李小軍 楊 芳 張明禮

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1 太陽能利用技術(shù)

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(yuǎn)古時代人們就已經(jīng)會簡單的利用太陽能進(jìn)行基礎(chǔ)的生產(chǎn)活動。而現(xiàn)代科技的發(fā)展使得人們可以通過某些系統(tǒng)或者設(shè)備將太陽能的輻射能進(jìn)行直接的收集、轉(zhuǎn)化或者儲存。因此，如何更好地發(fā)揮太陽能應(yīng)有的價值，是需要不斷探索革新的。

1.1 太陽能光熱應(yīng)用

目前，對于太陽能最廣泛且最普遍的應(yīng)用是光熱應(yīng)用，光熱應(yīng)用根據(jù)熱能的溫度范圍可以分為200℃的低溫應(yīng)用，200到800℃的中溫應(yīng)用以及大于800℃的高溫應(yīng)用。太陽能的低溫應(yīng)用主要用于太陽能熱水器、海水淡化、太陽能房屋等。中溫應(yīng)用主要運(yùn)用于太陽灶、太陽能發(fā)電、工業(yè)預(yù)熱等。高溫應(yīng)用則可以運(yùn)用到太陽能熱化學(xué)、高溫太陽爐當(dāng)中。目前太陽能的光熱不僅僅局限于人類的日常運(yùn)用，還延伸到工業(yè)、農(nóng)業(yè)等其他各個領(lǐng)域當(dāng)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(tǒng)將所手機(jī)的熱量應(yīng)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(qū)別的主要依據(jù)是采暖系統(tǒng)是否需要外部驅(qū)動力。

主動式太陽能采暖一般是采用水泵或者是過風(fēng)機(jī)進(jìn)行動力驅(qū)動，通過驅(qū)動傳熱介質(zhì)將所收集的太陽能熱量傳輸?shù)叫枰┡奈恢?。但由于太陽能受到時間限制，輻射不穩(wěn)定，夜晚時候甚至無太陽能輻射，一般在采暖系統(tǒng)中都會備有輔助的能源系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，且對系統(tǒng)的維護(hù)較為方便，主要通過對建筑物的布局進(jìn)行相對應(yīng)的改造，讓建筑物內(nèi)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(jìn)行吸收存儲。

2 太陽能建筑

太陽能建筑是目前建筑行業(yè)的著重發(fā)展趨勢，是太陽能綜合能源利用的產(chǎn)物，也是本文所需要重點描述的內(nèi)容。

2.1 太陽能建筑概況

本文主要以中國科技大學(xué)所研究設(shè)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(jié)構(gòu)為雙層的輕型木質(zhì)結(jié)構(gòu)。其建筑的主要目的是希望能給從事太陽能能源技術(shù)相關(guān)工程與太陽能技術(shù)和建筑工程相結(jié)合的研究學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(wù)于辦公用途[3]。

2.3 示范建筑設(shè)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(shè)計一體化的相關(guān)研究人員以參考借鑒價值，同時也為太陽能與建筑相結(jié)合提供示范作用。該棟建筑主要是以提高收集與轉(zhuǎn)換太陽能效率為出發(fā)點，力求通過合理利用太陽能減少建筑內(nèi)部所需能源的消耗為設(shè)計初衷。對建筑整體的運(yùn)行操作、控制與系統(tǒng)模式進(jìn)行合理的優(yōu)化與改進(jìn)，以提供真實可靠的太陽能建筑關(guān)于節(jié)約性能消耗的評估標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2.4 示范建筑創(chuàng)新點

該示范建筑通過將太陽能技術(shù)與建筑相結(jié)合，通過建筑有效搭建太陽能系統(tǒng)，主要含有以下幾點創(chuàng)新：

（1）有機(jī)集成了多種與太陽能相關(guān)的技術(shù)，包括太陽能光熱技術(shù)，太陽能光伏技術(shù)，太陽能采暖技術(shù)等，通過與建筑的有效結(jié)合，達(dá)成降低建筑所需消耗能源的效果，通過太陽能技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)對建筑整體進(jìn)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(shù)為主，并有機(jī)結(jié)合被動的空氣供暖技術(shù)以解決冬季日常建筑南北朝向的房間溫差過大導(dǎo)致的居住舒適性差的問題；太陽能技術(shù)的引進(jìn)有效解決了傳統(tǒng)集熱器容易造成的夏季過熱、冬季過冷的問題，集熱器內(nèi)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(jié)合，在通過太陽能進(jìn)行光伏發(fā)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(nèi)部房間進(jìn)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(fā)電效率[6]。

（4）提高經(jīng)濟(jì)效益，太陽能新技術(shù)的成本運(yùn)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(yùn)行策略

在太陽能綜合能源利用工程當(dāng)中，多種太陽能技術(shù)之間及時相互獨(dú)立又有相互聯(lián)系，通過系統(tǒng)與系統(tǒng)間的協(xié)作配合，以滿足太陽能建筑內(nèi)部日常的制冷、供暖、生活熱水以及用電需求，具體運(yùn)行策略分為夏季與冬季兩種。

3.1 夏季運(yùn)行策略

關(guān)于太陽能綜合能源運(yùn)用示范房在夏季對于太陽能技術(shù)的主要運(yùn)用策略如圖1所示。通過真空管集熱器可以配合驅(qū)動吸收制冷機(jī)的運(yùn)行，將其所提供的高于90℃的熱水通過吸收制冷機(jī)降溫為15℃左右的低溫水，并通過諸如輻射吊頂以及循環(huán)除濕柜等輻射末端設(shè)備輸送冷凍水到各個房間處達(dá)到梯級制冷的效果。新風(fēng)溶液除濕機(jī)可以提供新風(fēng)，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(jī)進(jìn)行供應(yīng)[8]。

圖1 夏季運(yùn)行策略

3.2 冬季運(yùn)行策略

關(guān)于太陽能綜合能源運(yùn)用示范房在冬季對于太陽能技術(shù)的主要運(yùn)用策略如圖2所示。建筑的供暖模塊主要以太陽能技術(shù)為主，而被動取暖模塊負(fù)責(zé)承擔(dān)整體的建筑供暖。如果建筑供暖溫度達(dá)不到舒適度標(biāo)準(zhǔn)，還可以通過房間內(nèi)已有的毛細(xì)管輻射收集真空管集熱器中的熱水對房間進(jìn)行供暖[9]。

圖2 冬季運(yùn)行策略

3.3 過渡季運(yùn)行策略

在諸如春季與秋季這類過渡季節(jié)時，通過太陽能的收集與轉(zhuǎn)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(shù)的利用率[10]。

結(jié)語

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