太陽能綜合能源利用工程示范

李小軍 楊 芳 張明禮

（平高集團有限公司 河南平頂山 467000）

1 太陽能利用技術

世界上所有的能源基本都是由太陽能直接或者間接提供的。在遠古時代人們就已經會簡單的利用太陽能進行基礎的生產活動。而現代科技的發展使得人們可以通過某些系統或者設備將太陽能的輻射能進行直接的收集、轉化或者儲存。因此，如何更好地發揮太陽能應有的價值，是需要不斷探索革新的。

1.1 太陽能光熱應用

目前，對于太陽能最廣泛且最普遍的應用是光熱應用，光熱應用根據熱能的溫度范圍可以分為200℃的低溫應用，200到800℃的中溫應用以及大于800℃的高溫應用。太陽能的低溫應用主要用于太陽能熱水器、海水淡化、太陽能房屋等。中溫應用主要運用于太陽灶、太陽能發電、工業預熱等。高溫應用則可以運用到太陽能熱化學、高溫太陽爐當中。目前太陽能的光熱不僅僅局限于人類的日常運用，還延伸到工業、農業等其他各個領域當中[1]。

1.2 太陽能采暖

太陽能采暖是通過收集太陽能熱量，并通過集熱系統將所手機的熱量應用于日常取暖需求，按照收集熱量的方法不同可以劃分成主動式采暖和被動式采暖兩部分，其判斷區別的主要依據是采暖系統是否需要外部驅動力。

主動式太陽能采暖一般是采用水泵或者是過風機進行動力驅動，通過驅動傳熱介質將所收集的太陽能熱量傳輸到需要供暖的位置。但由于太陽能受到時間限制，輻射不穩定，夜晚時候甚至無太陽能輻射，一般在采暖系統中都會備有輔助的能源系統以滿足太陽能供給不足時的采暖需求[2]。

被動式采暖相比于主動式系統結構較為簡單，且對系統的維護較為方便，主要通過對建筑物的布局進行相對應的改造，讓建筑物內諸如窗戶、墻壁、屋頂或者地面等部分可以盡可能對太陽能進行吸收存儲。

2 太陽能建筑

太陽能建筑是目前建筑行業的著重發展趨勢，是太陽能綜合能源利用的產物，也是本文所需要重點描述的內容。

2.1 太陽能建筑概況

本文主要以中國科技大學所研究設計建造的太陽能示范建筑為主要介紹案例。該棟建筑的主要結構為雙層的輕型木質結構。其建筑的主要目的是希望能給從事太陽能能源技術相關工程與太陽能技術和建筑工程相結合的研究學者提供參考借鑒意義，同時也為提供太陽能綜合能源利用示范工程提供示范參考作用。

2.2 示范建筑主體框架

該建筑為輕型木質結構的雙層建筑，總面積為265.6平方米，其中建筑一層的面積為166.8平方米，樓層高度為3.3米，樓層凈高度為3米；建筑二層的面積為98.8平方面，除了二層走廊以外的位置凈高最小為3米。該建筑主要功能為服務于辦公用途[3]。

2.3 示范建筑設計理念

該示范建筑的主要目的是為了給從事太陽能與建筑工程設計一體化的相關研究人員以參考借鑒價值，同時也為太陽能與建筑相結合提供示范作用。該棟建筑主要是以提高收集與轉換太陽能效率為出發點，力求通過合理利用太陽能減少建筑內部所需能源的消耗為設計初衷。對建筑整體的運行操作、控制與系統模式進行合理的優化與改進，以提供真實可靠的太陽能建筑關于節約性能消耗的評估標準[4]。

2.4 示范建筑創新點

該示范建筑通過將太陽能技術與建筑相結合，通過建筑有效搭建太陽能系統，主要含有以下幾點創新：

（1）有機集成了多種與太陽能相關的技術，包括太陽能光熱技術，太陽能光伏技術，太陽能采暖技術等，通過與建筑的有效結合，達成降低建筑所需消耗能源的效果，通過太陽能技術的應用實現對建筑整體進行供暖、制冷、供電、生活熱水等建筑日常所需消耗能源需求。

（2）以太陽能技術為主，并有機結合被動的空氣供暖技術以解決冬季日常建筑南北朝向的房間溫差過大導致的居住舒適性差的問題；太陽能技術的引進有效解決了傳統集熱器容易造成的夏季過熱、冬季過冷的問題，集熱器內的太陽能全年利用率得到有效提升[5]。

（3）太陽能綜合能源利用與建筑有效結合，在通過太陽能進行光伏發電的同時還能收集熱能，通過熱能制造生活用水并對建筑內部房間進行供暖，同時熱能收集也對太陽能電池起到冷卻作用，提升光伏電池發電效率[6]。

（4）提高經濟效益，太陽能新技術的成本運用較低，而在建筑上能得到集成高效的回報，并且通過建筑示范，還能為今后太陽能綜合能源利用建筑提供參考與借鑒的價值[7]。

3 太陽能建筑運行策略

在太陽能綜合能源利用工程當中，多種太陽能技術之間及時相互獨立又有相互聯系，通過系統與系統間的協作配合，以滿足太陽能建筑內部日常的制冷、供暖、生活熱水以及用電需求，具體運行策略分為夏季與冬季兩種。

3.1 夏季運行策略

關于太陽能綜合能源運用示范房在夏季對于太陽能技術的主要運用策略如圖1所示。通過真空管集熱器可以配合驅動吸收制冷機的運行，將其所提供的高于90℃的熱水通過吸收制冷機降溫為15℃左右的低溫水，并通過諸如輻射吊頂以及循環除濕柜等輻射末端設備輸送冷凍水到各個房間處達到梯級制冷的效果。新風溶液除濕機可以提供新風，而主動、被動式雙向集熱器以及PVT相配合提供60℃左右的生活用水，而冷凍水則由吸收式制冷機進行供應[8]。

圖1 夏季運行策略

3.2 冬季運行策略

關于太陽能綜合能源運用示范房在冬季對于太陽能技術的主要運用策略如圖2所示。建筑的供暖模塊主要以太陽能技術為主，而被動取暖模塊負責承擔整體的建筑供暖。如果建筑供暖溫度達不到舒適度標準，還可以通過房間內已有的毛細管輻射收集真空管集熱器中的熱水對房間進行供暖[9]。

圖2 冬季運行策略

3.3 過渡季運行策略

在諸如春季與秋季這類過渡季節時，通過太陽能的收集與轉換為建筑整體提供電力。同時，通過太陽能供熱作用可以保證太陽能能全年為建筑提供生活熱水，有效提高了太陽能技術的利用率[10]。

結語

太陽能綜合能源利用工程是一項持續時間長，對可持續發展有著深遠意義的工程項目，目前項目隨著太陽能技術的深入正在逐漸完善，隨著社會發展，太陽能技術綜合能源利用工程的推廣勢在必行，也為將來可持續發展社會提供更多的保障。