太阳能综合能源利用工程示范

李小军 杨 芳 张明礼

（平高集团有限公司 河南平顶山 467000）

1 太阳能利用技术

世界上所有的能源基本都是由太阳能直接或者间接提供的。在远古时代人们就已经会简单的利用太阳能进行基础的生产活动。而现代科技的发展使得人们可以通过某些系统或者设备将太阳能的辐射能进行直接的收集、转化或者储存。因此，如何更好地发挥太阳能应有的价值，是需要不断探索革新的。

1.1 太阳能光热应用

目前，对于太阳能最广泛且最普遍的应用是光热应用，光热应用根据热能的温度范围可以分为200℃的低温应用，200到800℃的中温应用以及大于800℃的高温应用。太阳能的低温应用主要用于太阳能热水器、海水淡化、太阳能房屋等。中温应用主要运用于太阳灶、太阳能发电、工业预热等。高温应用则可以运用到太阳能热化学、高温太阳炉当中。目前太阳能的光热不仅仅局限于人类的日常运用，还延伸到工业、农业等其他各个领域当中[1]。

1.2 太阳能采暖

太阳能采暖是通过收集太阳能热量，并通过集热系统将所手机的热量应用于日常取暖需求，按照收集热量的方法不同可以划分成主动式采暖和被动式采暖两部分，其判断区别的主要依据是采暖系统是否需要外部驱动力。

主动式太阳能采暖一般是采用水泵或者是过风机进行动力驱动，通过驱动传热介质将所收集的太阳能热量传输到需要供暖的位置。但由于太阳能受到时间限制，辐射不稳定，夜晚时候甚至无太阳能辐射，一般在采暖系统中都会备有辅助的能源系统以满足太阳能供给不足时的采暖需求[2]。

被动式采暖相比于主动式系统结构较为简单，且对系统的维护较为方便，主要通过对建筑物的布局进行相对应的改造，让建筑物内诸如窗户、墙壁、屋顶或者地面等部分可以尽可能对太阳能进行吸收存储。

2 太阳能建筑

太阳能建筑是目前建筑行业的着重发展趋势，是太阳能综合能源利用的产物，也是本文所需要重点描述的内容。

2.1 太阳能建筑概况

本文主要以中国科技大学所研究设计建造的太阳能示范建筑为主要介绍案例。该栋建筑的主要结构为双层的轻型木质结构。其建筑的主要目的是希望能给从事太阳能能源技术相关工程与太阳能技术和建筑工程相结合的研究学者提供参考借鉴意义，同时也为提供太阳能综合能源利用示范工程提供示范参考作用。

2.2 示范建筑主体框架

该建筑为轻型木质结构的双层建筑，总面积为265.6平方米，其中建筑一层的面积为166.8平方米，楼层高度为3.3米，楼层净高度为3米；建筑二层的面积为98.8平方面，除了二层走廊以外的位置净高最小为3米。该建筑主要功能为服务于办公用途[3]。

2.3 示范建筑设计理念

该示范建筑的主要目的是为了给从事太阳能与建筑工程设计一体化的相关研究人员以参考借鉴价值，同时也为太阳能与建筑相结合提供示范作用。该栋建筑主要是以提高收集与转换太阳能效率为出发点，力求通过合理利用太阳能减少建筑内部所需能源的消耗为设计初衷。对建筑整体的运行操作、控制与系统模式进行合理的优化与改进，以提供真实可靠的太阳能建筑关于节约性能消耗的评估标准[4]。

2.4 示范建筑创新点

该示范建筑通过将太阳能技术与建筑相结合，通过建筑有效搭建太阳能系统，主要含有以下几点创新：

（1）有机集成了多种与太阳能相关的技术，包括太阳能光热技术，太阳能光伏技术，太阳能采暖技术等，通过与建筑的有效结合，达成降低建筑所需消耗能源的效果，通过太阳能技术的应用实现对建筑整体进行供暖、制冷、供电、生活热水等建筑日常所需消耗能源需求。

（2）以太阳能技术为主，并有机结合被动的空气供暖技术以解决冬季日常建筑南北朝向的房间温差过大导致的居住舒适性差的问题；太阳能技术的引进有效解决了传统集热器容易造成的夏季过热、冬季过冷的问题，集热器内的太阳能全年利用率得到有效提升[5]。

（3）太阳能综合能源利用与建筑有效结合，在通过太阳能进行光伏发电的同时还能收集热能，通过热能制造生活用水并对建筑内部房间进行供暖，同时热能收集也对太阳能电池起到冷却作用，提升光伏电池发电效率[6]。

（4）提高经济效益，太阳能新技术的成本运用较低，而在建筑上能得到集成高效的回报，并且通过建筑示范，还能为今后太阳能综合能源利用建筑提供参考与借鉴的价值[7]。

3 太阳能建筑运行策略

在太阳能综合能源利用工程当中，多种太阳能技术之间及时相互独立又有相互联系，通过系统与系统间的协作配合，以满足太阳能建筑内部日常的制冷、供暖、生活热水以及用电需求，具体运行策略分为夏季与冬季两种。

3.1 夏季运行策略

关于太阳能综合能源运用示范房在夏季对于太阳能技术的主要运用策略如图1所示。通过真空管集热器可以配合驱动吸收制冷机的运行，将其所提供的高于90℃的热水通过吸收制冷机降温为15℃左右的低温水，并通过诸如辐射吊顶以及循环除湿柜等辐射末端设备输送冷冻水到各个房间处达到梯级制冷的效果。新风溶液除湿机可以提供新风，而主动、被动式双向集热器以及PVT相配合提供60℃左右的生活用水，而冷冻水则由吸收式制冷机进行供应[8]。

图1 夏季运行策略

3.2 冬季运行策略

关于太阳能综合能源运用示范房在冬季对于太阳能技术的主要运用策略如图2所示。建筑的供暖模块主要以太阳能技术为主，而被动取暖模块负责承担整体的建筑供暖。如果建筑供暖温度达不到舒适度标准，还可以通过房间内已有的毛细管辐射收集真空管集热器中的热水对房间进行供暖[9]。

图2 冬季运行策略

3.3 过渡季运行策略

在诸如春季与秋季这类过渡季节时，通过太阳能的收集与转换为建筑整体提供电力。同时，通过太阳能供热作用可以保证太阳能能全年为建筑提供生活热水，有效提高了太阳能技术的利用率[10]。

结语

太阳能综合能源利用工程是一项持续时间长，对可持续发展有着深远意义的工程项目，目前项目随着太阳能技术的深入正在逐渐完善，随着社会发展，太阳能技术综合能源利用工程的推广势在必行，也为将来可持续发展社会提供更多的保障。