浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 付少鋒
摘要：通過太陽能技術(shù)在建筑節(jié)能中應(yīng)用形式的探討，指出太陽能技術(shù)應(yīng)用于建筑的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性以及在緩解能源緊張、節(jié)能減排、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中所起到的重要作用，提出應(yīng)積極推廣太陽能技術(shù)在建筑上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：太陽能；建筑節(jié)能；節(jié)能減排
0 引言
能源是社會(huì)發(fā)展的原動(dòng)力，現(xiàn)代建筑對(duì)煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的過分依賴，高能耗、低效率建筑的存在不僅增加了能源的消耗，而且污染環(huán)境。資料顯示，建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%左右，而暖通空調(diào)能耗約占建筑能耗的85%。隨著我國(guó)城市化的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑能耗所占社會(huì)商品能源總消耗量的比例也持續(xù)增加，目前的比例已從1978年的10%上升到了近年來的26.7%左右，而且此數(shù)值僅為建筑運(yùn)行過程所消耗的能源，不包括建筑材料制造用能及建筑施工過程能耗[1]。因此，提倡建筑節(jié)能不僅能緩解能源緊張、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供應(yīng)不足的問題，而且能降低污染物排放，有效保護(hù)環(huán)境。
太陽能是一種無污染的能源，也是人類可利用的最豐富的能源。我國(guó)有著豐富的太陽能資源，每年獲得的太陽能約為3.6×1022 J，相當(dāng)于1.2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值[2]，約占全國(guó)國(guó)土面積2/3的地區(qū)年平均輻射總量在3340～8400 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)超過2200 h，相當(dāng)于110～280 kg/h標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值[3]。因此，研發(fā)太陽能在建筑中綜合利用的技術(shù)，探究太陽能技術(shù)與建筑的有機(jī)結(jié)合將具有積極而深遠(yuǎn)的意義。
1建筑節(jié)能概述[4]
所謂建筑節(jié)能，最初是指減少建筑物中能量的流失，現(xiàn)在則普遍稱為“提高建筑物中的能源利用率”，即在保證提高建筑物舒適度的前提下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率。它所界定的范圍是指建筑使用能耗，包括空調(diào)、采暖、照明、家用電器、炊事等方面的能耗。建筑物是由各相關(guān)部分有機(jī)組合而成的系統(tǒng)，因而建筑節(jié)能是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。我國(guó)建筑節(jié)能的重點(diǎn)是：建筑本體的節(jié)能、暖通空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能以及提高照明和其他用電設(shè)備的效率。從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、管理等各個(gè)不同階段著手，降低建筑的能源需求，優(yōu)化供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開發(fā)新型能源系統(tǒng)方式，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和管理水平。因此，建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)包括：維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞機(jī)理、節(jié)能指標(biāo)體系優(yōu)化方法以及建筑低能耗維護(hù)結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、冷熱源優(yōu)化運(yùn)行方式，包括制冷采暖系統(tǒng)運(yùn)行工況優(yōu)化調(diào)控，冷熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)技術(shù)，開發(fā)調(diào)節(jié)控制軟件等；建筑室內(nèi)溫度控制和冷熱量計(jì)量控制成套技術(shù)，新能源供熱制冷成套技術(shù)的研究開發(fā)，包括地?zé)崮堋⑻柲�、地下和地面水體儲(chǔ)能等的開發(fā)利用，低能耗建筑的綜合設(shè)計(jì)體系研究，建筑設(shè)計(jì)、環(huán)境控制和節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)化匹配，節(jié)能建筑和節(jié)能設(shè)備優(yōu)選和集成，以及相應(yīng)優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)等。目前，我國(guó)建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)包括：建筑本體(如圍護(hù)結(jié)構(gòu))、能源系統(tǒng)(如暖通空調(diào)系統(tǒng)、辦公照明設(shè)備等)的節(jié)能設(shè)計(jì)，可再生能源利用、節(jié)能診斷控制和能源管理、節(jié)能模擬分析、集成化設(shè)計(jì)、有建筑節(jié)能改造等。所以，太陽能技術(shù)與建筑物有機(jī)結(jié)合，用太陽能全方位地解決建筑內(nèi)熱水、采暖、空調(diào)和照明用能的研究已經(jīng)成為建筑學(xué)和能源科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。
2 太陽能技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用
圖1所示，太陽能在建筑節(jié)能中應(yīng)用的主要方向是光伏發(fā)電技術(shù)和光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是指利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了能源的靈活運(yùn)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)為城市類型的居住建筑提供了開闊的前景，但是初投資高、轉(zhuǎn)化效率低；太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)是指通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的技術(shù)，建筑中常用的太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)包括太陽能熱水技術(shù)、被動(dòng)式太陽能采暖技術(shù)、太陽能熱壓通風(fēng)技術(shù)等[5]。
太陽能與建筑結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)包括[6]：
①太陽能技術(shù)與建筑的結(jié)合能有效地減少建筑能耗；
②太陽能與建筑結(jié)合，電池板和集熱器安裝在屋頂或屋面上，不需要額外占地，節(jié)省了土地資源；
③太陽能與建筑結(jié)合，就地安裝、就地發(fā)電上網(wǎng)和供應(yīng)熱水，不需要另外架設(shè)輸電線路和熱水管道，降低對(duì)市政配套的依賴，同時(shí)也減少了對(duì)市政建設(shè)的壓力；
④太陽能產(chǎn)品沒有噪音，沒有排放，不消耗任何燃料，公眾易于接受。
2.1 太陽房
太陽房是指結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)利用太陽輻射能進(jìn)行采暖的建筑,可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2種。主動(dòng)式太陽房需要在建筑物中設(shè)置太陽能集熱器、供熱管道、散熱設(shè)備、儲(chǔ)熱設(shè)備及輔助熱源等。利用這套系統(tǒng)可以接收、轉(zhuǎn)換和傳輸太陽能,滿足建筑物的采暖要求。被動(dòng)式太陽房則不需另外設(shè)置系統(tǒng)設(shè)備,它通過建筑物的朝向和周圍環(huán)境的合理布置、內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理及建筑材料和建筑構(gòu)造的恰當(dāng)選擇,使建筑物在冬季能充分收集、儲(chǔ)存和分配太陽輻射能,達(dá)到采暖的目的。
2.1.1 被動(dòng)式太陽房
目前所建造的太陽房多數(shù)是被動(dòng)式太陽房,主要分以下4類[7]。
①直接受益式。通過建筑物朝向的合理布置,讓陽光直接加熱采暖房間,把房間作為一個(gè)具有太陽能蓄熱和分配的綜合體。在陽光充足的白天,透過寬大的南窗玻璃面,陽光直接照射到能夠儲(chǔ)存能量的內(nèi)墻和地板上,使房間吸收到充足的熱量。夜晚儲(chǔ)存在墻和地板中的熱量又被釋放出來,使室溫維持在穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)是被動(dòng)式太陽房中最簡(jiǎn)單的一種形式。
②集熱墻式。其結(jié)構(gòu)是在建筑物的外墻上增加一層玻璃外罩,形成集熱墻。集熱墻在吸收太陽輻射熱以后,可通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量輸送到墻體內(nèi)表面,同時(shí)玻璃罩與外墻之間被加熱的空氣也可通過窗口排向室內(nèi),增加采暖房間的熱量。集熱墻式太陽房最早是由法國(guó)人特朗勃提出的,也稱為特朗勃(Trombe)墻。
目前,一種新型的太陽能集熱墻已經(jīng)被應(yīng)用。這種集熱墻是在傳統(tǒng)的集熱墻面上增加一層隔熱板,使南墻與集熱墻分離,在集熱墻周邊再增加一層保溫板,用于減少熱損失。由于集熱墻體積相對(duì)較小,溫度上升很快,與室內(nèi)形成了較大的溫差,提高了對(duì)流傳熱速度,使室內(nèi)的得熱量大大增加。經(jīng)使用測(cè)試,其集熱效果比傳統(tǒng)的集熱墻提高了1.96倍[8]。當(dāng)室內(nèi)外溫差為20~25℃時(shí),采暖效果顯著。
③附加溫室式。這種形式是在集熱墻的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它是在建筑物南墻外面搭一間玻璃室,增加隔墻與玻璃罩之間的空間,使太陽光透過玻璃加熱溫室中的空氣,再通過對(duì)流換熱的方式傳遞到采暖房間內(nèi)部。附加溫室可以直接用作生活空間,也可以用作花房等。
④蓄熱屋頂式。它是在建筑物屋頂?shù)慕饘夙斉锱_(tái)板上放置裝滿水的塑料袋作為儲(chǔ)熱體,其上面設(shè)置可以推拉啟閉的保溫蓋板,通過蓋板的敞開與關(guān)閉起到采暖和降溫的作用。這套系統(tǒng)可在冬夏季使用。
上述幾種形式的太陽房中,以直接受益式和集熱墻式最為多見。
2.1.2 主動(dòng)式太陽房[9]
如圖2所示,該系統(tǒng)可分為三個(gè)循環(huán)回路:1.集熱回路,主要包括集熱器、貯存器、集熱器熱交換器、過濾器、循環(huán)泵等部件。在該回路中采用差動(dòng)控制,使用兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)差動(dòng)控制器,其中一個(gè)溫度傳感器(熱敏電阻或熱電偶)安裝在集熱器吸熱板接近傳熱介質(zhì)出口處,另一個(gè)溫度傳感器安裝在蓄熱水箱底部接近收集回路回流出口,當(dāng)?shù)谝粋�(gè)傳感器溫度大于第二個(gè)傳感器5~10℃時(shí),集熱泵3就開啟。在這種情況下流體從貯存器經(jīng)集熱泵入集熱器,同時(shí)空氣從集熱器置換進(jìn)入貯存器中;相反,當(dāng)蓄熱水箱出口溫度與集熱器吸熱板溫度相差1~2℃時(shí)集熱泵就關(guān)閉,在這種情況下依靠把集熱器中的水排入到貯存器的方法來實(shí)現(xiàn)防凍,貯存器要隔熱或封閉以防冰凍溫度。夏天,用來加熱水的有效太陽能量可能超過熱水用量,在這種情況下,太陽能系統(tǒng)中的水溫可能超過沸點(diǎn),因此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置溫控裝置,當(dāng)蓄熱水箱的溫度超過一定限度時(shí),集熱循環(huán)泵會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。2.采暖回路,主要包括蓄熱水箱、散熱器、輔助熱源、電動(dòng)閥等部件。采暖回路是指采暖房間中熱媒的循環(huán)回路,自動(dòng)控制一般使用兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)差動(dòng)控制器,其中一個(gè)是溫度傳感器置于蓄熱水箱采暖回路出口附近,室內(nèi)設(shè)置溫度敏感元件測(cè)量室溫,當(dāng)室內(nèi)溫度降低時(shí),此時(shí)蓄熱水箱溫度很高并達(dá)到一定的數(shù)值,輔助加熱器關(guān)閉,由蓄熱水箱提供熱量;另一個(gè)溫度傳感器安裝在采暖回路的回水管道中,如果室內(nèi)溫度繼續(xù)下降,且第一個(gè)傳感器讀出的溫度低于第二個(gè)時(shí),即蓄熱水箱的熱量不能滿足負(fù)荷要求,電動(dòng)閥切斷蓄熱水箱與系統(tǒng)的聯(lián)系,使其脫離循環(huán),這時(shí)由輔助加熱器供暖。3.生活用熱水回路,主要包括熱水熱交換器、預(yù)熱水箱、輔助加熱水箱、泵等部件。自來水經(jīng)熱水熱交換器后進(jìn)入預(yù)熱水箱,經(jīng)預(yù)熱后的水從預(yù)熱水箱頂部循環(huán)到輔助加熱水箱中,在輔助加熱水箱內(nèi)水溫上升到所希望的溫度,供房間各處使用。任何家用熱水系統(tǒng)都必須使用調(diào)溫閥或其它方法,以確保輸送的熱水溫度不會(huì)過高,輸送水溫度一般在50~60℃范圍內(nèi)。
2.2太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[10]
光伏-建筑一體化(BIPV)是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念：在建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上鋪設(shè)光伏陣列提供電力，可分為光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合、光伏器件與建筑相結(jié)合兩種形式。前者是將現(xiàn)有的平板光伏器件安裝在建筑屋頂上，引出端經(jīng)逆變及控制器與公用電網(wǎng)連接，光伏方陣與電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電，形成用戶聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)。第二種形式則是將光伏器件與建材集成化，即用光伏器件代替部分建材。例如，變換組件邊框的型材即成為一種屋瓦型太陽能電池組件，鋪蓋于屋頂檁條上，可省去普通屋瓦；用可撓性樹脂材料為基底的大面積柔性薄膜電池組件可隨意剪裁成所需尺寸，鋪設(shè)于各種建筑物屋頂，即可發(fā)電，又可防雨；墻體式組件可代替普通玻璃幕墻，也可安裝在高速公路邊，與隔音墻成為一體。
不論從建筑、技術(shù)或經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，光伏-建筑一體化均有諸多優(yōu)點(diǎn)：有效利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，無需占用土地；原地發(fā)電、使用，節(jié)省送電網(wǎng)投資；增強(qiáng)供電可靠性，對(duì)公共電網(wǎng)起一定的調(diào)峰作用；可確保自身建筑全部或大部分用電；屋頂和墻面的光伏陣列直接吸收太陽能，可降低空調(diào)負(fù)荷、改善室內(nèi)環(huán)境；如把光伏陣列墻作為建筑物的玻璃幕墻，可減少建筑物的整體造價(jià)；如采用大尺度的新型彩色光伏模塊代替昂貴的外墻裝飾材料，則建筑物更具魅力。
當(dāng)前，將太陽能熱水、空調(diào)和光伏發(fā)電應(yīng)用于建筑并與建筑一體化的新型太陽能建筑已在歐、美和日本等國(guó)進(jìn)行示范。建筑物在生命周期內(nèi)，對(duì)于常規(guī)化石類能耗需求為零的建筑，或沒有對(duì)大氣環(huán)境新增二氧化碳排放的零能耗建筑一定可以實(shí)現(xiàn)。我國(guó)具有豐富的太陽能資源，在國(guó)家發(fā)展可再生能源戰(zhàn)略方針的指引下，太陽能在我國(guó)建筑中的應(yīng)用將成為建筑節(jié)能的重要組成部分。
3 結(jié)語
太陽能在節(jié)能建筑中的使用方式多種多樣,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。由于太陽能具有間歇性的特點(diǎn),而且初期投資一般較高,因此,可考慮與常規(guī)能源相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合利用。同時(shí),為了提高太陽能系統(tǒng)的利用率,可將采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)組成統(tǒng)一的系統(tǒng)。在太陽能的具體應(yīng)用過程中,應(yīng)特別注意太陽能與建筑的一體化設(shè)計(jì),努力減少太陽能系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和建筑本身帶來的不良影響,實(shí)現(xiàn)人-居-環(huán)境和諧發(fā)展。
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