太阳能光热转换技术在建筑中的利用.docx
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太阳能光热转换技术在建筑中的利用
太阳能光热转换技术在建筑中的应用
1、前言
太阳能光热转换技术在建筑中的应用,实际上是利用建筑构本身所形成的集热、蓄热和隔热系统以及附加建筑物上的专用太阳能部件,对太阳光进行光—热转换等来满足建筑物的热水供应、采暖、空调等方面的能耗需求,从而达到减少建筑能耗,节约常规能源,改善生态环境的目的。
太阳能光热转换技术和建筑结合具有很高的研究价值,热水、供暖、空调对太阳能的利用已成为太阳能与建筑结合的关键之一。
2、我国太阳能资源储量与分布
一般以全年总辐射量(单位为兆焦/米2·年)和全年日照总时数表示。
我国属太阳能资源丰富的国家之一地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。
资源丰,辐射总量在3.3´103~8.4´106兆焦/米2·年之间。
全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。
属世界太阳能资源丰富地区之一;各地区资源分类见表1
表1我国各地区的太阳能资源及分布
类型
地区
年日照时数
年辐射总量
M.J/M2·Y
1
西藏西部、新疆东南部、青海西部、
甘肃西部
2800-3300
6700-8374
2
西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、
甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部
3000-3200
5862-6700
3
新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部
、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、
广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、
2200-3000
5024-5862
4
湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东
北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江
1400-2200
4187-5024
5
四川、贵州
1000-1400
3349-4187
研究成果表明,在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于2200小时的地区。
各区的分界情况可见太阳能资源分布图。
3、太阳能光热转换技术
根据我国的实际情况,在建筑中大力推广应用太阳能光热转换技术必将会把我国的建筑节能推广到一个新的阶段。
在这些新技术中从其成熟的程度来讲,首推太阳能热水器,其次是太阳能采暖和太阳能空调。
一下从这三个方面逐一进行介绍。
(1)太阳能热水器
1、太阳能热水器的结构
太阳能热水器从结构上分类可分为整体式和分体式。
见下图
整体式分体式
整体式是将其主要部件集热器和水箱安装在统一的支架上由用户选用,这种型式只考虑了自身的结构和功能,而没有考虑与建筑的一体化结合,因此只适用于四周空旷的低层建筑,不属于我们的研究内容。
分体式是将其主要部件集热器和水箱分别安装在适合的部位,既有利于设备功能的发挥,又考虑到了建筑结构和外立面要求。
以下我们主要是研究分体式太阳能热水器的情况。
2、太阳能集热器的排布角度
太阳能集热器是太阳能热水器的主要收集设备,其排布方法是有一定的要求的。
应朝南向安装,四周无遮挡,集热器和水平的夹角为当地纬度+10度。
如果要求不能满足,将会使太阳能热水器的收集效率降低。
3、别墅型太阳能中央热水系统
目前,在别墅建筑中普遍采用大容量电热水器或燃气中央热水器2种形式。
大容量电热水器设有大容量的储热水箱,配以先进的控制系统,使用安全方便,但是耗电量大,热水成本较高,一般生产50℃的热水费用大于18元∕t。
燃气中央热水器可以即时供应生活热水,使用方便,热水生产成本也比较低,如果使用天然气生产的热水费用一般在10元∕t左右,但是别墅小区大都在郊区,使用燃气热水系统往往受配套气源的限制或者需要单独购买瓶装燃气。
别墅型太阳能中央热水系统是一种新型的热水供应形式。
它采用先进的太阳能集热技术和系统控制技术,将太阳能热水器与电热水器技术有机结合,克服了普通太阳能热水系统效率低,热水量小,冬季易冻裂,供水不稳定,和电加热中央热水系统运行费用高等缺点;利用免费的清洁无污染的太阳能,不受能源供应的限制,运行费用远低于电热水器。
别墅型太阳能中央热水系统主要有太阳能集热系统、循环系统、电辅助加热储热水箱和控制系统4部分组成。
太阳能集热系统采用高效、耐久、抗冻、安全的建筑构件型热管真空管式太阳能集热器,屋面上的太阳集热器构件与坡屋面外观协调,和谐。
带辅助电加热的承压热水箱置于室内,水箱内设置浮动盘管式换热器。
太阳能循环系统将集热器和水箱换热器组成一个闭式回路,通过控制系统来控制太阳能循环泵的运行,将集热器收集的太阳能热量输送到储热水箱,加热生活热水。
在太阳能辐照不足的阴雨天气,当水箱水温不能满足使用要求时,辅助电加热装置启动。
以下是别墅型太阳能中央热水系统原理
图
1别墅型太阳能中央热水系统原理图
当集热器感温探头处的温度T1高于设定的水箱出口温度T2时,控制器启动循环泵运行。
循环泵使回路中的传热流体循环运行,通过热交换器将太阳能集热器收集的热量传递到贮热水箱中。
在循环泵运行过程中,当温差小于一定值时,循环泵将停止工作。
当贮热水箱水温达到设定水温最大值时,控制器关闭循环泵。
单向阀阻止贮热水箱中的热水上升到集热器中(在晚间)。
在日照不足时,贮热水箱的水可能达不到可用水温,电辅助加热器可加热贮热水箱的水,使其达到可用水温。
与普通的太阳能热水器和其它热水加热形式相比较,别墅型太阳能中央热水系统具有如下优异特点:
采用最新设计的热管集热器,系统效率高;采用双回路系统,不怕冻,四季都能使用;太阳能电热水箱,安全可靠,免维护;关键部件为铜、铝、不锈钢材料,使用寿命15年以上;全自动运行,全天供应热水;即开即热,调温方便,使用舒适;系统承压使用,喷水有力,可多路供水;充分利用太阳能,比电热水器节能60%—90%;与建筑相结合,美观大方。
与几种热水系统的技术经济性比较
为满足别墅家庭住宅生活热水需求,一般有以下3种方案可供选择:
①电热水器系统,24小时供应家庭生活热水;②燃气热水器系统,24小时供应家庭生活热水;③别墅型太阳能热水系统太阳热水器,24小时供应家庭生活热水。
对以上几种方案的使用性能、经济性能、环保性能进行了对比(表1)。
可以看出,3种方案在住宅家庭热水供应上基本都能满足要求,但从使用、经济、环保等综合比较而言,有明显差别。
表1几种热水供应系统方案的综合比较
比较项目
电热水系统
燃气热水系统
别墅型太阳能热水系统
使用舒适度
很舒适
一般舒适
很舒适
全天供热水
好
中
好
即开即热节水
好
中
好
水温调节方便
好
差
好
运行费用
高
中
低
安全性及寿命
高
差
高
环保生态效果
好
差
好
安装施工
中
易
中
投资规模
中
低
中
电热水器系统的使用舒适度、安全性能、环保性能都比较好,安装施工方便,但运行费用过高;燃气热水器系统运行费用相对较低,但舒适程度一般,安全性和使用寿命不高;别墅型太阳能热水系统综合优点明显,其舒适、经济、环保、安全、可靠、寿命长、能全天候供应热水。
由此可见,别墅住宅家庭生活热水系统是比较理想的。
4、太阳能热水器在高层住宅上应用遇到的问题
太阳能热水器应用在高层住宅上和建筑的一体化结合是主要难点。
体现在以下几方面。
1)用地及规划原因对安装位置的限制
由于现在城市用地的日趋紧张加上北方气候的原因,大部分新建小区仍然为行列式布局,层数也逐渐发展为中高层住宅,这给普通整体式太阳能的安装带来了一定的限制:
首先表现在低层用户同层使用太阳能热水器在日照时间上无法保证,而且同层没有安装位置;如果安装在屋顶上,就存在管线过长、管线内凉水过多、热损失大等缺陷;加上高层部分屋面相对较小,去掉消防通道和设备用房的占用,从面积上也难以满足整栋楼的安装要求,所以在设计上就必须考虑其它的途径。
2)现有系统的限制
目前太阳能热水器系统形式一般为分户集热分户供水系统,各户之间用热水量不平衡,不能充分利用太阳能集热设施,系统的使用效率低,相应占用的空间和需要的成本较高,与建筑的结合性也差。
3)产品本身的问题
目前整体式太阳能热水器自身存在很多问题,很不适合在建筑上安装:
①大水箱带来的视觉效果不好,影响建筑美观,很难与建筑进行完美的结合;
②安装对屋面的影响较大,例如对屋面防水的破坏、结构的影响;
③整体式太阳热水器本身无法解决的一些问题,如真空管易结垢、易炸管碎管、不承压、不易自动控制等,限制了它的推广和使用。
4)建筑设计没有考虑
现在建筑设计对太阳能热水器的情况是连屋面上也没有预留管线接口及安装的基础,更不要说在阳台和墙面上以及对建筑一体化的考虑了。
因此,若能把建筑物与太阳能热水设施统一考虑,实现相互间的有机结合,既能提供生活便利,又能保持建筑物的整体性、美观性不受破坏。
5、太阳能热水器在高层住宅的两种做法
1)屋顶架空构架式(集中集热分户供水)
高层住宅楼顶位置最高,周围的遮挡较少,是热水器集热器安装的首选位置,如果把架空构架和太阳能热水器结合起来,使之既能满足形式的需要.又具有实用功能,即可做到形式和功能的统一。
①屋顶架空构架式的做法
1、集热器采用集中成片的热管式真空管太阳能集热器。
这种形式的水箱和集热管可以分离。
太阳能通过集热管中的介质传递到水箱中和水进行热交换。
这种间接式热交换、强迫式双循环的分离式承压系统不怕冻,不会造成真空管结垢、炸管,能承压运行。
即使有真空管损坏,系统仍能正常运行。
集热器不是直接放在屋面上,而是利用下部原有结构升出屋面形成架空的构架,使之成为集热器的安装场所。
构架可以用混凝土或钢结构做成倾斜式或水平的,细长密集的集熟管作为里面的小构架,达到和构架的完美结合,成为建筑的特色。
密集的集热管同时还能作为屋顶的遮阳构架,见下图
2、水箱的设置:
水箱可设在出屋面的楼电梯间的上面,对于单元式住宅来说,可以每个单元设计一个单独的水箱。
这样水箱的容积较小,对结构影响小;集热器和水箱的管线短,热损失少;另外和用水点的管线联系也非常方便,通过设在楼梯问内的管道井人户即可。
3、供水系统形式:
集中供热水系统相对于分户供热水系统,具有用户间用水量可以平衡,集热器利用充分,容易和建筑结合的优点,非常适合集合住宅的形式。
因此同等条件下应优先考虑采用这种系统。
这样不必每户均设上下水管和电管,只需安装集中的集热器、贮水箱和管道即可。
由物业部门统一管理维护,热水采用分户计量的方式,免去了各户自己购买、安装、维修管理的麻烦,还增加了室内使用空间。
比较理想的状态应该是采用区域供热,即一个住宅区为一个单位集中集热供热。
但由于国内的实际情况难以近期实现。
比较现实的做法是采用一个单元集中供热,这样不仅能有效和高效的利用太阳能,对于管理和维修也比较方便,同时还能充分利用空间和降低运行费用。
4、管道井的设置:
仍然利用原来楼梯间中的管道井作为进入各用户的管道安装位置。
②屋顶架空构架式的优点
这种把集热器构件与屋顶构架结合起来的做法优点很多:
1、构架处于建筑最高点,遮挡最少,集热效率高,易于连片布置。
2、构架作为建筑造型的一部分,完全和建筑融合;构架造型灵活多变,可以有各种不同的组合方式;集热管位于大的构架内构成小构架,加上距离地面较高,不易成为视觉焦点,不仅不像其它结合形式那样易于形成视觉污染,反而对造型是很大的提升。
3、集热器安装在构架上,而不是在屋面上,对结构、防水、保温不会造成破坏。
4、构架的安装不影响屋顶空间的使用,下方仍然是居民的活动场所和消防通道。
另外集热器构架在夏天会成为绝好的遮阳构件,使屋面的隔热作用有所加强,从而降低住宅顶层夏季室内温度。
5、施工维修均非常方便,安全性高。
6、采用集中供热系统,集热器和屋顶水箱连接距离近,热损失少。
连接管道可结合构架隐藏设置,不影响景观。
7、在设计阶段就考虑热水器的安装。
这样不仅能达到功能和造型的协调一致,还可以相应降低一定的投资,减少不必要的浪费和对其它住户的干扰。
③屋顶架空构架式太阳能热水器的缺点主要是:
1、对于层数太高的住宅建筑,由于户数太多,楼顶的面积安徘不下集热器的面积。
现在这种形式可做到20层左右。
2、由于生活热水的系统需要分区供水,楼层越高,分区越多,会占用较大的管道井面积。
2)阳台构架式(分户集热供热)
所谓阳台构架式指集热器安装在建筑南向阳台的做法。
①阳台构架式的做法
1、系统形式及水箱位置:
这种形式的系统采用分户集热供热、强制循环式、顶水式的管路。
水箱放置于室内或结合阳台布置,可以减小管路的长度。
同时避免破坏立面整体效果。
2、集热器的形式及位置:
真空管一般为蓝黑色玻璃管,它采用了选择性吸收涂层而具备特殊的色泽和质感,表面非常光亮,具有金属的质感,作为装饰性构架非常合适。
可以把集热管设在阳台外部构成遮阳构架的形式,这种形式不受阳台栏板高度的限制,对阳台内部采光影响较小,根据造型需要既可设计在阳台一侧或两户阳台的中间部位,也可外挂在阳台栏板处,使整个建筑在垂直方向上构成一排排的金属质感构架,可以起到非常好的装饰作用,见下图
3、管线室内敷设:
因热水器供水管道里面是自来水,故可采用冷水用PP-R管作为输送管材。
从热水器至室内的回水管则可采用铝塑复合管(PPR—AL.PPR)、稳态管(AL_PPR)或者PB管(聚丁烯管)。
上述管道沿墙、沿地暗敷和室内用水点相连。
②阳台构架式的优、缺点
这种形式的优点是使用、管理、维护由用户自己负责,对别的用户没有干扰,避免了屋顶构架式可能在后期因费用问题带来的纠纷;另外同层使用,连接管道短,相应热损失少,安装检修方便,集热管和建筑结合紧密,成为建筑的一个造型元素;同时集热管还有一定的遮阳作用。
缺点是对阳台较小的用户来说有一定的影响,另外低层用户使用受日照影响较大。
屋顶架空构架式和阳台构架式可以说是太阳能热水器和高层住宅两种最好的一体化结合方式,它们必将成为今后太阳能热水器应用在高层住宅上的的发展方向。
6、太阳能热水器利用于北京高层住宅的实际调查
根据北京市太阳能研究所相关人员了解的情况,北京市太阳能热水器大多用于宾馆、会所、学校、医院、办公等建筑中,应用于高层建筑中的极少,位于北京西三环六里桥附近的华源新第住宅小区一期的三栋20层的塔楼是竣工后加装的屋顶架空构架式太阳能热水器,可在春、夏、秋三季供应40度的生活热水,冬季仍需用通用方式提供生活热水。
北京市太阳能热水器的安装费用平均在50元/M2的范围之内。
(2)太阳能采暖
利用太阳能加热的系统,既可以为用户提供生活热水,又可以为住宅供暖。
实际上,太阳能采暖系统和太阳能热水系统的基本构成是相似的,因此国外太阳能界已经将太阳能采暖和太阳能热水建成同一套系统—“太阳能组合系统”它不同于由太阳能光热和太阳能光电组成的“太阳能联合系统”更不同于由太阳能和其他可再生能源组成的“混合系统”。
早在20世纪80年代中期,法国就着手研究太阳能组合系统,并推出一种称为“直接太阳能地板”的系统,到20世纪90年代奥地利、丹麦,芬兰、德国、瑞典,瑞士,荷兰等国家相继设计出各种型式的太阳能组合系统。
目前,欧洲标委员会太阳能热利用技术委员会(CEN/TC312)正在组织制定有关太阳能组合系统的欧洲标准。
在一些欧洲国家,太阳能组合系统在安装的全部太阳能热利用系统中已达到相当高的比例。
我国太阳能采暖的研究开发工作还处于初级阶段,目前,虽然已建成一些太阳能采暖系统的示范工程,但与太阳能组合系统的推广应用尚有一定距离。
(3)太阳能空调
人们不仅可以利用这部分热能为建筑物提供热水和采暖,而且还可以利用这部分热能为建筑物提供制冷空调。
从节约能源和保护环境的角度考虑,用太阳能替代(或部分替代)常规能源驱动空调系统,正日益受到世界各国的重视。
当前,世界各国都在加紧进行太阳能空调技术的研究。
据调查,已经或正在建立太阳能空调系统的国家和地区有意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、香港等。
利用太阳能进行空调,对节约常规能源,保护自然环境都具有十分重要的意义。
:
太阳能空调的最大优点在于季节适应性好:
一方面,夏季烈日当头,太阳辐照能量剧增,人们在炎热的天气迫切需要空调;另一方面,由于夏季太阳辐照能量增加,使依靠太阳能来驱动的空调系统可以产生更多的冷量。
这就是说,太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳辐照能量的增加而增大的,这正好与夏季人们对空调的迫切要求相匹配。
太阳能制冷空调可以用多种方式来实现,每种方式又都有其自身的特点。
将太阳能吸收式空调系统与常规的压缩式空调系统进行比较,除了季节适应性好这个最大优点之外,它还具有以下几个主要优点:
①传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质它对大气层有一定的破坏作用吸收式制冷机以不含氟氯烃化合物的溴化锂为介质无臭无毒无害有利于保护环境
②无论采取何种措施压缩式制冷机都会有一定的噪声而吸收式制冷机除了功率很小的屏蔽泵之外无其他运动部件运转安静噪声很低
③同一套太阳能吸收式空调系统将夏季制冷冬季采暖和其它季节提供热水种功能结合起来做到了一机多用四季常用可以显著地提高太阳能系统的利用率和经济性。
1、太阳能空调原理
太阳能制冷空调,首先是将太阳能转换成热能,再利用热能使系统达到并维持所需的低温。
在建筑中应用的太阳能空调属于太阳能制冷的一种实例。
太阳能空调就是不断地从建筑物内的空间取出热量,并转移到自然环境中,使建筑物内的温度低于周围环境的温度并维持这个低温。
1、太阳能吸收式制冷系统
太阳能吸收式制冷,就是利用太阳集热器将水加热,为吸收式制冷机的发生器提供其所需要的热媒水,从而使吸收式制冷机正常运行,达到制冷的目的。
在太阳能制冷中,目前吸收式制冷应用最多。
理论分析与实验结果都已经证明,热媒水的温度越高,制冷机的性能系数(COP)就越高,这样空调系统的制冷效率也就越高。
太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器、吸收式制冷机、空调箱(或风机盘管)锅炉、储水箱和自动控制系统等组成如图2所示。
太阳能吸收式空调系统可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能。
图2太阳能吸收式空调系统工作原理图
在夏季被太阳集热器加热的水首先进入储水箱当热水温度达到一定值时从储水箱向吸收式制冷机提供热媒水从吸收式制冷机流出并已降温的热水流回到储水箱再由太阳集热器加热成高温热水吸收式制冷机产生的冷媒水流到空调箱或风机盘管以达到制冷空调的目的当太阳能不足以提供高温的热媒水时可由辅助锅炉补充热量
在冬季,太阳集热器加热的热水温度达到一定值时,从储水箱直接向空调箱(或风机盘管)提供热水,以达到供热采暖的目的。
当太阳能不能满足要求时,也可由辅助锅炉补充热量。
在非空调采暖季节,只要将太阳集热器加热的热水直接通向生活热水储水箱中的换热器,通过换热器就可把储水箱中的冷水加热。
2、太阳能空调的实际应用
我国在70年代以后也开始进行太阳能制冷空调的研究,“九五”期间在广东江门和山东乳山两地组织实施了太阳能空调重点科技攻关项目。
①1998年在江门建成太阳能空调系统,采用500m2高效平板太阳能集热器驱动双级嗅化锉吸收式制冷机,COP约为0.40②1999年在乳山建成太阳能空调系统,采用2160支热管式真空管集热器,太阳能驱动单效嗅化铿吸收式制冷机COP可达0.7。
它们都是夏季利用太阳能热水作为吸收式制冷机的驱动能源,冬季利用太阳能热水作为热源,末端系统往往采用风机盘管或空调箱,电燃气等常规能源作为辅助能源保证系统的可靠运行。
虽然上述方式是目前利用太阳能进行制冷空调的唯一可行方式,但由于其造价高,COP值低,投资回收期太长而限制了其大范围的推广使用。
4、结论
通过以上对太阳能光热转换技术的在建筑领域的利用情况的研究,我们可以知道:
1、从生活热水、采暖、空调三个方面来看,太阳能生活热水在我国研究、推广的最快,并且已经走向商业化、市场化。
而采暖和空调由于其效率、系统的重复投资、造价等问题还有待进一步开发。
2、太阳能热水系统在建筑上的利用已经很普遍,但是它受到建筑形式和外立面等诸多方面的影响,推广的难易程度不同,总的来看别墅型低层建筑系统相对简单、使用人数少、容易推广;高层建筑系统复杂、使用人口多,推广难度大,高层建筑高于20层不宜设置集中太阳能热水系统。
3、经咨询北京节能环保中心,现在北京市尚没有使用太阳能方面的优惠政策,各地的情况尚不清楚,政策的出台将有利于太阳能技术的进一步推广。
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