太阳能技术在民用建筑中的应用

我国是一个能源消耗大国，建筑是传统的高能耗领域。据统计，国内建筑能耗约占全社会总能耗的三分之一，采暖、热水、空调能耗占建筑能耗的65%左右，而综合利用太阳能，全面实现太阳能与建筑一体化，可有效地降低建筑物能耗，减少常规能源的使用量。目前，在我国的大多数城市，政府都出台了节能及绿色建筑的文件，要求在民用建筑中安装太阳能利用系统。

太阳能利用的常见方式为直接利用、光--热转换利用、光--电转换利用。

直接利用的主要技术就是太阳能导光管;光—热转换利用技术主要包括太阳能生活热水、太阳能供暖、太阳能制冷、太阳能热压通风等。光—电转换利用技术主要是太阳能光伏发电及太阳能玻璃发电。

下文分别介绍这几种技术：

【 1 】太阳能直接利用技术：太阳能导光管

导光管采光系统通过室外采光装置收集室外的阳光并滤除90%以上的紫外线，将安全的阳光导入系统内部，经由特殊制作的导光管传输后，由安装与系统另一端的漫射装置把自然光线均匀发散到室内任何需要光线的地方。利用该系统得到的室内光线从黎明到黄昏，甚至是阴天都十分充足。

图1 太阳能导光管工作原理图

图2 太阳能导光管的应用--成都大源商务区地下环廊

【 2 】太阳能光--热转换利用技术

2.1 太阳能生活热水

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能，把水加热，供应建筑物生活热水的系统，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。太阳能常见的集热器类型有：全玻璃真空管集热器、U形真空管集热器、热管式真空管集热器、平板式集热器。

按各用户集热器是独立还是合并设置，太阳能热水系统分为分散系统及集中系统。分散系统中，按集热器的位置又分为屋面一体机、屋面分体机、阳台分体机、外墙面分体机等4种方式。集中系统中，按辅助热源的方式，又分为分散辅热--分户水箱、集中辅热--集中供水等2种方式。

2.2 太阳能供暖

太阳能采暖系统由太阳能集热器(集热器类型与太阳能热水相同)、水箱、连接管道、控制系统等构成，是指通过集热器，把太阳能转换成热水，将热水储存在水箱内，通过循环泵输送到发热末端(例如：地板辐射采暖、暖风机、风机盘管等)，提供建筑供暖的需求。

由于太阳能具有能量的不稳定性，会受到天气的直接影响，如夜晚及阴雨天没有太阳能可以利用，所以太阳能供热一般都需要其它形式的辅助能源。太阳能供热系统的工作温度越低热效率越高，因此太阳能供热适宜采用低温热水地板辐射采暖(供回水温度最低可以是30℃)。推荐太阳能供热系统工作温度低于50℃。太阳能辐照变化与热负荷之间是不平衡的，白天光照强烈，热负荷低;夜间无太阳光，热负荷高。

为了解决这一问题，需设置储热水箱，储存高辐照时太阳产生的热量，供应低辐照或夜间使用。

2.3 太阳能制冷

采用聚焦型集热器来收集太阳能，产生高温热水或蒸汽，用来驱动吸收式制冷机，产生空调系统所需要的冷冻水。

2.4 太阳能热压通风

一定空间内，空气温度的差值所导致的空气密度不同而产生的压力差就称之为“热压”，可利用该热压形成的烟囱效应，来进行自然通风。在建筑物的底部，室外空气压强大于室内压强，随着高度的增加，室内外的压强差趋向于零。在建筑顶部，室内的空气压强比室外空气压强高。大约在高度一半的水平面上，室内外压强相等，这个室内外压强差等于零的平面称为“中和面”。中和面以下，室内空气压强小于室外空气压强，气流由室外导入室内;中和面以上，室外空气压强小于室内空气压强，气流由室内空间流向室外。

日光城是奥地利首府林茨北部的一个新城区，在西区的住宅设计中，设计师将楼梯间设计为一个贯通玻璃体，在其顶部设置了通风窗及太阳能集热板，借助烟囱效应，楼梯间形成被动式通风竖井，拔出建筑内的热空气。

在炎热夏季的下午，西向太阳的辐射是导致建筑室内温度过高的主要原因。在建筑西侧一定距离处设置防晒墙，对于阻挡太阳辐射起了积极的作用，同时防晒墙与建筑西墙之间的空腔形成通风通道，在辐射热的作用下，空腔内形成烟囱效应，冷空气从空腔的底部进入，热空气从空腔的顶部流出，形成了自下而上的空气流动，带走多余的热量，降低了西向墙壁的温度。

【 3 】太阳能光--电转换利用技术

3.1 太阳能光伏发电

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高;在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。

太阳能电力墙是将太阳能光电池与建筑材料相结合，构成一种可用来发电的外墙贴面，既具有装饰作用可为建筑物提供电力能源，目前其成本与花岗石一类的贴面材料相当。图13为在瑞士斯特克波的一座42m高的钟塔，表面覆盖着光电池组件构成的电力墙，墙面发出的部分电力用来运转钟塔巨大的时针，其余电力被送入电网。

3.2 太阳能玻璃发电

将一部分透射光分散在玻璃窗上，被纳米粒子(半导体量子点)吸收，然后重新发射出肉眼看不见的红外波长，再被传导到窗户边框上的太阳能电池上。这种新兴的太阳能转化设备——发光太阳能聚光器能把几乎透明的玻璃窗变成发电机，为人们提供电能。在艳阳高照时，屋子里的每一扇玻璃窗都会成为发电机，可以在炎炎夏日为空调提供电力，或者在寒冬给房间里的热水器供电。量子点发光太阳能聚光器还具有节能作用，其过滤效果能降低室内温度，这也意味着可以减少空调的运转时间。

太阳辐射能作为一种自然能源，以其储量丰富且无污染性显示了其独特的优势，已被国际公认为未来最具竞争性的能源之一。我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上，在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。

在人口膨胀、资源紧张等问题困扰人类的今天，开发利用太阳能，提倡建造绿色建筑，充分体现了可持续发展和人类回归自然的理念。

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