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建筑设计中太阳能技术的综合利用

2012-06-02 16:10暖通百科
建筑设计中太阳能技术的综合利用
传统的燃料能源正一天天减少,而对环境造成的危害却日益突出,今天全球还有近20亿人得不到正常的能源供应,世界把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。推进节能减排工作,积极应用可再生能源是当前的一项重要任务。太阳能以其独有的优势成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能作为重要能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒到达地面的能量高达80万千瓦,一旦太阳能成为被广泛利用的能源,它将极大缓解人类的能源危机,改善人居环境,推动人类社会的进步。开发和利用丰富、广阔的太阳能,既是近期急需的能源补充,又是未来能源的基础。
我国目前建筑能耗约占全国能耗消耗量的27%,建筑节能在整个节能工作中占有重要地位。发展节能省地型住宅和公共建筑,重要的策略之一是应用太阳能资源,发展太阳能建筑技术。如果能采用部分太阳能应用到建筑上,将会对整个社会的节能有着重要的意义。
1. 我国丰富的太阳能资源
对于太阳能应用而言,我国具有良好的地理条件:全国国土每年获得的太阳能约为3.6X1022J,大约相当于1.2万亿吨标准煤的发热量,其中2/3国土面积太阳能年平均辐射总量在5900兆J/m2以上,而且大部分采暖地区均分布在长日照区域内,年日照时数大于2000小时,区划见图1[1]
1 我国的太阳能资源区划
我国各区的太阳能年总辐照量见表1。与同纬度的其它国家相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,因而具有巨大的开发潜能。同样,我国的太阳能应用设备生产经过多年发展,具有相当的规模,呈现出良好的发展势头;国内的相关研究虽然起步较晚,但是在被动式太阳房和太阳能热水方面有突出的成绩,光电研究方面则由于价格等问题,尚未达到普及的程度。其中,被动式太阳房已经被推广到广大农村,对解决中国贫困地区的采暖问题起到了良好作用。我国太阳能热水技术则处于国际领先地位,产销量均为世界第一。 
1 各资源区的太阳能年总辐射量
资源区划代号
名称
指标(MJ/(m2●a))
资源丰富区
≥6700
资源较富区
5400~6700
资源一般区
4200~5400
资源贫乏区
<4200
2. 太阳能热水系统
目前,我国的太阳能热水器生产和应用可谓如火如荼。专家预测,太阳能热水器在未来几年仍将保持迅猛的发展势头,这是规划和建筑等行业不能回避的事实。《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)局部修订内容就针对太阳能热水系统技术设计参数做了具体的规定,为以后设计提供了依据。
太阳能与建筑的结合,传统上是在屋顶上安装太阳能热水器,这种设计方法,优点是受日照时间比较长,但也存在不少缺陷,如连接管太长,使用时需要放掉大量管中冷水,造成水资源的浪费;上屋顶检查或维护较为困难,如果没有统一设计,布置混乱,就会破坏建筑的外观形象,影响市容市貌。太阳能热水器要走进居民生活,尤其是要走进建筑密度大、高层建筑多的城市,实现太阳能热利用设备与建筑一体化是必然的要求。一体化设计不仅体现在形式上做一些外观和立面的美化,更重要的是有效利用太阳能获得人们所需要的热源,并在经济性、舒适性上有足够的保证。太阳能热水器与建筑一体化应包括以下四个方面[2]
在外观上,实现太阳热水系统与建筑完美结合,合理的布置太阳能热水器。无论在屋顶、阳台或在墙面都要使太阳能集热器成为建筑的一部分,实现两者的协调和统一。
在结构上,妥善解决太阳能热水系统的安装问题,确保建筑物的承重、防水等功能不受影响,还应考虑太阳能集热器抵御强风、暴雪、冰雹等的能力。
在管路布置上,合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路,尽量减少热水管路的长度,建筑上事先留出所有管路的接口和通道。
在系统运行上,要求系统可靠、稳定、安全,易于安装、检修和维护,合理解决太阳能与辅助能源加热设备的匹配,尽可能实现系统的智能化和自动控制。
以上四方面均需要将太阳能热水系统纳入到建筑设计中,统一规划,同步设计、同步施工。
使用太阳能热水器,具有非常好的节能作用,这是显而易见的,另外对节水也有着积极的意义:使用热水比使用冷水可以节约用水。科学研究表明,从洗洁和杀菌效果来看,1倍的热水相当于5倍的冷水。冷水病菌含量高,对健康不利,而热水却能有效杀菌,并可以预防关节炎、妇女病等疾病的发生。卫生防疫专家呼吁,从有效抑制病菌滋生,增强人体免疫力的角度考虑,生活中应该多用热水。因此,应用太阳能提供热水,不但节能,还因为热水的杀菌、去污效果优于冷水而节省了水的用量,从而达到了节水。 
目前,山东、河北、南京、武汉等省市要求12层以下住宅、宾馆等建筑必须应用太阳能热水系统,实现太阳能热水系统与建筑一体化设计与施工;中高层、高层住宅建筑采取试点形式逐步推进。没有纳入试点范围的中高层、高层住宅建筑,要设计适合本工程特点的太阳能热水系统,暂不具备一体化应用条件的,设计与施工时应当进行必要的管路、固定件的预设、预埋,确保后期的安装与使用;有条件的公共建筑要设计安装太阳能热水系统,政府投资建设的医院、学校、宾馆、饭店、游泳池等公共建筑应当率先应用。
3.太阳能发电
假如把地球表面0.1%的太阳能转化为电能,转变率5%,每年发电量可达5.6x1012千瓦小时,相当于世界上耗能的40倍。利用太阳能电池直接将太阳光能转化为电能,也就是光伏发电,具有非常大的潜力。根据电力部门的介绍,在上海、北京、广东、江苏、山东等地开展光伏屋顶计划,重点是大城市。
目前我国多个光伏发电项目即将投入使用。中国首座太阳能大厦——保定电谷大厦,作为光伏发电进入商住园区和光伏发电与建筑融为一体的示范工程,这座太阳能光伏大厦将太阳能玻璃幕墙融入到整体设计之中,建筑的外立面采用大规模呼吸式太阳能玻璃幕墙。整座大厦的发电量可达0.3兆瓦,年发电量达171万千瓦时,可替代1400吨标准煤,相当于一个小型发电站,发出来的电直接并入电网。此外,每年可减少二氧化碳排放1100吨,对改善生态环境做出了很大的贡献。江苏省首个 “光伏屋顶计划”将投入示范性运营。这些项目的运营将为我国大范围的光伏发电提供技术参数和应用经验。
4. 太阳能取暖
太阳能取暖是指将分散的太阳能通过集热器(例如:平板太阳能集热板、真空太阳能管、太阳能热管等吸收太阳能的收集设备)把太阳能转换成方便使用的热水,通过热水输送到发热末端(例如:地板采暖系统、散热器系统等)提供房间采暖的系统。太阳能取暖系统由集热系统、蓄热系统和取热系统组成。对于供暖而言,太阳能的逐时分布情况与供暖负荷的逐时分布情况几乎相反,因此应该考虑蓄热措施。蓄热方式主要有土壤蓄热和水蓄热两种。
在利用太阳能取暖过程中,需要注意以下几点:
(1) 目前太阳能集热器产品在集热效率等方面还处于较低的水平(大多数不超过40%),因此当前所利用的太阳能实际上是“低位”能源,这就要求在利用过程中尽量考虑这一特点,以便有效的提高集热效率和利用效率。从供暖来说,集热水相对低温对于散热器供暖存在一定的限制条件,但对于地板辐射供暖系统则是比较吻合的,建议将二者结合起来。
(2)利用太阳能取暖,必须因工程制宜、因地制宜,尤其适用于我国西部地区。由中国建筑设计研究院[3]设计的拉萨火车站供暖,就是利用的太阳能采暖系统,经过冬季应用测试,系统运行稳定可靠。这与拉萨的地理和气象条件是密不可分的。拉萨属于高日照率、高大气透明度、高日照辐射照度地区,冬季日照率为77%。
(3)太阳辐射照度与天气情况等密切相关,很难有100%的日照率,这时就必须设置相应的辅助热源,也可与城市集中供热并行使用,当太阳辐射照度不足时,切换到集中供热系统,以保证建筑采暖的正常需求。同时可大大降低采暖费用。
5.太阳能制冷空调
在太阳能转换成热能后, 人们不仅可以利用这部分热能提供热水和采暖, 而且还可以利用这部分热能提供制冷空调。从理论上讲,太阳能制冷可以分为太阳能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两类[4]
5.1 太阳能光电转换制冷
首先是通过太阳能电池将太阳能转换成电能,再利用电能驱动常规的压缩式制冷机,主要有光电制冷及热电制冷。在目前太阳能电池成本较高的情况下,对于相同的制冷功率,太阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光热转换制冷系统的成本高出许多倍,目前尚难推广应用。
5.2 太阳能光热转换制冷
首先是将太阳能转换成热能(或机械能),再利用热能(或机械能)作为外界的补偿,使系统达到并维持所需的低温,按照消耗热能及消耗机械能进行分类,太阳能制冷系统主要可分为以下5种类型:1)太阳能吸收式制冷系统(消耗热能)。2)太阳能吸附式制冷系统(消耗热能)。3) 太阳能蒸汽喷射式制冷系统(消耗热能)。4)太阳能蒸汽压缩式制冷系统(消耗机械能)。5) 太阳能除湿式制冷系统(消耗热能)。
太阳能制冷空调的优点主要是季节适应性好、环保、噪声低、利用率高,同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水3种功能结合起来,做到一机多用,四季常用,从而可以显著地提高太阳能系统的利用率和经济性。局限主要有投资成本高、适用于建筑层数少、中、小型建筑的中央空调。
6 推广太阳能应用的几点建议和构想
推广太阳能相关指标预期有两方面的效果,直接的结果是推动国家四节标准的制定和执行,间接的作用是提高了各参与方的积极性,促进住宅产业的良性循环。鼓励发展节能省地型住宅与公共建筑,要求制定并强制推行更严格的“四节”标准,太阳能应用的政策导向将极大的促进四节标准的实现。
我国有关建筑节能的政策法规出台了不少,要求建筑必须达到一定的节能标准。但建设太阳能建筑,每平米需要增加成本约230元,这份钱由谁承担?在没有硬性规定的前提下,建筑商自然摇头;如果建筑售价不变,就意味着建筑商自己要承担这部分费用,如果建筑售价提高,则会带来潜在的市场风险。这种单方面的投资,社会和业主得益的模式使得建筑商对太阳能建筑热情不高。因此,应继续出台政策给太阳能建筑开发商以财政支持或税收优惠等,从经济利益促使他们加快太阳能建筑的开发。对达到一定标准的节能建筑给予一定的税收优惠,配合以相应的措施以确保这笔资金用于下一阶段的技术研发。鉴于此,推广太阳能应用就必须采取必要的措施,如:
⑴ 在各级政府组织内建立健全太阳能利用与推广指导、协调、组织机构,加强宏观调控力度;
⑵ 提高对推广应用太阳能技术重要性的认识,加大宣传教育力度,并率先在政府系统、公共建筑、医院、学校、宾馆饭店等热水消耗大户推广太阳能的使用,以提高全民使用和应用太阳能等可再生能源的意识;
⑶ 安排、组织相关部门(太阳能企业、城建、设计)进行太阳能建筑一体化相关标准化研究,研究出台城乡建筑配套政策和措施;
⑷ 完善太阳能技术、产品的质量监督体系,进一步规范市场管理;
⑸ 在房地产业大力组织、推广太阳能利用示范工程;
⑹ 对某些行业的建筑物提出强制性利用太阳能的要求;
⑺ 积极支持太阳能技术进步和产业发展;
⑻ 可以借鉴美国、德国、日本、西班牙、意大利等国的先进做法,以财政补贴、金融支持等方式鼓励居民使用太阳能设备,为节能减排做出贡献。
7 结语
当前,在我国能源紧张和大力推行建设节约型社会的形势下,利用太阳能有着积极的意义。太阳能技术的广泛应用,不仅促进了四节标准的实现,而且对于改善整个社会的生态环境、提高居民生活舒适度同样有着十分重要的意义。还有一点需要明确:太阳能设备属于一次性投资,虽然购买时比电、燃气热水器等价格要高,但在使用过程中不再投资,且安全可靠,操作简单方便,综合计算,太阳能设备投资最少。如果这一点被大多数人接受,太阳能建筑的市场自然就不言而喻了。
参考文献
1 中华人民共和国建设部.全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇(暖通空调·动力)[M],2003
2 中华人民共和国建设部.GB50364-2005中华人民共和国国家标准民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S],2005
3 潘云钢,金健. 太阳能在拉萨火车站供暖系统中的应用[J],暖通空调,2007,37(6):53~58
4 王默晗,姚易先,郝红宇.浅谈太阳能制冷技术的发展及应用[J].制冷与空调,2007(1):100~103
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