太陽(yáng)能光熱建筑一體化的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

李 冰，李 凱，扈 崢

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610065;2.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所，北京 100190)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)日益突出的問題。開發(fā)利用新能源和可再生能源成為當(dāng)務(wù)之急，也是人類面臨的必然選擇。太陽(yáng)能具有清潔、可再生、量大等特點(diǎn)，是世界各國(guó)發(fā)展新能源的重點(diǎn)之一。

目前我國(guó)建筑能耗已占社會(huì)總能耗的30%左右，并隨著城市化進(jìn)程的加快，有繼續(xù)增漲的趨勢(shì)。因此，采取合理、有效的技術(shù)措施將太陽(yáng)能利用與建筑有機(jī)地結(jié)合起來(lái)——太陽(yáng)能光熱建筑一體化，提高熱能利用效率，對(duì)緩解我國(guó)能源和環(huán)境問題有著重要的意義。

1 太陽(yáng)能光熱建筑一體化概述

1.1 太陽(yáng)能光熱利用的技術(shù)類型

太陽(yáng)能光熱的利用在建筑中有十分廣泛的前景。其應(yīng)用領(lǐng)域包括提供生活熱水、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、利用光熱發(fā)電以及通過空調(diào)系統(tǒng)改善室內(nèi)舒適度等。

1.1.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)是目前我國(guó)太陽(yáng)能熱利用最成熟的方法，它把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們?cè)谏a(chǎn)、生活中的使用。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是由集熱器、儲(chǔ)水箱及相關(guān)附件組成，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能主要靠集熱管。集熱管受陽(yáng)光照射面溫度高，背陽(yáng)面溫度低，使管內(nèi)的水產(chǎn)生溫差，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生循環(huán)而得到所需的熱水(圖1)。

圖1 熱水系統(tǒng)工作原理

1.1.2 太陽(yáng)能通風(fēng)系統(tǒng)

太陽(yáng)能通風(fēng)是一種熱壓作用下的自然通風(fēng)措施。它利用太陽(yáng)輻射增大進(jìn)出口空氣的溫差，提供空氣流動(dòng)的浮升力，達(dá)到增加室內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量降低室溫的目的。比較典型的太陽(yáng)能煙囪主要有3 種:Trombe 墻體式、豎直集熱板屋頂式和傾斜集熱板屋頂式。以Trombe 墻體式太陽(yáng)能煙囪為例(圖2)，其通風(fēng)量受到諸多因素的影響，如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、空氣通道寬度、煙囪進(jìn)出口寬度以及煙囪高度等。

圖2 Trombe 墻體式太陽(yáng)能通風(fēng)煙囪結(jié)構(gòu)

1.1.3 太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列拋物或蝶形鏡面收集太陽(yáng)熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳功汽輪發(fā)電的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。采用光熱發(fā)電技術(shù)，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽(yáng)能利用還有一個(gè)其他形式的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，即太陽(yáng)能所燒熱的水可以儲(chǔ)存在巨大的容器中，在太陽(yáng)落山后幾個(gè)小時(shí)仍然能夠帶動(dòng)汽輪發(fā)電。

1.1.4 太陽(yáng)能光熱空調(diào)系統(tǒng)

在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能后，人們不僅可以利用這部分熱能提供熱水和采暖，而且還可以利用這部分熱能提供制冷空調(diào)。首先是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能(或機(jī)械能)，再利用熱能(或機(jī)械能)作為外界的補(bǔ)償，使系統(tǒng)達(dá)到并維持所需的低溫(圖3)。

圖3 太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)原理示意

太陽(yáng)能制冷空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)主要是季節(jié)適應(yīng)性好、環(huán)保、噪聲低、利用率高，同一套太陽(yáng)能吸收式空調(diào)系統(tǒng)可以將夏季制冷、冬季采暖和其他季節(jié)提供熱水3 種功能結(jié)合起來(lái)，做到一機(jī)多用，四季常用，從而可以顯著地提高太陽(yáng)能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 太陽(yáng)能光熱建筑一體化的特點(diǎn)

1.2.1 有機(jī)統(tǒng)一、美觀協(xié)調(diào)

太陽(yáng)能光熱建筑一體化技術(shù)把太陽(yáng)能的利用納入環(huán)境的總體設(shè)計(jì)，把建筑、技術(shù)和美學(xué)融為一體。太陽(yáng)能設(shè)施與建筑工程同步設(shè)計(jì)、施工，同時(shí)投入使用，成為建筑的一部分。并且相互有機(jī)結(jié)合，取代了傳統(tǒng)太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)對(duì)建筑外觀及城市景觀所造成破壞(圖4)。

圖4 傳統(tǒng)屋頂太陽(yáng)能形式

1.2.2 節(jié)約資源、經(jīng)濟(jì)高效

1．農(nóng)技推廣工作經(jīng)驗(yàn)豐富，熱心園藝技術(shù)推廣，熟悉當(dāng)?shù)貓@藝產(chǎn)業(yè)狀況和園藝科技應(yīng)用情況，有一定的寫作能力。

將太陽(yáng)能集熱裝置安裝在建筑的屋頂或南立面上，不需要額外占地，節(jié)省了大量的土地資源;同時(shí)，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，減少大量的經(jīng)濟(jì)支出;太陽(yáng)能設(shè)施還可以完全取代或部分取代屋頂覆蓋層，與傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器相比，不僅節(jié)約成本，還能充分利用屋頂面積，提高太陽(yáng)能利用率。

1.2.3 安全適用、清潔環(huán)保

太陽(yáng)能光熱建筑一體化不僅能以覆蓋式用于平屋頂，還能以鑲嵌式用于坡屋頂(圖5)。太陽(yáng)能產(chǎn)品在使用中無(wú)污染、無(wú)噪聲，不僅可以減少常規(guī)化石能源的使用，節(jié)能環(huán)保，而且使用安全，壽命長(zhǎng)，為人們創(chuàng)造一個(gè)安全、高舒適性的生活環(huán)境，提高了生活水平。

圖5 太陽(yáng)能建筑一體化屋頂形式

2 太陽(yáng)能光熱建筑一體化的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

利用太陽(yáng)能加熱水是目前太陽(yáng)能光熱建筑一體化的最普遍形式，世界各國(guó)科學(xué)家和工程師經(jīng)過百年的努力，使太陽(yáng)能熱水成為當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)。

根據(jù)國(guó)際能源組織的“SOLAR HEAT WRLD WIDE 2005”(2007年版)報(bào)告，截止2005年底，世界太陽(yáng)能集熱器總安裝面積已達(dá)約1.59×108m2。為進(jìn)一步擴(kuò)大太陽(yáng)能熱水器在建筑中的應(yīng)用市場(chǎng)，一些國(guó)家還制定了相關(guān)的法律。如德國(guó)和荷蘭政府鼓勵(lì)在建筑中應(yīng)用可再生能源，其投資成本可由政府返還15%～30%;希臘、西班牙的建筑規(guī)范中規(guī)定了太陽(yáng)能的測(cè)試程序和發(fā)放標(biāo)志證書。各國(guó)先進(jìn)的技術(shù)及政策、法規(guī)對(duì)太陽(yáng)能光熱建筑一體化的應(yīng)用起到了重要作用。

發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)水平相對(duì)先進(jìn)，因而太陽(yáng)能光熱利用的領(lǐng)域也較廣且高端。如奧地利、德國(guó)、美國(guó)、日本等，除了利用太陽(yáng)能提供家庭熱水和熱水工程以外，分別還用于采暖、空調(diào)、工業(yè)用水、泳池加熱等對(duì)技術(shù)要求比較高的領(lǐng)域。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的利用相對(duì)其他國(guó)家來(lái)說(shuō)起步較晚，但由于太陽(yáng)能熱水器行業(yè)技術(shù)含量并非很高，再加上國(guó)內(nèi)需求量很龐大，因而我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛。然而，作為最適宜與建筑結(jié)合的可再生能源系統(tǒng)，中國(guó)的太陽(yáng)能光熱利用形式主要還是分戶式的生活熱水裝置。在冬季取暖、夏季制冷上的應(yīng)用需要進(jìn)一步開發(fā)。近年來(lái)，我國(guó)在太陽(yáng)能建筑一體化應(yīng)用上不斷探索、推廣，做出了很多成功的工程實(shí)踐。

2.2.1 奧運(yùn)村太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

該項(xiàng)目在奧運(yùn)村的樓群屋頂上安裝6000 m2的太陽(yáng)能集熱器，為世界各地的16800 名運(yùn)動(dòng)員提供洗浴熱水，奧運(yùn)會(huì)后能供應(yīng)2000 余戶居民的生活熱水需求。年可節(jié)省電力500 萬(wàn)度，減少二氧化碳排放3800 噸(圖6)。

奧運(yùn)村的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，對(duì)集熱傳熱、換熱升溫、儲(chǔ)熱殺菌、熱源備份、余熱利用、自動(dòng)控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行了綜合考慮，系統(tǒng)采用真空直流熱管間接循環(huán)利用太陽(yáng)能的方式，具有系統(tǒng)獨(dú)立、出水溫度穩(wěn)定、便于計(jì)量及收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。通過歐洲TUV、CE 和美國(guó)SRCC等國(guó)內(nèi)外專業(yè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)和認(rèn)證，其工程規(guī)模和技術(shù)先進(jìn)程度達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

2.2.2 日月壇·微排大廈

2009年11月建成于山東德州的“日月壇·微排大廈”是全球最大太陽(yáng)能辦公大樓，總建筑面積達(dá)到7.5×104m2(圖7)。全球首創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水供應(yīng)、采暖、制冷、光伏并網(wǎng)發(fā)電等技術(shù)與建筑的完美結(jié)合，建筑節(jié)能70%以上，加上60%采暖、制冷，節(jié)能效率88%，完全符合節(jié)能環(huán)保、人性化、生態(tài)等未來(lái)時(shí)尚角度的“綠色五星級(jí)”建筑標(biāo)準(zhǔn)，是太陽(yáng)能綜合利用技術(shù)與建筑節(jié)能技術(shù)結(jié)合的典范工程。

圖6 北京奧運(yùn)村屋頂太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

圖7 全球最大太陽(yáng)能辦公大樓“日月壇·微排大廈”

3 對(duì)太陽(yáng)能光熱建筑一體化的展望

我國(guó)的太陽(yáng)能利用處于世界領(lǐng)先地位，太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)和應(yīng)用規(guī)模都是世界最大的。但太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)在室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)、通風(fēng)、發(fā)電等方面的利用技術(shù)還有待改進(jìn)。因此，我們需要進(jìn)一步擴(kuò)大太陽(yáng)能的普及范圍，提高利用水平并發(fā)掘新的應(yīng)用領(lǐng)域。這也是世界太陽(yáng)能熱利用的一個(gè)重要發(fā)展方向。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛建造綜合利用太陽(yáng)能示范建筑，實(shí)驗(yàn)表明，太陽(yáng)能建筑節(jié)能率75%左右，是一個(gè)非常具有發(fā)展前景的領(lǐng)域。

對(duì)于城市中利用太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)，一個(gè)重要的技術(shù)問題就是在滿足太陽(yáng)能熱利用的基本要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)建筑基本功能如防水和結(jié)構(gòu)功能等的基礎(chǔ)上，使其和建筑結(jié)構(gòu)完美地結(jié)合起來(lái)，成為建筑的和諧一體，并盡可能增加建筑的美感，從而增加城市的整體美感。另外，對(duì)于如何在已經(jīng)建成的大量城市建筑上安裝太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)，需要加以特殊關(guān)注。以便采用合理的技術(shù)使太陽(yáng)能光熱建筑一體化成為我國(guó)既有建筑節(jié)能改造的一部分。

隨著太陽(yáng)能利用技術(shù)的不斷開發(fā)，人類社會(huì)進(jìn)入了太陽(yáng)能大量導(dǎo)入的時(shí)代。這可以使系統(tǒng)的價(jià)格逐漸降低，因此需對(duì)城市的建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃。在21 世紀(jì)的可持續(xù)發(fā)展社會(huì)里，太陽(yáng)能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展有望促進(jìn)具有建筑文化意味的成熟型社會(huì)的形成。

［1］鄧長(zhǎng)生.太陽(yáng)能原理與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010

［2］［日］日本太陽(yáng)能學(xué)會(huì).太陽(yáng)能利用新技術(shù)［M］.宋永臣，寧亞東，劉瑜，譯.科學(xué)出版社，2009

［3］敖三妹.太陽(yáng)能與建筑一體化結(jié)合技術(shù)進(jìn)展［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(6):101－102

［4］丁勇，連大旗，李百戰(zhàn)，等.重慶地區(qū)太陽(yáng)能建筑一體化應(yīng)用的實(shí)測(cè)與分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(5):77－78

［5］2010年4月國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能利用技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r調(diào)研報(bào)告［R］.http://www.doc88.com/p－08472953789.html