太阳能利用与建筑一体化构想

［摘要］：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。
　　［关键词］：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，约占全国国土面积的2/3的地区年日照时数超过2200h。我国从70年代就开始了太阳能利用方面的研究，现已在太阳能利用和推广方面取得了一定的成绩，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处在探索阶段，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
　　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。
　　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有机结合时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；而采用金属制流道的集热装置并采用强制循环系统，虽然很好地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。
　　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，没有按照利用太阳能的原理和方法进行设计，造成建筑在土建时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；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。
　　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安装在建筑的外表面及屋顶的规格繁杂、形式各异，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共同研究讨论的一个大问题，建筑如何与太阳能设备很好地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。而建筑师在这方面更要多作一些努力和探索，做到在建筑设计的方案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的构想
　　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；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。
　　5太阳能利用与建筑一体化的实施方式
　　5.1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、通风与建筑围护结构有机结合的太阳能系统。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。与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的围护结构，照射在墙面上的太阳能不但被有效地利用起来而且显著改善了围护结构的隔热保温性能。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，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的空腔上部流出，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明显提升。这样以来从经济上分析这种采用复合太阳能采集技术墙体的初期投资回收速度比单纯采用光电板回收速度大幅度提高。
　　5.2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，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。
　　5.3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件中的集热装置模块可以很好地吸收太阳辐射能。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地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，蒸发器成为“热源”，直接作用于蒸发器中的流动工质——热媒，作为采暖热源和作为热水直接供应给用户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。
　　5.4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，有效地减少了墙体与
　　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

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