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太阳能建筑的发展历程

2013-8-31 16:32| 发布者: ccbuild| 查看: 740| 评论: 0

摘要: 太阳能建筑在中国已经历了几十年的发展。最初的太阳能建筑为我国五六十年代的太阳房,主要采用被动技术,通过被动设计满足人们的基本需求。现在,太阳能技术除被动技术外,还发展了主动技术,这主要表现在太阳能光热 ...

太阳能建筑在中国已经历了几十年的发展。最初的太阳能建筑为我国五六十年代的太阳房,主要采用被动技术,通过被动设计满足人们的基本需求。现在,太阳能技术除被动技术外,还发展了主动技术,这主要表现在太阳能光热利用和太阳能光电利用两个方面。光热利用主要是用于采暖和制冷,根据利用温度的高低分为高温利用、中温利用和低温利用。工程供热主要是太阳能高温利用,日常的生活热水供应主要是低温利用。太阳能光电技术主要是利用单晶硅或多晶硅将光能转化为电能,一般用于航天飞机、空间站或边远地区。太阳能建筑的光电利用,主要是用来实现太阳能照明。
太阳能光热技术在中国的应用非常广泛,具有良好的产业化和商业化基础。而太阳能光电技术,由于其较高的成本,还未像光热那么普及。下面按照时间和技术的更新将太阳能建筑划分为3个阶段,并结合实例加以介绍。第一代太阳能建筑建于2002年,已运行3年多,总体运行很好,我们从中积累了大量数据;第二代为超级节能示范楼,2005年建成,用于接待VIP客人的客房,大量应用了太阳能和其它新能源;第三代太阳能建筑刚刚起步,在建中的皇明太阳能新总部大楼可以视为这一代的代表。
一、第一代太阳能建筑—初具雏形
2002年在山东德州的皇明科技园区,矗立起一栋栋外形独特的太阳能建筑(图1、图3),这是中国现代太阳能建筑发展的雏形。也正是从这里开始,太阳能从单纯的生活热水利用逐步发展成为绿色生态建筑中重要的组成部分。

太阳能的有效利用需要与系统的建筑节能设计、先进的建筑节能技术和节能产品等优化组合,才能实现建筑耗能的结构调整,提高利用太阳能的保证率,为住宅提供采暖、制冷和生活用水,营造低能耗、高舒适、健康的居住环境,实现可再生能源的高效利用。在一个四面透风的建筑中利用太阳能是毫无意义的。

太阳能热水系统在这代建筑中处于核心地位,通过在房屋的屋面和立面安装排放整齐的太阳能集热器,为建筑提供热水和采暖。在这代建筑中,还采用了太阳能遮阳、太阳能除湿空调以及太阳能游泳池等技术。其中,太阳能凉亭,太阳能水幕喷泉(图4)和太阳能墙等产品,由于同时具备了美观性与艺术性,收到了节能与美观的双重效果。

太阳能墙可以使一整面墙吸收太阳热能,从而形成一个巨大的吸热器,成为冬季重要的热源。太阳墙由西山墙上大量的真空管组成(图5),夏季将热量送到假山下的鹅卵石进行蓄热,冬季再将这些热能送入室内进行采暖。

太阳能凉亭兼具功能性和艺术性,既可以生产热水又可以产生电能,夏季还可以纳凉休闲,三位功能一体化(图2)。

二、第二代太阳能建筑—综合利用

在第一代太阳能建筑的基础上,第二代太阳能建筑在设计上提出了:天地结合互补,开源节流并重的理念。所谓天与地的结合就是既应用天上的太阳能,同时也应用地下的地热能,即土壤源。通过综合使用可再生能源,减少传统能源的消耗。开源指的是尽量利用太阳能等可再生能源,节流就是做好建筑的维护结构,最大限度地减少建筑能量的负荷(图6)。

这代建筑的能源供给来自于三个方面:太阳能光热系统、太阳能光电系统和地源热泵辅助系统。其中太阳能光热系统提供生活热水和采暖,太阳能光伏发电用于生活用电和设备用能,当其不足时,系统将自动切换至城市电网。

在外墙保温措施方面,通过利用曲板屋顶夏季防晒、合理的防热桥设计、外卷帘遮阳系统、屋面外墙隔热等措施,使建筑具有极好的保温隔热能力,这使太阳能供暖制冷的效率大大提高,其在能耗中所占的比例也大大增加。

在这代建筑中,更加注重除太阳能系统外的一些节能技术和手段的利用,如太阳能预处理和置换式新风送风系统利用及建筑智能控制系统的利用。智能控制系统可以保证建筑物不同人群或功能区对新风量和对温度的不同需要,从而最大限度地满足使用要求、最高效利用能源;在室外地下埋风道,利用土壤中的热能对新风进行冬季预热、夏季预冷处理,并结合置换式新风送风系统对回风中的热能回收,使送入建筑内的新风更舒适。

皇明公司2004年开始建造的“超级节能示范楼”就是这代太阳能建筑的代表。该建筑的总建筑节能率在90%以上。以下为该超级节能示范楼的一些主要特点及所采用的技术(图8):
(1)超级外墙/屋面隔热系统:外墙K<0.3W/m2·K,屋面K<0.2W/m2·K;
(2) 外窗隔热系统:K<1.5W/m2·K;
(3) 卷帘外遮阳系统;
(4) 低温辐射地板采暖/制冷系统;
(5) 新风预处理系统;
(6) 绿色照明和光导管技术;
(7) 能量储存和回收系统;
(8) 智能建筑控制系统;

另外,此建筑也更加注重了太阳能技术与建筑艺术的结合,不仅在功能上满足人们的需求,还从建筑美学的角度迎合了人们的美学需要。如:太阳能飘板集热器、跟踪式光电圆盘系统、遮阳电池板等。
集热管镶嵌在波浪型的屋顶飘板上,既造型美观又有实用功能(图7);双轴自动跟踪光电圆盘系统具有更高的光电转换功能(图9);具有遮阳功能电池板阵列在夏季具有明显的遮阳功能, 有利于降低夏季室内的制冷负荷(图10)。

三、第三代太阳能建筑——科技创新

第三代太阳能建筑在二代的基础上,加强了对一些关键技术的突破,如高性能维护结构的使用和先进的蓄能方法等。目前这类建筑在国内尚属起步阶段,不少科研机构和设计机构正在研究探索。皇明太阳能正在建设的总部大楼是这一代的代表(图11)。

该建筑是为2010年在德州举办世界太阳城而准备的,建筑面积5万m2,集热器的面积为5000m2。目前在世界范围内,这个项目的太阳能利用是最到位的,具体表现在:利用被动技术,实现主体建筑的自然通风和采光;良好的外维护结构,使采暖和制冷的负荷控制在每平方米30W;高效节能的热交换新风系统,节能效率达到65%~70%;能源梯级利用。利用地板采暖或制冷的回水,为空气进行预热处理。在实现可再生能源利用的最大化方面主要表现在:生活热水和游泳馆的利用达到100%;采暖达到60%~70%;太阳能与吸收式热泵相结合进行制冷,达到40%。从各方面的数据来看,都达到了很高的水平。
在设计过程中,应用了国际上流行的“能量平衡三重法”作为指导原则(图12),即:尽量减少建筑能源需求;尽量提升可再生能源提供率以及尽量提高传统能源使用效率。此方法已经被广泛应用于不同国家和地区的绿色节能建筑中,并取得了很好的效果。

在建筑主体方面,采用了自然通风及采光技术、良好的外围护结构、高效节能的热交换新风系统以及能源梯级利用。

太阳能的利用上,其在生活热水的供应、太阳能泳池和太阳能采暖系统中都得到了充分的利用,同时将太阳能与吸收式热泵相结合实现了制冷的需求。

其他节能技术的应用,该建筑利用太阳能结合滞水层跨季节蓄能技术,实现了太阳能春、夏、秋季的跨季节蓄能,达到四季用能平衡,实现太阳能等可再生能源利用率的最大化。滞水层系统是利用沙、砂砾热容量大,稳定性好的特点,用地下水进行跨季节蓄能的一项新技术。通过在滞水层设置蓄能井(冷井和热井)、室内终端设备和太阳能收集器储存能量。这样,从每年4月份到10月份,就可以把冬天贮存的冷量由冷井中提取出来,直接供给建筑物的制冷空调使用,同时把太阳能收集器所获得的热量注入到热井中,从11月份到第二年的3月份,把夏天贮存在热井中的热能提出来,直接作为建筑物内采暖使用,把供暖回水经过风冷后注入到冷井中。系统就这样循环运行。利用该技术直接提供制冷和供暖,提供率可达30% 。

在围护结构上,建筑采用了高效节能的温屏玻璃,具有隔热,隔音和防霜露三大特点。
另外,在该建筑中也应用了新的被称之为BIPV的光电结构,该产品是我们国内自行开发生产出来的一种新产品。归纳其特点如下:
特色“美”——彰显建筑与环境之美。光伏与建筑一体化的突破性技术,能够实现与建筑的完美结合,可用于制作窗户、瓦等建筑用品,既可作为窗户采光用,又可用于发电,实用与环保一举两得,还可根据需要透过一定比例的光线,能够刻上各种标识及图案,让建筑更美;
“大”突破——可制造全玻璃幕墙的“光伏大厦”。最大功率跃升至600W,可以将组件做到更大的尺寸,使透明电池组件大规模应用于高层建筑物成为可能,镀膜、焊接、封边3个关键环节均为自有知识产权的核心技术;
“高”性能——超一流的技术指标。按国际标准设计,并经过充分的试验论证,确保组件的高质量、高性能,采用优质单晶硅太阳电池,转换效率高、机械强度高,能经受运输、安装和使用过程中的冲击、震动和其他应力,并具有优良的防腐、防风、防水和防雹能力。
第三代太阳能建筑的发展已经扩展到不局限于利用太阳能,而是从建筑的各个方面出发,实现开源节流,降低建筑的能耗、提高可再生能源的利用(不局限于太阳能,包括利用风能、地热能、生物质能等),向着真正的绿色建筑迈进。
我们有理由相信,随着该领域研究的不断发展,节能方式的不断完善,太阳能建筑必将会有一个美好的未来,早日实现建造“双零建筑”(零能耗、零排放)的目标。

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