民用建筑太陽能熱利用現狀分析與探討

劉 艦

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

隨著我國經濟建設的快速發展，全國建筑能耗的需求量不斷增加，常規不可再生能源利用情況日趨緊張，大力推廣使用替代可再生新能源就顯得十分重要了。而太陽能恰恰是自然界中永存的一種最廉價的清潔可再生基本能源，它取之不盡,用之不竭，所以目前在民用建筑領域中研究探討如何更好的利用太陽能資源在熱水供應、供暖以及空調等幾個方面應用，以減少常規能源的使用是一項意義深遠利國利民的工作。在民用建筑中如住宅、學校、單體別墅、賓館等冬季供暖、夏季空調以及日常生活熱水供應等系統占建筑總能耗的比重通常比較大，如何有效合理開發利用太陽能資源以充分發揮其環保、低碳節能等優點，對建筑專業設計師來說就顯得尤為重要了。所以太陽能熱利用技術越來越受到人們廣泛關注與重視，有望成為當前主要替代新能源。

1 民用建筑能耗分析

民用建筑總能耗是指為維持某建筑內溫度、濕度恒定所需要消耗的能量，它包括冷負荷和熱負荷兩部分。影響民用建筑能耗的主要因素有：建筑總體規劃、采暖空調系統、建筑體型系數、建筑平面布置、建筑圍護結構構造、太陽能輻射強度等。本文主要探討如何合理運用太陽能資源從而達到降低民用建筑能耗的目標。通過外墻、外窗、頂棚、地面等外圍護結構而形成冷、熱負荷包括室內外溫差傳遞的熱量和透過的太陽能輻射熱，透過的太陽能輻射得熱量對冷、熱負荷來說，對建筑圍護結構的要求正好相反：例如冬季天氣晴朗日照充足時，則希望設計出能夠較多得到太陽輻射能量的建筑外形，特別是需要有較大南外窗的建筑；相反冬季陰天、多云日照減少時，則應盡量減少建筑室內通過圍護結構向室外的熱量傳遞損失，所以此時外窗面積相對外圍護結構越小越合理。從下面例子還可以明顯看出同樣一個民用建筑在不同的季節里可能出現完全相反的節能效果：在夏天如果能減少南面的窗、墻比，可以減少夏季冷負荷，從而可以節省制冷空調費用，但是從冬天需要更多的獲得太陽輻射熱量的角度來看就顯得不合理了，南面的窗、墻比相對來說是越大越好。又如在我國北方建筑中為了降低建筑能耗通常加強外窗、外門等圍護結構的嚴密性和保溫性，有可能出現由于封閉陽臺帶來的溫室效應，會造成南向房間過熱和各不同朝向房間之間室內溫差過大而形成的的熱力失調問題。所以在民用建筑設計時應綜合而全面的考慮太陽能熱利用問題。

2 太陽能熱水供應系統

太陽能熱水供應是目前國內外民用建筑對太陽能熱利用中,應用最為廣泛、最為實用，并且技術相對比較成熟的一種系統形式。在太陽能供熱水中最常見的一種裝置形式是太陽能熱水器，經過多年來不斷地研究試驗和創新，已使科技成果逐漸轉化為相對成熟產品且其生產模式已趨于產業化。其系統主要由集熱裝置、蓄熱水箱、熱水循環管路以及一些其他輔助動力裝置(如循環水泵)、自動控制部件(如溫差控制器)等構成。現階段我國民用建筑住宅、別墅、賓館中為了節約煤炭、電力等常規能源，減少日常運行費用開支，常安裝太陽能全玻璃真空管集熱器裝置與普通生活熱水供應系統相互配合使用，它是利用傳統平板型熱水器集熱原理而研發出來的一種全新太陽能集熱裝置。對于全年有熱水供應的住宅或賓館等民用建筑而言，太陽能集熱器通常朝南傾斜放置于屋頂之上，對于我國北方地區大致每100 m2住宅需要13 m2～20 m2的太陽能真空管集熱器，這就需要建筑師在建筑設計初步階段應充分考慮建筑的平面位置、高度以及屋頂構造形式等，以保障太陽能集熱器的合理安裝面積以及良好使用效果。

3 主動式太陽能供暖系統

主動式太陽能供暖系統主要由太陽能集熱裝置(如真空管集熱器)、蓄熱設備(如貯熱水箱)、供暖管路、末端裝置(如散熱器、風機盤管、輻射板)和輔助補充熱源等構成。此系統最重要核心部件是太陽能集熱器，它此時相當于常規供暖方式的熱源部分，其主要功能是盡可能地高效吸收并利用太陽日照輻射熱量，通過蓄熱設備貯存的熱量來對供暖管路系統中的媒介水進行加熱，供暖管路中的熱水經過循環水泵的往復運轉，將大量熱量傳遞到用戶末端散熱裝置，最終將熱量釋放給房間，已達到冬季房間供暖要求。

我們知道因為太陽能本身的缺點之一是不夠穩定(如雨雪、陰天等連續壞天氣)，再加上具有間斷性和分散性(如夜晚等)，可以說有時需要靠天吃飯，所以它作為供暖系統熱源勢必具有一定的局限性，為了保證某些民用建筑如住宅、別墅等冬季供暖的連續性，必須增設輔助補充熱源設備(如燃煤、燃油、燃氣鍋爐、電加熱器或熱力換熱器等)。當熱用戶的建筑耗熱量小于太陽能集熱裝置產熱量時，此時可以將多余的熱量貯存在蓄熱設備中，作為預留熱量留作后用，從而提高建筑能源的使用能效比；相反當熱用戶的建筑耗熱量大于太陽能集熱裝置產熱量時，此時需要啟動輔助補充熱源，兩套系統裝置通過合理的設計可以自動進行轉換。對于輔助熱源的選擇首先要滿足民用建筑中有關暖通空調設計規范和某些地方標準進行，其次再根據太陽能供暖工程具體實際情況進行綜合經濟性對比之后選取。例如本地區電費收取較低且電力供應連續充沛，用電作為輔助熱源最為經濟方便合理。

4 被動式太陽能供暖建筑

被動式太陽能供暖建筑，又稱為太陽房。它是建筑師根據太陽輻射基本原理，在進行建筑設計時往往巧妙地利用建筑物的周邊地形環境、建筑物朝向，通過對建筑物室內、外立體空間的合理布置，以及綜合考慮所選取的建筑材料性能、圍護結構熱工系數等多方面因素，使建筑物在寒冷季節可以大量吸收、貯存和輸配太陽日照輻射量，并通過技術手段使室內溫度在一定合理范圍內波動，達到冬季采暖目的。被動式太陽能供暖建筑不需要專門的太陽能集熱裝置，其集熱部件作為圍護結構的一部分與房屋建筑構造巧妙融合為一體，不需要常規供暖所需的熱水循環管路等配套系統，這是其與主動式太陽能供暖主要不同之處。南向外玻璃窗是直接受益式太陽房中最重要的組成部分，在做太陽能建筑設計時經常考慮的是南向外玻璃窗與其對應外墻的合理窗墻比，以期達到綜合節能效果。被動式太陽能供暖較適合應用在對采暖要求不高或間歇供暖的北方民用建筑中的農村住宅、鄉村小學等，它屬于自給式供暖方式所以不夠穩定，故應用范圍具有一定局限性，不適宜全面展開推廣應用。

5 太陽能供冷空調系統

民用建筑太陽能熱利用不但可以平時供生活用熱水、北方地區冬季供暖，還可以在夏季向建筑物供冷，其制冷空調主要采用太陽能溴化鋰吸收式制冷機組。通過太陽能集熱器獲得的輻射得熱量作為該系統制冷機組的主要動力部分，并將其產生熱量不斷貯存在蓄熱水箱中作為該吸收式制冷機組發生器的熱源，而制冷機蒸發器吸收熱量后產生的冷凍水貯存在蓄冷水箱之中，通過冷凍水循環水泵以及冷凍水管網系統不斷向建筑用戶末端裝置(如風機盤管、空氣處理機組或吊頂式輻射板等)進行供冷。根據熱平衡原理機組中吸收器與冷凝器一定同時向外界環境釋放出大量熱量，此系統形式一般為節省建筑空間通常在建筑物屋頂設置水冷式冷卻塔裝置，通過冷卻水循環管路系統將熱量最終釋放給大氣環境。當然由于太陽能熱利用有時不夠連續穩定，該系統必須同時增設燃氣鍋爐等輔助能源設備，根據機組實際運行情況，向水環路系統中補充熱量。該系統也可以用于北方民用建筑冬季用空調供暖，此時可將蓄熱水箱中貯存的熱水連到空調水系統管路即可。可以看出太陽能溴化鋰吸收式制冷機組比傳統用電驅動的蒸氣壓縮式制冷機節約常規能源。

6 太陽能熱利用技術在民用建筑領域綜合應用

國內外民用建筑領域中太陽能熱利用技術的應用已經比較成熟，特別是近幾年來隨著我國大力提倡綠色低碳節能環保政策后，不可再生能源尤其是太陽能應用技術發展很快，如何實現民用建筑設計與太陽能熱利用一體化就顯得日益重要。太陽能在建筑中的綜合應用，不僅體現在太陽能供冷空調、采暖、供熱水等建筑使用能耗上，還可以結合太陽能發電等，這就使得人們對太陽能技術更加關注與重視。如上所述，無論是太陽能供冷空調系統還是主動式太陽能供暖系統中都包含太陽能集熱裝置和輔助補充能源兩個系統。從近幾年來太陽能實際工程的運行效果看，在我國太陽能資源豐富的某些北方地區供暖期較短，平均為3，4個月左右，而炎熱夏季時間也不是很長，僅僅利用設置在建筑屋頂面積較大的太陽能集熱裝置在冬季供暖、夏季制冷空調，系統初投資較大而設備利用率較低，運行成本較高。但是如果能在非典型夏季或冬季也就是春秋等過渡季節向民用建筑用戶供生活熱水，即采用太陽能主動式供暖與熱水供應系統或太陽能供冷空調與熱水供應系統相結合運行方式，就可以大大提高太陽能集熱設備的使用率，節省設備全年綜合運行費用，從而發揮較大的節能、環保優勢。同時建筑師在設計屋頂等建筑外部構造時應注意與太陽能集熱器的合理布置擺放相結合，做到不但建筑造型美觀而且經濟實用以減少建筑能耗，符合節約能源、低碳環保時代要求，這些都是今后我國在民用建筑領域太陽能熱利用技術的發展方向和前途所在。