太阳能技术在村镇住宅建筑节能中的应用研究

2014-10-23郑传斌

武汉轻工大学学报 2014年3期

郑传斌，段翔

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023)

新世纪以来，建设资源节约型社会是党中央根据科学发展观的要求，经过深入研究后做出的战略性决策。我国2010年村镇住宅面积约为230亿m2，约占全国总建筑面积的50%。由于生活水平提高，农民开始大量建设住宅，每年新建的村镇住宅面积如表1所示，由表可知，从1998年—2008年，我国每年新建的村镇住宅面积基本维持在6.5亿～8.5亿m2，这表明村镇居住条件的得到了很大的改善，而且在今后一段时间内，每年新建的村镇住宅面积具有缓慢上升的趋势。

资料显示，建筑耗能约占全社会商品用能的三分之一，而我国村镇住宅建筑耗能是其重要组成部分，且其比重不断增大，因此应将其作为节能工作的重点。而太阳能技术是“十一五”期间技术比较成熟、应用最为广泛的可再生能源之一，所以，发展和推广太阳能技术在村镇住宅建筑节能中的应用已经势在必行，然而，太阳能技术在我国的应用推广还存在许多问题。

1 太阳能技术的分类及其应用

目前，太阳能技术在村镇住宅建筑节能中的应用主要有太阳能热水系统、太阳能空气集热采暖系统和太阳能光电照明。

表1 我国每年新建农村住宅面

1.1 太阳能热水系统

目前，太刚能热水系统已逐渐普及，尤其是家用太阳热水器，由于其安装方便、使用方便利价格低廉等优点，使得家用太阳热水器在村镇住宅中的应用越来越广泛。

(1)太阳能热水系统集热面积的确定

村镇住宅在购买家用太阳热水器时要根据家里的人口数量、使用热水量以及安装面积等因素确定。常用的集热面积的计算公式如下:

式中A——太阳能热水系统集热面积(m2);

Q——太阳能热水系统的热负荷(MJ);

Jt——平日太阳辐照量(MJ);

ηS——集热器的平均即热效率(%)，按目前的技术水平在0.3 ～0.5 之间;

ηL——水箱和管路的热损失率(%)，一般在0.2～0.3之间。

(2)太阳集热器安装倾角的确定

式中S——集热器的角度(°);

φ——当地纬度。

公式(2)中，夏季取“－”，冬季取“+”。

(3)太阳集热器管线的确定

式中 d——太阳集热器管线管径(mm);

Q——水泵流量(L/s);

v——管道流速(m/s)。

(4)太阳集热器管线水泵扬程的确定

H——水泵扬程(m);

H0——位置高差(m);

∑hf——总沿程阻力损火(m);

∑hj——总局部阻力损失(m);

ΔH——扬程余量(m)。

1.2 太阳能空气集热采暖系统

太阳能空气集热采暖系统采用空气作为传热介质的太阳能光热转换系统。该系统由风机、温控器、空气集热器、风管等组成，如图1所示。

图1 空气集热系统示意图

空气集热器(见图2)是太阳能空气集热采暖系统的核心部件，该部件的技术要点如下:

透光盖板应采用透光材料，封闭空气层的厚度应根据有关规定进行确定，按照规范严格设计翘片扩展表面的结构，注意消除流动空气与翘片的换热，要注意集热器内部流动空气的压强要适宜，对集热器定期进行自动清洁措施，注意保温背板、周围框架之间的热桥［1］。

图2 空气集热器示意图

1.3 太阳能光电照明

当前，太阳能光电照明系统具体过程包括:快充、过充和浮充。充电时，当蓄电池端电压达到一定限值Uc后便会进入过充阶段，当充电电流降到一定限值Ic时就会进入到浮充阶段VF。

式中 VFO——基准点的电压(V);

TO——温度值(℃);

C——电压温度系数。

图3 充电算法流程

根据实际情况研发出了一种智能化的充电算法，根据蓄电池的状态来选择适当的充电方式(见图3)。首先确定太阳电池为非满状态，DC—DC转换电路便发挥相应的作用，进行最大功率充电——MPPT;当 U=U。时，若 I≥Ic，此时进行恒压充电——CV;否则进行浮充充电——VF［2］。

2 对推广太阳能技术在村镇住宅建筑节能中的应用的思考与建议

(1)进一步完善村镇住宅建筑节能的政策法规体系，大力推广太阳能技术

德国的许多城市都建立了以“建筑生态护照”制度为代表的生态建筑法律法规，美国绿色建筑协会(USGBC)2000年启动了“能源与环境设计领导层”项目，图4是以日本为基准值1，单位GDP一次能源消耗量各国比较［3］，由图4可见，日本在节能方面处于世界领先水平，日本之所以取得如此重大的成就，很大程度在于善的住宅建筑节能的政策法规体系。到目前为止，国家颁布了120多项节能法规和条例、50多项节能设计规范和170项与节能有关的国家标准［4］。不过大部分是针对城市制订的，而对村镇住宅建筑节能就比较少，随着我国城市化进程加快，村镇住宅建设速度加快，出台相关建筑节能法规必须提上日程。

(2)倡导太阳能集热装置构件化与建筑一体化设计

图4 单位GDP一次能源消耗量各国比较(2005年)

太阳能集热装置构件化与建筑一体化设计强调将太阳能集热装置与与屋面、阳台和门窗等有机地结合成为村镇住宅建筑的一部分。例如将太阳能集热器布置在阳台外侧(图5)，水箱则放在阳台内部，既节充分利用了太阳能，又减少了使用空调等设备对环境的污染。还可以对村镇住宅的造型进行改造已达到充分利用太阳能的目的，图6是一幢村镇太阳能住宅，该住宅的特点是住宅屋面为倾斜一定度角玻璃与红瓦混合而成，冬季，玻璃窗密封，太阳光直接进入室内，顶层起着暖房的作用;而夏季将玻璃窗开启，又会形成穿堂风，加速室内空气流动，有利于降温。因此，村镇太阳能住宅具有冬暖夏凉的特点。

图5 太阳能集热器

图6 村镇太阳能住宅

(3)推广应用村镇建筑热能评价方法

对于村镇建筑节能设计或节能评估时，尽量采用模拟分析的方法，将村镇建筑节能量化，是能耗达到相应的标准和规范。其具体过程如图7所示。

图7 建筑能耗模拟方法

在计算输入参数中，气候参数(光照)、室内采光状况和太阳能设备使用状况的参数都是选取具有代表性的、多地区多年的平均值进行确定，从而作为计算的标准，应刚到具体的村镇住宅建筑节能设计利评估。

(4)推广太阳能光伏建筑一体化技术

太阳能光伏建筑一体化(Building Integrated Photovohaic，简称BIPV)技术即将太阳能发电产品与村镇住宅进行有机结合的技术(图8)。一方面，它能够接受太阳能，将其转化成电能供建筑使用;另一方面，它又作为村镇住宅的有机组成部分，起到围护结构的作用。太阳能光伏建筑具有耗能低、建材可回收利用等优点，因此，在村镇住宅建筑节能方面具有不可代替的作用。