太阳能在建筑上的应用研究

王泳荃

摘 要：通过对主动式太阳能和被动式太阳能在建筑上的应用进行研究，提出了太阳能用于建筑物集热、供电和空调等方面的技术手段，强调了太阳能利用与建筑物的统一和协调，分析了太阳能在建筑上应用的技术现状及发展趋势。

关键词：被动式太阳能；主动式太阳能；建筑；应用；协调

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.110

0 引言

太阳能作为清洁能源可减少一次能源的消耗，我国太阳能资源丰富，将太阳能有效地用于建筑物，体现了低碳建筑、绿色建筑的发展理念，同时也能促进我国太阳能利用技术水平的提升和太阳能产业的发展。

1 主动式太阳能在建筑上的应用

（1）主动式太阳能建筑技术。主动式太阳能在建筑上的应用是指借助外部驱动力，将通过光热转换或光电转换方式收集的太阳能资源，进行集热、蓄热或能量转换来满足建筑物热水供应、空气调节和照明等方面的能源需求，达到降低一次能源消耗的目的。

（2）太阳能集热系统。太阳能集热系统采用光热转换方式，根据建筑物的结构及用户的需求不同，集热器和贮水箱可集中或分开布置，用户热负荷的供应则可采用自然循环系统、强制循环系统或直流系统[1]，通常大型公共建筑均采用集中式强制循环系统，个人用户则使用分散式直流系统较多。

集热器是太阳能集热系统的关键部件，目前国内主要采用平板式集热器和真空管式集热器，综合国内外情况，将热管技术和相变材料蓄热技术应用于集热器将是今后发展的方向。热管通过工质的气液相变换热，具有很高的传热性能，与传统的集热器相比，其热容小，启动性能好，可避免结冰和高温过烧等问题。相变材料在从固态转变为液态时吸热， 在从液态转变为固态时放热，这在提高换热效率的同时，还可起到高效蓄热的作用，为日昼负荷的调峰提供了理想的载体，可有效减少补充电能的消耗。

（3）太阳能供电系统。太阳能供电系统采用光电转换方式，即太阳光照在半导体材料的P-N结上，形成空穴-电子对，空穴-电子对在P-N结电场的作用下，产生电流，外供电能，用于建筑物的太阳能发电系统通常由太阳能电池板、智能控制器、蓄电池和逆变器组成。目前，太阳能电池板及其它组件的生产均已实现国产化，国家亦对太阳能发电并网提供了相关的鼓励和补贴政策，部分建筑除满足自身能源消耗的同时，还可向外提供能源。

（4）太阳能空调系统。太阳能空调包括夏季制冷和冬季采暖，夏季制冷有两种方式，一种是先进行光电转换，再利用电力驱动压缩机或半导体制冷；另一种是直接利用太阳能产生热水，使吸收式制冷机工作。太阳能电力驱动的压缩式制冷技术，由于价格昂贵且稳定性较差，目前较少采用；太阳能直流半导体制冷技术具有运动件少、运行平稳和操控性较强等优点，已受到广泛的关注，但目前在机组大型化方面还处于探索阶段；太阳能吸收式制冷技术是利用太阳能集热器为吸收式制冷机提供热媒水，热媒水的温度越高，制冷机的效率也越高，同一套太阳能吸收式制冷机组可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来，因而受到普遍的欢迎，但由于受到设备庞大、价格高昂等因素的制约，亦限制了其发展。

由于冬季太阳辐射量较小，环境温度较低， 大幅提高能效的热泵技术被应用到太阳能采暖系统中。太阳能热泵技术就是先进行低温集热， 然后通过热泵，将热量传递到高温热源的采暖系统中，即以太阳能集热器作为热泵的蒸发器，用户采暖换热器作为冷凝器，达到实现能量高效转移的目的。

（5）主动式太阳能应用与建筑物的协调。主动式太阳能在建筑上的应用需充分考虑与建筑物及周围环境的协调，以前瞻性的眼光贯彻绿色建筑的发展理念。主动式太阳能方案的选择可根据建筑物类型、日照标准、使用要求等因素综合确定，在保持与建筑物统一、和諧的外观基础上，满足建筑物结构及防护的安全性要求。另一方面，在确定建筑物布局、朝向、间距和空间环境时，亦应结合地理位置、气候条件和周边环境等。

2 被动式太阳能在建筑上的应用

（1）被动式太阳能建筑技术。被动式太阳能技术是基于温室效应原理，充分利用建筑自身的潜能，通过建筑朝向的合理选择，周围环境的协调布置，内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构的有机组合，使建筑物在不借助机械装置的情况下，冬季通过太阳能的收集和储存采暖，夏季通过遮蔽太阳和通风散热降温。

（2）被动式太阳能建筑采暖。被动式太阳能建筑采暖包括太阳辐射通过玻璃或其它透光材料进入所需采暖房间的直接受益方式，以及蓄热墙、蓄热屋顶和附加阳光间等通过传导、辐射和对流采暖的间接受益方式。被动式太阳能建筑采暖需充分考虑气候分区、太阳能利用效率和房间热环境指标等因素，从建筑物的形体、空间、护围结构、使用功能及建筑材料的选择来整体规划。

（3）被动式太阳能建筑降温。被动式太阳能建筑降温的核心是遮阳、隔热和通风。遮阳包括固定式遮阳和活动式遮阳两种，固定式遮阳需与墙体隔开一定距离，以使热空气能沿墙体上排散热，活动式遮阳主要指落叶乔木和活动窗口，活动窗口可根据季节及太阳高度角的变化来控制室内的入光量。隔热的目的是减少夏季室外热量的传入，在屋面种植生态植被，设置带自然通风的架空层或通过采用多孔材料屋面，利用液体蒸发冷却降温等均是较好的隔热方式。通风则应优先考虑穿堂风、烟囱效应和建筑形式的风塔效应，根据当地风向、风压和热压等气象参数来自然通风降温，当然控制室内热源的散热也是一项非常重要的降温举措。

（4）被动式太阳能应用与建筑物的协调。建筑物是一个有机的整体，被动式太阳能的合理利用体现了低碳、绿色建筑的发展理念，在被动式太阳能应用的设计中注重与建筑物外形、构造、使用功能以及室内空间的完美结合，将会赋予建筑物鲜明的个性和持久的生命力，随着建筑新技术、新材料的运用，被动式太阳能技术迎来了良好的发展前景。

3 结语

太阳能建筑通过与光电或光热的结合，将可再生能源与绿色建筑融为一体，为人类提供舒适、节约的宜居空间。建筑、环境、能源和美学的相互渗透，以及新技术、新材料和人工智能的大量采用，将会是未来建筑发展的大趋势。

参考文献：

[1]GB 50364-2005.民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].9.

[2]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京：电子工业出版社，2017：59-62.

[3]JGJ/T267-2012.被动式太阳能建筑技术规范[S].36-37.