太陽能技術在智能建筑中的應用

張興超，王 陸

（昆明理工大學津橋學院電氣與信息工程學院，云南昆明 650106）

0 引言

科技的發(fā)展和生活水平的提高使得人們對生活方式提出了更加高效便捷的要求，從而促進了智能建筑的產生。智能建筑是以建筑物為平臺，兼?zhèn)湫畔⒃O施系統(tǒng)、信息化應用系統(tǒng)、建筑設備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，集結構、系統(tǒng)、服務、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境[1]。其實質是一種以樓宇自動化系統(tǒng)為主的高耗能建筑結構。因此，節(jié)能、環(huán)保是影響其可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。而新能源的利用和生態(tài)建筑技術的產生為其解決這一問題提供了新的路徑。

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔無污染且可再生的新能源，近年來受到了人們的廣泛關注，其開發(fā)研究與應用較為普遍。太陽能技術也成為了智能建筑新能源應用中的一個重要組成部分。其在智能建筑中的典型應用包括發(fā)電、照明、熱水、供暖、制冷及空調系統(tǒng)等。

1 太陽能在智能建筑中的應用優(yōu)勢

全球氣候變暖使得世界各國開始日益關注建筑物的節(jié)能環(huán)保問題。綠色新能源在建筑物中的應用成為建筑發(fā)展的必然趨勢，智能建筑、綠色建筑、節(jié)能建筑等新型建筑形式應運而生。太陽能作為綠色新能源的一種典型形式，能夠在智能建筑應用中表現(xiàn)出諸多優(yōu)點。

（1）煤、石油、天然氣等已瀕臨枯竭，與此類化石能源相比，太陽能可稱之為一種取之不盡、用之不竭的可再生新能源。

（2）太陽能在使用過程中能夠通過純物理的技術路線將光能轉換為電能、熱能，不存在化學過程，不會產生有害物質。

（3）可利用城市的屋頂鋪設太陽能電池板、制熱裝備等組成分布式供能方式，能最大限度保障整個系統(tǒng)的可靠性；避免傳統(tǒng)能源集中型供能方式的缺點。

（4）可在建筑物當地發(fā)電、并原地使用，減少遠距離輸電過程中的耗能和費用，降低經濟成本。另外，部分發(fā)電系統(tǒng)還可向電網供電，起到削峰填谷的作用，帶來一定的社會經濟效益。

（5）將太陽能與建筑物相結合形成的光伏建筑一體化形式不需要另占土地，可節(jié)約建筑物空間。

（6）光伏建筑一體化形式使用的新型建筑材料，可替代昂貴的外裝飾材料，減少建筑物的整體造價。

2 智能建筑中太陽能應用系統(tǒng)研究

隨著新能源技術的發(fā)展，太陽能被廣泛的應用到智能建筑中。如何充分利用太陽能資源，將其與建筑物有機結合，實現(xiàn)綠色節(jié)能、技術高效及生態(tài)可持續(xù)性已成為建筑設計研究的熱點。目前，智能建筑中太陽能的應用形式主要包括主動式和被動式兩種。本文重點分析研究主動式太陽能應用系統(tǒng)，包括發(fā)電、照明、熱水、供暖、制冷及空調系統(tǒng)等[2-4]。

2.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

根據太陽能發(fā)電原理，目前常用的發(fā)電形式有太陽能光熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電兩種形式。其中，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)與火力發(fā)電的工作原理基本相同，主要依賴太陽能加熱產生高溫高壓的水蒸氣帶動汽輪機旋轉對外做功發(fā)電。但此種發(fā)電形式需要占用大量土地，且技術復雜，一般在智能建筑中很少使用。這里主要介紹太陽能光伏發(fā)電形式，該系統(tǒng)主要由太陽能光伏陣列、充放電控制器、蓄電池組、逆變器、負載及輔助部件構成（圖1）。

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.2 太陽能照明系統(tǒng)

相比其他能源，太陽光線擁有高效、清潔、安全等特點。根據其利用方式的不同，太陽能照明系統(tǒng)有4種形式：①利用采光板將太陽光反射引入室內，直接利用；②利用導光管或光纖，將太陽光引到室內實現(xiàn)照明；③利用光熱轉換的方法，將熱能發(fā)電用于照明；④利用光電轉換的方法，將太陽光直接轉變成電能用于照明。

2.3 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)主要用于提供熱水或供暖，是太陽能技術利用較為廣泛和成熟的領域。太陽能熱水系統(tǒng)結構組成包括太陽能集熱器、蓄熱水箱、補給水箱、傳熱工質和連接管路等。系統(tǒng)利用集熱器吸收太陽能輻射轉換為熱能并傳遞給傳熱工質，傳熱工質通過自然循環(huán)或強迫循環(huán)的方式將蓄熱水箱中的水加熱，從而獲得熱水。

2.4 太陽能供暖系統(tǒng)

太陽能供暖系統(tǒng)的發(fā)展包括2個方向：①通過優(yōu)化建筑設計僅依靠建筑本身收集太陽能進行供暖；②通過在建筑物中安裝機械設備收集太陽能進行供暖。目前，智能建筑中常將2種方法結合起來使用，形成的太陽能供暖系統(tǒng)形式有太陽能熱水輻射供暖系統(tǒng)、太陽能熱泵供暖系統(tǒng)和太陽能墻供暖系統(tǒng)等。

2.5 太陽能制冷系統(tǒng)

太陽能制冷包括光熱轉換制冷和光電轉換制冷2種類型。其中光熱轉換制冷是將太陽能轉換為熱能，利用熱能對外界進行補償使系統(tǒng)維持低溫狀態(tài)；而光電轉換制冷是利用太陽能光伏陣列將太陽能轉換為電能，再利用電能驅動壓縮式制冷機進行制冷。由于太陽能光伏電池成本較高、推廣應用較難；因此，目前智能建筑中太陽能制冷系統(tǒng)普遍采用光熱轉換制冷的形式。

2.6 太陽能除濕空調系統(tǒng)

太陽能除濕空調系統(tǒng)分為固體吸附式除濕空調和溶液除濕空調2種類型，主要由除濕器和再生器2個重要組件構成。除濕器的工作介質是一種具有吸濕性能的除濕劑，通過與空氣接觸可以達到除濕的目的。目前智能建筑中太陽能除濕空調系統(tǒng)普遍采用固體吸附式除濕空調的形式。

3 結語

智能建筑因其突出的節(jié)能效果已成為目前建筑行業(yè)的主要發(fā)展方向，同時太陽能技術的應用可明顯減少污染物排放、降低建筑能耗。利用先進的智能化技術可實現(xiàn)太陽能應用系統(tǒng)的監(jiān)控、管理和優(yōu)化，并充分發(fā)揮其應用功效。因此，將太陽能技術與建筑智能化技術相結合，應用于智能建筑中可以起到更加顯著的節(jié)能環(huán)保效益。