太阳能在智能建筑中的应用

雷国刚 胡宁 姚飞

0 引言

太阳能是指直接投射到地球表面的太阳辐射能。在可再生的新能源中,太阳能是重要的部分。太阳能资源由于取之不尽、用之不竭,而且清洁无污染而最为引人注目、开发研究也最多、应用最广,应当在智能建筑中将太阳能进行推广和应用。根据太阳能在建筑中的应用方式,智能建筑中太阳能的应用主要包括：太阳能热水、太阳能光伏发电、太阳能空调、太阳能制冷、太阳能采暖、太阳能路灯照明等。

1 太阳能利用技术在建筑中的应用研究

1.1 太阳能热水系统

太阳能热水系统技术是目前主动式太阳能利用中应用最广泛的、产业化发展最迅速的领域,它可以为用户提供热水或采暖。太阳能热水系统通常由太阳能集热器、传热工质、贮热水箱、补给水箱和连接管路等组成,见图1。其工作过程是：在太阳辐照下,集热器吸收太阳能并转换成热能传递给集热器内的传热工质,传热工质受热后通过自然循环方式将贮水箱中的水加热,或者通过强迫循环(如泵循环)方式将集热器中的热能传递给贮水箱中的水。有些太阳能热水系统还有辅助加热装置(如电热器),保证整个系统在阴雨天或冬季光照强度弱时仍能正常使用,保证用户使

用热水或采暖的要求。

1.2 太阳能采暖系统

太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展,目前常见的太阳能采暖系统通常分为太阳墙采暖系统和太阳能热水辐射采暖系统。

1.2.1 太阳墙采暖系统

太阳墙采暖系统核心组件是太阳墙板。太阳墙板是在钢板或铝板表面镀上一层热转换效率达 80%的高科技涂层,并经过特殊设计和加工处理制成的,能最大限度地将太阳能转换成热能。太阳墙板的表面有许多大约 1mm直径的小孔,允许外面空气通过。其工作原理为室外新鲜空气经太阳墙系统加热后由送风机送入室内,置换室内污浊空气,起到供暖和换气的双重功效。送风机产生负压使室外空气被压入,室外空气在流经过太阳墙板面小孔时被加热,然后被加热的热空气由供风管道传入室内,墙内壁向外产生的热散失可由介于太阳墙板和建筑物外墙之间的供风气流回收,充分利用了太阳墙板被阳光加热的热量。

1.2.2 太阳能热水辐射采暖系统

太阳能地板辐射采暖是一种将太阳能集热器吸收的太阳能作为热源,通过敷设于地板中的盘管加热地面进行采暖的系统,该系统是以整个地面作为散热面,传热方式以辐射散热为主。当太阳能集热器出口处水温达到要求值时,启动太阳能上水泵,热水箱底部的水进入集热器进行加热,并将集热器的热水压入水箱,水箱上部温度高,下部温度低,下部冷水再进入集热器加热,构成一个循环;当太阳能集热器出口处水温降到某一温度值时,水泵停止工作,为防止反向循环及由此产生的集热器的夜间热损失,则需要一个止回阀;当蓄热水箱的供水水温达到供暖值时,可开启供暖循环泵进行采暖循环。为了保证热水箱供应热水的不间断性,在热水箱内设有辅助加热装置。

1.3 太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、防反充二极管以及负载等部件构成,见图2。

系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器三大部分构成。太阳能电池方阵在太阳光辐射下产生直流电,经联网逆变器转换为交流电,经由配电箱将电能一部分供家用电器使用,另一部分多余的电能馈入公共市电网;在晚上或阴雨天发电量不足时,由公共市电网向家庭用电设备供电;无论是由公共市电网向家庭用电设备供电还是将多余的电能馈入公共市电网,都要经过电表计量向公共市电网“卖出”的电量和由公共市电网“买入”的电量,计算家庭每个月的电费。

1.4 太阳能光热转换制冷系统

太阳能光热转换制冷,首先是将太阳能转换成热能(或机械能),再利用热能(或机械能)作为外界的补偿,使系统达到并维持所需的低温。主要为太阳能吸收式制冷系统(消耗热能)。

太阳能吸收式制冷就是利用太阳能集热器提供吸收式制冷机循环所需要的热源,保证吸收式制冷机正常运行达到制冷的目的。太阳能吸收式制冷系统主要由太阳能集热器、热水箱、辅助加热器、吸收式制冷机、冷却塔、冷冻水箱等组成,其中吸收式制冷机包含发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器,制冷剂/吸收剂在制冷机内通过汽化—冷凝—蒸发—吸收四个过程完成制冷目的。太阳能吸收式制冷包括两大循环,即太阳能热利用循环及吸收式制冷循环。

太阳能热利用循环由太阳能集热器、储热水箱、辅助加热装置等几部分组成。太阳能集热器吸收太阳能热辐射,将热水箱内的水加热作为吸收式制冷机发生器的热源,如果集热器加热后的水达不到水温要求,通过辅助加热装置辅助进行加热。

1.5 太阳能固体吸附式除湿空调系统

太阳能除湿空调以具有吸湿性能的除湿剂为工作介质,通过除湿剂与空气的直接接触,从而实现对空气的除湿处理过程,除湿器和再生器是除湿空调系统最重要的组成部件。

固体吸附式除湿装置主要分为两大类：一类是固定床式除湿器;另一类是转轮除湿器。转轮除湿器由于其运行维护方便与太阳能系统结合简单,且可以实现连续除湿等优点而被作为除湿领域研究的重点。

基于太阳能再生的转轮除湿独立新风系统将独立新风与除湿转轮结合起来,直接利用太阳能作为除湿转轮的再生能源。新风进入除湿转轮进行除湿,同时升温,将去湿升温后的新风与排风进行进一步的湿热交换,再经表冷器进行等湿降温后送入空调房间,通过对表冷器进行控制可以调节送入房间新风的状态,除湿转轮由太阳能集热器提供再生热量。

热回收转轮都是用在末端组合式空调机组上的,以夏季制冷工况为例：转轮回收回风的冷量给新风,使新风的温度下降,达到初次处理的效果,从而减少了对新风处理的要求,达到了节能和节约运行成本的效果。

1.6 太阳能照明系统

太阳光线相比其他能源具有清洁、安全、高效的特点,相同照度的条件下,太阳光带入室内的热量比绝大多数人工光源的发热量都少。根据太阳光的利用方式,太阳光照明技术可以分为三种,第一种是直接利用方式,目前应用较多的是利用采光板反射太阳光将太阳光线引入室内;第二种是利用太阳光的光电转换,将太阳光直接转变成电能用于照明;第三种是利用光纤或导光管,将太阳光直接引到室内实现照明。

1 )太阳能采光板采光。

采光板的内外表面比较光滑,易于阳光的反射;表面涂反射率较高的涂料,可以让更多的光线进入室内。采光板的作用是利用较小的窗户开口将室外及窗口附近的太阳光通过反射引入室内较深的区域。通常条件下,直射辐射强度是散射辐射强度的4倍～7倍,采光板主要利用直射光线。室外直射辐射通过较小的上部窗户开口被采光板反射到室内顶棚,经过顶棚的散射反射,均匀地照亮离窗口较远处。在窗口面积不变的情况下,离窗口较远的位置得到充分的照明,提高了室内采光的均匀度和视觉舒适度;上部开口的面积较小,虽然有反射辐射进入,但不会严重地增大室内的空调负荷,而且室外的采光板在一定程度上起到了外遮阳的作用,有利于提高窗户附近的热舒适性,减小了空调负荷及直射眩光。

2 )太阳能导光管采光。

导光管,顾名思义就是通过特殊的管道将太阳光线传导至室内,它是一种健康、环保、无能耗的绿色照明,系统的使用寿命可达 30年,且无需维护。与采光天窗和侧窗相比,导光管照明效果不会因光线入射角的变化而改变,且照射面积大,出射光线均匀、无眩光、不会产生局部聚光现象,是太阳能光利用的一种有效方式。

导光管系统主要由采光罩、导光管以及漫射器三部分组件构成。通过室外的采光罩将天然光采集到系统内,光线穿过表面镀有纯银材料的高反射导光管,使光线得到传输和强化,再经过室内的漫射装置,将光线在室内均匀分布。

导光管可以安装在建筑物屋顶或地表上,通过顶部采光的方式将太阳光线送到室内或者地下室中,代替或补充电能照明;导光管还可以安装在建筑物外墙,通过侧面采光的方式将太阳光线导入室内。

3 )太阳能光纤采光系统。

太阳能光纤照明系统是通过聚光组件收集和汇聚太阳光,然后利用导光光纤将太阳光直接引入有照明需求的地方。太阳能光纤照明系统主要由自动跟踪采光装置、传光纤和室内照明装置三部分构成。

太阳能光纤照明系统的工作原理为：由光检测器对阳光照射情况进行检测及判断,并将信号送至驱动电路,由驱动电路提供正、反转驱动电流给驱动电机,再通过机械传动机构带动太阳光采光装置转动,实现跟踪并使透镜对准太阳。在对准太阳的情况下,由光耦合器在透镜焦距附近获取高密度光通量,然后经光纤传输供给特制照明装置。

太阳能光纤照明技术从最初仅用于产生特殊的照明效果(模拟闪烁的星光),到如今不但广泛应用于装饰照明,而且被广泛应用于局部效果照明、广告牌照明、建筑物室外公共区域的引导性照明、室内外水下照明和建筑物轮廓及立面照明之中,并已经取得了良好的照明效果。

2 结语

智能建筑作为目前建筑行业的发展方向,其节能效果非常突出,同时太阳能的节能效果优异,可明显降低建筑能耗、减少污染物排放,因此将太阳能与智能建筑结合,建筑的节能减排效益将会更加显著,应该大力的进行推广。太阳能与智能建筑结合后,太阳能可直接为智能建筑提供热水、供暖、供电照明、空气调节、制冷等功能,一旦太阳能与智能建筑相结合,就要考虑使用建筑智能化系统中的智能化技术对太阳能应用系统进行统一的综合管理,将其纳入到智能建筑的组成中,用建筑智能化技术将太阳能应用系统监视和控制起来,发挥出最大的节能环保效益。

[1] 江 亿.中国建筑能耗现状及节能途径分析[J].新建筑, 2008(2)：4-7.

[2] 张玳珲.建筑节能技术的发展与创新[J].科学新闻,2008 (7)：46.

[3] 张 丽.中国终端能耗和建筑节能[M].北京：中国建筑工业出版社,2007：3.

[4] 王 娜,王 检,段晨东.智能建筑概论[M].北京：人民交通出版社,2002：8.