太陽能在建筑上的應用研究

王泳荃

摘 要：通過對主動式太陽能和被動式太陽能在建筑上的應用進行研究，提出了太陽能用于建筑物集熱、供電和空調等方面的技術手段，強調了太陽能利用與建筑物的統一和協調，分析了太陽能在建筑上應用的技術現狀及發展趨勢。

關鍵詞：被動式太陽能；主動式太陽能；建筑；應用；協調

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

0 引言

太陽能作為清潔能源可減少一次能源的消耗，我國太陽能資源豐富，將太陽能有效地用于建筑物，體現了低碳建筑、綠色建筑的發展理念，同時也能促進我國太陽能利用技術水平的提升和太陽能產業的發展。

1 主動式太陽能在建筑上的應用

（1）主動式太陽能建筑技術。主動式太陽能在建筑上的應用是指借助外部驅動力，將通過光熱轉換或光電轉換方式收集的太陽能資源，進行集熱、蓄熱或能量轉換來滿足建筑物熱水供應、空氣調節和照明等方面的能源需求，達到降低一次能源消耗的目的。

（2）太陽能集熱系統。太陽能集熱系統采用光熱轉換方式，根據建筑物的結構及用戶的需求不同，集熱器和貯水箱可集中或分開布置，用戶熱負荷的供應則可采用自然循環系統、強制循環系統或直流系統[1]，通常大型公共建筑均采用集中式強制循環系統，個人用戶則使用分散式直流系統較多。

集熱器是太陽能集熱系統的關鍵部件，目前國內主要采用平板式集熱器和真空管式集熱器，綜合國內外情況，將熱管技術和相變材料蓄熱技術應用于集熱器將是今后發展的方向。熱管通過工質的氣液相變換熱，具有很高的傳熱性能，與傳統的集熱器相比，其熱容小，啟動性能好，可避免結冰和高溫過燒等問題。相變材料在從固態轉變為液態時吸熱， 在從液態轉變為固態時放熱，這在提高換熱效率的同時，還可起到高效蓄熱的作用，為日晝負荷的調峰提供了理想的載體，可有效減少補充電能的消耗。

（3）太陽能供電系統。太陽能供電系統采用光電轉換方式，即太陽光照在半導體材料的P-N結上，形成空穴-電子對，空穴-電子對在P-N結電場的作用下，產生電流，外供電能，用于建筑物的太陽能發電系統通常由太陽能電池板、智能控制器、蓄電池和逆變器組成。目前，太陽能電池板及其它組件的生產均已實現國產化，國家亦對太陽能發電并網提供了相關的鼓勵和補貼政策，部分建筑除滿足自身能源消耗的同時，還可向外提供能源。

（4）太陽能空調系統。太陽能空調包括夏季制冷和冬季采暖，夏季制冷有兩種方式，一種是先進行光電轉換，再利用電力驅動壓縮機或半導體制冷；另一種是直接利用太陽能產生熱水，使吸收式制冷機工作。太陽能電力驅動的壓縮式制冷技術，由于價格昂貴且穩定性較差，目前較少采用；太陽能直流半導體制冷技術具有運動件少、運行平穩和操控性較強等優點，已受到廣泛的關注，但目前在機組大型化方面還處于探索階段；太陽能吸收式制冷技術是利用太陽能集熱器為吸收式制冷機提供熱媒水，熱媒水的溫度越高，制冷機的效率也越高，同一套太陽能吸收式制冷機組可以將夏季制冷、冬季采暖和其它季節提供熱水結合起來，因而受到普遍的歡迎，但由于受到設備龐大、價格高昂等因素的制約，亦限制了其發展。

由于冬季太陽輻射量較小，環境溫度較低， 大幅提高能效的熱泵技術被應用到太陽能采暖系統中。太陽能熱泵技術就是先進行低溫集熱， 然后通過熱泵，將熱量傳遞到高溫熱源的采暖系統中，即以太陽能集熱器作為熱泵的蒸發器，用戶采暖換熱器作為冷凝器，達到實現能量高效轉移的目的。

（5）主動式太陽能應用與建筑物的協調。主動式太陽能在建筑上的應用需充分考慮與建筑物及周圍環境的協調，以前瞻性的眼光貫徹綠色建筑的發展理念。主動式太陽能方案的選擇可根據建筑物類型、日照標準、使用要求等因素綜合確定，在保持與建筑物統一、和諧的外觀基礎上，滿足建筑物結構及防護的安全性要求。另一方面，在確定建筑物布局、朝向、間距和空間環境時，亦應結合地理位置、氣候條件和周邊環境等。

2 被動式太陽能在建筑上的應用

（1）被動式太陽能建筑技術。被動式太陽能技術是基于溫室效應原理，充分利用建筑自身的潛能，通過建筑朝向的合理選擇，周圍環境的協調布置，內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結構的有機組合，使建筑物在不借助機械裝置的情況下，冬季通過太陽能的收集和儲存采暖，夏季通過遮蔽太陽和通風散熱降溫。

（2）被動式太陽能建筑采暖。被動式太陽能建筑采暖包括太陽輻射通過玻璃或其它透光材料進入所需采暖房間的直接受益方式，以及蓄熱墻、蓄熱屋頂和附加陽光間等通過傳導、輻射和對流采暖的間接受益方式。被動式太陽能建筑采暖需充分考慮氣候分區、太陽能利用效率和房間熱環境指標等因素，從建筑物的形體、空間、護圍結構、使用功能及建筑材料的選擇來整體規劃。

（3）被動式太陽能建筑降溫。被動式太陽能建筑降溫的核心是遮陽、隔熱和通風。遮陽包括固定式遮陽和活動式遮陽兩種，固定式遮陽需與墻體隔開一定距離，以使熱空氣能沿墻體上排散熱，活動式遮陽主要指落葉喬木和活動窗口，活動窗口可根據季節及太陽高度角的變化來控制室內的入光量。隔熱的目的是減少夏季室外熱量的傳入，在屋面種植生態植被，設置帶自然通風的架空層或通過采用多孔材料屋面，利用液體蒸發冷卻降溫等均是較好的隔熱方式。通風則應優先考慮穿堂風、煙囪效應和建筑形式的風塔效應，根據當地風向、風壓和熱壓等氣象參數來自然通風降溫，當然控制室內熱源的散熱也是一項非常重要的降溫舉措。

（4）被動式太陽能應用與建筑物的協調。建筑物是一個有機的整體，被動式太陽能的合理利用體現了低碳、綠色建筑的發展理念，在被動式太陽能應用的設計中注重與建筑物外形、構造、使用功能以及室內空間的完美結合，將會賦予建筑物鮮明的個性和持久的生命力，隨著建筑新技術、新材料的運用，被動式太陽能技術迎來了良好的發展前景。

3 結語

太陽能建筑通過與光電或光熱的結合，將可再生能源與綠色建筑融為一體，為人類提供舒適、節約的宜居空間。建筑、環境、能源和美學的相互滲透，以及新技術、新材料和人工智能的大量采用，將會是未來建筑發展的大趨勢。

參考文獻：

[1]GB 50364-2005.民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范[S].9.

[2]楊金煥.太陽能光伏發電應用技術[M].北京：電子工業出版社，2017：59-62.

[3]JGJ/T267-2012.被動式太陽能建筑技術規范[S].36-37.