建筑設計中太陽能給水系統(tǒng)應用技術分析

馮素娜 王鵬舉

（1、河南省城鄉(xiāng)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(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始開發(fā)太陽能給水資源，尋求經濟發(fā)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(fā)展方向。盡快推動我國太陽能給水建筑的發(fā)展,達到低能耗、零排污，是我國建筑行業(yè)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(fā)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(tǒng)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(yè)建筑、學校和政府辦公樓屋頂安裝100萬套太陽能給水系統(tǒng)，包括太陽能給水光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能給水熱水系統(tǒng)和太陽能給水空氣集熱系統(tǒng)。以達到減少溫室氣體排放，擴展能源選擇，創(chuàng)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(fā)展的中長期計劃。

2.2 日本

在日本，建筑規(guī)范對居住區(qū)節(jié)能有明確規(guī)定。所以居住區(qū)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(tǒng)，自動向室內輸入冷熱風和熱水。不僅可以節(jié)省電能，同時可以改善和保護環(huán)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(fā)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(tǒng)。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(fā)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(tǒng)或者與吸收式制冷機組成的太陽能給水空調及供熱系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(tǒng)的研制成功，為第二層次的主動式太陽房發(fā)展創(chuàng)造了條件。2004年6月，北京市大興區(qū)天普工業(yè)園的一幢建筑面積8000m2的生態(tài)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(fā)電系統(tǒng)，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(yè)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(fā)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(fā)電站及建筑物屋頂、墻立面并網太陽能給水光伏發(fā)電工程也已開始啟動。這將為太陽能給水建筑的蓬勃發(fā)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(huán)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(fā)生器所需要的熱媒水?？梢詫崿F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(jié)，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(jié)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(huán)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(tǒng)空調節(jié)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(huán)，實現冬季供暖、夏季降溫。該系統(tǒng)室內冬季最高平均室溫在19.5℃以上，夏季比傳統(tǒng)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(huán)方式，循環(huán)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(tǒng)，既方便防凍液使用又有利采暖運行。配備電加熱輔助系統(tǒng)，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(jié)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(fā)電。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)還可與公共電網并網。光伏-建筑一體化有以下優(yōu)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電容量。

5 結語

我國太陽能給水建筑開發(fā)利用的過程中也存在一定的問題，如國家沒有明確的規(guī)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(tǒng)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(guī)范節(jié)能標準中，加入太陽能給水利用的有關章節(jié)，并作為強制性條文。二是發(fā)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(fā)展地區(qū)，區(qū)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(fā)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(yōu)先使用，實現太陽能給水系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)應用技術規(guī)范》(GB50364-2005)

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