太陽能光熱技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

楊燕 烏拉特中旗住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局

1 前言

太陽能是一種可再生的清潔能源，它可以為人們提供生活所需要的各種能量，比如熱能、光能等。基于目前我國在建筑上扔使用傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電，已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境危害。因此要大力發(fā)展新技術(shù)，減少對常規(guī)化石類能源的利用，提高新型建筑材料利用率；加強(qiáng)節(jié)能減排工作，并加大政策支持力度，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，促進(jìn)綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與生活水平的提升。

在當(dāng)今能源緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重和資源短缺等一系列背景下，大力推廣利用新技術(shù)將成為未來可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略之一。目前國內(nèi)使用量最大的是太陽光熱技術(shù)，與其他傳統(tǒng)模式相比具有明顯優(yōu)勢：一是其成本較低；二是效率高；三是無廢氣排放，指標(biāo)也符合國家環(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)，對促進(jìn)節(jié)能減排有很大幫助。

2 太陽能光熱技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

我國太陽能光熱技術(shù)的研究起步較晚，與國外相比還有很大差距。但是隨著國家政策方針的調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級等因素影響下，國內(nèi)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。在中國經(jīng)濟(jì)快速增長時期可再生能源所占比重還不到20%；另一方面由于傳統(tǒng)建筑材料使用量大、消耗大量化石資源也造成了環(huán)境污染嚴(yán)重超標(biāo)，所以對新材料及新型施工技術(shù)的研究迫切需要。

隨著全球環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們已經(jīng)把注意力從如何發(fā)展可持續(xù)方面轉(zhuǎn)移到節(jié)能環(huán)保上來。太陽能作為一種環(huán)保無污染能源受到越來越多國家和科研機(jī)構(gòu)，以及專家學(xué)者們的關(guān)注與研究；在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用太陽能光熱技術(shù)也成為必然趨勢之一。隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，以及能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整與新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，人們對建筑節(jié)能提出了更高要求。一是充分利用太陽能資源；二是增加太陽能使用方式和轉(zhuǎn)換效率；三是重視太陽能的利用與開發(fā)。太陽能是一種清潔、高效且環(huán)保無污染的可再生能源之一，其開發(fā)與利用可以有效解決能源短缺問題，并帶來巨大經(jīng)濟(jì)收益及社會效益[1]。

3 太陽能光熱技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

某地區(qū)100m2的現(xiàn)有建筑，配備36m2集熱器的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，整體造價在3.5萬～5萬元之間。一個采暖期內(nèi)，若由太陽能集熱系統(tǒng)供給的熱量時間為100d，保證率為80%的話，則系統(tǒng)每天節(jié)電近44元，整個采暖季會節(jié)省4400元，8～10年收回投資。而太陽能供熱采暖系統(tǒng)的使用壽命在15～20年，其余7～10年的使用，則等于節(jié)約了3萬～4萬元的能源費(fèi)用。

3.2 社會效益分析

某地區(qū)100m2現(xiàn)有建筑，采用太陽能供熱采暖后，平均每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約5.94t，減少二氧化碳排放10.8t，減少二氧化硫排放72kg，減少二氧化氮排放72kg，減少空氣中的粉塵108kg，項目年環(huán)境效益2700元。目前國標(biāo)太陽能集熱器，若維護(hù)到位，實際的壽命可達(dá)至20～30年，按保守的20年計算，環(huán)境效益高至54000元。

4 太陽能光熱技術(shù)與太陽熱存儲

太陽能是清潔無污染，來源無代價的可再生能源，在面臨嚴(yán)重能源環(huán)境問題的當(dāng)今世界普遍受到重視，是一種極其重要的節(jié)能環(huán)保技術(shù)措施。太陽能技術(shù)一般包括光熱與光電應(yīng)用兩大類技術(shù)，太陽能光電技術(shù)利用太陽能電池光電效應(yīng)，直接將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，以電能形式加以應(yīng)用；而光熱技術(shù)則是以各種形式的集熱器技術(shù)，將太陽輻射收集并存儲為熱能形式加以應(yīng)用。

太陽能光熱技術(shù)直接應(yīng)用來自太陽輻射的能量形式為熱能，光熱技術(shù)直接利用熱能，這種熱能可以用來采暖加熱、制冷空調(diào)以及熱力發(fā)電等。在太陽能光熱技術(shù)的實施與工程應(yīng)用里，熱量存儲技術(shù)既是光熱利用的必經(jīng)環(huán)節(jié)，又是一種獨(dú)立存在與發(fā)展的專門技術(shù)，占有重要地位，應(yīng)用在廣泛的工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)。太陽熱存儲的節(jié)能應(yīng)用被廣泛采用與熱點(diǎn)開發(fā)，是一種高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)措施。

太陽熱存儲技術(shù)極具潛力，許多工程技術(shù)逐漸開發(fā)利用太陽熱存儲技術(shù)，作為節(jié)能環(huán)保技術(shù)措施。所謂太陽熱存儲技術(shù)，是以特定技術(shù)裝置存儲已經(jīng)轉(zhuǎn)換并收集的太陽熱，并能夠以非即收即用的形式，在太陽輻射較弱的時間或無太陽輻射的夜間，或經(jīng)較長時間，例如經(jīng)季節(jié)轉(zhuǎn)換后，能夠重新取用的能量存儲技術(shù)。熱存儲技術(shù)的存儲熱量，其使用時間相對于轉(zhuǎn)換收集時間，可以延遲保存，長期備用。太陽熱存儲技術(shù)可以克服太陽能利用的太陽輻射間歇性以及區(qū)域差異性等應(yīng)用局限，提高太陽能技術(shù)利用的可能性與應(yīng)用效率，許多工程技術(shù)的實施可以更加節(jié)能環(huán)保。太陽熱存儲技術(shù)可應(yīng)用在建筑節(jié)能與綠色建筑、熱泵、制冷空調(diào)等廣泛領(lǐng)域，極大提高了這些領(lǐng)域內(nèi)的工程設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)[2]。

5 太陽能光熱技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

太陽能光熱技術(shù)利用了太陽的能量，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并對其進(jìn)行儲存和釋放。在建筑中使用太陽能光熱系統(tǒng)主要包括直接吸收式系統(tǒng)、間接接觸型吸收法、電化學(xué)型接觸式熱源等。其中最常見的是直接溫度傳感系統(tǒng)與輻射采暖聯(lián)產(chǎn)裝置相結(jié)合形成的一種新能源技術(shù)——利用太陽能量轉(zhuǎn)換成熱量供應(yīng)給空調(diào)或者照明，實現(xiàn)了對低溫環(huán)境下室內(nèi)制冷及供熱要求。

5.1 直接利用

5.1.1 創(chuàng)造熱壓，實現(xiàn)建筑自然通風(fēng)

英國國內(nèi)稅務(wù)中心建筑就利用了可升降的圓柱形玻璃通風(fēng)塔，位于建筑的入口和樓梯之間。其針對太陽能的吸收效率較高，從而提高塔內(nèi)溫度，將煙囪效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，促進(jìn)建筑樓層之間的空氣循環(huán)，實現(xiàn)了有效的自然通風(fēng)。且在冬季可以降下玻璃通風(fēng)塔，構(gòu)建玻璃溫室，保證室內(nèi)溫度的溫暖，采暖損耗得到有效降低。

太陽能光熱技術(shù)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在建筑能耗降低上。在傳統(tǒng)采暖空調(diào)系統(tǒng)中，利用太陽輻射進(jìn)行熱量交換時，需要消耗大量能源和資源。因此，太陽能采暖空調(diào)是一種高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保且綠色無污染的新能源發(fā)電方式；其次是通過將自然吸收到陽光后產(chǎn)生熱水供用戶使用；還有就是通過制冷壓縮機(jī)調(diào)節(jié)建筑物內(nèi)溫度及風(fēng)速等參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能目的或改善環(huán)境質(zhì)量。太陽能光熱技術(shù)是利用太陽輻射熱能的方式，將光能轉(zhuǎn)化為電能，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效降低建筑室內(nèi)環(huán)境污染。

5.1.2 借助太陽能機(jī)械輔助實現(xiàn)建筑的供熱與制冷

利用相應(yīng)的機(jī)械裝置輔助，可以將屋頂?shù)奶柲芗療崞鳟?dāng)中的熱空氣導(dǎo)入地板，再通過地板氣孔將熱空氣導(dǎo)入室內(nèi)，實現(xiàn)太陽能取暖的目的，然后利用氣壓原理實現(xiàn)全屋循環(huán)，同理也可實現(xiàn)屋內(nèi)冷風(fēng)循環(huán)[3]。

目前，我國大部分城市都在使用以熱水為主要供暖系統(tǒng)。但是，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對能源需求也越來越大，傳統(tǒng)采暖形式已經(jīng)不能滿足當(dāng)今時代下節(jié)能環(huán)保要求了；太陽能熱利用技術(shù)作為一種新型可再生能源，具有巨大前景和市場空間，其應(yīng)用范圍之廣與成熟度均有較高標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.3 太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)與建筑的有機(jī)結(jié)合

現(xiàn)階段，太陽能熱水器與建筑的有機(jī)結(jié)合取得了較大進(jìn)展，利用太陽能與熱能的轉(zhuǎn)換，從而為建筑內(nèi)提供熱水，有效減少燒水的額外損耗，達(dá)到建筑節(jié)能的目的。太陽能熱水器與建筑的有機(jī)結(jié)合分為兩種模式：分離式與集成式。

將太陽能熱水器放置于建筑頂端，整體熱水供應(yīng)系統(tǒng)與建筑物的相關(guān)結(jié)構(gòu)互不干涉就是分離式。而集成式則是與建筑長期固定連接，易受到外界以及環(huán)境因素影響，經(jīng)歷過長期恒荷載以及活荷載的作用之后，其安全性存在一定隱患。基于這兩種方式的特征，建筑設(shè)計中可以根據(jù)實踐選擇，為太陽能設(shè)備預(yù)留相應(yīng)的支撐平臺，有效保障安全問題[4]。

5.1.4 利用太陽能進(jìn)行建筑蓄熱

將建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)利用蓄熱材料進(jìn)行搭建，可以延續(xù)日照對室溫的影響，保持室內(nèi)更均勻穩(wěn)定的溫度。保障白天溫度不會過高，夜晚也不會過于寒冷。蓄熱材料也被廣泛用于生態(tài)建筑當(dāng)中，具備完好的溫度保障作用。太陽房也是基于此開展建設(shè)和運(yùn)用的，采用集熱儲熱墻間接加熱，采用風(fēng)機(jī)送風(fēng)，取代傳統(tǒng)的自然對流，輔助以吸熱板，促進(jìn)熱量吸收效率和轉(zhuǎn)化效率。在溫度達(dá)到一定時，可以打開通風(fēng)口進(jìn)行降溫或者換氣，從而保障溫度恒定。

5.2 間接利用

5.2.1 太陽能吸收空調(diào)在建筑中的應(yīng)用

利用太陽能集熱器的熱水作為相應(yīng)熱源，驅(qū)動吸收式制冷劑的空調(diào)技術(shù)稱為太陽能吸收空調(diào)，主要系統(tǒng)構(gòu)成為氨水吸收式制冷系統(tǒng)和水溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)。現(xiàn)如今，對于太陽能空調(diào)的研究在大多數(shù)國家和地區(qū)都在進(jìn)行，例如美、日、法等國家。廣東江門市建成并使用了我國第一座大型實用型太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)，其可以完善供給整座大樓的熱水需求以及空調(diào)需求，其對于電能的節(jié)省滿4年便可達(dá)到整座太陽能空調(diào)的投入。

太陽能光熱技術(shù)的出現(xiàn)，對我國能源行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，是人類科技進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必須經(jīng)歷的過程。隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高以及人們生活質(zhì)量逐漸改善等因素，促使建筑能耗越來越高。在建筑設(shè)計中使用新型材料、先進(jìn)工藝降低建筑物建設(shè)成本，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一；其次就是對節(jié)能新技術(shù)進(jìn)行大量研發(fā)應(yīng)用，也使得太陽能光熱應(yīng)用于實際工程中變得愈加重要，其可以有效解決能源危機(jī)問題和環(huán)境問題，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[5]。

5.2.2 太陽能吸附式制冷和熱泵方式應(yīng)用于建筑

即便現(xiàn)階段液體吸收式制冷技術(shù)相對成熟，但是固體吸附式具備抗腐蝕特性，并且可以依靠太陽能實現(xiàn)間歇式循環(huán)制冷，其相應(yīng)設(shè)備造價成本也較液體吸收式系統(tǒng)裝置低。基于制冷機(jī)制來看，兩者大致相同。其區(qū)別在于吸收劑的使用，一個是液體，一個是固體。國內(nèi)研制了一款板翅吸附器的吸附式空調(diào)/熱泵，其制冷功率為150W，技術(shù)手段處于國際領(lǐng)先。

在日常生活中會用到各種熱水器、空調(diào)等家用電器，這些產(chǎn)品產(chǎn)生熱量通過集熱器吸收后釋放出來；而將能量轉(zhuǎn)換成氣體或蒸汽則需要借助外部設(shè)備來實現(xiàn)，如水塔及汽輪機(jī)系統(tǒng)、供暖通風(fēng)機(jī)等；而從另一個角度講其又屬于太陽能光熱發(fā)電類新能源，它是利用太陽輻射能進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)形式。太陽能吸附式制冷和熱泵方式也高效應(yīng)用于建筑，滿足人們的日常生活。

5.2.3 太陽能光伏電池空調(diào)制冷方式應(yīng)用于建筑中

伴隨著近年來太陽能光伏電池空調(diào)制冷技術(shù)的發(fā)展與革新，其應(yīng)用也愈加廣泛。其技術(shù)原理就是基于太陽能轉(zhuǎn)換為電能，然后實現(xiàn)制冷，是太陽能的清潔制冷空調(diào)應(yīng)用方式。但是，其缺陷也相對明顯，其效率低且造價高，應(yīng)用范圍有限。

6 太陽能光熱技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用思考

太陽能光熱技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于發(fā)展階段，其主要原因是：首先，目前國內(nèi)對太陽能利用方面的法律法規(guī)尚不完善；其次，國家出臺了大量相關(guān)政策來鼓勵開發(fā)、引導(dǎo)并規(guī)范市場；最后，因為政府在節(jié)能減排等領(lǐng)域有一定投入與約束力，且投資成本較低，所以我國大部分地區(qū)都采用的是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能或者熱能進(jìn)行發(fā)電的方式，滿足日益增長的需求。但是由于技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致太陽能光熱系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用時存在著許多問題[6]。

太陽能光熱技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，它將是未來發(fā)展建筑節(jié)能必不可少的一部分，在能源利用上有著巨大潛力。主要原因在于：太陽能是可再生能源。目前我國人口數(shù)量已經(jīng)達(dá)到世界第一，而大量使用化石燃料會產(chǎn)生二氧化碳、溫室效應(yīng)等一系列問題；且隨著人們生活水平提高和對健康環(huán)境要求越來越高，使得太陽能作為一種清潔型資源逐漸被社會認(rèn)可與接受，這為太陽能光熱技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的前景。

太陽能光熱技術(shù)是利用太陽熱能轉(zhuǎn)換其他能量形式實現(xiàn)能量運(yùn)用，具有節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于建筑能耗中。從節(jié)能角度來看，其優(yōu)點(diǎn)在于可以為建筑減少能耗，但是它也有缺點(diǎn)：首先，太陽輻射量受季節(jié)變化影響較大；其次，由于技術(shù)欠缺導(dǎo)致了太陽能利用率不高，且不能夠滿足人們對舒適度要求，節(jié)約能源方面存在一定限制作用的因素。

7 結(jié)束語

太陽能是一種清潔能源，在減少大氣污染、提高人們生活水平方面具有巨大潛力。本文通過對國內(nèi)外已有技術(shù)進(jìn)行分析，探討其在建筑節(jié)能施工中存在問題及其解決方案。主要結(jié)論如下：目前我國建筑能耗已經(jīng)超過國外平均水平60%以上，所以要提高太陽能利用率必須從源頭抓起；應(yīng)采取相應(yīng)措施減少高能耗的項目規(guī)模和結(jié)構(gòu)比例、加強(qiáng)對現(xiàn)有節(jié)能設(shè)備改造與更新以及建立完善系統(tǒng)、有效地降低能源損耗等方面著手；通過技術(shù)改進(jìn)，使其建筑設(shè)計符合低碳經(jīng)濟(jì)要求。