太阳能光热技术在建筑节能中的应用刘业凤☆　代彦军　王如竹(上海交通大学) [摘要]　在建筑节能中利用太阳能光热技术是一种有效而环保的手段。

本文结合国内外太阳能建筑节能中应用的最新动态,对各种技术和应用方案进行了总结和探讨,并对这种技术的应用发展提出一些建议。

[关键词]　建筑节能　太阳能光热技术　应用方案1　概述建筑能耗是指建筑物使用过程中用于供暖、通风、空调、照明、家用电器、输送、动力、烹饪、给排水和热水供应等的能耗。

在发达国家,建筑能耗约占总能耗的39%-40%。

这一比例的高低反映了一个国家的经济发展和人民生活水平。

我国是最大的发展中国家,建筑能耗约为全国总能耗的11.7%,而北方地区供暖能耗就占了其中的80%[1-2]。

随着我国的经济腾飞和气候变暖,这一比例正不断提高。

自二十世纪70年代中东石油危机以来,建筑节能成为发达国家关注的热点。

而90年代提出可持续发展理论和环境资源保护的紧迫性以后,建筑节能更成为世界各国的关注热点。

人类对建筑的需求,经历了掩蔽所ϖ舒适建筑ϖ健康建筑ϖ绿色建筑这样四个阶段。

第一阶段是低能耗甚至无能耗的阶段,第二和第三阶段是高能耗阶段,第四阶段则是高能量效率、大量利用可再生能源和未利用能源、亲近自然和保护环境的阶段。

绿色建筑又称可持续建筑,发达国家已处于从第三阶段向第四阶段过渡的时期。

我国普遍而言尚处于第一到第二阶段之间,因此我国的能源消费结构中建筑能耗的比重还不大。

但我从国经济发展和人民生活水平提高的速度来看,本世纪初必然会走到第二和第三阶段,必然会给能源和环境带来巨大的压力。

建筑节能主要是运用现代科技手段降低建筑能耗,减少环境污染,而并不意味着限制发展、降低建筑物的服务标准,而是以提高建筑物的能量效率、用有限的资源和最小的能源消费代价来取得取得最大的经济和社会效益,满足日益增长的需求目标。

同时应尽力减少或消除建筑物的固有能耗。

目前工业和民用建筑物中绝大多数的空调系统均采用压缩制冷的方式,它具有使用方便、效率高的优点,但也有两个主要缺点:第一是需要消耗大量的机械能,并且其中大部分是由高品位的电能提供的;第二是环境污染问题污染来自于两方面:一是为生产高品位能源燃烧大量石化燃料产生的C O、C O2、S O2及NO x;二是压缩机中采用的工质CFC/HCFC均会不同程度地破坏臭氧层。

含氯氟烃中的R11、R12对臭氧层的破坏特别严重,R22次之。

太阳能资源在时间上的变化规律和制冷空调用能在时间上的动规律高度匹配,太阳能资源的地域分布与制冷空调需求的地域分布高度吻合,以及太阳能资源丰富、清洁和无污染性,使得太阳能技术成为一个极为诱人的研究领域,在环保、节能方面显示出无与伦比的优越性。

太阳能技术在建筑节能方面的应用展现出了光明的前景。

太阳能技术在建筑节能方面的应用根据使用方式可分为直接利用太阳能的方式和间接利用太阳能的方式。

2　直接利用太阳能的方式2.1　建筑通风与太阳能利用2.1.1　利用热压实现自然通风迈克尔.霍普金斯设计的英国国内税务中心位于诺丁汉市的传统街区。

他设计了一组顶帽可经升降的圆柱形玻璃通风塔[3],用作建筑的入口和楼梯间(见图1)。

玻璃通风塔可以最大限度地吸收太阳的能量,提高塔内空气温度,从而进一步加强烟囱效应,带动各楼层的空气循环,实现自然通风。

冬季时可以将顶帽降下以封闭排风口,这样通风塔便成为一个玻璃暖房,有利于节省采暖能耗。

2.1.2机械辅助式自然通风在冬季,利用机械装置将位于屋顶太阳能集热器中的热空气吸到房间的地板处,并通过地板上的气孔进入室内,实现利用太阳能采暖的目的,此后利用热压原理实现气体在房间内循环;而在夏季的夜晚,则利用天空背景辐射使太阳能集热器冷却(可比・93・建筑热能通风空调空气干球温度低10-15℃左右),并将集热器中的冷空气吸入室内,达到夜间通风降温的目的。

2.2　太阳能热水供应系统它是利用集热器接受太阳辐射加热水,以供应图1　顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔生活热水。

不少发达国家在太阳能利用与开发方面进行了有益的探索[4],并使建筑设计与太阳能技术得到了巧妙而有机的结合。

例如能源匮乏的以色列是个阳光充足的国家,利用太阳能的建筑很常见,荷兰、日本等不少国家也充分利用太阳能。

在我国,家用太阳能热水器最近几年得到了广泛的应用和普及。

以利用太阳能热水器为主导项目的阳光工程,在1999年产5月在湖北省已正式启动。

2.3　利用太阳能进行建筑蓄热[5-11]使用蓄热材料作为建筑维护结构可以延续日照等因素对室内温度的影响,使室温更稳定、更均匀,既白天不会因为太阳照射而温度过高,夜晚不会因为速度冷却而温度过低。

有关实验表明,高热容的外墙材料可以使房间温度振幅减少5℃。

而且使用蓄热材料不需要任何复杂的技术,因此被广泛地应用在生态建筑中。

2.3.1　太阳房基于集热-储热墙(也称厚墙或T rombe-M ichel 墙)的间接加热式被动太阳房[11],因其结构简单、运行方便而较易推广。

在T rombe储能墙的基础上改进一种太阳房(剖面如图2所示),采用小风机送风,代替传统的自然对流,用薄铁板用为吸热板,吸收太阳辐射后热空气很快流入房间。

冬天,白天房间温度升高到一定时,视需要可打开一部分通风口进行换气,晚上关闭所有的通风口;夏季,打开夹层上下向外的排风口,空气经夹层吸热后排入大气,为防止外面高温环境的热流进入房间,房间对外面环境散热。

该太阳房在冬天能维持比环境高6-9℃,具有良好的热性能。

3　间接利用太阳热能的制冷/热泵方式图2　新型被动式太阳房1.下外风道口2.下内风道口3.玻璃4.透明蜂窝5.吸热板6.夹层7.南墙8.上内风道口9.上外风道口10.天窗11.其它围护结构3.1　太阳能吸收空调太阳能吸收空调是利用太阳能集热器的热水作热源,驱动吸收式制冷机的一种新型空调技术,主要有氨-水吸收式制冷系统和水-溴化锂吸收式制冷系统。

当前,许多国家和地区都在加紧进行太阳能空调的研究。

例如意大利、西班牙、德国、美国、日本、新加坡、香港、韩国等[12-13]。

我国第一座大型实用性太阳能空调热水系统在广东江门市建成投入运行[14],该系统采用500m2高效太阳集热器和100K W两吸收式制冷机。

利用太阳能全年提供大楼每天所需的大量的生活热水,除此之外还在夏天以及阳能热水制冷,可满足600m2的空调要求。

该系统于1998年6月正式投入使用,系统初步运行调试结果令人满意, C OP在0.4以上,运行表明,仅制冷部分每年可节电6万K Wh,以广东的电价计算约为6万多元,4年便可回收制冷部分的投资。

在山东省乳山市[15],一套太阳能吸收式空调系统及供热综合系统已建成,太阳能集器总采光面积540m2,制冷、供热功率100K W,空调、采暖建筑面积1000m2,供生活用热水量32。

测试结果表明,该系统完全具备夏季空调、冬和采暖、过渡季节提供用热水的能力。

溴化锂吸收式制冷机制的C OP可达0.7,整个系统的制冷效率可达20%以上。

在国外已经有多个应用实例,并日趋成熟已进入了试生产和开拓的市场阶段。

Hummad等研制的一台14 m2集热面积的双效吸收式太阳能制冷机组采用了5个热交换器,可产生1.5冷吨的制冷量,产出投入比达到了1.4,一定程度上可与商机竞争。

3.2　太阳能吸附式制冷/热泵方式[16-27]与技术成熟的液体吸收式制冷方式相比,固体吸・4・2001年第6期长、无须考虑腐蚀问题、可以仅依靠太阳能行间歇式循环制冷等优点,同时具有装置和造价和运行低于液体吸收式系统的特点。

从制冷机理上看,吸附式制冷与吸收式制冷是基本相同的,主要区别在于吸收式采用液体作为吸收剂,而吸附式采用固体作为吸改剂,而吸附式采用固体作为制冷剂的吸收剂。

吸附式制冷技术的应用始于20世纪初,当时使用氯化钙-氨和活性炭-甲醇工质对的机器被成功地研制出来,并使用在家用制冷机上。

后来,随着机械工业的发展,逐渐被功率大得多的蒸汽压缩式和吸收式机组所代替。

近年来能源消耗日益增长,出现能源危机,吸附式制冷技术又被重新提起。

国外不断有来自这方面的报道[21-23],并有样机逐渐投放市场,国内的近几年在这方面取得了很大成果[24-27]在国外,吸附式制冷进行了大量的研究。

法国F.Meunier教授群体对吸附式制冷已有十余年的研究经验,曾研制出回热型活性炭/甲醇吸附制冷系统,样机循环周期60—180分钟的,但未见到制冷空调运行数据。

英国Wariwick大学的M・G roll博士曾提出了对流热循环的新思想。

德国斯图加特大学的教授在金属氢化物/氢制冷系统有较好的成果,但是许多研究数据是建立在简易装置实验数据的外推上;意大利的Cacciola教授研究组对分子筛/水制冷系统进行了研究,认为这种工质对较适合于空调目的。

美国的S. V.Shelton博士曾提出热波型吸附制冷方法。

日本的前川公司研制了硅胶/水系统,但因系统复杂,造价过高而无法投向市场。

白俄罗斯的Vasiliev等试制了一台太阳能-天然气固体吸附热泵,采用抛物面聚焦热器,当太阳能不足时,由天然气相辅助加热,制冷循环时间为12分钟,可实现连续制冷。

国内这几年在吸附式制冷方面进行了大量的研究,取得了很大的成就。

王如竹教授首次提出一种太阳能供热于制冷联合循环的复合机,巧妙而自然地实现了白天产的热水供夜间使用,而夜间的蓄冷供白天使用,把太阳能的热利用与冷机有机地结合起来,提高了太阳能转换的利用率。

在吸附工作对、循环方式和实验样机运行效果等方面取得了很大的成就:提出了一种有潜力的吸附制冷工作对-活性炭纤维/甲醇的应用方案,经测试和分析其吸附制冷特性与一般的活性炭/甲醇工作对相比,该工作对C OP可提高15%,单位质量吸附剂制冷功率可提高10-30倍。

这种工作对的提出对于建立实用型吸附制冷冰箱具有重要意义:通过对活性炭纤维/氨的对流热波循环研究发现,这种系统制冷工况下的制冷系数C OP=0. 78,单位质量吸附剂功率SCP=760kw/kg;研制的螺旋板式吸附器的连续回热型活性炭-甲醇吸附式制冰样机,平均每公斤吸附剂制冰2.6公斤;研制的一台采用板翅吸附器的吸附式空调/热泵,循环周期为调工况制冷功率达150W,运行C OP达0.5以上,居国际领先水平。

该种系统由90-100℃热源驱动,因此可利用太阳能作驱动热源。

还有太阳能驱动的吸附除湿空调系统[16]。

在现今可持续发展的政策和潮流下,太阳能驱动下的环保型吸式制冷热泵将是制冷空调行业界的一个重要发展方向。

3.3　太阳能光伏电池空调制冷方式图3　安装在Amers foot住宅的光电PV系统近年来,太阳能光伏电池空调制冷也得到了不断的发展。

它是利用太阳的光能转化成电能,然后利用帕贴尔效应,把电能转化成冷。