新能源及可再生能源利用

太阳能在建筑中的应用

范乐乐

(哈尔滨工业大学)

摘要：随着社会的发展,建筑对电、热、冷的需求越来越多，同时对环境的要求越来越高, 然而要维持良好的生活环境，则需要消耗大量的能源，所以对于目前能源和环境污染的双重压力下，太阳能作为一种取之不尽且无污染的可再生能源，已经成为当前国际能源开发利用中的一个新热点。本文介绍了太阳能光伏发电、太阳能热水、太阳能采暖和太阳能制冷等在建筑中的应用。

关键词：可再生能源,太阳能光伏发电,太阳能热水,太阳能采暖,太阳能制冷The application of solar energy in construction

Fan lele

(Harbin Institute of Technology)

Abstract With the development of society, the need of electricity, heat and cold become more and more in construction,while more and more people are paying attention to environment.However,If we want to maintain a good living environment,we will consumes a lot of energy.Under the pressure of energy and environmental pollution , solar energy as an inexhaustible, renewable and no pollution energy,has become a new hotspot to international energy development and utilization. This paper introduces solar photovoltaic, solar hot water, solar heating and solar energy refrigeration application in construction.

Keywords: renewable energy，solar photovoltaic，solar hot water，solar heating，solar energy refrigeration

绪论

建筑作为人类的基本居住空间，它对人类的生活环境有着直接、重要的影响，居住空间环境的优劣直接影响着人们的生活质量，然而要维持良好的生活环境，则需要消耗大量的能源，对于目前能源和环境污染的双重压力下，太阳能作为一种取之不尽且无污染的可再生能源，已经成为当前国际能源开发利用中的一个新热点。

建筑作为人类日常生活所必需的物质载体，每年消耗着大量的能源，占一个国家总能耗的30%~40%，因此建筑节能和在建筑中使用太阳能关系到一个国家和社会的可持续发展的重大问题。

随着社会的发展,建筑对电、热、冷的需求越来越大，同时对环境的要求越来越高,太阳能在建筑中应用，满足了以上需求。太阳能应用在建筑中的方式主要包括太阳能光伏发电、太阳能热水、太阳能采暖和太阳能制冷等。

1.太阳能光伏发电

传统上,电能产生的方式常用间接的方式。如火力发电用煤或石油作为能源，将化学能转换成为热能，产生蒸汽后推动汽轮机再带动发电机发电。然而太阳能发电系统是指把太阳能直接转换成为电能，作为商用、民用等方面的电源，这种方式是直接能源转换，也是新能源中最具有代表性的一种能源。太阳能发电系统是直接利用能量转换，由于无需化石燃烧，所以对环境污染少；又因为不存在运动部件，所以噪声小，可以尽可能的接近居民区、办公楼，适用于建筑中中使用。

在建筑物上安装光伏发电系统的初衷是利用建筑物的光照面积发电，既不影响建筑物的使用功能，又能获得电力供应；由于光伏发电系统装设在建筑物上，接近电力负荷,无需额外的输电投资,也减少了输电过程的电能损失;而且光照强度与负荷强度是吻合的,有调峰的功效,可谓一举多得。

建筑光伏系统可以分为建筑附加光伏系统(BAPV)和建筑集成光伏系统(BlPV)两种[1]。

建筑附加光伏系统(BAPV)把光伏系统安装在建筑的屋顶或外墙上，建筑物作为光伏组件的载体,起到支撑作用。光伏本身并不作为建筑的构成，也就是说，如果拆除光伏系统后,建筑物仍能正常使用。

建筑集成光伏系统(BIPV)是指将光伏系统与建筑物集成在一起，光伏组件成为建筑结构不可分割的一部分，如光伏组件与屋面一体化、光伏组件与幕墙一体化、光伏瓦、光伏与遮阳装置一体化等；如果拆除光伏系统则建筑本身就不能正常使用。把光伏组件做成建材，必须具备建材所要求的几项条件，如坚固耐用、保温隔热、防水防尘、适当的强度和刚度等性能。建筑集成光伏系统是建筑光伏系统的更高级应用，光伏组件既作为建材又能够发电，一举两得，可以部分抵消

光伏系统的成本,有利于光伏系统的推广。

建筑光伏的几种应用形式如下:

(l)光伏组件与建筑屋顶一体化

由于建筑屋顶是太阳光直射区域，日照时间最长、太阳能辐射强度最大，因此在屋顶安装光伏组件最能充分利用太阳能；光伏组件与屋顶一体化设计，可以减少在高层建筑中风对光伏组件的影响；光伏组件材料吸收太阳能，屋顶无需隔热材料。因此，与建筑屋顶一体化的大面积光伏组件的使用，不但节约了成本,还美观了建筑,更有效的利用了屋顶的复合功能。

太阳能瓦是光伏组件与屋顶的另外一种一体化形式。它可以像瓦片一样直接铺在屋面上，不需要安装任何支架。太阳能瓦的创新之处在于使光伏系统和建筑屋顶成为一体、密不可分、达到了真正意思上的建筑一体化。

(2)光伏组件与墙体一体化

除了屋顶之外，建筑物与太阳光接触最多的就是外墙尤其是在高层建筑中。可采用各种墙体构造和材料，将光伏组件布置在建筑物的外墙上，来合理的利用外墙接收的太阳光。这样不但可以利用太阳能发电，而且还能有效降低建筑墙体的温度,从而降低建筑室内空调冷负荷。

(3)光伏幕墙

光伏幕墙将光伏组件集成到玻璃幕墙之中，突破了传统玻璃幕墙的单一维护功能，把以前被当作有害因素而屏蔽在建筑物表面外的太阳光,转化为电能被人类利用，同时这种复合材料不多占用建筑面积，特殊的装饰效果使建筑物更显美观。

(4)光伏组件与遮阳装置一体化

光伏组件与遮阳装置的一体化是在不影响建筑美观的同时又合理的利用太阳能，节约了空间，真正实现了建筑节能、环保的设计理念。可应用在一般建筑和停车场中。

2.太阳能热水系统

太阳能热水系统是利用温室原理，将太阳能转换成为热能，并向冷水传递热量,从而获得热水的一种系统。太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱、循环管道、支架、控制系统及相关附件组成，必要时需要增加辅助热源。

与建筑一体化热水器的特点是在建筑规划设计之初，就将热水器纳入设计内容，使之成为建筑的一个有机组成部分，统一设计、施工、调试和验收后交由用户使用。要实现热水器与建筑一体化的要求，就必须使太阳能集热器与水箱分离，把水箱从屋顶移走，使太阳能集热器可以象太阳能电池一样融入建筑，与建筑形成一体,使之满足实用和美观的要求。

太阳能热水系统可分为分户式和集中式两种。分户式太阳能热水系统为每户一个水箱，水箱最好安放在卫生间或者厨房里；集中式太阳能热水系统是几户或整栋楼为一个热水系统，共用一个水箱，水箱安放在地下室或草坪下方简易地下室。

3.太阳能采暖系统

太阳能采暖系统是指将太阳能转化为热能，供建筑物冬季采暖的系统，系统主要包括集热器、贮热器、供热采暖末端设备、辅助加热装置和自动控制系统等。

按热媒种类不同,太阳能采暖系统可分为为空气加热系统和水加热系统；按集热器和蓄热系统的换热方式不同，太阳能采暖系统可分为直接式系统和间接式系统；按利用太阳能的方式不同，太阳能采暖系统可分为被动式系统和主动式系统。

(1)被动式太阳能采暖系统

不采用专门集热器、管道和泵等装置，只是依靠建筑物的方位、本身结构和材料的热工性能，吸收和贮存太阳辐射的能量，以达到采暖的目的，这样的系统叫做被动式太阳能采暖系统,也称太阳能自然采暖。将一道实墙外面涂成黑色，外面再用一层或两层玻璃加以覆盖。将墙设计成集热器而同时又是贮热器。冷空气由墙体下部入口进入集热器，被加热后又由上部出口进入室内进行采暖。

(2)主动式太阳能采暖系统

主动式太阳能采暖系统与常规能源采暖系统的区别在于以太阳能集热器作为热源代替以煤、石油、天燃气等常规能源作燃料的锅炉。主动式太阳能采暖主要包括集热器、贮藏器、辅助热源以及管道、阀门、风机、泵、控制部件等部分。主动式系统的优点是可以使室内保持稳定的、舒适的温度。缺点是需要较多的设备,费用大。另外，由于系统中有管道、泵或风机等，维护费用也较多。

(3)空气加热系统

图1是以空气为集热介质的太阳能采暖系统图。风机1驱动空气在集热器之间不断的循环，让空气与集热器中的采暖板发生热接触，将集热器所吸收的太阳热量通过空气传递给贮热器存放起来，或直接送往建筑物。风机2的作用是驱动建筑物中的空气循环,建筑物内的冷空气通过风机2输送到贮热器中与贮热器中的介质进行热交换，加热空气，然后将暖空气送往建筑物进行采暖。若空气温度较低，需使用辅助加热装置。这种系统的优点是集热器不会出现冻坏和过热情况,可直接用于热风采暖,控制使用方便[2]"

图1 以空气为集热介质的太阳能采暖系统图

(4)水加热系统

图2是以水为集热介质的太阳能采暖系统图。此系统以贮热水箱与辅助加热装置作为采暖热源。当有太阳能采集时打开水泵1,使太阳能集热器与水箱之间循

图2 以水为集热介质的太阳能采暖系统图

环,吸收太阳能来提高水温。该系统的集热器----贮热器及贮热器----辅助加热----负荷可以分开控制。水泵2的作用是保证负荷部分采暖热水的循环,旁通管的作用是为了避免用辅助能量加热贮热水箱中的水。

4.太阳能制冷系统

太阳能制冷主要可以通过光--热和光--电转换两种途径实现。光--热转换制冷是指太阳能通过太阳能集热器转换来的热能，根据所得到的不同热能品位，驱动不同的热力机械制冷。光--电转换制冷是指太阳能通过光伏发电转换为电能，再通过常规的蒸汽压缩制冷、半导体热点制冷或斯特林循环制冷等方式来实现制冷。太阳能制冷的方式有除湿冷却空调、蒸汽喷射制冷、郎肯循环制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、化学反应制冷等。

（1）太阳能吸收式制冷

图3 太阳能吸收式制冷原理示意图

太阳能吸收式制冷如图3所示。制冷济--吸收剂工质在发生器中太阳能集热器送来的热水加热，制冷剂受热蒸发从制冷济--吸收剂工质解析出来,在冷凝器中被冷却，释放出热量后凝结为高压低温液态水；冷凝水通过膨胀阀降压后，进入蒸发器吸热蒸发，产生制冷效应；蒸发产生的制冷剂蒸汽进入收集器被来自发生器的制冷济一吸收剂工质吸收,再次变成液态后被泵加压送入发生器被加热[3] 。

（2）太阳能吸附式制冷

如图4所示"目前,太阳能吸附式制冷主要是指固体吸附式制冷。其基本原理是

以某种具有多孔性的固体作为吸附剂,某种气体作为制冷剂,形成吸附制冷工质对"吸附制冷通常分为两个阶段:(l)冷却吸附一蒸发制冷:通过水、空气等工质带走吸附剂的吸附热，完成吸附剂对制冷剂的吸附，由制冷剂的蒸发过程实现制冷；(2)加热解吸一冷凝排热:吸附制冷完成后,再利用热能(如太阳能)提供吸附剂解吸热,完成吸附剂的再生,解吸出的制冷剂蒸汽在冷凝器中释放热量,重新回到液体状态[3]。

图4 太阳能吸附式制冷原理示意图

5. 太阳能与建筑结合存在的一些技术问题

(1)太阳能热水系统使用年限和建筑寿命方面的矛盾。建筑的寿命一般都在50年以上,而太阳能集热器目前大约只有15年,存在一个集热器更换问题。嵌入式一体化集热器,虽然看起来漂亮,能与建筑完美结合,却存在着更换时不得不破坏建筑原有围护结构或饰面材料的隐患。所以集热器安装时,应该考虑维修和更换的方便。例如可以象光伏电池板一样用导轨和专用托架安装,做成可拆卸式的,便于安装、检修和更换[4]。

(2)太阳光伏电池的温升和通风问题。光伏电池与建筑结合还应当注意太阳电池背面的通风降温设计,因为在通风不良的情况下,光伏电池背面温度可高达70e,使光伏电池的发电效率降低(晶体硅太阳电池背面温度超过25e时,每提高1e功率损失约千分之四)。因此光伏电池在安装时一定要预留通风空间,以降低电池背面温度[4]。

6. 结语

在能源枯竭和环境恶化的当今世界,太阳能作为一种清洁的可再生能源,有着巨大的潜在市场。近年来,我国的太阳能产业正在迅速发展,随着市场的逐渐扩大,

光伏电池的价格也将逐步下降。在政府、企业及科研人员与设计人员各方面的努力下,光伏发电成本也将下降到可与常规发电相竞争的水平。而随着太阳能建筑一体化技术的发展,太阳能在建筑中的利用将朝着功能化、美观化和生态化的方向发展。

参考文献

[1]2009年光伏建筑一体化(BlPV)行业研究报告[J].中国标准化,2010]

[2]吐逢祥.建筑节能[M:.北京:中国建筑工业出版社,2008

[3]王如竹、代彦君.太阳能制冷[Ml]北京:化学工业出版社,2007

[4]敖三妹太阳能与建筑一体化结合技术进展[J].南京工业大学学报第27卷第6期

[5]陈志刚智能建筑新能源应用及其节能评估方法的研究[D].长安大学控制理论与控制工程学科硕士学位论文，2011