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太陽能在建筑節能中的綜合利用

來源:中國智能建筑行業協會    最后更新時間:2018-03-05    內容閱讀次數:

【摘要】本文主要闡述了太陽能在現代建筑中的多種利用方式。太陽能在建筑中的利用包括發電、采暖、制冷、通風、供熱水、除濕等方面,為提高太陽能的綜合利用效率,通常要采用太陽能多方面利用和能量梯級利用。并提出現代建筑在太陽能利用方面需解決的問題,為太陽能的大規模利用提供條件,推動建筑節能的發展。

【關鍵詞】光伏發電;光熱發電;建筑節能;綜合利用效率;梯級利用


0.引言

建筑能耗占全部能源消耗的30-40%,并隨著工業化的發展而進一步增加。建筑節能得到了國內外越來越多的關注,出臺了一系列的建筑節能規范和標準。我國1997年就提出了節能50%的要求,先后出臺了多部建筑節能標準和規范,并且更新很快,加強了建筑節能的管理和推行。

太陽能在建筑節能中的主要應用途徑:太陽能發電、太陽能采暖、太陽能制冷、太陽能通風、太陽能除濕、太陽能熱水器,其次,太陽能還在建筑通訊、太陽能房等方面得到了廣泛研究。

1.太陽能發電

太陽能發電包括聚光光伏發電和聚光光熱發電,主要的聚光方式有透射聚光和反射聚光,透射聚光利用菲涅爾透鏡,反射聚光主要包括蝶形、槽式、塔式、平面式,相比透射聚光,反射聚光得到了更多的應用研究,槽式聚光發電系統成本低,技術成熟,在商業應用中較多,塔式和碟式還處于實驗研究階段,商業化投資和成本有待進一步驗證,其中,碟式聚光具有較高的轉化效率,峰值可達30%。通過太陽能發電驅動建筑內的用電設備進行工作,通常需要輔助電源,保證建筑內的正常、穩定、持續供電,實現建筑節能。

1.1光伏發電

光伏發電是指將匯聚后的太陽光通過高轉化效率的光伏電池直接轉換為電能的技術,1954年在美國貝爾實驗室研制出第一塊太陽能電池,太陽能電池是太陽能利用最成功的技術之一。光伏發電系統主要由太陽能電池板、控制器和逆變器組成,太陽能發電可配置為獨立式和連接電網式,當太陽能為特定場所提供電能時,可采用獨立式,并將白天用不完的電能儲存在電池組中。當太陽能發電與電網連接時,系統則不必配備電池組。光伏發電在我國所面臨的問題:光伏發電成本太高,不具備市場競爭力;技術研發投入有限,創新力量薄弱,技術發展緩慢;95%的硅材料依靠進口,產能過低;環保問題和高能耗問題凸顯。

1.2光熱發電

太陽能光熱發電采用集熱器收集熱量,經換熱裝置提供蒸汽,推動汽輪機發電。1950年,原蘇聯設計了世界上第一座太陽能塔式電站,太陽能光熱發電技術已成熟,早在上世紀八十年代,國外就已建成裝機容量500千瓦以上的光熱發電電廠,國內太陽能光熱發電技術起步較晚,2007年,國內首座太陽能塔式熱電系統通過驗收,2010年,亞洲首座塔式太陽能光熱電站在北京開工,2011年4月,內蒙古50MW槽式太陽能項目招標完成,這標志著我國太陽能光熱發電走向市場化,我國的太陽能發電技術發展迅速,并且極具潛力。太陽能光熱發電的特點:生產過程清潔,不污染環境;技術成熟;投資成本高;規模效應明顯;具有較高的電力穩定性;能更好地與傳統電廠接軌。

太陽能光熱發電和光伏發電具有各自的優劣,不能相互替代,在我國是并行發展的,發展難點在于技術創新,降低投資,減小對環境的影響。

2.太陽能在暖通方面的應用

2.1太陽能采暖

太陽能采暖可分為主動式采暖和被動式采暖,目前,為更大程度地利用太陽能,被動式采暖得到了更多的重視。太陽能采暖具有噪聲小、清潔無污染的特點。由于太陽照射強度變化、集熱器效率不是很高的問題,太陽能采暖的利用受到了限制,在夜間或陰雨天氣,無法滿足室內采暖

溫度的要求,通常需要配合其他的輔助方式或采用不同的采暖方式。實踐表明,室內采用輻射采暖,配合以熱泵技術是合適的,并且很節能。

與電采暖相比,太陽能設備的靜態投資回收期約為10年,提高太陽能設備的利用率是減小回收期的關鍵問題。

2.2太陽能制冷

太陽能制冷是將太陽能轉化為熱媒的熱能,通過熱能進行制冷。熱媒的溫度越高,則制冷機的COP值越大,可采用的方式:吸收式、吸附式、噴射式、朗肯循環、化學反應等[1]。目前應用較多的是單效溴化鋰-水吸收式、雙效溴化鋰-水吸收式和多效溴化鋰-水吸收式,其中,多效溴化鋰-水吸收式制冷具有更高的COP值,對熱媒的溫度要求也更高。單純依靠中低溫太陽能制冷效率較低,為提高制冷機效率,可采用太陽能梯級利用的方法[2],通過高效集熱器獲得高溫熱能,利用高溫熱能驅動汽輪機或透平機,產生電能或動力,利用汽輪機或透平機的余熱或廢氣驅動制冷機,此時的太陽能綜合利用遠遠高于通行的制冷方法。提高太陽能的集熱溫度,對太陽能梯級利用是提高太陽能制冷效率的方法之一。鑒于造價、工藝、效率等方面的原因,太陽能制冷機不宜做的太小,應具備一定的規模,從而,提高系統的綜合效率。

2.3太陽能除濕

太陽能除濕是采用一種開放式循環系統,通過干燥劑除濕和蒸發冷卻,具有處理空氣潛熱的優勢。除濕空調能夠把空氣直接處理到理想的溫濕度狀態,可減少壓縮式空調降溫減濕的耗功,從而,減少機械耗功量,提高系統的效率[3]。主要的除濕方式:太陽能驅動的吸附除濕空調、太陽能驅動轉輪除濕、太陽能溶液除濕、太陽能固體除濕等。太陽能除濕空調具有清潔、節能、操作方便、運行費用低等優點,在工程中得到了廣泛應用。同時,也存在一系列的問題,除濕器、再生器效率低,除濕溶液性能局限性,除濕空調受室外氣象參數影響較大,選型復雜。開發高效的除濕器和再生器,研制適應性強的復合工質,提高蓄能技術是除濕空調進一步發展需解決的問題。

2.4太陽能集中供熱水

太陽能供生活熱水是通過集熱器對冷水進行加熱,經換熱器將熱量儲存在蓄熱水箱,再通過輔助熱源將熱水加熱至需要的溫度。太陽能供熱系統包括開式、閉式、半開式以及太陽能與熱泵聯合等多種方式。小型的家用太陽能熱水器已得到廣泛使用,但這種小型的太陽能熱水器綜合效率低,且零亂的安裝在屋面上,影響了建筑的美觀和使用。采用高效集中太陽能供熱水是很有必要的,可采用集中集熱-集中水箱式和集中集熱分散水箱式,集熱-集中水箱式熱損失過大,有時會高達預期熱損失的1.5倍,該方式有待優化。集中集熱-分散水箱式克服了集中集熱-集中水箱式系統的不足,將水箱分散在各個用戶家中,從而,減小熱損失,提高系統的綜合效率。

2.5太陽能通風

太陽能通風是一種依靠熱壓作用進行自然通風的方式,太陽輻射能將空氣加熱,空氣在浮升力的作用下上升,室外空氣在浮升力誘導下進入室內,達到提高室內換氣次數,更新室內空氣的作用。通常采用的方式:通風窗、太陽能煙囪等。太陽能雙層通風窗可明顯減小室內得熱,夾層中的空氣在太陽能的作用下浮升,與環境大氣進行自然對流,提高室內空氣品質,并且與對室內采光影響較小。太陽能煙囪通??刹捎锰柲芗療釅图療嵛菝?,通過太陽能加熱排風溫度,通過煙囪的抽吸效應強化自然通風,從而達到降溫、除濕、排除有害氣體等目的。

3.結語

太陽能具有清潔、無污染、能量巨大、使用安全等特點,在建筑中的利用越來越多。太陽能在建筑中的應用包括發電、供熱、制冷、通風、除濕等方面,并逐步顯現出太陽能利用的優勢。太陽能在現代建筑中的利用有待解決的問題:
(1)為提高太陽能的綜合利用效率,通常需要多方面綜合利用,并保持各個部件與建筑、地區、系統的良好匹配和及時切換。
(2)采用復合蓄能方法,減小對蓄能材料進口的依賴,提高太陽能蓄能能力,保證建筑的正常穩定使用。
(3)提高太陽能集熱效率,從而提供溫度更高的熱媒,實現太陽能梯級利用,提高太陽能綜合利用效率。
(4)實現太陽能大規模應用,需要太陽能利用與建筑一體化的完美結合,從而實現節能、環保、美觀的節能建筑。

【參考文獻】
[1]代彥軍,王如竹.太陽能空調制冷技術最新研究進展[J].化工學報,2008,S2(59):1-8.
[2]李正良,鄭宏飛,陳子乾等.新型高效太陽能制冷技術[J].制冷與空調,2005,6(5):10-13.
[3]趙竹.太陽能除濕系統在建筑中的應用[J].建筑熱能通風空調,2009,3(28):33-36.
 

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