民用建筑太陽能熱利用現(xiàn)狀分析

顧黎昊

摘 ?要：面對傳統(tǒng)能源儲量緊張、建筑能耗持續(xù)走高的趨勢，要注重太陽能資源在民用建筑中的熱利用研究，充分利用儲量豐富、清潔經(jīng)濟(jì)、獲取便利的太陽能資源，探討民用建筑太陽能熱利用的實現(xiàn)對策，促進(jìn)太陽能熱水系統(tǒng)與民用建筑一體化的整合。面對能源供應(yīng)緊缺和環(huán)境的日益惡化趨勢，可再生能源開發(fā)和利用日益為人們所重視，該文重點探討太陽能熱利用技術(shù)在民用建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀，研究太陽能熱利用在民用建筑中的實現(xiàn)途徑和方式，促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：民用建筑 ?太陽能 ?熱利用

中圖分類號：TK511 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（c）-0061-02

1 ?民用建筑太陽能熱利用現(xiàn)狀分析

1.1 外部環(huán)境

（1）政策環(huán)境。節(jié)能減排成為全球關(guān)注焦點和研究課題，我國出臺了可再生能源發(fā)展規(guī)劃，確定了降低碳排放的目標(biāo)，并開展了太陽能強(qiáng)制安裝的措施。

（2）經(jīng)濟(jì)環(huán)境。我國國力的增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了民用建筑太陽能熱利用的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，面對日趨嚴(yán)峻的能源問題，太陽能產(chǎn)業(yè)為民用建筑提供了可持續(xù)的新能源，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展亮點。

（3）環(huán)境保護(hù)。面對化石能源消耗量日趨增多的態(tài)勢，人們逐漸關(guān)注環(huán)境保護(hù)，增強(qiáng)了節(jié)能意識和觀念，為民用建筑太陽能熱利用奠定了文化意識基礎(chǔ)。

1.2 內(nèi)部環(huán)境

民用建筑太陽能熱利用通過被動和主動兩種方式加以實現(xiàn)，其中，被動式太陽能熱利用是通過合理的規(guī)劃和平面布置，改變民用建筑窗、墻、屋頂?shù)炔课粯?gòu)造，利用建筑材料自身的熱工性能進(jìn)行自然熱交換，實現(xiàn)采暖或降溫。主動式太陽能熱利用則是利用太陽能熱水系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等技術(shù)，有效地提高集熱和利用效率。太陽能熱水系統(tǒng)大多采用分體式結(jié)構(gòu);太陽能供暖系統(tǒng)則是通過與供暖循環(huán)連接的方式實現(xiàn)循環(huán)換熱;太陽能空調(diào)系統(tǒng)主要是指太陽能吸收式制冷系統(tǒng)、吸附式制冷、除濕式制冷等系統(tǒng);太陽能熱泵則是通過太陽集熱器和熱泵蒸發(fā)器相結(jié)合的方式，利用低溫?zé)嵩磳崿F(xiàn)節(jié)電;太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要是通過聚光型集熱器聚焦太陽能熱，生成高溫蒸汽并進(jìn)行發(fā)電。

2 ?民用建筑太陽能熱利用系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1 太陽能集熱器

要選取適宜的太陽能集熱器，吸收太陽輻射能，并向工質(zhì)傳遞熱量，主要采用平板集熱器、真空管集熱器等，它們各有其適用特點，并通常取當(dāng)?shù)鼐暥取?0°的安裝傾角，以確保太陽熱能量的充分獲取和吸收。

（1）平板型集熱器。由平板集熱裝置和儲熱水箱構(gòu)成，采用自然循環(huán)方式接收并轉(zhuǎn)換太陽熱能，將其傳送到工質(zhì)的非聚光型部件，適宜于我國南方地區(qū)。

（2）真空管型太陽能集熱器。將透明玻璃管的管壁和吸熱體之間抽成真空，使之類似于拉長的熱水瓶膽，體現(xiàn)出良好的保溫性能和較高的熱效率。通常采用高效A1-N/A1吸熱涂層真空管集熱器，其工作原理為：熱管內(nèi)的吸收涂層吸收太陽光輻射熱能，并傳遞給熱管內(nèi)的超導(dǎo)工質(zhì)，隨之汽化升至熱管頂端的冷凝端，散熱后進(jìn)入熱管底部，由冷凝端與集熱器內(nèi)的聯(lián)箱連接換熱，實現(xiàn)對循環(huán)工質(zhì)的再次加熱。例如：U型管集熱器即為間接式太陽能系統(tǒng)，通過真空集熱管集熱進(jìn)行熱量傳遞，U型銅棒吸收熱量并經(jīng)由循環(huán)泵，將熱量傳送至水箱內(nèi)的浮動式盤管換熱器，實現(xiàn)循環(huán)工質(zhì)的再次加熱。

2.2 太陽能生活熱水系統(tǒng)

集中式太陽能生活熱水系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)件包括有全玻璃真空管式太陽能集熱器、生活熱水儲熱水箱、管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)，主要通過生活熱水儲熱水箱儲存生活熱水，相關(guān)管路系統(tǒng)的主要功能為：給水管路實現(xiàn)建筑給水干管與太陽能系統(tǒng)之間的連接;太陽能系統(tǒng)循環(huán)管路實現(xiàn)集熱器和儲水箱的連接;供水管路實現(xiàn)太陽能儲熱水箱和建筑生活熱水系統(tǒng)的連接。

輔助能源系統(tǒng)則是在沒有太陽輻射的條件下的輔助性能源系統(tǒng)，通常采用電加熱器、電鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐等，并與市政熱力、區(qū)域鍋爐、鍋爐蒸汽等能源相結(jié)合，實現(xiàn)輔助換熱，并日趨智能化、自動化控制特點。

太陽能控制系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)、PLC工控機(jī)控制的方式，進(jìn)行手動/自動補(bǔ)水、手動/自動輔助能源加熱、溫差循環(huán)、定溫出水、管路循環(huán)、防凍循環(huán)和故障報警等功能。

太陽能生活熱水系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)和直流式復(fù)合系統(tǒng)的直接加熱方式，進(jìn)行生活用水的加熱，其工作原理為：由集熱器收集太陽能熱量，由循環(huán)泵傳送水箱中較冷的水至集熱器，并將集熱器中較熱的水傳送回貯熱水箱，使之達(dá)到預(yù)設(shè)的加熱溫度，保證貯熱水箱中的水持續(xù)升溫。

2.3 太陽能采暖系統(tǒng)

集中式太陽能采暖系統(tǒng)包括全玻璃真空管式太陽能集熱器、采暖熱水儲熱水箱、管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助能源系統(tǒng)等構(gòu)件，由采暖儲熱水箱儲存采暖所用的工質(zhì)熱水。

3 ?民用建筑與太陽能熱水系統(tǒng)的整合設(shè)計分析

（1）建筑形體與太陽能熱水系統(tǒng)的整合設(shè)計。由于太陽輻射具有一定的入射角，為此要結(jié)合當(dāng)?shù)鼐暥冗M(jìn)行屋面或墻體的適當(dāng)角度傾斜，使集熱器與屋面、墻面構(gòu)配件相整合，滿足建筑形體對太陽能熱的采集需求。也可以采用建筑局部傾斜的方式，滿足集熱的需求。

（2）太陽能系統(tǒng)成為建筑構(gòu)件的整合設(shè)計。為了實現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)與民用建筑的一體化，可以采用太陽能熱水系統(tǒng)的建筑構(gòu)件化方式進(jìn)行設(shè)計，如墻體、屋面板、窗體遮陽構(gòu)件等，利用集熱器的圍護(hù)、保溫、隔熱、防水特性，替代傳統(tǒng)的建筑構(gòu)件而實現(xiàn)節(jié)能效果。具體實現(xiàn)方式有：①集熱器與建筑屋面的整合。可以將太陽能集熱器設(shè)置于屋面上，確定集熱器的數(shù)量和所占面積，使集熱器預(yù)埋件與建筑結(jié)構(gòu)層相連，并進(jìn)行密封處理和防水構(gòu)造處理。還可以將太陽能集熱器與屋面構(gòu)架相結(jié)合，使太陽能集熱器用構(gòu)架整體架空于屋面上。還有一種最佳的結(jié)合方式，即將太陽能集熱器設(shè)置于坡屋面上，合理確定集熱器的位置和立面比例，通常將太陽能集熱器架設(shè)置于向陽的坡屋面，安裝方式采用順坡架空或順坡鑲嵌的方式。②太陽能集熱器作為墻身構(gòu)配件。可以將太陽能集熱器設(shè)置于墻面上，合理確定集熱器的位置、比例，使之與墻面上的預(yù)埋件牢固連接，并通常將貯水箱設(shè)置于室內(nèi)，采用預(yù)埋套管和集熱器相連的方式進(jìn)行設(shè)置。③太陽能集熱器作為幕墻。可以采用集熱器保溫層提升玻璃幕墻不透明部分的物理性能，體現(xiàn)其圍護(hù)保溫、集熱的功能。例如，將光伏板作為不透明部分與玻璃幕墻相拼接，成為統(tǒng)一規(guī)則整的幕墻立面。④太陽能集熱器作為窗玻。采用兩面隔熱玻璃和內(nèi)置的太陽能集熱管，將其固定于窗框和幕墻框架上，體現(xiàn)其集熱、圍護(hù)保溫、隔熱、隔聲、遮陽等特性。⑤太陽能集熱器作為其他建筑構(gòu)件。可以將太陽能集熱器作為陽臺構(gòu)件進(jìn)行整合設(shè)計，充分考慮集熱器與支架的荷載，確保太陽能集熱器與陽臺結(jié)構(gòu)的牢固連接。可以將集熱器作為空調(diào)格柵、遮陽、雨篷構(gòu)件進(jìn)行整合設(shè)計，既滿足民用建筑采集太陽能熱的需求，并保持建筑造型獨體的新穎性和節(jié)能性。

4 ?結(jié)語

綜上所述，要大力發(fā)展太陽能與民用建筑的一體化設(shè)計，將太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能采暖系統(tǒng)應(yīng)用于民用建筑領(lǐng)域，通過坡屋面安裝、平鋪式安裝等方式，較好地體現(xiàn)圍護(hù)保溫、隔熱隔聲等節(jié)能特性，有效緩解常規(guī)能源日趨緊張的狀況。未來還要加強(qiáng)對太陽能熱水器受外力荷載而出現(xiàn)的墻體疲勞損壞影響研究，深入探討多層中空玻璃與熱管夾配的電輔助加熱窗式太陽能熱水器的設(shè)計和應(yīng)用。

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