关于太阳能与地热在民用住宅的常用应用方式

1引言

 
全球人口的快速增长和工业化程度的不断提高带来的能源短缺和环境污染问题己成为当今世界共同面临的严峻问题。降低能耗, 积极开发新能源，保护人类生存环境也引起了各国政府, 以及全球环保和能源机构主管部门的极大关注。开发新能源，使用替代能源和开发利用空间资源已成为在社会、环境和可持续发展推动下的必然措施。
 
据统计，发达国家的建筑能耗要高于社会总能耗的1/3,目前我国建筑能耗也已经接近30%，而建筑节能技术的应用却远远落后于发达国家，建筑能源的消耗量惊人。如何让建筑更节能而又更舒适成为建筑师、能源专家努力的方向。随着对生存环境以及居住品质的认识日渐理性，人们更加希望所居住的建筑物能够保证使用者健康和舒适的要求的前提下, 减少建筑物对自然资源的消耗。化石燃料能源的匮乏至枯竭, 使得人们不得不思考如何利用太阳能、风能、水能, 地热在内的自然洁净可再生能源在住宅建筑上的应用。本文主要介绍太阳能与地热的应用。
 
 

2太阳能应用

 
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每秒钟通过电磁波传至地球的能量达到相当于５００多吨煤燃烧放出的热量，而每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时（3.78×1024J，相当于1.3×106亿吨标准煤，大约为全世界目前一年耗能的一万多倍。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6×1010年。所以可以说它是“无处不在的、清洁无污染的、取之不尽，用之不竭”的能源。很多科学家认为太阳能将会长期成为惟一最重要的可再生技术。它不同于风能、波能或潮汐能（它们只能在有利的位置才能有效地开发），而阳光却无处不在，它甚至能在多云温带发挥作用。但如何合理利用太阳能，降低起开发和转化的成本，是新能源开发中面临的重要问题。
 
太阳能在住宅建筑上的应用可以概括为直接热能应用和间接电能应用。太阳能的直接热能应用主要是用平板或真空管太阳能集热器来回收热能。一般来说，平板太阳能集热器可使热水达到70°C到90°C，而真空管太阳能集热器可使热水达110°C的高温，从而为热能采暖，生活热水甚至空调制冷提供了可能性。但是由于太阳能受天气影响而不稳定,因此电炉或燃气炉的补给是必不可少的。太阳能间接电能应用主要是利用硅晶片的光电效应来产生电能，完全可以满足住宅建筑的通风能耗需求。
 

2.1太阳能集热器

 
太阳能的核心设备太阳能集热器发展，经历了四个阶段：闷晒式、平板式、玻璃真空管式、热管真空管式,
 
第一代：闷晒式。20年前在我国日照时间长的西北等地区有使用，现已遭淘汰。
第二代：平板式。因抗冻效果差、热损耗大、易积水垢、热效率低及使用寿命短等问题已逐渐淘汰。因其制造成本低，目前仍在工程项目中有一定的市场。
第三代：全玻璃真空管式。集热效率较高，保温性能好，可抗直径为25毫米冰雹的袭击，适合于气温为-25℃以上地区使用。成本适中。但由于真空玻璃管内长期通水加热，有出现漏水、结水垢的可能。
第四代：热管真空管式。我国采用美国应用于航天、人造卫星上的先进导热科技，将超级导热管与全玻璃真空集热管相结合，研制开发出的新一代热管真空管式太阳能热水器，导热快，热效率高，特别适用于阳光不足或每天日照时间短的地区。真空管不通水，不结垢，抗冻能力强，保温性能好，使用寿命长，乃市场新宠。

2.2太阳能住宅

 
太阳能住宅是一种特殊民用建筑，包括阳光集能、蓄能、发电、加热以及相应的控制装置。太阳能热水系统把集热器与住宅建筑有机结合，通过建筑一体化设计达到使用要求并且不影响建筑的外观。
 
太阳能热水器一体化住宅的造型设计应当充分考虑到其居住建筑的特点。首先，无论是高层住宅还是多层住宅，都是由几种户型组成，没有大空间，平、立面结构和造型一般比较规整；其次，房间的功能性限制大，非常强调自然采光和自然风；第三，住宅受造价限制较大，外墙也应当尽量平直。由于住宅的这些特点, 给太阳能的安放位置和安放空间带来很大的局限性。但从另一角度来看，住宅内部严谨的结构性和功能的主导地位非常符合技术美学所强调的逻辑性及目的性。由于管线和住户密度的原因，高层建筑中的太阳能集热器常常安装在墙面和阳台，顶部的集热器只能为上部几层提供热水。集热器可以集中连续布置，也可以与窗或阳台的凹凸处理结合形成竖向的划分，使整个建筑在垂直方向上形成强烈的韵律感。太阳能热水器的水箱放置于室内，不破坏立面整体效果。另外，近年的高层住宅，常在顶部或外凹部拉梁采用特有的体形或符号来加强标志性，以避免单调的感觉。太阳能集热器由于采用了吸收性涂层而具备特殊的色泽和质感，其表面非常光亮，如果将其与高层顶部的电梯间或水箱间结合，既可以起到装饰的作用，也能为上部几层的住户提供生活热水。多层住宅太阳能热水器一体化设计首先可以从形式和体量出发，由于集热器需要南向的坡屋面或墙作为安装的依托，争取尽量多的实体面积和可利用空间就成为一体化住宅形体设计的指导思想。通常可以其横断面类似于台阶或三角形的位置来安放集热器。在一些住宅中，常采用大面积的玻璃窗，同时配备遮阳构件，而利用出挑的集热板充当遮阳体, 由它形成的阴影增加了造型的虚实对比和空间的层次。
 

2.3太阳能热水器和太阳能采暖

 
太阳能热水器以其安全、节能、环保、方便的突出特点，日益备受瞩目。随着我国全玻璃真空管和超导热管等关键技术的不断突破，居世界领先水平的太阳能热水器取得了前所未有的高速发展，其市场发展潜力也日益巨大。
 
太阳能采暖系统一般由平板或真空管太阳能集热器，水泵，贮水箱, 补热用的电炉或燃气炉,调节器和散热器组成。散热器通常是地板或金属散热器热惰性好的设备。这类系统还和生活热水合并一起使用。好的建筑热惰性可保证生活热水优先权。
 

 

2.4太阳能制冷

 
太阳能制冷主要包括太阳能光伏系统驱动的蒸气压缩制冷、太阳能吸收式制冷、太阳能蒸汽喷射式制冷、太阳能固体吸附式制冷、太阳能干燥冷却系统等。基于经济性、可靠性及实用性等因素的考虑，太阳能溴化锂吸收式制冷技术研究和应用相对较多,发展也较为成熟，目前国内已有厂家实现了产品化。
 
太阳能溴化锂吸收式制冷系统是由真空管太阳能集热器和溴花锂吸收式制冷机结合。水的溴花锂溶液可在70度到90度的温度条件下分离。溴花锂吸收式制冷机就是充分利用真空管太阳能集热器产生的110度的水温来化学压缩，从而取代机械压缩而实现制冷。
 

2.5太阳能的间接应用 – 电能

 
即光伏发电，是应用半导体器件将太阳光转换为电能的技术,具有安全可靠、无噪声、无污染、无需燃料、无机械转动部件等优点。而太阳能光电技术在建筑中的应用发展方向为光伏建筑一体化，即是指在建筑外表面设置光伏器件,将太阳能发电与建筑功能集成在一起的新型能源利用方式。光伏器件直接将太阳能转换为电能，无噪声、振动和其他污染，除了在建筑表面安置太阳电池组件(电池板)和体积很小的蓄电池逆变器等系统部件以外，不占建筑有效空间。太阳能光伏发电系统按是否与公共电网相联接，分为独立运行和并网运行两种方式。#p#分页标题#e#
 
太阳能电池多为单晶硅太阳电池，多晶硅的市场份额正在逐年增长，非晶硅虽然也占有一席之地，但其市场份额只有百分之十几。太阳电池的输出伏安特性具有强烈的非线性，而且和日照强度，环境温度，阴雨，雾等许多气象因素有关，当环境保持不变时，其输出工作区域包括具有高阻特性的电流源区域，也包括具有低阻特性的电压源区域。考虑到实际应用系统负载的变频器一电机及蓄电池—照明的特性，一般只将光伏电池用作电压源，而具有高阻特性的电流源成为不稳定工作区域。根据太阳电池的工作原理，当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，一般用于室内照明和室内机械通风的供电。
 

3地热应用

 
地热是指来自地下的热能资源，是地球上最大的热能库，仅地下10千米厚的一层，储热量就达1.05×1026焦耳，相当于9.95×1015标准煤所释放的热量。地热能在世界很多地区应用相当广泛。地热资源的利用可分为地表地热和深层地热。在住宅建筑的地热应用，这主要是指地表地热。地表地热可通过太阳，风，雨等自然现象再生。在地表0.3米到0. 5米以下，其土壤温度约为当地每天的平均空气温度。在地下3米处，土壤温度则约为当地每月的平均空气温度。当地下达到9米到12米时，土壤温度基本上不受空气温度变化的影响，其温度约为当地全年平均空气温度。空调系统就是利用土壤温度的稳定性来加热或冷却空气，或者直接利用土壤充当热泵的热源。
 
近年来,利用地表浅层地热的地源热泵技术得到了长足的发展。地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性,通过消耗电能,在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方,在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中,达到供热或制冷的目的。同时, 它还可供应生活用水, 可谓一举三得, 是一种有效利用能源的方式。地源热泵系统包括三种不同的系统:以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵,又称为地下耦合热泵系统或者地下热交换器热泵系统;以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统;以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统。
 

3.1地下风道被动自然空调

 
地下风道被动自然空调利用土壤温度基本上不受空气温度变化影响的特性冬季来加热室外空气，夏季来冷却室外空气，从而不需要人工制冷或者减少人工制冷。室外空气
的加热或者冷却可以是直接的，也可以是间接的。地下风道被动自然空调通常还配备空气热能回收器来回收被排到室外的空气余热，以便提高整个被动式空调系统的能耗性能。
 

3.2地下热源的水/水式冷热两用热泵地板空调

 
热泵：顾名思义，就像水泵能把低位水提升到高位一样可以把热从低位热源热能转移至高位热源。它是一种可以实现蒸发器与冷凝器之间功能转换的械，是另一种形式的制冷机. 热泵可通过吸收大地、井水、湖泊、太阳能等天然能源及余热、废热，冬季供热 、夏季供冷，是一种利用可再生能源的高效节能，无污染的实用技术。地源热泵是以土壤、地表水或地下水为低温热源的水源热泵。水源热泵能耗仅为其他传统采暖设备的三分之一。
 
世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。
 
地源热泵通常是水/水式的热泵热泵。依据土壤的质地结构和工程造价，地源热泵的热源可分为地埋水平盘管热源和地埋垂直盘管热源。水平盘管热源的埋地深度一般在1.5米，采热功率约为 30瓦/米 到40瓦/米，而垂直盘管的埋地深度在12米到40米，采热功率约为 50瓦/米 到70瓦/米。
 

3.3地桩热源热泵

 
地桩热源热泵是一种利用建筑地桩或在混凝土构件中充满液体的封闭管道系统来采集地热的系统。奥地利在20世纪80年代末期将该技术用于建筑物的供暖和降温。下图提供了一种利用地桩换热器冬季为热泵提供热源采暖，夏季直接为风机盘管供冷水制冷两用空调系统。
 
5. 结论
 
当今积极发展低碳节能建筑己成为的我国建筑行业的一个重大倡议问题。尤其是我国能源结构是以煤为主，而煤炭的大量直接燃烧引起了城市大气污染日益严重，因此大力发展清洁和可再生能源显得尤为迫切。本文着重讨论了太阳能和地热两种清洁能源在民用住宅的采暖，空调，通风以及生活热水方面的几种常用应用方式，可以作为住宅设计施工单位在节能住宅设计过程中的设计参考，以此希望可再生能源在民用住宅广泛推广应用有利于改善大气环境，实现可持续发展。
 
 
 
6.参考文献
 
[1] 陈淑琴 李念平 付祥钊 刘俊跃. 住宅建筑能耗统计方法的研究.《暖通空调》 2007年03期. 
 
[2] 郑娟而 吴次芳. 我国建筑节能的现狀、潜力与政策设计研究--一个基于控制论的分析框架. 《中国软科》2005年5期.
 
[3] 涂逢祥. 住宅建筑节能形势. 《住宅科技》2005年9期.
 
[4] 中华人民共和国建计部. 民用建筑节能管理规定. 2005年11月10日.
 
[5] 张旭平. 浅谈太阳能光伏发电在民用住宅供电系统中的应用. 《中国电力教育》2005年9期.
 
[6] 方丽. 低层住宅建筑的太阳能热利用研究. 《河北工业大学》2005年.