國內外太陽能建筑中應用最多的類型之一。其優點是構造簡單、造價低廉、施工方便。在北部低溫地區,煤炭資源短缺,但太陽能資源豐富,氣候條件優越,特別是采暖季節,陰雨天少,天氣干燥,使被動式太陽房得以廣泛的應用。被動式太陽房的核心部件是房屋南側的集熱墻,也叫“特隆布”(Trombe)墻,由透光玻璃、集熱板、集熱墻體(磚墻)組成。在集熱墻體上、下部適當位置設置風口。其工作原理是:陽光透過玻璃照射到集熱板上,集熱板被加熱,并有一部分熱量蓄積在集熱墻體內。當上下風口打開時,房間的冷空氣由下風口進入集熱板和墻體間的空腔,在空腔中受熱上升,再由上風口回到房間。這種周而復始的熱循環過程使室內溫度得以提高。天熱時,可以通過控制風口閘門啟閉,來調節室內溫度,使室內溫度不致過高。而房屋的兩側面、背面及屋頂和底層地板則按照保溫節能要求進行設計。1985年,甘肅省師專先后建成包括教學樓、學生宿舍、食堂等不同類型太陽能校舍38000m2,是我國數量最集中,且建設比較規范的被動式太陽能公共建筑群。每年可節約燃煤近2000噸燃料及相關費用50萬元;可減少煤渣排放量592噸,減少煙氣排放量4950萬m2。

2.主動式太陽房

它是一種以太陽能集熱器與風機、泵、散熱器等組成的太陽能采暖系統或者與吸收式制冷機組成的太陽能空調及供熱系統的建筑。太陽集熱器是主動太陽能系統的關鍵部件。根據不同的需要,可用太陽集熱器組成不同的系統,既可為民用或公用建筑提供熱水,也可為這些建筑提供采暖或空調。因此,太陽集熱器的應用對于建筑節能具有極其重要的意義。太陽集熱器可分為平板型集熱器和真空管集熱器兩大類。目前,平板型集熱器和真空管集熱器都已廣泛應用于太陽能熱水系統;真空管集熱器已開始用于建筑的太陽能采暖和太陽能空調系統。

2.1太陽能熱水系統

太陽能熱水系統一般包括太陽集熱器組、儲水箱、循環泵、光敏探頭、電控柜和管道。太陽能熱水系統按照其運行方式,可分為自然循環式、強迫循環式和直流定溫放水式等幾種。目前在我國家用太陽熱水器和小型太陽能熱水系統多用自然循環式,而大中型太陽能熱水系統多用強迫循環式或直流定溫放水式;另外,無論家用太陽熱水器或公用太陽能熱水系統,絕大多數都采用單循環,即集熱器內被加熱的水直接進入儲水箱提供使用。然而應當指出,單循環雖然可以降低熱水器的成本,但對于硬水質的地區來說,由于水在集熱器流道內結垢,不僅降低熱水器的熱性能,嚴重時還會堵塞流道;在冬季寒冷的北方低溫地區,還難以避免集熱器內的水結冰,導致吸熱體凍裂。

2.2太陽能采暖系統

在低溫建筑中冬季需要采暖,太陽能采暖系統是太陽能熱水系統的進一步發展。實際上,太陽能采暖系統通常可以跟太陽能熱水系統聯合使用。在此情況下,一方面要適當增加太陽集熱器的的采光面積:另一方面由于采暖是在寒冷季節才需要,因而要使用防凍或抗凍的真空管集熱器。目前在十分重視環境保護的歐美國家,已經建成大批集太陽能熱水和太陽能采暖于一體的太陽能綜合系統。另一種太陽能采暖系統是把太陽集熱器與水———水熱泵結合起來,即由太陽集熱器為熱泵提供低溫熱源,再由熱泵為建筑物提供采暖所需要的熱水。若對太陽集熱器的采暖系統及太陽集熱器與水———水熱泵相結合的采暖系統進行比較,后者比前者能達到較大的采暖建筑面積與集熱器采光面積比,且可采用較低的集熱器運行溫度;但后者比前者要消耗更多的電能用于驅動熱泵。因此,后者適用于電力比較充裕的地區。

2.3太陽能空調系統

太陽能制冷空調一般用太陽能集熱器與吸收式或吸附式制冷機相結合來實現。在太陽能空調系統中,集熱器用于向制冷機提供發生器所需要的熱源,因而為了使制冷機達到較大的性能系數(COP),應當有較高的集熱器運行溫度,這就要求選用在較高運行溫度下仍具有較高熱效率的真空管集熱器。太陽能吸收式空調系統不僅可以夏季提供制冷,而且可以冬季提供采暖,過渡季節提供生活熱水。正由于同一套太陽能系統可以滿足全年不同季節的制冷、采暖和熱水的要求,因而顯著地提高了太陽能系統的利用率和經濟性。

3太陽能光伏技術

太陽能光伏技術通過太陽電池將光能直接轉變為電能。太陽電池可以聯結成大功率的組件,組件又可以組成太陽能發電裝置,可以供不同功率的應用。太陽能光伏系統一般包括電池組、儲能、逆變和控制部分。建筑中的應用可分為獨立光伏系統和并網光伏系統。太陽電池的應用,為建筑物提供照明等用電,如果太陽能完全能滿足建筑物的能源需求,則可稱為“零能房屋。”

3.1獨立光伏系統

獨立光伏系統應按實際供電需要進行設計,獨立系統還需要配備蓄電池,在夜間和光照不好的時候,可由它來持續供電。為了防止蓄電池過充電或過放電的損害,必須在太陽能發電器和蓄電池之間安裝一個負載調節器。如果用戶需要交流電,則需要逆變器。

3.2并網光伏系統

并網光伏系統是與開放電網并聯的,由該系統產生的而未被直接消費的剩余電能可以供給電網。并網的先決條件是安裝逆變器,它將由太陽能發電器產生的直流電轉變成和電網一致的交流電,逆變器的輸入功率應盡可能與太陽能發電器的輸出功率相符。逆變器應具有較高的效率、較小的空載和固有損耗、較小的線圈噪音。逆變器應當具有良好的輸入輸出特性。

太陽能技術在建筑中的未來發展趨勢

使太陽能產品成為建筑的配套設備,為要使太陽能產品能盡早步入建筑行業,首先要研究太陽能產品與建筑外觀相協調的總體方案(依據南方或北方、城鎮或農村、樓房或平房等不同情況),設計出與建筑中平屋頂、斜屋頂、陽臺等不同結構構件相適應的太陽能產品。同時,要重視太陽能產品的標準化、系列化以及施工安裝的規范化,加強與建筑設計部門(包括建筑總體、建筑結構、給水排水、暖通空調等各個專業)的密切合作,使太陽能產品盡快列入建筑設計標準圖冊和建筑設計技術規范,使之真正成為建筑的配套設備,盡早能被建筑設計師們采納。

為要真正實現太陽能與建筑的有機結合,特別是要形成太陽能與建筑要結合的產業化,還有一系列技術、觀念、認識、政策等問題亟待科研單位、生產企業和政府部門共同解決。使中國的太陽能產業極大地發展起來。太陽能是一種環保、節能、廉價、無污染的綠色能源。據測算,如果有100萬戶使用太陽能替代燃煤,10年內可減少一氧化碳排放770萬噸,減少二氧化硫排放315萬噸,減少粉塵排放11萬噸,或節電60億度。所以,充分開發和利用太陽能,建造太陽能建筑,特別是太陽能民用建筑,可以替代和節約常規能源,實現可持續發展,是解決北方低溫建筑能耗的一條可行途徑。