浙江大学建筑设计研究院 付少锋
摘要：通过太阳能技术在建筑节能中应用形式的探讨，指出太阳能技术应用于建筑的环保性、经济性以及在缓解能源紧张、节能减排、促进社会经济可持续发展中所起到的重要作用，提出应积极推广太阳能技术在建筑上的应用。
关键词：太阳能；建筑节能；节能减排
0 引言
能源是社会发展的原动力，现代建筑对煤炭、石油、天然气等传统能源的过分依赖，高能耗、低效率建筑的存在不仅增加了能源的消耗，而且污染环境。资料显示，建筑能耗占社会总能耗的30%左右，而暖通空调能耗约占建筑能耗的85%。随着我国城市化的飞速发展和人们生活水平的不断提高，建筑能耗所占社会商品能源总消耗量的比例也持续增加，目前的比例已从1978年的10%上升到了近年来的26.7%左右，而且此数值仅为建筑运行过程所消耗的能源，不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗[1]。因此，提倡建筑节能不仅能缓解能源紧张、社会经济发展与能源供应不足的问题，而且能降低污染物排放，有效保护环境。
太阳能是一种无污染的能源，也是人类可利用的最丰富的能源。我国有着丰富的太阳能资源，每年获得的太阳能约为3.6×1022 J，相当于1.2万t标准煤的热值[2]，约占全国国土面积2/3的地区年平均辐射总量在3340～8400 MJ/m2，年日照时数超过2200 h，相当于110～280 kg/h标准煤的热值[3]。因此，研发太阳能在建筑中综合利用的技术，探究太阳能技术与建筑的有机结合将具有积极而深远的意义。
1建筑节能概述[4]
所谓建筑节能，最初是指减少建筑物中能量的流失，现在则普遍称为“提高建筑物中的能源利用率”，即在保证提高建筑物舒适度的前提下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。它所界定的范围是指建筑使用能耗，包括空调、采暖、照明、家用电器、炊事等方面的能耗。建筑物是由各相关部分有机组合而成的系统，因而建筑节能是一项复杂的系统工程。我国建筑节能的重点是：建筑本体的节能、暖通空调系统的优化节能以及提高照明和其他用电设备的效率。从规划、设计、建造、调试、运行、维护、管理等各个不同阶段着手，降低建筑的能源需求，优化供能系统设计，开发新型能源系统方式，提高系统的运行效率和管理水平。因此，建筑节能的关键技术应包括：维护结构的热传递机理、节能指标体系优化方法以及建筑低能耗维护结构组合优化设计方法、冷热源优化运行方式，包括制冷采暖系统运行工况优化调控，冷热负荷的预测技术，开发调节控制软件等；建筑室内温度控制和冷热量计量控制成套技术，新能源供热制冷成套技术的研究开发，包括地热能、太阳能、地下和地面水体储能等的开发利用，低能耗建筑的综合设计体系研究，建筑设计、环境控制和节能设计的优化匹配，节能建筑和节能设备优选和集成，以及相应优化节能设计软件的开发等。目前，我国建筑节能领域的研究热点包括：建筑本体(如围护结构)、能源系统(如暖通空调系统、办公照明设备等)的节能设计，可再生能源利用、节能诊断控制和能源管理、节能模拟分析、集成化设计、有建筑节能改造等。所以，太阳能技术与建筑物有机结合，用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能的研究已经成为建筑学和能源科学领域发展的一个重要方向。
2 太阳能技术在建筑节能中的应用
图1所示，太阳能在建筑节能中应用的主要方向是光伏发电技术和光热转换技术。太阳能光伏发电技术是指利用光电转换原理使太阳辐射光通过半导体物质转变为电能，从而实现了能源的灵活运用。从长远来看，太阳能光伏发电技术为城市类型的居住建筑提供了开阔的前景，但是初投资高、转化效率低；太阳能光热转换技术是指通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的技术，建筑中常用的太阳能光热转换技术包括太阳能热水技术、被动式太阳能采暖技术、太阳能热压通风技术等[5]。
太阳能与建筑结合的优点和优势包括[6]：
①太阳能技术与建筑的结合能有效地减少建筑能耗；
②太阳能与建筑结合，电池板和集热器安装在屋顶或屋面上，不需要额外占地，节省了土地资源；
③太阳能与建筑结合，就地安装、就地发电上网和供应热水，不需要另外架设输电线路和热水管道，降低对市政配套的依赖，同时也减少了对市政建设的压力；
④太阳能产品没有噪音，没有排放，不消耗任何燃料，公众易于接受。
2.1 太阳房
太阳房是指结合建筑结构利用太阳辐射能进行采暖的建筑,可分为主动式和被动式2种。主动式太阳房需要在建筑物中设置太阳能集热器、供热管道、散热设备、储热设备及辅助热源等。利用这套系统可以接收、转换和传输太阳能,满足建筑物的采暖要求。被动式太阳房则不需另外设置系统设备,它通过建筑物的朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理及建筑材料和建筑构造的恰当选择,使建筑物在冬季能充分收集、储存和分配太阳辐射能,达到采暖的目的。
2.1.1 被动式太阳房
目前所建造的太阳房多数是被动式太阳房,主要分以下4类[7]。
①直接受益式。通过建筑物朝向的合理布置,让阳光直接加热采暖房间,把房间作为一个具有太阳能蓄热和分配的综合体。在阳光充足的白天,透过宽大的南窗玻璃面,阳光直接照射到能够储存能量的内墙和地板上,使房间吸收到充足的热量。夜晚储存在墙和地板中的热量又被释放出来,使室温维持在稳定的温度范围内。这种结构是被动式太阳房中最简单的一种形式。
②集热墙式。其结构是在建筑物的外墙上增加一层玻璃外罩,形成集热墙。集热墙在吸收太阳辐射热以后,可通过热传导的方式将热量输送到墙体内表面,同时玻璃罩与外墙之间被加热的空气也可通过窗口排向室内,增加采暖房间的热量。集热墙式太阳房最早是由法国人特朗勃提出的,也称为特朗勃(Trombe)墙。
目前,一种新型的太阳能集热墙已经被应用。这种集热墙是在传统的集热墙面上增加一层隔热板,使南墙与集热墙分离,在集热墙周边再增加一层保温板,用于减少热损失。由于集热墙体积相对较小,温度上升很快,与室内形成了较大的温差,提高了对流传热速度,使室内的得热量大大增加。经使用测试,其集热效果比传统的集热墙提高了1.96倍[8]。当室内外温差为20~25℃时,采暖效果显著。
③附加温室式。这种形式是在集热墙的基础上发展而来的。它是在建筑物南墙外面搭一间玻璃室,增加隔墙与玻璃罩之间的空间,使太阳光透过玻璃加热温室中的空气,再通过对流换热的方式传递到采暖房间内部。附加温室可以直接用作生活空间,也可以用作花房等。
④蓄热屋顶式。它是在建筑物屋顶的金属顶棚台板上放置装满水的塑料袋作为储热体,其上面设置可以推拉启闭的保温盖板,通过盖板的敞开与关闭起到采暖和降温的作用。这套系统可在冬夏季使用。
上述几种形式的太阳房中,以直接受益式和集热墙式最为多见。
2.1.2 主动式太阳房[9]
如图2所示,该系统可分为三个循环回路:1.集热回路,主要包括集热器、贮存器、集热器热交换器、过滤器、循环泵等部件。在该回路中采用差动控制,使用两个温度传感器和一个差动控制器,其中一个温度传感器(热敏电阻或热电偶)安装在集热器吸热板接近传热介质出口处,另一个温度传感器安装在蓄热水箱底部接近收集回路回流出口,当第一个传感器温度大于第二个传感器5~10℃时,集热泵3就开启。在这种情况下流体从贮存器经集热泵入集热器,同时空气从集热器置换进入贮存器中;相反,当蓄热水箱出口温度与集热器吸热板温度相差1~2℃时集热泵就关闭,在这种情况下依靠把集热器中的水排入到贮存器的方法来实现防冻,贮存器要隔热或封闭以防冰冻温度。夏天,用来加热水的有效太阳能量可能超过热水用量,在这种情况下,太阳能系统中的水温可能超过沸点,因此系统应设置温控装置,当蓄热水箱的温度超过一定限度时,集热循环泵会自动关闭。2.采暖回路,主要包括蓄热水箱、散热器、辅助热源、电动阀等部件。采暖回路是指采暖房间中热媒的循环回路,自动控制一般使用两个温度传感器和一个差动控制器,其中一个是温度传感器置于蓄热水箱采暖回路出口附近,室内设置温度敏感元件测量室温,当室内温度降低时,此时蓄热水箱温度很高并达到一定的数值,辅助加热器关闭,由蓄热水箱提供热量;另一个温度传感器安装在采暖回路的回水管道中,如果室内温度继续下降,且第一个传感器读出的温度低于第二个时,即蓄热水箱的热量不能满足负荷要求,电动阀切断蓄热水箱与系统的联系,使其脱离循环,这时由辅助加热器供暖。3.生活用热水回路,主要包括热水热交换器、预热水箱、辅助加热水箱、泵等部件。自来水经热水热交换器后进入预热水箱,经预热后的水从预热水箱顶部循环到辅助加热水箱中,在辅助加热水箱内水温上升到所希望的温度,供房间各处使用。任何家用热水系统都必须使用调温阀或其它方法,以确保输送的热水温度不会过高,输送水温度一般在50~60℃范围内。
2.2太阳能光伏发电技术在建筑节能中的应用[10]
光伏-建筑一体化(BIPV)是应用太阳能发电的一种新概念：在建筑物围护结构外表面上铺设光伏阵列提供电力，可分为光伏系统与建筑相结合、光伏器件与建筑相结合两种形式。前者是将现有的平板光伏器件安装在建筑屋顶上，引出端经逆变及控制器与公用电网连接，光伏方阵与电网并联向用户供电，形成用户联网光伏系统。第二种形式则是将光伏器件与建材集成化，即用光伏器件代替部分建材。例如，变换组件边框的型材即成为一种屋瓦型太阳能电池组件，铺盖于屋顶檩条上，可省去普通屋瓦；用可挠性树脂材料为基底的大面积柔性薄膜电池组件可随意剪裁成所需尺寸，铺设于各种建筑物屋顶，即可发电，又可防雨；墙体式组件可代替普通玻璃幕墙，也可安装在高速公路边，与隔音墙成为一体。
不论从建筑、技术或经济角度出发，光伏-建筑一体化均有诸多优点：有效利用围护结构表面，无需占用土地；原地发电、使用，节省送电网投资；增强供电可靠性，对公共电网起一定的调峰作用；可确保自身建筑全部或大部分用电；屋顶和墙面的光伏阵列直接吸收太阳能，可降低空调负荷、改善室内环境；如把光伏阵列墙作为建筑物的玻璃幕墙，可减少建筑物的整体造价；如采用大尺度的新型彩色光伏模块代替昂贵的外墙装饰材料，则建筑物更具魅力。
当前，将太阳能热水、空调和光伏发电应用于建筑并与建筑一体化的新型太阳能建筑已在欧、美和日本等国进行示范。建筑物在生命周期内，对于常规化石类能耗需求为零的建筑，或没有对大气环境新增二氧化碳排放的零能耗建筑一定可以实现。我国具有丰富的太阳能资源，在国家发展可再生能源战略方针的指引下，太阳能在我国建筑中的应用将成为建筑节能的重要组成部分。
3 结语
太阳能在节能建筑中的使用方式多种多样,应根据实际情况选择使用。由于太阳能具有间歇性的特点,而且初期投资一般较高,因此,可考虑与常规能源相结合,实现联合利用。同时,为了提高太阳能系统的利用率,可将采暖、空调、热水供应组成统一的系统。在太阳能的具体应用过程中,应特别注意太阳能与建筑的一体化设计,努力减少太阳能系统对环境和建筑本身带来的不良影响,实现人-居-环境和谐发展。
参考文献
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