主動式太陽能建築

主動式太陽能建築是指是運用光熱、光電等可控技術利用太陽能資源實現收集、蓄存和使用太陽能,進而以太陽能為主要能源的節能建築。其中人們最熟悉、運用更廣泛的是家用太陽能熱水器。主要包括太陽能采熱和光伏發電在建築中的套用。主動式太能建築的新型技術措施主要包括熱管集熱器、相變材料蓄熱、輔助熱源、自動控制系統以及太陽能熱泵採暖系統。還介紹了主動太陽能建築在西北地區的套用前景，西北地區,太陽能資源非常豐富。通過精心的設計並採用一些新型技術措施,主動式太陽能建築可以使室內保持穩定、舒適的溫度,其在全國推廣套用前景非常樂觀。

基本介紹

• 中文名：主動式太陽能建築
• 外文名：Active solar building
• 利用形式：光熱、光電利用
• 類型：節能建築
• 領域：能源、建築
• 學科：熱力學

簡介

太陽能建築就是利用太陽能供暖和製冷的建築。在建築中套用太陽能供暖、製冷，可節省大量電力、煤炭等能源而且不污染環境，在年日照時間長、空氣潔淨度高、陽光充足而缺乏其他能源的地區，採用太陽能供暖、製冷，尤為有利。目前太陽能建築還存在投資大，回收年限長等問題。

太陽能建築按照採暖系統的不同可分為主動式和被動式兩種。

主動式太陽能建築需要一定的動力進行熱循環 ,主要由集熱器、管道、儲熱裝置、循環泵、散熱器等組成。

原理： 靠常能(泵、鼓風機)運行的系統，由集熱器、蓄熱器、收集迴路、分配迴路組成，通過平板集熱器，以水為介質收集太陽熱。吸熱升溫的水，貯存於地下水櫃內，櫃外圍以石塊，通過石塊將空氣加熱後送至室內，用以供暖。如將蓄熱器埋於地層深處，把夏季過剩的熱能貯存起來，可供其他季節使用。

主動式太陽能系統按傳熱介質又可分為空氣循環系統、水循環系統和水、氣混合系統。一般說來，主動式太陽能建築能夠較好地滿足住戶的生活要求，可以保證室內採暖和供熱水，甚至製冷空調，但設備複雜，投資 投資 理財 投資指的是特定經濟主體為在可預見的時期內獲得收益或是資金增值而投放足夠數額資金的經濟行為。 需要輔助能源，而且所有的熱水集熱系統都需要有防凍設施，這些缺點造成主動式太陽能建築建築、樓房 、廣場 、建築是建築物與構築物的總稱，是人們運用一定的科學規律、風水理念和美學法則創造的人工環境目前在我國難以推廣套用。

能源緊張的情勢下,太陽能作為清潔無污染、取之不盡用之不竭的可再生能源,對改善能源利用及結構形式具有很大的提升空間,是實現節約型能源結構的有效途徑。當今中國,太陽能主要利用在光伏和光熱兩方面,前者利用太陽能發電,如光伏發電,後者則是通過簡單實用的方式以水為介質將太陽福射能存儲在熱水中,如常見的太陽能集熱器或太陽能熱水器等太陽能集熱設備,主動式太陽能採暖系統也大多是基於這一套用最為普遍的太陽能利用形式構造而成的。目前,主動式太陽能採暖系統主要有以熱風和熱水兩種方式進行採暖,其中熱風式需要較大的空間放置循環動力設備,而熱水式雖然對技術和資金要求較高,卻是在今後太陽能供暖系統的主要集熱形式。根據系統不同的運行方式和結構形式,太陽能熱水系統有如下分類:按系統運行方式分為自然循環和強制循環系統;按熱水供給方式分為直接系統和間接系統;按輔助加熱設備在儲水箱空間位置分為內置加熱系統和外置加熱系統。

主動式太陽能建築發展現狀

太陽能熱水系統

目前,我國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國,但在建築中大規模套用太陽能熱水系統仍存在著認識上、技術上的諸多問題。如在許多住宅小區,物業管理都明令禁止住戶在屋頂上安裝太陽能熱水器。更有甚者,丹東市2004年就曾出台政策規定禁止任何單位和個人安裝太陽能熱水器,已安裝的也要拆除。導致太陽能建築理想與現實之間差距的原因如下:

1)我國絕大部分已建住宅都沒有配備生活熱水系統,主要依靠居民自己安裝燃氣或電熱水器,由於原有住宅建築設計對太陽能熱水器沒有充分考慮,造成居民安裝困難,熱水器是居民自行安裝於屋面,缺乏統籌,破壞屋面美觀。

2)伴隨著太陽能熱水器與建築的矛盾,其本身也存在使用上的不便。

3)由於太陽能供給不穩定的先天缺陷,太陽能不能完全滿足全部生活熱水的需求,所以其系統必須有補熱措施以滿足用戶的全天候要求,目前通用的做法是採用安全簡便的電加熱。可補熱裝置控制不合理———不管用量多少,儲水罐水溫低於設定值就啟動加熱不經濟

太陽能發電系統

太陽能發電系統通過光電效應產生電能,所發的電能通過逆變器把直流電轉換為交流電,再由控制器對電能進行調節和控制。白天,太陽能發電系統一方面把整壓整流後的電能送往建內的用電負載,另一方面在滿足建築自身用電負荷的同時把多餘的電能進行併網向市政電網系統進行供電;晚上或陰天時,所發的電能不能滿足建築自身負載需要,控制器又併網市政供電系統,保證用戶的正常用電,這樣就能降低建築的運行成本,減少了傳統能源的使用。

對比太陽能“光熱套用”已經進入尋常百姓家,同屬於主動式太陽能技術的“光電套用”在我國建築業中運用還屬於鳳毛麟角。太陽能光伏發電推廣的最大瓶頸突出表現在其核心構件———太陽能電池板的高昂成本上。

主動式太陽能採暖系統

簡介

通常太陽能集熱器作為主動式太陽能集熱採暖系統的熱源。太陽能集熱採暖系統可以用空氣或水作為熱媒。因此存在太陽能熱風集熱式採暖系統和太陽能熱水集熱式採暖系統。

太陽能熱風集熱器可用作採暖系統熱源。在屋面上朝南方向布置太陽能空氣集熱器，被加熱的空氣通過儲熱層後由風機送入房間。太陽能集熱器也可以配備其他輔助熱源，並設定控制調節裝置，根據送風溫度確定輔助熱源的投入比例。

太陽能熱水集熱器既可以提供衛生熱水，還可以用作低溫熱水地板輻射採暖的熱源 ③太陽能熱水集熱式地板輻射採暖兼生活熱水供應系統。該系統在屋頂設定太陽能熱水器，系統包括集熱器循環水泵、蓄熱水箱、供熱水箱、採暖循環水泵、輔助熱源、輔助熱源熱水循環泵、輔助加熱換熱器和地板輻射採暖盤管等。太陽能熱水器中的熱水流過地板採暖盤管向房間供熱，返回蓄熱水箱後由集熱循環水泵送到太陽集熱器重新加熱；夜間或陰天太陽能不足時則由輔助熱源加熱系統保證室內採暖和生活熱水需求。

太陽能熱水集熱器也可以與建築圍護結構融合一體，例如在工程中的太陽能全玻璃真空集熱管幕牆生活熱水系統。

充分吸收並存儲太陽輻射熱，部分熱量通過輻射和對流傳至下面房間。夜間則關閉保溫板，防止向外的熱量損失。夏季保溫蓋板的啟閉情況與冬季相反，在白天關閉保溫蓋板以減少向室內環境的傳入熱量，同時用較低溫度的水袋吸收下面房間的熱量，從而降低室內溫度；夜間則打開保溫蓋板使水袋向外界環境放出熱量。

特點

主動式太陽能採暖系統兩個突出的特點:

(1)要有足夠面積的集熱器,在一般情況下,當太陽能的利用率處於60%左右時,集熱器面積應該至少應為地板面積的50%或者更大;

(2)由於受到氣候、季節和晝夜等斷續性的影響,由於太陽能的不連續且不穩定性,所以在釆暖系統中必須配置輔助的加熱設備和蓄熱設備,通常je熱裝備的容量應按滿足維持2-3天能量標準來設計,輔助熱源量的配置相對主動式太陽能建築冷熱源系統的設計和選型至關重要。

太陽能光伏發電系統

光伏建築，是套用太陽能發電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建築的圍護結構外表面來提供電力。根據光伏方陣與建築結合的方式不同，光伏建築一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建築的結合。另一類是光伏方陣與建築的集成。如光電瓦屋頂、光電幕牆和光電採光頂等。在這兩種方式中，光伏方陣與建築的結合是一種常用的形式，特別是與建築屋面的結合。由於光伏方陣與建築的結合不占用額外的地面空間，是光伏發電系統在城市中廣泛套用的最佳安裝方式，因而倍受關注。光伏方陣與建築的集成是BIPV的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發電的功能要求同時還要兼顧建築的基本功能要求。“十二五”期間，將要創建2000家節約型公共機構示範單位。除了公共機構外，商業機構由於用電量較大，參與節能的意願相對較高，而且具有資金優勢，也應該優先發展光伏建築一體化模式。

主動式太陽能建築的新型技術措施

熱管集熱器

熱管是1964年前後才付諸實用的具有很高熱傳輸性能的元件,它集沸騰與凝結於一體.一般熱管是由管殼、管芯(起毛細管作用的多孔結構物)和工作液組成的一個封閉系統.當在一端加熱時,管內的液體蒸發,過量的蒸汽在管的另一端冷凝,冷凝液藉助在毛細芯截面中的毛細力返回到加熱端.在某些太陽能採暖套用中,冷凝液的返回能夠通過重力流動來實現.由於熱管內的蒸發、冷凝過程幾乎是在等溫、等壓下進行的,所以熱管能在非常小的溫差下從內部傳遞熱量,對重力輔助熱管,假如冷凝段在下而加熱段在上,則工質液體回流中斷.因此,熱管具有控制熱流方向的“熱二極體”的作用.

熱管式集熱器與傳統集熱器比較,具有以下優點:

(1)用熱管傳輸熱量可避免普通集熱器存在的集熱管冬天晚間結冰問題.

(2)由於重力輔助熱管的“熱二極體”的作用,熱量只能從吸熱板向換熱器輸送,能防止晚上或陰天時的倒流散熱.

(3)熱容小,啟動性能好.另外,還有熱管式真空管平板型集熱器,它兼有熱管式平板型集熱器與玻璃真空管平板型集熱器的優點.熱管式真空管平板型集熱器由於熱管外表面塗有選擇性吸收塗層,而且真空絕熱,因此熱損失小,在高的工作溫度下仍有較高的集熱效率.熱管選用合適的工質使集熱器溫度超過工質的臨界溫度後,熱管的傳熱就停止,這就防止了集熱器在無負荷情況下帶來的高溫問題,利於整個採暖期使用.

相變材料蓄熱

由太陽能集熱器得到的熱收益為Q,需要的熱負荷為L.當Q>L時,多餘的熱能可貯存在貯熱裝置內;Q<L時,不足的能量可由貯熱裝置供應一部分,其餘部分則由輔助能源補足.

相變材料在從固態轉變為液態的過程中貯存熱量,在相反過程中釋放熱量,當熱蓄進相變蓄熱器時,熱傳入蓄熱器使相變材料熔化;當熱從蓄熱器釋放時,相變材料凝固.相變蓄熱器比顯熱蓄熱器更緊湊,這使得安裝蓄熱器時有較大的靈活性,並可以減少保溫要求.使用液體傳熱介質的太陽能採暖系統需要附加一個換熱器,熱由相變材料傳到流過的水中被釋放出來,然後熱水再通過散熱器加熱空氣。

輔助熱源

當太陽能收集較少或溫度過低時,使用輔助熱源起補充作用.連續陰天和陽光不充足時,就只能依靠輔助熱源保證採暖系統正常運轉.近年來,西北地區電力充足且費用低廉,政府鼓勵用電採暖,這種方式最為簡便,又無煙塵,既不會污染環境也不會污染集熱器表面而減少太陽能的收集,且體積小、效率高.結合西安地區目前實際情況,可用天然氣作為輔助熱源.

自動控制系統

自動控制系統是使用儀表來控制系統的正常工作.在收集迴路中的自動控制可採用差動控制:使用兩個溫度感測器和一個差動控制器.其中一個溫度感測器(熱敏電阻或熱電偶)安裝在集熱器板接近傳熱介質出口處,另一個溫度感測器安裝在貯熱器接近收集迴路回流出口.當第一個感測器溫度大於第二個,並達到預定的限度時,差動控制器就開啟.相反,當貯熱器出口溫度與集熱器出口溫度相等時就關閉.採暖迴路是指採暖房間中熱媒的循環迴路.自動控制一般使用兩個溫度感測器和一個差動控制器.其中一個是溫度感測器置於貯熱器採暖迴路出口附近,當貯熱器溫度很高並達到一定的數值時,輔助加熱器關閉;另一個溫度感測器安裝在採暖迴路的回水管道中.當第一個感測器讀出的溫度低於第二個時,差動控制器操作閥門,切斷貯熱器與系統的聯繫,使其脫離循環,這時由輔助加熱器供暖。

太陽能熱泵採暖系統

太陽能熱泵採暖系統是利用集熱器進行太陽能低溫集熱,然後通過熱泵,將熱量傳遞到溫度為35～50℃的採暖熱媒中去.冬季太陽輻射量較小,環境溫度很低,使用熱泵則可以直接收集太陽能進行採暖.將太陽能集熱器作為熱泵系統中的蒸發器,換熱器作為冷凝器.這樣就可以得到較高溫度的採暖熱媒.

太陽能熱泵採暖系統主要特點是花費少量電能就可以得到幾倍於電能的熱量,同時可以有效地利用低溫熱源,減少集熱面積.這是太陽能採暖的一種有效手段.若與夏季製冷相結合,套用於空調,它的優點更為突出.美國、德國、日本等國家對太陽能熱泵採暖系統的研究很重視,不少太陽房套用這種技術.如美國丹佛公共學院北院建築面積為30 000m²,採用太陽能熱泵系統,可提供約80%的採暖所需熱量。

主動式太陽能建築在西北地區的套用前景

自1975年在甘肅武威地區建成了我國第一座小型太陽能建築以來,西部地區又建成了許多太陽能建築,但絕大部分為被動式太陽能建築.被動式太陽能建築是通過建築朝向和周圍環境的合理配置以及建築材料和結構的恰當選擇,依靠房屋本身來完成集取、儲存和分配太陽能的建築形式.它的優點是建造技術簡單,先期投資少;但它對太陽能的利用效率低,冬季室內溫度較低且溫度日波動大,室內舒適性差,難以滿足人們對房間舒適度的要求;加之所需集熱體面積大,浪費建築空間,無法套用於多層及高層建築.因此,儘管專家學者一再大力推廣被動式太陽能建築,在城市中卻始終無法推廣開來。

主動式太陽能建築是通過高效集熱裝置來收集獲取太陽能,然後由熱媒將熱量送入建築物內的建築形式.它對太陽能的利用效率高,不僅可以供暖、供熱水,還可以供冷;而且室內溫度穩定舒適,日波動小,在已開發國家套用非常廣泛.但因為它存在著設備複雜、先期投資偏高,陰天有雲期間集熱效率嚴重下降等缺點,在我國長期未能得到推廣。

廣大西北地區,太陽能資源非常豐富.通過精心的設計並採用一些新型技術措施,主動式太陽能建築可以使室內保持穩定、舒適的溫度,其推廣套用前景非常樂觀。

被動式太陽能建築

就是不用任何其他機械動力，只依靠太陽能自然供暖的建築，白天的一段時間直接依靠太陽能供暖，多餘的熱量為熱容量大的建築物構件(如牆壁、屋頂、地板)、蓄熱槽的卵石、水等吸收，夜間通過自然對流放熱，使室內保持一定的溫度，達到採暖的目的。被動式太陽能建築集蓄熱構件與建築構件於一體，一次性投資少，運行費用低，但這種集熱方式晝夜溫度波動較大。