太阳能在建筑节能中的应用探析

童光全

[摘 要]太阳能是太阳发出的、以电磁辐射形式传递到地球表面的能量，经光热、光电转换，这些能量可以被转换为热能和电能。文章从太阳能在建筑节能上的应用以及局限性进行了初步分析，以求人类在未来可以广泛应用到生活与生产中，为人类创造了一种新的节能无污染生活形态。

[关键词]太阳能；建筑节能；应用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.12.148

1 太阳能及建筑节能的概念

太阳能具有取之不尽、用之不竭、洁净环保等优点，所以，它被认为是最好的可再生能源。光热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器4种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用、中温利用和高温利用。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能采暖、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。

所谓建筑节能，最初是指减少建筑物中能量的流失，现在则普遍称为“提高建筑物中的能源利用率”，即在保证提高建筑物舒适度的前提下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。它所界定的范围是指建筑使用能耗，包括空调、采暖、照明、家用电器、炊事等方面的能耗。建筑物是由各相关部分有机组合而成的系统，因而建筑节能是一项复杂的系统工程。我国建筑节能的重点是：建筑本体的节能、暖通空调系统的优化节能以及提高照明和其他用电设备的效率。从规划、设计、建造、调试、运行、维护、管理等各个不同阶段着手，降低建筑的能源需求，优化供能系统设计，开发新型能源系统方式，提高系统的运行效率和管理水平。因此，建筑节能的关键技术应包括：维护结构的热传递机理、节能指标体系优化方法以及建筑低能耗维护结构组合优化设计方法、冷热源优化运行方式，包括制冷采暖系统运行工况优化调控、冷热负荷的预测技术、开发调节控制软件等；建筑室内温度控制和冷热量计量控制成套技术，新能源供热制冷成套技术的研究开发，包括地热能、太阳能、地下和地面水体储能等的开发利用，低能耗建筑的综合设计体系研究，建筑设计、环境控制和节能设计的优化匹配，节能建筑和节能设备优选和集成，以及相应优化节能设计软件的开发等。目前，我国建筑节能领域的研究热点包括：建筑本体、能源系统的节能设计，可再生能源利用、节能诊断控制和能源管理、节能模拟分析、集成化设计、既有建筑节能改造等。所以，太阳能技术与建筑物有机结合，用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能的研究已经成为建筑学和能源科学领域发展的一个重要方向。

2 太阳能在建筑节能中的应用

目前，实现太阳能空调一般有两条途径：一是先实现光—电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光—热转换，以热能制冷。前者系统比较简单，但成本太高，以当前太阳能电池的价格来算，在相同制冷功率情况下，其造价约为后者的4～5倍。因此，国内外的太阳能空调系统至今仍以第二种为主，而后者又多采用吸收式制冷系统。

太阳能吸收式制冷，是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。热媒水的温度越高，则制冷机的性能系数越高，这样空调系统的制冷效率也越高。常规的吸收式空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱、锅炉等，而太阳能吸收式空调系统是在此基础上再增加太阳集热器、储水箱和自动控制系统。夏季，被集热器加热的热水首先进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱向制冷机提供热媒水；从制冷机流出并已降温的热水流回储水箱，再由集热器加热成高温热水；制冷机产生的冷媒水通向空调箱，以达到制冷空调的目的。冬季，同样先将集热器加热的热水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱直接向空调箱提供热水，以达到供热采暖的目的。当太阳能不能够满足要求时，可由辅助锅炉补充热量。

与常规空调相比，太阳能吸收式空调具有三大优点。第一，太阳能空调的季节适应性好，也就是说，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而变大，而这正好与夏季人们对空调的迫切要求一致。第二，传统的压缩式制冷机以氟利昂为介质，它对大气层有极大的破坏作用，而吸收式制冷机是以无毒、无害的澳化锉为介质，它对保护环境十分有利。第三，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结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。

太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域，太阳能热水器的经济、环境和社会效益都非常好。但是仍然存在诸多问题，如太阳能设计单位和生产厂家未考虑到我国地域辽阔，不能针对不同纬度地区太阳高度角不同而设计不同采光效果的热水器；太阳能热水器未能与建筑物融为一体，造成了视觉污染等。

在建筑中设计太阳能供暖系统，主要有两种方式，一种是主动式太阳能采暖系统，一种是被动式采暖系统。主动式采暖系统是通过利用外部常规能源，采取风机、水泵等动力设施，将热空气或者热水从太阳能集热器向采暖房或者储热器输送。系统中的每个环节都可以控制而可实现一定的所要求的温度。主动式太阳能采暖系统比较复杂，并且初始成本高，而且只有将其作为整个建筑的有机组成部分时才能取得良好的设计效果。所以，主动式太阳能采暖系统往往适用于新建筑。被动式太阳能采暖系统是太阳能供暖应用中最为简单的最为便宜的一种应用形式，它是依据当地的气象条件，按照建筑物的构造和建筑位置的布置，通过向阳面的墙面或者窗户等，尽可能地使房屋更多的储存和吸收热量，以实现采暖的目的。它不需要添置一些附加的设备，也不消耗较多的其他电力或者动力，其构造非常简单，所需要的投资比较少，并且对其管理和维护起来也比较方便，具有明显的节能效果。目前我国兴建的太阳房主要集中在东北、华北、西北等地，主要的类型有附加温室、集热墙、直接受益或者是三者结合，它们主要是依靠箭镞结构的热工特性来进行取暖的，其调节控制的可能性比较小。

3 太阳能利用的局限性

太阳能的利用目前还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源，虽然太阳能资源总量相当于人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。这是开发利用太阳能面临的主要问题。

4 结 论

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无须运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入了一个节约能源减少污染的时代。

参考文献：

[1]朱震宇.国外太阳能光伏产业发展政策借鉴及启示[J].中国市场，2010（13）.

[2]马宁.全球价值链下的太阳能光伏产业研究[J].中国市场，2011（23）.