浅谈太阳能在现代住宅设计中的应用

【摘要】建筑节能是技术进步的重要标志,新能源利用是实现建筑可持续发展的重要环节,也是世界上所有国家采取的节能措施。在今后的发展中,太阳能的应用和新型的节能建筑,只能以最低的能量消耗,使居住环境更舒适,更清浩,而节能及社会效益更好。

关键词 节能 建筑 设计能源 利用

引言

当今世界对太阳能的应用越来越广泛，特别是在建筑业，对于太阳能的应用，能够使人们过上绿色的生活，当然，太阳能的应用在现代住宅设计中也占据了一席之地，本文简单介绍太阳能在住宅设计上的应用。

一、太阳能的利用现状

我国有着丰富的太阳能资源，每年获得的太阳能约为3.6×1022J，相当于1.2万吨标准煤的热值[1]。约占全国国土面积的2/3的地区年平均辐射总量在3340～8400MJ/m2，年日照时数在超过2200h，相当于110～280kg标准煤的热值[2]。我国从70年代就开始了太阳能利用方面的研究，经过30年来的不懈努力，现已在太阳能利用和推广方面已经取得了一定的成绩，尤其在太阳能热水器方面取得了一大批科研成果。但我国的太阳能利用技术与发达国家相比还存在很大的差距，例如我国目前对太阳能在建筑中有效地利用还是探索阶段，不仅利用方式单一并且在与建筑一体化方面显得尤为落后。因此我国在太阳能技术的实用性、经济性、先进性、可操作性等方面都有很多值得进一步研究的地方

二、现代住宅设计中的太阳能建筑技术

太阳能建筑可分为主动式和被动式两个类型。利用机械装置收集和储存太阳能,并在需要时向房间提供热能的建筑,被称为主动式太阳能建筑;根据当地气候条件,在很少使用机械设备条件下,通过建筑物布局,构造处理,选择性能好的热工材料,使建筑物本身能够吸收和储存太阳能量,从而达到采暖, 空调,供热水的建筑物,称为被动式太阳能建筑。

太阳能建筑的平面布置应尽量将长边作为南北方向。使集热面处于正南方向正负30ο以内。并根据当地的气象条件及所处位置,做出恰当调整,以达到最佳的阳光照射效果。集热和蓄热墙间接受的热是被动式太阳能建筑的一种形式。它充分利用南方向太阳辐射热大的特点,在南向墙面上加设一层透光外罩,使透光外罩与墙体之间形成一道空气层。为了使透光外罩内最大限度得到太阳照射,在空气夹层内壁表面涂上吸热材料。当太阳照射的时候加热了空气夹层内的空气和墙体,这时吸收到的热量分为两部分。一部分气体加热后利用温差压形成气流,通过与室内相连的上,下通风口,与室内空气进行循环对流,从而使室内温度上升;另一部分热量使墙体受热后,利用墙体的蓄热能力贮存热量,当夜晚到后气温降低时墙体蓄存热向室内释放,从而达到昼夜温度适宜的程度。 当夏季高温到来时,将透光外罩内的空气层与室外连接的通风口开启,与室内连接的通风口关闭。室外通风口上部通向大气,下部通风口最好处于与周围空气温度低的位置连接,如晒不上太阳阴凉处或地下空间。这样当空气层的温度加热后,气流迅速向上部通风口处流动,将热空气排向室外,随着空气的不停流动,通过下部通风口的凉空气进入空气层,这时空气层内的温度低于室外温度,室内热气通过墙体向空气层散热,从而达到夏季降低室温的作用。

从被动式工作原理可以看出,材料性能在太阳能建筑中占有重要的位置。透光材料传统使用的是玻璃,透光率一般达到65～85%之间,而现在使用的采光板,透光率达到92%。蓄热用材料:采用一定厚度的墙体,或改变墙的材质,如采取水墙做蓄热体以增加墙体的蓄热量。另外设置贮热间也是一种蓄热方法,贮热间的传统作法是,将卵石堆放在贮热间内,热空气流过贮热间时加热卵石,进入夜晚或是阴雨天,可将卵石散出的热量再输送到室内。由于被动式太阳能建筑简单易行,太阳能建筑得到广泛采用,如多层建筑,通信台站,民宅等。现在高层建筑也采用这一原理:将玻璃幕墙分层设置,在外墙楼板上下联接处设可控式进出通风口,这样既采用了太阳能又美化了建筑立面,是太阳能技术的具体体现。

主动式太阳能建筑就是利用机械设备,将收集到的热能输送到各个房间。这样就可以扩大太阳能的吸收面,如屋顶,坡面及院落等处凡是太阳光照射强的地方,都可以作为太阳能的吸收面。同时还可以在需要的地方设置贮热间。这样把采暖系统,热水供应系统组合成一体,应用有效的热能控制设备,使太阳能利用更加合理。

主动式太阳能采暖系统的运行过程是:该系统装有两台风机,一台是太阳能集热器风机,另一台为供热风机。当依靠太阳辐射直接采暖时两台风机同时运行,使房间里的空气直接进入太阳能集热器。然后再回到房间,如阴雨天时间较长热量较低时采用辅助加热,此时贮热间不工作。热空气系统使用电动风门控制气流,当直接采暖时空气控制器中两个电动风门转向使空气流入房间位置。在太阳能集热器出口处设热水盘管可以使房间的热水供应系统与太阳能采暖系统成为一体。

当太阳能集热器收集到的热量超过房间的需要时,集热器风机开动而采暖机风机停止。通向房间的电动机门关闭。从太阳能集热器出来的热空气向下流向贮热间的卵石层,把热量贮存在卵石里,直至卵石层全部被加热,使贮热间蓄热达到饱和状态。进入夜晚没有太阳辐射时,就要从贮热间里取热。此时关闭空气控制器中第一个电动风门,打开第二个电动风门,启动供暖风机,使室内的空气循环由下向上通过贮热间卵石层加热,再返回到供暖调节系统。当贮热间有充足的热量时,进入空气调节器的空气温度只比从太阳能集热器直接出来的气温低一些。这一循环过程将持续到贮热间卵石层的热量差不放完。然后若是设有附助加热器时,要启动附助加热器。如果贮热间蓄热达到饱和状态或者夏季无采暖要求时,太阳能集热器仍然工作,用于加热使用热水供给系统。

太阳能建筑种类较多,工作原理基本相似。有的建筑以水为媒介进行热交换。这样系统内的所有设备在同样热效应下,体积减小同时还可以与其它能源共同使用一个热水系统。这是用水做媒介的最大优点。另一种能源是利用地热做热源,工作过程是将地下水热量提取后,通过采暖系统将热量送到房间,制冷时反向运行,工作原理如同空调机组。其不足是机组连续工作时间较长时,热量可能供应不足。因此在地热资源丰富地方比较适用。

三、现代住宅中太阳能利用与建筑一体化的实施方式

1， 太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化

在南向及东西向等接受太阳能较好的墙面上采用主动式与被动式相结合，集发电、采暖、通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。墙体的最外层是光电幕墙，安装在多孔的波状金属板上，空气在金属板下的空腔内受热，在风机的动力作用下空腔内的热空气从墙体的顶部通过风道进入空调的新风系统或者直接排出室外[6]。与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的护围结构，照射在墙面上的太阳能不但被有效的利用起来而且显著改善了护围结构的隔热保温性能。光电幕墙对太阳光的反射率约为15%，光电幕墙的光电转化率在17～35%之间；在冬季被光电幕墙浪费的那部分太阳能又被集热板吸收用于空调机组新风的预加热，使新风空气预热到30℃左右，热效率在50%-60%之间，相当于每平方米能产生多于500W的热量，同时使通过墙体向外界扩散的热量随管道内的热空气重新进入空调的新风系统，降低了墙体与室外空气的热交换；在夏季，风机停止运转，被加热的热空气在自然对流的作用下从波状金属板与墙体组成空腔的上部流出，一方面使外界的热量不能直接通过墙体的传热进入室内，减少了空调的负荷，另一方面空气在空腔内的流通降低了光电幕墙的温度，能使光电幕墙的光电转换率提升10%。这样以来从经济上分析这种采用复合的太阳能采集技术的墙体的初期投资回收速度比单纯采用光电板回收速度提高了3-4倍。

2、太阳能热泵集热装置与建筑屋顶一体化

在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，在设计上一方面使建筑的正立面结构看上去富有建筑的艺术性和现代性，另一方面使安插在建筑构造构件中的集热装置模块可以很好的吸收太阳辐射能。然后把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中。采用太阳能热管模块化集热器可以较好的承受压力且密封性较好，既能直接吸收太阳辐射能又能间接吸收室外环境中的热能，即使冬季气温为-20℃的时候依然能够进行太阳能低温集热。应用这种太阳能集热装置做成直接蒸发式太阳能热泵机组的蒸发器，则蒸发器成为“热源”，直接作用于蒸发器中的流动工质――热媒，使其加热到10～30℃左右并迅速汽化，通过热泵机组压缩机的压缩制热后，在冷凝端与管壳式热交换器中的水换热可使冷凝水的温度达到60℃以上，作为采暖热源和作为热水直接供应给用户[7]或是向吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。太阳能热泵吸收式中央空调系统冬天向建筑供暖时能耗比Cop值约为6，即投入1KWH的电力，可得到约6KWH的热能；夏天向建筑供冷时能耗比Cop值约为4，即投入1KWH的电力，可得到约4KWH的热能，而且系统紧凑，省去了锅炉房，节省了初期投资，也节省了建筑空间。比直接将太阳能转化为电能再用电能驱动中央空调和热水器节能效果更为显著。

3、太阳能一体化设计中与之相配合的建筑保温设计

在建筑的北向墙体和受日照较少的墙体上采用轻质建筑保温墙体，这样就有效的减少了墙体与外界空气的热交换，并能在框架结构的建筑中采用较薄的基层墙体而达到较好的隔热保温作用同时有效降低了建筑成本和减轻建筑负荷。玻璃门窗建议使用其外侧经过镀膜处理且与护围结构颜色相适宜的Low- E中空玻璃，因其具有极佳的热学、隔声、防结霜、不结露与密封等性能。白天在阻挡来自室外的有害辐射的同时并不影响窗体的透光率；夜晚和阴雨天气,来自室内物体的热辐射约有50%以上被其反射回室内[8]。

这样就使整个建筑呈现一种类似于“暖水保温瓶”的现象，在一定程度上实现了建筑物的单向热传导性，降低了建筑内热能或冷能的流失，减少了建筑的整体能耗。

结束语

太阳能作为一种取之不尽的新型环保能源已成为世界各国世界上能源研究工作中的一个重要课题。并且在建筑领域已经开发并利用在热水、采暖、照明、制冷、电力等多个方面。如：太阳能光伏发电、太阳能热泵空调等。太阳能是绿色安全环保的能源，所以，建筑节能是技术是反映一个国家先进的重要标志,新能源利用是实现建筑可持续发展的重要环节。现代住宅设计中对太阳能的利用越来越多，所以我们应该大力开展此项研究，让千家万户过上绿色环保的生活。