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太阳能与民用建筑结合应用问题探讨

  目前，太阳能与民用建筑结合应用技术主要是太阳能热水采暖方面，主要包括太阳能采暖热水系统、太阳能热泵联合供暖、太阳能供暖与制冷综合系统。
   太阳能采暖热水复合系统
   太阳能采暖与热水复合系统，既可以为用户提供生活用热水又可以为住宅提供建筑采暖。欧洲、北美对太阳能供热（热水、采暖）系统的工程应用已有几十年历史，过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统的工程应用有较快发展。
  德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用；欧洲大多数国家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系统造价的20%～50％。
  以色列80％住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度27米以下新建住宅必须安装太阳能热水器。
  丹麦Marstal太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积1.83万m²，与社区热力网连接，1996年建成运行年热负荷28GWh/年，同时使用2100m³水箱、4000m³水容量砂砾层及10000m³地下水池蓄热。
  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。进入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形式的太阳能组合系统，许多科学家对各种系统的热性能进行了实验研究和理论分析。
  在北欧，这些系统中太阳能对热水的需求量的贡献可以达到40%～60%，就发展趋势看，国外研究重点已从推广小型家用太阳能热水器发展到储热集中供热系统，这有利于降低单位热量的投资。目前，欧洲标准化委员会太阳能利用技术委员会（CEN/TC312）正在组织制定有关太阳能组合系统的欧洲标准。
  我国太阳能产业发展很快，截至2006年，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达1亿平方米，生产量和使用量居世界第一。虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛。但太阳能采暖工程应用却处于起步阶段，已建成的都是单体示范建筑，如北京清华阳光公司办公楼、天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程则还没有应用实践。
  近年的太阳能采暖建设项目中，比较集中和有代表性的是北京周边郊区县新民居的太阳能采暖工程。由于农村住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大、维护水平高的集中供暖模式，而传统的燃煤取暖方式又存在效率低、污染环境、费用较高等问题，在农村推广安全环保、运行费用低的太阳能采暖系统符合新农村建设的客观要求。太阳能采暖所需的集热面积远大于太阳能热水系统，安装位置要求较大，对于高层建筑或居住密度较大的城区存在安装建设条件不足的问题，限制了应用，而农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，具备建设太阳能采暖项目的良好条件。北京平谷区新民居太阳能采暖工程项目进展较早，有很多成功应用的经验。
  该复合系统包括集热器、蓄热水箱、辅助加热器、换热器的组成。利用地板辐射采暖与太阳能集热系统相结合，室内设计温度可比散热器形式低2℃～3℃，节能20%～30%。地面作为散热源温度不能过高，人员经常停留处一般不高于29℃。地板采暖温度一般都在60℃以下，太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高，所以它是目前建筑冬季采暖的最佳解决方案之一。
  此复合系统相比常规能源采暖节省了运行费用，降低了环境污染，但受到建筑外环境空间条件、初投资过高、与辅助热源结合方式以及采暖时段等原因限制，致使太阳能集热效率降低，投资回收期过长甚至无法回收，不能有效发挥太阳能环保节能优势。
  太阳能热泵联合供暖系统
  国外已有不少研究性和成功运行的太阳能热泵供热系统。日本、美国、瑞典、澳大利亚等国投入大量的人力、物力对太阳能热泵进行深入的研究和开发，已实施多项太阳能热泵供热系统的示范工程，取得一定经济效益和良好的社会效益。
  近年来，土耳其、印度尼西亚等发展中国家对太阳能热泵进行大量的研究。在产业化方面，美国的Solarng系列太阳能热泵供热设备和澳大利亚的Quantilln系列太阳能热泵热水器就是比较典型的产品范例。
  我国对太阳能热泵研究的起步较晚，已有天津大学、青岛建工学院、上海交通大学等进行理论和试验方面研究。
  1.天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行理论和试验研究（集热器为真空管式），结果表明该系统四季可供应50℃热水，并具有一定的节能效果，热泵COP约为3。真空管集热器夏季可单独运行供热水;冬季则可与热泵联合运行。
  2.青岛建工学院对串联式太阳能热泵供热进行了试验研究，热泵机组平均制热性能系数为2.55，整个供热系统平均值热性能系数为2.19，系统未使用辅助热源。
  3.上海交通大学建立了直膨式太阳能热泵供热水系统试验台，热泵平均COP为4.18。
  4.哈尔滨工业大学对太阳能热泵的各种不同运行工况进行了分析研究。
  在产业化方面，我国基本上是太阳能热泵中央热水系统为主，主要示范建筑有北京月坛体育中心综合训练馆、北京奥运村、天普新能源示范大楼。太阳能热泵在供暖工程上的应用刚起步，发展前景广阔。
  太阳能热泵根据集热器与热泵的连接形式，太阳能热泵可分为直膨式和非直膨式，在直膨式系统中，蒸发器和集热器合二为一，制冷剂直接在太阳能集热器接受太阳辐射而蒸发，集热板即蒸发器。对于非直膨式系统，可以定义一个基本的太阳能供热系统，它有太阳能集热器、蓄热水箱、循环泵、水-空气热交换器、辅助供热等组成，太阳能热泵供热系统就是在此基础上扩展而成的。此系统具有集热效率高、供热性能系数好、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广的优点，同时加装室外空气换热器，系统具备夏季制冷功能；但太阳能具有低密度、间歇性和不稳定的优点，在太阳能集热器、水箱的选型上，要合理确定冬季热泵供热用太阳能集热量以及冬季辅助加热量，已取得投资运行最佳效益。
  太阳能制冷与供暖综合系统   
  从70年代后期开始，太阳能利用技术迅速发展，太阳能空调技术也随之出现。
  美国佛罗里达大学的法伯教授早就着手于这方面的研究并投入了实际运行采用氨吸收式制冷机，冷却水为21℃的井水，制冷机制冷系数为0.45左右。
  日本研制的太阳能供冷系统，由面积32.2m²的平板集热器、7kW的溴化锂吸收式制冷机和2.5m³的蓄热水罐组成，该系统可提供冬天供热所需的全部能量和夏天为驱动吸收式制冷机所需能量的70%。
  在我国，太阳能制冷、空调技术的研究也取得了许多成果。1975年天津大学研制的连续式氨-水吸收式太阳能制冰机，日产冰量可达5.4kg。
  1979年首都师范学院等研制出8m²平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜。
  华中理工大学研制了采光面积为1.5m²、冰箱容积为70L、以氨-水为工质对的小型太阳能制冷装置。
  上世纪80年代，香港大学完成了太阳能吸收式空调的设计和运行试验，并在香港气候条件下进行了性能测试。
   上海交通大学制冷与低温工程研究所提出了一种太阳能供热与制冷联合循环的复合机装置。
  1987年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作，在深圳建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统，集热面积共120m²，制冷能力14kW。
  1998年1月，中科院广州能源研究所研制成功了实用型太阳能空调热水系统，并在广州江门市投入运行，其中制冷用热水温度为65～75℃，生活热水温度为55～60℃，采用了500m²高效率平板集热器和一台100kW两级吸收式制冷机，该系统可满足超过600m²的空调负荷。
  20世纪90年代，真空管集热器和溴化锂吸收式制冷机大量地进入了市场。夏季真空管集热器的热水温度都在85℃以上，完全能够满足太阳能空调的需要。而中国科学院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式制冷机，热源温度只需60℃以上，特别适合于太阳能空调中使用。随着太阳能集热器、制冷机技术等关键技术的成熟，太阳能空调将得到快速发展。
  太阳能供热与制冷综合系统是建立在太阳能吸收式制冷与太阳能地板辐射采暖的基础上组合而成，该系统主要部件有：全玻璃真空管集热器、蓄热水箱、热水型溴化锂吸收式制冷机、辅助热源（电加热）、循环泵、采暖盘管、末端盘管、热水泵、负荷泵、冷却水泵等组成。
  此系统满足了民用建筑对一年四季热水-供暖-制冷的要求，夏季太阳辐照越强时，冷负荷越大，而集热器集热量也最大，可以有效提供给制冷机足够的热量，冬季采用地板采暖，要求水温较低，集热器提供热水温度完全可以提供于供暖，由于设置了辅助热源，可以保证系统连续稳定的运行，同时由于太阳能收集的时效问题、蓄热技术必须得到很好的解决，现在的蓄热技术主要是增加热水容量，增强水箱保温效果。因此，太阳能集热器、水箱成了整个系统关键技术，通过对太阳能集热器与水箱大小的分析研究，才能建立一个最为经济合理的太阳能供暖与制冷综合系统。
  鉴于此，我们需要综合了解各种太阳能技术的优缺点，针对不同类型民用建筑，选择合适的太阳能供暖方式，研究系统之间的相互匹配关系，建立一个最为经济合理的太阳能供热系统，同时在经济方面寻找一个合适的平衡点，以更明智、更现实的方法来利用太阳能资源，使之真正成为建筑物的配套设备，将会有效地减少建筑能耗、保护环境，并大大促进我国太阳能产业发展。
  太阳能在建筑中推广应用的意义
  1.节能
  我国的建筑能耗在全国能源消费总量中的比例呈现出逐渐上升的趋势，我国北方城镇采暖能耗占全国建筑总能耗的36％，为建筑能源消耗的最大组成部分。单位面积采暖平均能耗折合标准煤为20kg/m²·年，为北欧等同纬度条件下建筑采暖能耗的2～4倍。
  能源消费结构的不合理给我国环境问题带来了巨大的压力。太阳能作为清洁环保的可再生能源，已经被广泛用于民用建筑当中，研究表明: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2200h的地区。因此我国在大部分地区的建筑物中推广应用太阳能热利用技术已具备了良好的条件，特别对电力紧缺地区具有一定的经济效应和社会效应。太阳能广泛应用于建筑物采暖不但节省了大量的化石能源，而且减少了对不可再生能源煤的消耗。
   2.经济
  民用建筑采暖的迅速发展，导致了居民生活用电量迅速增加，由于我国电力系统本身特点（火力发电占绝大部分），调节性能较差，且已经存在着很大的高峰低谷负荷差异。随着居民住宅采暖的发展，虽然其耗电量不大，但却进一步加大了这种峰谷负荷差异，使得电力系统的发展越来越不平衡，高峰负荷日益增加，因此这样会造成巨大的能源消耗和严重的污染。太阳能用来采暖将会给个人、国家都会带来巨大的经济效益。
  3.提高人民生活质量
  随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，人们对生活舒适度的追求越来越强烈，尤其偏远的农村地区，能源短缺，太阳能在民用建筑采暖和热水供应，有效地减少了能源短缺的现状，提高了人们的生活舒适度。