建筑設計中太陽能給水系統應用技術分析

馮素娜 王鵬舉

（1、河南省城鄉建筑設計院有限公司，河南 鄭州 450000 2、鄭州市建筑設計院，河南 鄭州 450006）

1 前言

當煤炭、石油即將耗盡，能源問題日益成為人類發展的瓶頸時，越來越多的國家開始開發太陽能給水資源，尋求經濟發展的新動力。太陽能給水是一種清潔可再生能源，利用太陽能給水供電、供熱、供冷、照明，建成太陽能給水綜合利用建筑物，是必然的發展方向。盡快推動我國太陽能給水建筑的發展,達到低能耗、零排污，是我國建筑行業面臨的重要課題。

2 世界上主要國家對太陽能給水利用狀況

2.1 美國

美國建筑用能占全國總能耗的30%～90%，為減少能耗，美國對太陽能給水的利用做了積極探索。1993年6月，美國能源部和再生能源實驗室耗資2500萬美元研發與建筑相結合的光伏產品，即建筑幕墻光伏器件和大型屋頂光伏組件。美國前總統克林頓1997年6月26日宣布實施“百萬太陽能給水屋頂”計劃，到2010年在全國住宅、商業建筑、學校和政府辦公樓屋頂安裝100萬套太陽能給水系統，包括太陽能給水光伏發電系統、太陽能給水熱水系統和太陽能給水空氣集熱系統。以達到減少溫室氣體排放，擴展能源選擇，創造高新技術崗位等目的。該計劃是美國面向21世紀一項由政府倡導發展的中長期計劃。

2.2 日本

在日本，建筑規范對居住區節能有明確規定。所以居住區普遍應用太陽能給水，通過屋頂吸陽板和太陽能給水電池自動控制系統，自動向室內輸入冷熱風和熱水。不僅可以節省電能，同時可以改善和保護環境，倍受日本政府的支持。日本很重視光伏與建筑相結合的技術。20世紀90年代，推出了幾種非晶硅電池與建筑材料相結合的產品：一種是曲線形瓦片，面積為305cm2、輸出功率2.7 WP;另一種是90cm×35cm的平板，輸出功率25 WP,用做屋頂材料。另外還推出了非晶硅玻璃組件，用于建筑幕墻。透光率為30%，既可采光，又可發電。以上光伏組件已安裝在三洋電氣公司、Fsukasa電力公司等辦公樓建筑物上。1997年，通產省宣布“七萬屋頂”計劃，安裝了37MWP屋頂光伏系統。日本政府計劃到2010年總計安裝500萬千瓦。

3 我國對太陽能給水的利用現狀

太陽能給水建筑的發展可分為三個層次：第一層次為被動式太陽房，是一種完全通過太陽能給水集熱器進行集取、儲存和分配太陽能給水的建筑。第二層次為主動式太陽房，是一種以太陽能給水集熱器與風機、泵、散熱器等組成的太陽能給水采暖系統或者與吸收式制冷機組成的太陽能給水空調及供熱系統的建筑。第三層次是應用太陽電池，為建筑提供采暖、空調、照明用電，建成“零能耗房屋”。我國太陽能給水建筑處于第一層次廣泛應用，第二層次深度發展，第三層次大力投入階段。

我國太陽能給水熱水器已經由最原始的悶曬式熱水器發展到全玻璃真空管熱水器，并大范圍的應用。年平均遞增率達15%。太陽能給水空調及供熱系統的研制成功，為第二層次的主動式太陽房發展創造了條件。2004年6月，北京市大興區天普工業園的一幢建筑面積8000m2的生態建筑工程，被專家評為“利用太陽能給水解決能源問題的建筑示范工程”。該建筑洗浴、供熱、供電等所有能源都由太陽能給水提供。建筑南墻、屋頂都安裝著太陽能給水集熱器，夏季為空調提供驅動，冬季為采暖提供熱源。建筑還安裝了50kW太陽能給水發電系統，滿足日常用電所需。該工程是奧運場館的試驗性建筑。

中國光伏產業正以每年30%的速度增長，2004年中國太陽能給水電池生產總量達到139MW，2007年產能則達到驚人的1180MW，成為全球發展最快的國家。隨著產能的提升和成本的降低，太陽電池與建筑結合是一個必然的趨勢。從“六五”一直到到“十一五”，國家科技攻關計劃中都列入了太陽能給水建筑項目，取得了一系列成效。并網太陽能給水光伏發電站及建筑物屋頂、墻立面并網太陽能給水光伏發電工程也已開始啟動。這將為太陽能給水建筑的蓬勃發展奠定堅實的基礎。

4 建筑設計中利用太陽能給水的主要方式

4.1 太陽能給水熱水器

由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及附件組成，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產生微循環而達到所需熱水。

4.2 太陽能給水吸收式制冷空調

利用太陽集熱器提供吸收式制冷機發生器所需要的熱媒水。可以實現夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活熱水等多項功能。采暖季節，將集熱器加熱的熱水直通生活用儲水箱中的熱交換器，就可將儲水箱中的冷水加熱以供使用。太陽能給水空調的季節適應性好，制冷能力隨太陽輻射能的增加而增大，與人們對空調的要求一致;且制冷機以無毒、無害的溴化鋰為介質，對保護環境十分有利。

4.3 太陽能給水產氧空調機

通過光能高效產氧制冷、制熱，比傳統空調節約電能達60%左右。由太陽能給水吸附式熱助器和冷助器根據制冷、制熱需要隨時滿足使用，實現了晝夜全天候高效運行。熱值高，升降溫快，無煙塵、無污染。

4.4 采暖降溫凈化器

在陽光作用下，利用冷熱空氣的微循環，實現冬季供暖、夏季降溫。該系統室內冬季最高平均室溫在19.5℃以上，夏季比傳統建筑的室內溫度低6℃左右，同時使室內空氣得到不斷的過濾、凈化，保持清新。

4.5 太陽能給水輔助電加熱低溫地板輻射采暖

采用“U”形管式太陽能給水集熱器，機械循環方式，循環介質是防凍液，沒有冬季凍結的擔憂。采用集熱和采暖獨立的間接式系統，既方便防凍液使用又有利采暖運行。配備電加熱輔助系統，滿足集熱不足時的需要。

4.6 全天候太陽能給水灶

由聚光罩、集熱器、保溫儲能箱、支撐架、自動跟蹤調節裝置、導熱體、保溫蓋等組成。在晴朗天氣，內部溫度可達280°以上，可進行蒸、煮、炒、燉等多種烹飪，且一天三頓飯均可利用。適用于廣大農村。

4.7 一體化建筑光伏電池

在建筑圍護結構布設光伏陣列發電。系統一般由光伏陣列(電池板)、墻面(屋頂)和冷卻空氣流道、支架、負載、蓄電池、逆變器、系統控制、濾波保護等裝置組成。目前已經研制出大尺度的彩色光伏模塊，可使建筑外觀更具魅力。光伏系統還可與公共電網并網。光伏-建筑一體化有以下優點：①光伏陣列一般安裝在屋頂或墻面，無需用地或增建其他設施，對于土地昂貴的城市尤其重要。②所發電力既可供給本建筑物，也可并入電網。在陰雨天、夜晚時，可由電網供電。光伏陣列和公共電網共同供電，增加了供電的可靠性。③夏季日照最強時，由于大量制冷設備的使用形成電網用電高峰。而這時也是光伏陣列發電最多的時候。從而緩解電力需求高峰。④避免了化石燃料發電導致的空氣污染和廢渣污染。⑤安裝簡便，且可任意選擇發電容量。

5 結語

我國太陽能給水建筑開發利用的過程中也存在一定的問題，如國家沒有明確的規范，建設單位缺少積極性，另外，太陽能給水熱水器與建筑缺乏統一性，破壞建筑外觀也是一個很大的問題。因此，我國應做以下工作:一是在現行國家規范節能標準中，加入太陽能給水利用的有關章節，并作為強制性條文。二是發展多層次太陽房，以滿足不同的需要。對不同類型的建筑、不同經濟發展地區，區別對待。高檔太陽房具有采暖、空調、供熱水和供電等功能;中檔太陽房可以利用太陽能給水提供熱水和部分電力;低檔太陽房采用太陽能給水熱水器。三是發展具備建筑裝飾效果的新型太陽能給水器件，在建筑設計中優先使用，實現太陽能給水系統與建筑的一體化。目前，可掛于外墻，具備裝飾效果的彩色太陽能給水熱水器推出，充分代表了這一發展趨勢，設計師應對此進行深入的研究。

[1]《民用建筑太陽能給水熱水系統應用技術規范》(GB50364-2005)

[2]《居住建筑與太陽能給水熱水系統一體化設計、安裝及驗收規程》(省標J10807-2006)