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(qū)。據(jù)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(qū)******采暖能耗可以占到總能耗的一半以上。目前,在******范圍內(nèi),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(nèi)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(xù)發(fā)展要求能源開發(fā)同環(huán)境保護、生態(tài)平衡統(tǒng)籌安排。因此,節(jié)約能源和積極開發(fā)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(jīng)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(shù)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(nèi)外太陽能建筑中應用***多的類型之一。其優(yōu)點是構(gòu)造簡單、造價低廉、施工方便。在北部低溫地區(qū),煤炭資源短缺,但太陽能資源豐富,特別是采暖季節(jié),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(cè)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(shè)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(nèi)。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(huán)過程使室內(nèi)溫度得以提高。天熱時,可以通過控制風口閘門啟閉,來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,使室內(nèi)溫度不致過高。而房屋的兩側(cè)面、背面及屋頂和底層地板則按照保溫節(jié)能要求進行設(shè)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(shù)量***集中,且建設(shè)比較規(guī)范的被動式太陽能公共建筑群。每年可節(jié)約燃煤近2000噸燃料及相關(guān)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(tǒng)或者與吸收式制冷機組成的太陽能空調(diào)及供熱系統(tǒng)的建筑。太陽集熱器是主動太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。根據(jù)不同的需要,可用太陽集熱器組成不同的系統(tǒng),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(diào)。因此,太陽集熱器的應用對于建筑節(jié)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(tǒng);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(diào)系統(tǒng)。

2.1太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)一般包括太陽集熱器組、儲水箱、循環(huán)泵、光敏探頭、電控柜和管道。太陽能熱水系統(tǒng)按照其運行方式,可分為自然循環(huán)式、強迫循環(huán)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(tǒng)多用自然循環(huán)式,而大中型太陽能熱水系統(tǒng)多用強迫循環(huán)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(tǒng),絕大多數(shù)都采用單循環(huán),即集熱器內(nèi)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(huán)雖然可以降低熱水器的成本,但對于硬水質(zhì)的地區(qū)來說,由于水在集熱器流道內(nèi)結(jié)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(qū),還難以避免集熱器內(nèi)的水結(jié)冰,導致吸熱體凍裂。

2.2太陽能采暖系統(tǒng)

在低溫建筑中冬季需要采暖,太陽能采暖系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)的進一步發(fā)展。實際上,太陽能采暖系統(tǒng)通?？梢愿柲軣崴到y(tǒng)聯(lián)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(jié)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(huán)境保護的歐美國家,已經(jīng)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(tǒng)。另一種太陽能采暖系統(tǒng)是把太陽集熱器與水———水熱泵結(jié)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(tǒng)及太陽集熱器與水———水熱泵相結(jié)合的采暖系統(tǒng)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(qū)動熱泵。因此,后者適用于電力比較充裕的地區(qū)。

2.3太陽能空調(diào)系統(tǒng)

太陽能制冷空調(diào)一般用太陽能集熱器與吸收式或吸附式制冷機相結(jié)合來實現(xiàn)。在太陽能空調(diào)系統(tǒng)中,集熱器用于向制冷機提供發(fā)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(shù)(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(diào)系統(tǒng)不僅可以夏季提供制冷,而且可以冬季提供采暖,過渡季節(jié)提供生活熱水。正由于同一套太陽能系統(tǒng)可以滿足全年不同季節(jié)的制冷、采暖和熱水的要求,因而顯著地提高了太陽能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟性。

3太陽能光伏技術(shù)

太陽能光伏技術(shù)通過太陽電池將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｌ栯姵乜梢月?lián)結(jié)成大功率的組件,組件又可以組成太陽能發(fā)電裝置,可以供不同功率的應用。太陽能光伏系統(tǒng)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(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。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(tǒng)

獨立光伏系統(tǒng)應按實際供電需要進行設(shè)計,獨立系統(tǒng)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(xù)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(fā)電器和蓄電池之間安裝一個負載調(diào)節(jié)器。如果用戶需要交流電,則需要逆變器。

3.2并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是與開放電網(wǎng)并聯(lián)的,由該系統(tǒng)產(chǎn)生的而未被直接消費的剩余電能可以供給電網(wǎng)。并網(wǎng)的先決條件是安裝逆變器,它將由太陽能發(fā)電器產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成和電網(wǎng)一致的交流電,逆變器的輸入功率應盡可能與太陽能發(fā)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(shù)在建筑中的未來發(fā)展趨勢

未來發(fā)展趨勢就是建筑太陽能一體化,它是指采用太陽能光伏技術(shù)及太陽能空調(diào)技術(shù),把太陽能材料與建筑材料相結(jié)合,建成的具有節(jié)能及環(huán)保特點的現(xiàn)代化建筑。***近在北京亞運村北部,建設(shè)一座太陽能技術(shù)創(chuàng)新示范建筑?？偼顿Y在4000萬元左右。這座建筑面積9000m2的三層樓房將采用太陽能供電及太陽能空調(diào)系統(tǒng)的投資分別需要900萬元和800萬元左右。這座大樓將是北京市太陽能研究所的實驗大樓,其中包括光電產(chǎn)品中試車間、光熱和節(jié)能產(chǎn)品中試車間、實驗室、測試室、辦公用房及生活配套公用設(shè)施等。樓房朝陽的一面,將安裝近1000m2的太陽能光電機組,在晴天,每小時可產(chǎn)生120度電,可滿足整個建筑三分之一的用電需要,而且,厚度不超過1mm的藍色的單晶硅太陽電池貼在墻面上,還能起到裝飾作用。樓頂是2000m2的熱管真空太陽能集熱器,可滿足大樓夏天的空調(diào)和冬天的部分供暖和生活熱水。美國、歐洲和日本也分別推出了“屋頂光優(yōu)計劃”,美國計劃到2010年安裝1000～3000MW,日本的目標是7600MWI,太陽電池與建筑結(jié)合是一個必然的趨勢。可以樂觀地展望,太陽能在北方建筑中的應用前景極為廣闊。為此,仍然需要從以下幾個方面加以努力：

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

為要真正實現(xiàn)太陽能與建筑的有機結(jié)合,特別是要形成太陽能與建筑要結(jié)合的產(chǎn)業(yè)化,還有一系列技術(shù)、觀念、認識、政策等問題亟待科研單位、生產(chǎn)企業(yè)和政府部門共同解決。政府應該制定一些政策,積極扶持該產(chǎn)業(yè),鼓勵企業(yè)生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品,要大力進行太陽能利用產(chǎn)品的推廣和普及工作。使中國的太陽能產(chǎn)業(yè)極大地發(fā)展起來。太陽能是一種環(huán)保、節(jié)能、廉價、無污染的綠色能源。據(jù)測算,如果有100萬戶使用太陽能替代燃煤,10年內(nèi)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(jié)電60億度。所以,充分開發(fā)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(jié)約常規(guī)能源,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,是解決北方低溫建筑能耗的一條可行途徑。