当今,随着人口的增长以及人民生活水平的提高,建筑的能耗也正在大幅攀升,尤其在北方的低温地区。据估算,仅在北京建筑采暖能耗就占全部总能耗的10%以上,有些低温地区最高采暖能耗可以占到总能耗的一半以上。目前,在世界范围内,煤、石油、天然气等一次性能源的储量正在迅速下降,按已探明储量和消耗速度计算,全球主要能源——石油将在四五十年内枯竭,能源危机已成为困扰全球的大问题。与此同时,社会的可持续发展要求能源开发同环境保护、生态平衡统筹安排。因此,节约能源和积极开发清洁可再生的新能源是许多国家正在积极研究的课题。其中,经过多年的研究与实践,太阳能在建筑中的应用已取得可喜的进步。

太阳能技术在建筑中应用的有三种方式

1.被动式太阳房

被动式太阳房是目前国内外太阳能建筑中应用最多的类型之一。其优点是构造简单、造价低廉、施工方便。在北部低温地区,煤炭资源短缺,但太阳能资源丰富,气候条件优越,特别是采暖季节,阴雨天少,天气干燥,使被动式太阳房得以广泛的应用。被动式太阳房的核心部件是房屋南侧的集热墙,也叫“特隆布”(Trombe)墙,由透光玻璃、集热板、集热墙体(砖墙)组成。在集热墙体上、下部适当位置设置风口。其工作原理是:阳光透过玻璃照射到集热板上,集热板被加热,并有一部分热量蓄积在集热墙体内。当上下风口打开时,房间的冷空气由下风口进入集热板和墙体间的空腔,在空腔中受热上升,再由上风口回到房间。这种周而复始的热循环过程使室内温度得以提高。天热时,可以通过控制风口闸门启闭,来调节室内温度,使室内温度不致过高。而房屋的两侧面、背面及屋顶和底层地板则按照保温节能要求进行设计。1985年,甘肃省师专先后建成包括教学楼、学生宿舍、食堂等不同类型太阳能校舍38000m2,是我国数量最集中,且建设比较规范的被动式太阳能公共建筑群。每年可节约燃煤近2000吨燃料及相关费用50万元;可减少煤渣排放量592吨,减少烟气排放量4950万m2。

2.主动式太阳房

它是一种以太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑。太阳集热器是主动太阳能系统的关键部件。根据不同的需要,可用太阳集热器组成不同的系统,既可为民用或公用建筑提供热水,也可为这些建筑提供采暖或空调。因此,太阳集热器的应用对于建筑节能具有极其重要的意义。太阳集热器可分为平板型集热器和真空管集热器两大类。目前,平板型集热器和真空管集热器都已广泛应用于太阳能热水系统;真空管集热器已开始用于建筑的太阳能采暖和太阳能空调系统。

2.1太阳能热水系统

太阳能热水系统一般包括太阳集热器组、储水箱、循环泵、光敏探头、电控柜和管道。太阳能热水系统按照其运行方式,可分为自然循环式、强迫循环式和直流定温放水式等几种。目前在我国家用太阳热水器和小型太阳能热水系统多用自然循环式,而大中型太阳能热水系统多用强迫循环式或直流定温放水式;另外,无论家用太阳热水器或公用太阳能热水系统,绝大多数都采用单循环,即集热器内被加热的水直接进入储水箱提供使用。然而应当指出,单循环虽然可以降低热水器的成本,但对于硬水质的地区来说,由于水在集热器流道内结垢,不仅降低热水器的热性能,严重时还会堵塞流道;在冬季寒冷的北方低温地区,还难以避免集热器内的水结冰,导致吸热体冻裂。

2.2太阳能采暖系统

在低温建筑中冬季需要采暖,太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展。实际上,太阳能采暖系统通常可以跟太阳能热水系统联合使用。在此情况下,一方面要适当增加太阳集热器的的采光面积:另一方面由于采暖是在寒冷季节才需要,因而要使用防冻或抗冻的真空管集热器。目前在十分重视环境保护的欧美国家,已经建成大批集太阳能热水和太阳能采暖于一体的太阳能综合系统。另一种太阳能采暖系统是把太阳集热器与水———水热泵结合起来,即由太阳集热器为热泵提供低温热源,再由热泵为建筑物提供采暖所需要的热水。若对太阳集热器的采暖系统及太阳集热器与水———水热泵相结合的采暖系统进行比较,后者比前者能达到较大的采暖建筑面积与集热器采光面积比,且可采用较低的集热器运行温度;但后者比前者要消耗更多的电能用于驱动热泵。因此,后者适用于电力比较充裕的地区。

2.3太阳能空调系统

太阳能制冷空调一般用太阳能集热器与吸收式或吸附式制冷机相结合来实现。在太阳能空调系统中,集热器用于向制冷机提供发生器所需要的热源,因而为了使制冷机达到较大的性能系数(COP),应当有较高的集热器运行温度,这就要求选用在较高运行温度下仍具有较高热效率的真空管集热器。太阳能吸收式空调系统不仅可以夏季提供制冷,而且可以冬季提供采暖,过渡季节提供生活热水。正由于同一套太阳能系统可以满足全年不同季节的制冷、采暖和热水的要求,因而显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。

3太阳能光伏技术

太阳能光伏技术通过太阳电池将光能直接转变为电能。太阳电池可以联结成大功率的组件,组件又可以组成太阳能发电装置,可以供不同功率的应用。太阳能光伏系统一般包括电池组、储能、逆变和控制部分。建筑中的应用可分为独立光伏系统和并网光伏系统。太阳电池的应用,为建筑物提供照明等用电,如果太阳能完全能满足建筑物的能源需求,则可称为“零能房屋。”

3.1独立光伏系统

独立光伏系统应按实际供电需要进行设计,独立系统还需要配备蓄电池,在夜间和光照不好的时候,可由它来持续供电。为了防止蓄电池过充电或过放电的损害,必须在太阳能发电器和蓄电池之间安装一个负载调节器。如果用户需要交流电,则需要逆变器。

3.2并网光伏系统

并网光伏系统是与开放电网并联的,由该系统产生的而未被直接消费的剩余电能可以供给电网。并网的先决条件是安装逆变器,它将由太阳能发电器产生的直流电转变成和电网一致的交流电,逆变器的输入功率应尽可能与太阳能发电器的输出功率相符。逆变器应具有较高的效率、较小的空载和固有损耗、较小的线圈噪音。逆变器应当具有良好的输入输出特性。

太阳能技术在建筑中的未来发展趋势

未来发展趋势就是建筑太阳能一体化,它是指采用太阳能光伏技术及太阳能空调技术,把太阳能材料与建筑材料相结合,建成的具有节能及环保特点的现代化建筑。最近在北京亚运村北部,建设一座太阳能技术创新示范建筑。总投资在4000万元左右。这座建筑面积9000m2的三层楼房将采用太阳能供电及太阳能空调系统的投资分别需要900万元和800万元左右。这座大楼将是北京市太阳能研究所的实验大楼,其中包括光电产品中试车间、光热和节能产品中试车间、实验室、测试室、办公用房及生活配套公用设施等。楼房朝阳的一面,将安装近1000m2的太阳能光电机组,在晴天,每小时可产生120度电,可满足整个建筑三分之一的用电需要,而且,厚度不超过1mm的蓝色的单晶硅太阳电池贴在墙面上,还能起到装饰作用。楼顶是2000m2的热管真空太阳能集热器,可满足大楼夏天的空调和冬天的部分供暖和生活热水。美国、欧洲和日本也分别推出了“屋顶光优计划”,美国计划到2010年安装1000～3000MW,日本的目标是7600MWI,太阳电池与建筑结合是一个必然的趋势。可以乐观地展望,太阳能在北方建筑中的应用前景极为广阔。为此,仍然需要从以下几个方面加以努力：

使太阳能产品成为建筑的配套设备,为要使太阳能产品能尽早步入建筑行业,首先要研究太阳能产品与建筑外观相协调的总体方案(依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况),设计出与建筑中平屋顶、斜屋顶、阳台等不同结构构件相适应的太阳能产品。同时,要重视太阳能产品的标准化、系列化以及施工安装的规范化,加强与建筑设计部门(包括建筑总体、建筑结构、给水排水、暖通空调等各个专业)的密切合作,使太阳能产品尽快列入建筑设计标准图册和建筑设计技术规范,使之真正成为建筑的配套设备,尽早能被建筑设计师们采纳。

为要真正实现太阳能与建筑的有机结合,特别是要形成太阳能与建筑要结合的产业化,还有一系列技术、观念、认识、政策等问题亟待科研单位、生产企业和政府部门共同解决。政府应该制定一些政策,积极扶持该产业,鼓励企业生产出更好的产品,要大力进行太阳能利用产品的推广和普及工作。使中国的太阳能产业极大地发展起来。太阳能是一种环保、节能、廉价、无污染的绿色能源。据测算,如果有100万户使用太阳能替代燃煤,10年内可减少一氧化碳排放770万吨,减少二氧化硫排放315万吨,减少粉尘排放11万吨,或节电60亿度。所以,充分开发和利用太阳能,建造太阳能建筑,特别是太阳能民用建筑,可以替代和节约常规能源,实现可持续发展,是解决北方低温建筑能耗的一条可行途径。