太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用研究

王泳荃

摘 要：通過(guò)對(duì)主動(dòng)式太陽(yáng)能和被動(dòng)式太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出了太陽(yáng)能用于建筑物集熱、供電和空調(diào)等方面的技術(shù)手段，強(qiáng)調(diào)了太陽(yáng)能利用與建筑物的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，分析了太陽(yáng)能在建筑上應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)式太陽(yáng)能；主動(dòng)式太陽(yáng)能；建筑；應(yīng)用；協(xié)調(diào)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.110

0 引言

太陽(yáng)能作為清潔能源可減少一次能源的消耗，我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，將太陽(yáng)能有效地用于建筑物，體現(xiàn)了低碳建筑、綠色建筑的發(fā)展理念，同時(shí)也能促進(jìn)我國(guó)太陽(yáng)能利用技術(shù)水平的提升和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 主動(dòng)式太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用

（1）主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)。主動(dòng)式太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用是指借助外部驅(qū)動(dòng)力，將通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換或光電轉(zhuǎn)換方式收集的太陽(yáng)能資源，進(jìn)行集熱、蓄熱或能量轉(zhuǎn)換來(lái)滿足建筑物熱水供應(yīng)、空氣調(diào)節(jié)和照明等方面的能源需求，達(dá)到降低一次能源消耗的目的。

（2）太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用光熱轉(zhuǎn)換方式，根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)及用戶的需求不同，集熱器和貯水箱可集中或分開(kāi)布置，用戶熱負(fù)荷的供應(yīng)則可采用自然循環(huán)系統(tǒng)、強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)或直流系統(tǒng)[1]，通常大型公共建筑均采用集中式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，個(gè)人用戶則使用分散式直流系統(tǒng)較多。

集熱器是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，目前國(guó)內(nèi)主要采用平板式集熱器和真空管式集熱器，綜合國(guó)內(nèi)外情況，將熱管技術(shù)和相變材料蓄熱技術(shù)應(yīng)用于集熱器將是今后發(fā)展的方向。熱管通過(guò)工質(zhì)的氣液相變換熱，具有很高的傳熱性能，與傳統(tǒng)的集熱器相比，其熱容小，啟動(dòng)性能好，可避免結(jié)冰和高溫過(guò)燒等問(wèn)題。相變材料在從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)吸熱， 在從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)放熱，這在提高換熱效率的同時(shí)，還可起到高效蓄熱的作用，為日晝負(fù)荷的調(diào)峰提供了理想的載體，可有效減少補(bǔ)充電能的消耗。

（3）太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)采用光電轉(zhuǎn)換方式，即太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體材料的P-N結(jié)上，形成空穴-電子對(duì)，空穴-電子對(duì)在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電流，外供電能，用于建筑物的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)通常由太陽(yáng)能電池板、智能控制器、蓄電池和逆變器組成。目前，太陽(yáng)能電池板及其它組件的生產(chǎn)均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)家亦對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)提供了相關(guān)的鼓勵(lì)和補(bǔ)貼政策，部分建筑除滿足自身能源消耗的同時(shí)，還可向外提供能源。

（4）太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)。太陽(yáng)能空調(diào)包括夏季制冷和冬季采暖，夏季制冷有兩種方式，一種是先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再利用電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或半導(dǎo)體制冷；另一種是直接利用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱水，使吸收式制冷機(jī)工作。太陽(yáng)能電力驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷技術(shù)，由于價(jià)格昂貴且穩(wěn)定性較差，目前較少采用；太陽(yáng)能直流半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有運(yùn)動(dòng)件少、運(yùn)行平穩(wěn)和操控性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已受到廣泛的關(guān)注，但目前在機(jī)組大型化方面還處于探索階段；太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)是利用太陽(yáng)能集熱器為吸收式制冷機(jī)提供熱媒水，熱媒水的溫度越高，制冷機(jī)的效率也越高，同一套太陽(yáng)能吸收式制冷機(jī)組可以將夏季制冷、冬季采暖和其它季節(jié)提供熱水結(jié)合起來(lái)，因而受到普遍的歡迎，但由于受到設(shè)備龐大、價(jià)格高昂等因素的制約，亦限制了其發(fā)展。

由于冬季太陽(yáng)輻射量較小，環(huán)境溫度較低， 大幅提高能效的熱泵技術(shù)被應(yīng)用到太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中。太陽(yáng)能熱泵技術(shù)就是先進(jìn)行低溫集熱， 然后通過(guò)熱泵，將熱量傳遞到高溫?zé)嵩吹牟膳到y(tǒng)中，即以太陽(yáng)能集熱器作為熱泵的蒸發(fā)器，用戶采暖換熱器作為冷凝器，達(dá)到實(shí)現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)移的目的。

（5）主動(dòng)式太陽(yáng)能應(yīng)用與建筑物的協(xié)調(diào)。主動(dòng)式太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用需充分考慮與建筑物及周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)，以前瞻性的眼光貫徹綠色建筑的發(fā)展理念。主動(dòng)式太陽(yáng)能方案的選擇可根據(jù)建筑物類型、日照標(biāo)準(zhǔn)、使用要求等因素綜合確定，在保持與建筑物統(tǒng)一、和諧的外觀基礎(chǔ)上，滿足建筑物結(jié)構(gòu)及防護(hù)的安全性要求。另一方面，在確定建筑物布局、朝向、間距和空間環(huán)境時(shí)，亦應(yīng)結(jié)合地理位置、氣候條件和周邊環(huán)境等。

2 被動(dòng)式太陽(yáng)能在建筑上的應(yīng)用

（1）被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)。被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)是基于溫室效應(yīng)原理，充分利用建筑自身的潛能，通過(guò)建筑朝向的合理選擇，周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合，使建筑物在不借助機(jī)械裝置的情況下，冬季通過(guò)太陽(yáng)能的收集和儲(chǔ)存采暖，夏季通過(guò)遮蔽太陽(yáng)和通風(fēng)散熱降溫。

（2）被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑采暖。被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑采暖包括太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃或其它透光材料進(jìn)入所需采暖房間的直接受益方式，以及蓄熱墻、蓄熱屋頂和附加陽(yáng)光間等通過(guò)傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流采暖的間接受益方式。被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑采暖需充分考慮氣候分區(qū)、太陽(yáng)能利用效率和房間熱環(huán)境指標(biāo)等因素，從建筑物的形體、空間、護(hù)圍結(jié)構(gòu)、使用功能及建筑材料的選擇來(lái)整體規(guī)劃。

（3）被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑降溫。被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑降溫的核心是遮陽(yáng)、隔熱和通風(fēng)。遮陽(yáng)包括固定式遮陽(yáng)和活動(dòng)式遮陽(yáng)兩種，固定式遮陽(yáng)需與墻體隔開(kāi)一定距離，以使熱空氣能沿墻體上排散熱，活動(dòng)式遮陽(yáng)主要指落葉喬木和活動(dòng)窗口，活動(dòng)窗口可根據(jù)季節(jié)及太陽(yáng)高度角的變化來(lái)控制室內(nèi)的入光量。隔熱的目的是減少夏季室外熱量的傳入，在屋面種植生態(tài)植被，設(shè)置帶自然通風(fēng)的架空層或通過(guò)采用多孔材料屋面，利用液體蒸發(fā)冷卻降溫等均是較好的隔熱方式。通風(fēng)則應(yīng)優(yōu)先考慮穿堂風(fēng)、煙囪效應(yīng)和建筑形式的風(fēng)塔效應(yīng)，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)向、風(fēng)壓和熱壓等氣象參數(shù)來(lái)自然通風(fēng)降溫，當(dāng)然控制室內(nèi)熱源的散熱也是一項(xiàng)非常重要的降溫舉措。

（4）被動(dòng)式太陽(yáng)能應(yīng)用與建筑物的協(xié)調(diào)。建筑物是一個(gè)有機(jī)的整體，被動(dòng)式太陽(yáng)能的合理利用體現(xiàn)了低碳、綠色建筑的發(fā)展理念，在被動(dòng)式太陽(yáng)能應(yīng)用的設(shè)計(jì)中注重與建筑物外形、構(gòu)造、使用功能以及室內(nèi)空間的完美結(jié)合，將會(huì)賦予建筑物鮮明的個(gè)性和持久的生命力，隨著建筑新技術(shù)、新材料的運(yùn)用，被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)迎來(lái)了良好的發(fā)展前景。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能建筑通過(guò)與光電或光熱的結(jié)合，將可再生能源與綠色建筑融為一體，為人類提供舒適、節(jié)約的宜居空間。建筑、環(huán)境、能源和美學(xué)的相互滲透，以及新技術(shù)、新材料和人工智能的大量采用，將會(huì)是未來(lái)建筑發(fā)展的大趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50364-2005.民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].9.

[2]楊金煥.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：59-62.

[3]JGJ/T267-2012.被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)規(guī)范[S].36-37.