太阳能技术在建筑中的应用及思考

张龙瑞

（国防科技大学校务部，湖南 长沙 410073）

太阳能技术在建筑中的应用及思考

张龙瑞

（国防科技大学校务部，湖南 长沙 410073）

对太阳能技术在建筑中的应用方式进行了归纳，分析了太阳能建筑发展中存在的问题，在此基础上讨论了太阳能建筑的应用发展方向。

太阳能技术；供暖；制冷

随着常规能源的日益紧张以及环保的呼声愈来愈强，可再生能源的重要性凸显，受到了各国的关注和扶持。太阳能是永不枯竭的清洁能源，有着矿物能源不可比拟的优越性。我国的太阳能资源丰富，60%以上的地区具有丰富的太阳辐照量，年日照时数可达2200 h。尤其是华北和西北地区，日照充足，为利用太阳能提供了很好的基础条件。开发和利用太阳能，既是近期急需的能源补充，又是低碳、环保的要求。将太阳能应用于建筑物，会获得很好的节能和环保效益。

1 太阳能供暖

1.1 被动式太阳能供暖

这种方式无需其他辅助能源，通过合理布置建筑方位和恰当处理建筑构件，即可利用太阳能实现建筑节能。其优点是造价较低，节能效果显著，是目前世界上推广太阳能技术的主要做法。典型的被动式太阳房，是直接利用照射到建筑内部的太阳能，太阳能在白天以光能的形式照射到起储热作用的内墙和地板上，晚上墙和地板内存储的热量又被释放出来。

还有间接利用围护结构表面所吸收的太阳能加热室内空气，使让太阳光通过玻璃透射到重质墙体涂黑的吸热表面，提高墙表面温度，使墙体蓄热。冬季，室内需要供热时，玻璃和墙体之间的热空气，经自然对流送入房间，而室内冷空气通过墙下通风口进入玻璃和墙体间的夹层被加热，自然循环。太阳落山后，则可利用重质墙体所存储的热量，继续放热。大大减少了单位面积的采暖负荷，节省了供暖能耗。

1.2 主动式太阳能供暖

这种方式用电作为辅助能源[1]，驱动被太阳能加热的水，在管道中循环流动以供热,包含太阳能集热器、风机、水泵、散热器和储热器等。随着太阳能集热器产品的迅速发展，尤其是热管式真空管（见图1）太阳能集热器的出现，其工作温度高、承压能力大、耐冷热冲击和抗冰雹等优点，使主动式太阳能采暖系统，逐渐应用于人民生活。

通过双回路强制循环系统，还可以解决冻结问题，这种系统多用于高纬度区域。在储热水箱中，设计与太阳能集热器连接的换热器，由集热器、换热器及循环水泵组成第一回路，在该回路中灌注防冻液，并暴露于室外。由热水箱、散热器及相应水管路组成第二回路，置于室内，被加热的水在水箱内通过换热器盘管进行间接加热。

图1 热管式真空管

燃油锅炉和电加热器的应用，弥补了太阳能供给功率与供热负荷需求的时间差异。此外，地板采暖也在发达国家得到了广泛应用。地板辐射采暖的供水温度低于60℃，室内地表温度可达25℃，具有舒适、隔音、清洁卫生和安全可靠等优点。该系统供水温度与太阳能集热器出口的水温接近，也成为节能采暖发展的方向之一。

2 太阳能制冷

2.1 太阳能吸收式制冷机

这种方式应用性强，是目前应用太阳能制冷最成功的方式之一[2]。吸收式制冷机在较低热源温度下运行，制冷效率较高，有助于小型化。目前用作太阳能空调机的，绝大部分都是溴化锂（H2O+LiBr）吸收式制冷机，有较小型的采用无溶液泵的自然循环式制冷机。

另一类吸收式制冷机是氨吸收式(NH3+H2O)制冷机，其优点是能够制取低温（低于0℃）、溶液不结晶等优点。因此有可能用氨-水吸收式制冷机做成冰箱、冷库的制冷机。另外，由于系统不需要真空操作运行，能将集热器直接当作发生器用，可以简化系统结构和运行，缺点是系统不宜设置在室内,以防氨泄漏产生危害。

图2 吸收式制冷系统的组成部件

2.2 太阳能集热器与吸收式制冷机的结合系统

该系统也叫太阳能吸附式制冷系统，主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、储液器、蒸发器、阀门等组成。

白天太阳辐射充足时，系统吸收太阳辐射能后，吸附床温度升高，使吸附的制冷剂在集热器中解附，吸附器内压力升高。解附出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质（水或空气）冷却后凝结为液态，进入储液器。

夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，集热器通过自然冷却后，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，由于蒸发器内制冷剂的蒸发，温度骤降，通过冷媒水获得制冷的目的，也可以直接制冰。与蒸气压缩式制冷系统比，吸附式制冷具有结构简单、运行费用低、使用寿命长、无噪声以及无环境污染等优点；与吸收式制冷系统比，吸附式制冷不存在结晶问题和分馏问题，且能用于振动、倾颠或旋转的场所。

2.3 光电式制冷系统

光电式制冷是太阳能发电的一种应用，利用光伏转换装置，将太阳能转换成电能，经过高频或工频逆变后，驱动一般的压缩式制冷机，实质上仍属于压缩式制冷。

其关键是光伏转换技术。尽管目前光电式太阳能制冷技术已应用于空调和冰箱，但对制冷系统特性的研究不多，压缩机中一般尚未考虑光伏系统的特性，因此整个系统效率较低，成本比以热能为动力的制冷循环要高。

3 发展中存在的问题

3.1 激励政策欠缺

强有力的激励政策是太阳能应用迅速发展的重要条件，而目前我国对新能源的管理主要是靠行政手段，缺乏强制性的法规内容和实施的具体细则，缺乏相应的经济激励措施以及行政监督手段，操作性不强[3]。

在鼓励太阳能应用方面，急需相应的政策出台。只有不断推动太阳能建筑的应用，在激发生产者积极性的同时，刺激消费者的需求，这样才能实现太阳能建筑政策系统化，推动太阳能技术在建筑中的应用。

3.2 太阳能与建筑有待一体化

太阳能建筑的生产、使用的各个环节，都需要政府严格把关，这对保证用户对新产品的信任方面极其重要。我国建筑业和太阳能技术两个行业之间几乎脱节，交流不够[4]。建筑行业不甚了解太阳能行业的技术标准；太阳能行业也不太了解建筑行业的设计要求和房产建筑的供求信息。建筑行业缺乏精通太阳能技术的设计人才，太阳能行业也缺乏熟悉建筑规范的技术人员，双方各自发展，交流很少。这严重影响了太阳能建筑的发展。后续追加安装的太阳能系统，不但影响了建筑的美观，还可能会影响到建筑结构承重。

3.3 节能意识需要加强

民众较高的节能环保意识是推动太阳能建筑发展的重要支撑[3]。日本、荷兰等发达国家把消费太阳能当作一件很有意义的事，甚至愿意多出钱享受绿色能源，从而扩大了太阳能的应用市场，这值得我们学习。

4 发展方向

4.1 政府制定鼓励支持政策

太阳能建筑具有较高社会效益，但投资相对较高，投资回收期较长，可能会影响到开发商的积极性。因此，政府应积极建设试点工程，针对生产厂商、房地产开发商、终端用户制定更完善、合理的鼓励和支持政策，提高系统整体技术水平，促进太阳能建筑行业及市场的良性发展。

4.2 提高太阳能集热系统效率

目前建设的太阳能采暖工程中，集热器、水箱等关键产品还有较大的改进空间，如进一步提高平板集热器的密封性以增加集热效率等，企业应加强研发力量，提高产品品质和工艺水平，开发安全可靠、高效稳定的新产品，以不断提高太阳能集热系统的效率。

4.3 提高太阳能利用率

太阳能全年综合利用，可大大提高其利用率，同时也可以解决冬夏热量不平衡问题。可采用的措施有：适当降低系统的太阳能保证率，合理匹配供暖和供热水的建筑面积（同一系统供热水的建筑面积，应大于供暖的建筑面积），夏季利用太阳能制冷以及跨季节蓄热等。

4.4 太阳能与建筑一体化

所谓与建筑一体化，就是要做到与工程建设项目同步设计，同步施工，同步验收，同时投入使用[5]。这样就可以避免影响建筑美观、破坏建筑结构，并使各专业协调进行，减少安全隐患。

5 结束语

太阳能作为自然界中最丰富的可再生能源之一，对人类社会的可持续发展具有重要意义。太阳能技术在建筑中的利用是当今太阳能利用的主要潮流和趋势之一，值得大力推广。在其具体应用方向上，应该特别注意提高效率，重视太阳能与建筑的一体化设计。

[1]孟 华，惟 定.太阳能在暖通空调中的应用[J].可再生能源，2003，（4）:18-20.

[2]金晓斌.住宅楼太阳能综合利用的研究[D].南京：南京理工大学,2008.

[3]沈 辉.住宅中太阳能的应用与研究[D].郑州：郑州大学,2007.

[4]李曹薇.太阳能应用于居住小区规划初探[D].南京：南京大学，2001.

[5]祖文超，戎卫国，李显英，等.太阳能供热采暖系统研究现状及思考[J].制冷与空调，2010，（24）:78-81.

Application and Consideration of Solar Energy Technology in Construction

ZHANG Long-rui
(Logistics Department,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The application of solar energy technology in construction was concluded.The problem in the development of solar energy construction was analyzed.Based on above analysis,the developing orientation of solar energy construction was discussed.

solarenergy technology;heat supply;refrigeration;construction

TK51

B

1672-545X（2011）08-0208-03

2011-05-15

张龙瑞（1961—），男，河南灵宝人，工程师，硕士，主要研究方向：暖通、水电领域。