太陽能在智能建筑中的應用

　　摘 要： 可再生能源中太陽能的建筑節(jié)能潛力最高，利用太陽能可以為建筑提供采暖供熱、制冷、發(fā)電、采光、調濕和通風等，大大降低建筑物內的能源消耗，減少環(huán)境污染，是建筑可持續(xù)發(fā)展的方向。
　　關鍵詞： 太陽能 智能建筑 應用研究
　　
　　1.引言
　　太陽能是指直接投射到地球表面的太陽輻射能。在可再生的新能源中，太陽能是重要的部分。太陽能資源由于取之不盡、用之不竭，而且清潔無污染而最為引人注目，開發(fā)研究最多，應用也最廣，應當在智能建筑中將太陽能進行推廣和應用。
　　2.太陽能利用技術在建筑中的應用研究
　　2.1太陽能熱水系統(tǒng)
　　太陽能熱水系統(tǒng)技術是目前主動式太陽能利用中應用最廣泛的、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領域，它可以為用戶提供熱水或采暖。太陽能熱水系統(tǒng)通常由太陽能集熱器、傳熱工質、貯熱水箱、補給水箱和連接管路等組成，如圖1。其工作過程是：在太陽輻照下，集熱器吸收太陽能并轉換成熱能傳遞給集熱器內的傳熱工質，傳熱工質受熱后通過自然循環(huán)方式將貯水箱中的水加熱，或者通過強迫循環(huán)（如泵循環(huán)）方式將集熱器中的熱能傳遞給貯水箱中的水。有些太陽能熱水系統(tǒng)還有輔助加熱裝置（如電熱器），保證整個系統(tǒng)在陰雨天或冬季光照強度弱時仍能正常使用，保證用戶使用熱水或采暖的要求。
　　2.2太陽能采暖系統(tǒng)
　　太陽能采暖系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)的進一步發(fā)展，目前常見的太陽能采暖系統(tǒng)通常分為以下兩種。
　　2.2.1太陽墻采暖系統(tǒng)
　　太陽墻采暖系統(tǒng)核心組件是太陽墻板。太陽墻板是在鋼板或鋁板表面鍍上一層熱轉換效率達80%的高科技涂層，并經(jīng)過特殊設計和加工處理制成的，能最大限度地將太陽能轉換成熱能。太陽墻板的表面有許多直徑大約1mm的小孔，允許外面空氣通過。其工作原理為室外新鮮空氣經(jīng)太陽墻系統(tǒng)加熱后由送風機送入室內，置換室內污濁空氣，起到供暖和換氣的雙重功效。送風機產(chǎn)生負壓使室外空氣被壓入，室外空氣在流經(jīng)過太陽墻板面小孔時被加熱，然后被加熱的熱空氣由供風管道傳入室內，墻內壁向外產(chǎn)生的熱散失可由介于太陽墻板和建筑物外墻之間的供風氣流回收，充分利用太陽墻板被陽光加熱的熱量。
　　2.2.2太陽能熱水輻射采暖系統(tǒng)
　　太陽能地板輻射采暖是一種將太陽能集熱器吸收的太陽能作為熱源，通過敷設于地板中的盤管加熱地面進行采暖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以整個地面作為散熱面，傳熱方式以輻射散熱為主。當太陽能集熱器出口處水溫達到要求值時，啟動太陽能上水泵，熱水箱底部的水進入集熱器進行加熱，并將集熱器的熱水壓入水箱，水箱上部溫度高，下部溫度低，下部冷水再進入集熱器加熱，構成一個循環(huán)；當太陽能集熱器出口處水溫降到某一溫度值時，水泵停止工作，為防止反向循環(huán)及由此產(chǎn)生的集熱器的夜間熱損失，則需要一個止回閥；當蓄熱水箱的供水水溫達到供暖值時，可開啟供暖循環(huán)泵進行采暖循環(huán)。為了保證熱水箱供應熱水的不間斷性，在熱水箱內設有輔助加熱裝置。
　　2.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)
　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、防反充二極管及負載等部件構成，如圖2。
　　系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、聯(lián)網(wǎng)逆變器和控制器等三大部分構成。太陽能電池方陣在太陽光輻射下產(chǎn)生直流電，經(jīng)聯(lián)網(wǎng)逆變器轉換為交流電，經(jīng)由配電箱將電能一部分供家用電器使用，另一部分多余的電能饋入公共市電網(wǎng)；在晚上或陰雨天發(fā)電量不足時，由公共市電網(wǎng)向家庭用電設備供電。無論是由公共市電網(wǎng)向家庭用電設備供電還是將多余的電能饋入公共市電網(wǎng)，都要經(jīng)過電表，計量向公共市電網(wǎng)“賣出”的電量和由公共市電網(wǎng)“買入”的電量，計算家庭每個月的電費。
　　2.4太陽能光熱轉換制冷系統(tǒng)
　　太陽能光熱轉換制冷，首先是將太陽能轉換成熱能（或機械能），再利用熱能（或機械能）作為外界的補償，使系統(tǒng)達到并維持所需的低溫。主要為太陽能吸收式制冷系統(tǒng)（消耗熱能）。
　　太陽能吸收式制冷就是利用太陽能集熱器提供吸收式制冷機循環(huán)所需要的熱源，保證吸收式制冷機正常運行，達到制冷的目的。太陽能吸收式制冷系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、熱水箱、輔助加熱器、吸收式制冷機、冷卻塔、冷凍水箱等組成，其中吸收式制冷機包含發(fā)生器、吸收器、冷凝器和蒸發(fā)器，制冷劑/吸收劑在制冷機內通過汽化—冷凝—蒸發(fā)—吸收四個過程完成制冷目的。太陽能吸收式制冷包括兩大循環(huán)，即太陽能熱利用循環(huán)及吸收式制冷循環(huán)。
　　太陽能熱利用循環(huán)由太陽能集熱器、儲熱水箱、輔助加熱裝置等幾部分組成。太陽能集熱器吸收太陽能熱輻射，將熱水箱內的水加熱作為吸收式制冷機發(fā)生器的熱源，如果集熱器加熱后的水達不到水溫要求，通過輔助加熱裝置輔助進行加熱。
　　2.5太陽能固體吸附式除濕空調系統(tǒng)
　　太陽能除濕空調以具有吸濕性能的除濕劑為工作介質，通過除濕劑與空氣的直接接觸，從而實現(xiàn)對空氣的除濕處理過程，除濕器和再生器是除濕空調系統(tǒng)最重要的組成部件。
　　固體吸附式除濕裝置主要分為兩大類：一類是固定床式除濕器；另一類是轉輪除濕器。轉輪除濕器由于其運行、維護方便，與太陽能系統(tǒng)結合簡單，且可以實現(xiàn)連續(xù)除濕等優(yōu)點而被作為除濕領域研究的重點。
　　基于太陽能再生的轉輪除濕獨立新風系統(tǒng)將獨立新風與除濕轉輪結合起來，直接利用太陽能作為除濕轉輪的再生能源。新風進入除濕轉輪進行除濕，同時升溫，將去濕升溫后的新風與排風進行進一步的濕熱交換，再經(jīng)表冷器進行等濕降溫后送入空調房間，通過對表冷器進行控制可以調節(jié)送入房間新風的狀態(tài)，除濕轉輪由太陽能集熱器提供再生熱量。
　　熱回收轉輪都是用在末端組合式空調機組上的，以夏季制冷工況為例：轉輪回收回風的冷量給新風，使新風的溫度下降，達到初次處理的效果，從而減少了對新風處理的要求，達到了節(jié)能和節(jié)約運行成本的效果。
　　2.6太陽能照明系統(tǒng)
　　太陽光線相比其他能源具有清潔、安全、高效的特點，相同照度的條件下，太陽光帶入室內的熱量比絕大多數(shù)人工光源的發(fā)熱量都少。根據(jù)太陽光的利用方式，太陽光照明技術可以分為三種，第一種是直接利用方式，目前應用較多的是利用采光板反射太陽光將太陽光線引入室內；第二種是利用太陽光的光電轉換，將太陽光直接轉變成電能用于照明；第四種是利用光纖或導光管，將太陽光直接引到室內實現(xiàn)照明。
　　2.6.1太陽能采光板采光
　　采光板的內外表面比較光滑，易于陽光的反射；表面涂反射率較高的涂料，可以讓更多的光線進入室內。采光板的作用是利用較小的窗戶開口將室外及窗口附近的太陽光通過反射引入室內較深的區(qū)域。在通常條件下，直射輻射強度是散射輻射強度的4—7倍，采光板主要利用直射光線。室外直射輻射通過較小的上部窗戶開口被采光板反射到室內頂棚，經(jīng)過頂棚的散射反射，均勻地照亮離窗口較遠處。在窗口面積不變的情況下，離窗口較遠的位置得到充分的照明，提高了室內采光的均勻度和視覺舒適度；上部開口的面積較小，雖然有反射輻射進入，但不會嚴重地增大室內的空調負荷；而且室外的采光板在一定程度上起到了外遮陽的作用，有利于提高窗戶附近的熱舒適性，減小空調負荷和直射眩光。
　　2.6.2太陽能導光管采光
　　導光管，顧名思義就是通過特殊的管道將太陽光線傳導至室內，它是一種健康、環(huán)保、無能耗的綠色照明，系統(tǒng)的使用壽命可達30年，且無需維護。與采光天窗和側窗相比，導光管照明效果不會因光線入射角的變化而改變，且照射面積大，出射光線均勻、無眩光、不會產(chǎn)生局部聚光現(xiàn)象，是太陽能光利用的一種有效方式。
　　
　　導光管系統(tǒng)主要由采光罩、導光管及漫射器三部分組件構成。通過室外的采光罩將天然光采集到系統(tǒng)內，光線穿過表面鍍有純銀材料的高反射導光管，使光線得到傳輸和強化，再經(jīng)過室內的漫射裝置，將光線在室內均勻分布。
　　導光管可以安裝在建筑物屋頂或地表上，通過頂部采光的方式將太陽光線送到室內或者地下室中，代替或補充電能照明；導光管還可以安裝在建筑物外墻，通過側面采光的方式將太陽光線導入室內。
　　2.6.3太陽能光纖采光系統(tǒng)
　　太陽能光纖照明系統(tǒng)是通過聚光組件收集和匯聚太陽光，然后利用導光光纖將太陽光直接引入有照明需求的地方。太陽能光纖照明系統(tǒng)主要由自動跟蹤采光裝置、傳光纖和室內照明裝置三部分構成。
　　太陽能光纖照明系統(tǒng)的工作原理為：由光檢測器對陽光照射情況進行檢測及判斷，并將信號送至驅動電路，由驅動電路提供正、反轉驅動電流給驅動電機，再通過機械傳動機構帶動太陽光采光裝置轉動，實現(xiàn)跟蹤并使透鏡對準太陽。在對準太陽的情況下，由光耦合器在透鏡焦距附近獲取高密度光通量，然后經(jīng)光纖傳輸供給特制照明裝置。
　　太陽能光纖照明技術最初僅用于產(chǎn)生特殊的照明效果（模擬閃爍的星光），如今不但廣泛應用于裝飾照明，而且被廣泛應用于局部效果照明、廣告牌照明、建筑物室外公共區(qū)域的引導性照明、室內外水下照明和建筑物輪廓及立面照明之中，并已經(jīng)取得良好的照明效果。
　　3.結語
　　智能建筑作為目前建筑行業(yè)的發(fā)展方向，其節(jié)能效果非常突出，同時太陽能的節(jié)能效果優(yōu)異，可明顯降低建筑能耗、減少污染物排放，因此將太陽能與智能建筑結合，建筑的節(jié)能減排效益將會更加顯著，應該大力進行推廣。太陽能與智能建筑結合后，太陽能可直接為智能建筑提供熱水、供暖、供電照明、空氣調節(jié)、制冷等功能，一旦太陽能與智能建筑相結合，就要考慮使用建筑智能化系統(tǒng)中的智能化技術對太陽能應用系統(tǒng)進行統(tǒng)一的綜合管理，將其納入到智能建筑的組成中，用建筑智能化技術將太陽能應用系統(tǒng)監(jiān)視和控制起來，發(fā)揮出最大的節(jié)能環(huán)保效益。
　　
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　　該文章為南京交通職業(yè)技術學院大學生實踐創(chuàng)新項目，項目編號CX1021。