太阳能光热转换技术在建筑中的利用

太阳能光热转换技术在建筑中的应用1、前言太阳能光热转换技术在建筑中的应用，实际上是利用建筑构本身所形成的集热、蓄热和隔热系统以及附加建筑物上的专用太阳能部件，对太阳光进行光—热转换等来满足建筑物的热水供应、采暖、空调等方面的能耗需求，从而达到减少建筑能耗，节约常规能源，改善生态环境的目的。

太阳能光热转换技术和建筑结合具有很高的研究价值，热水、供暖、空调对太阳能的利用已成为太阳能与建筑结合的关键之一。

2、我国太阳能资源储量与分布一般以全年总辐射量（单位为兆焦/米2·年）和全年日照总时数表示。

我国属太阳能资源丰富的国家之一地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。

资源丰，辐射总量在3.3´ 103～8.4´ 106兆焦/米2·年之间。

全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。

属世界太阳能资源丰富地区之一；各地区资源分类见表1表1 我国各地区的太阳能资源及分布研究成果表明，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2200小时的地区。

各区的分界情况可见太阳能资源分布图。

3、太阳能光热转换技术根据我国的实际情况，在建筑中大力推广应用太阳能光热转换技术必将会把我国的建筑节能推广到一个新的阶段。

在这些新技术中从其成熟的程度来讲，首推太阳能热水器，其次是太阳能采暖和太阳能空调。

一下从这三个方面逐一进行介绍。

（1）太阳能热水器1、太阳能热水器的结构太阳能热水器从结构上分类可分为整体式和分体式。

见下图整体式分体式整体式是将其主要部件集热器和水箱安装在统一的支架上由用户选用，这种型式只考虑了自身的结构和功能，而没有考虑与建筑的一体化结合，因此只适用于四周空旷的低层建筑，不属于我们的研究内容。

分体式是将其主要部件集热器和水箱分别安装在适合的部位，既有利于设备功能的发挥，又考虑到了建筑结构和外立面要求。

以下我们主要是研究分体式太阳能热水器的情况。

2、太阳能集热器的排布角度太阳能集热器是太阳能热水器的主要收集设备，其排布方法是有一定的要求的。

应朝南向安装，四周无遮挡，集热器和水平的夹角为当地纬度+10度。

如果要求不能满足，将会使太阳能热水器的收集效率降低。

3、别墅型太阳能中央热水系统目前，在别墅建筑中普遍采用大容量电热水器或燃气中央热水器2种形式。

大容量电热水器设有大容量的储热水箱，配以先进的控制系统，使用安全方便，但是耗电量大，热水成本较高，一般生产50℃的热水费用大于18元∕t。

燃气中央热水器可以即时供应生活热水，使用方便，热水生产成本也比较低，如果使用天然气生产的热水费用一般在10元∕t 左右，但是别墅小区大都在郊区，使用燃气热水系统往往受配套气源的限制或者需要单独购买瓶装燃气。

别墅型太阳能中央热水系统是一种新型的热水供应形式。

它采用先进的太阳能集热技术和系统控制技术，将太阳能热水器与电热水器技术有机结合，克服了普通太阳能热水系统效率低，热水量小，冬季易冻裂，供水不稳定，和电加热中央热水系统运行费用高等缺点；利用免费的清洁无污染的太阳能，不受能源供应的限制，运行费用远低于电热水器。

别墅型太阳能中央热水系统主要有太阳能集热系统、循环系统、电辅助加热储热水箱和控制系统4部分组成。

太阳能集热系统采用高效、耐久、抗冻、安全的建筑构件型热管真空管式太阳能集热器，屋面上的太阳集热器构件与坡屋面外观协调，和谐。

带辅助电加热的承压热水箱置于室内，水箱内设置浮动盘管式换热器。

太阳能循环系统将集热器和水箱换热器组成一个闭式回路，通过控制系统来控制太阳能循环泵的运行，将集热器收集的太阳能热量输送到储热水箱，加热生活热水。

在太阳能辐照不足的阴雨天气，当水箱水温不能满足使用要求时，辅助电加热装置启动。

以下是别墅型太阳能中央热水系统原理1别墅型太阳能中央热水系统原理图当集热器感温探头处的温度T1高于设定的水箱出口温度T2时,控制器启动循环泵运行。

循环泵使回路中的传热流体循环运行，通过热交换器将太阳能集热器收集的热量传递到贮热水箱中。

在循环泵运行过程中，当温差小于一定值时，循环泵将停止工作。

当贮热水箱水温达到设定水温最大值时，控制器关闭循环泵。

单向阀阻止贮热水箱中的热水上升到集热器中（在晚间）。

在日照不足时，贮热水箱的水可能达不到可用水温，电辅助加热器可加热贮热水箱的水，使其达到可用水温。

与普通的太阳能热水器和其它热水加热形式相比较，别墅型太阳能中央热水系统具有如下优异特点：采用最新设计的热管集热器，系统效率高；采用双回路系统，不怕冻，四季都能使用；太阳能电热水箱，安全可靠，免维护；关键部件为铜、铝、不锈钢材料，使用寿命15年以上；全自动运行，全天供应热水；即开即热，调温方便，使用舒适；系统承压使用，喷水有力，可多路供水；充分利用太阳能，比电热水器节能60%—90%；与建筑相结合，美观大方。

与几种热水系统的技术经济性比较为满足别墅家庭住宅生活热水需求，一般有以下3种方案可供选择：①电热水器系统，24小时供应家庭生活热水；②燃气热水器系统，24小时供应家庭生活热水；③别墅型太阳能热水系统太阳热水器，24小时供应家庭生活热水。

对以上几种方案的使用性能、经济性能、环保性能进行了对比（表1）。

可以看出，3种方案在住宅家庭热水供应上基本都能满足要求，但从使用、经济、环保等综合比较而言，有明显差别。

表 1 几种热水供应系统方案的综合比较电热水器系统的使用舒适度、安全性能、环保性能都比较好，安装施工方便，但运行费用过高；燃气热水器系统运行费用相对较低，但舒适程度一般，安全性和使用寿命不高；别墅型太阳能热水系统综合优点明显，其舒适、经济、环保、安全、可靠、寿命长、能全天候供应热水。

由此可见，别墅住宅家庭生活热水系统是比较理想的。

4、太阳能热水器在高层住宅上应用遇到的问题太阳能热水器应用在高层住宅上和建筑的一体化结合是主要难点。

体现在以下几方面。

1)用地及规划原因对安装位置的限制由于现在城市用地的日趋紧张加上北方气候的原因，大部分新建小区仍然为行列式布局，层数也逐渐发展为中高层住宅，这给普通整体式太阳能的安装带来了一定的限制：首先表现在低层用户同层使用太阳能热水器在日照时间上无法保证，而且同层没有安装位置；如果安装在屋顶上，就存在管线过长、管线内凉水过多、热损失大等缺陷；加上高层部分屋面相对较小，去掉消防通道和设备用房的占用，从面积上也难以满足整栋楼的安装要求，所以在设计上就必须考虑其它的途径。

2)现有系统的限制目前太阳能热水器系统形式一般为分户集热分户供水系统，各户之间用热水量不平衡，不能充分利用太阳能集热设施，系统的使用效率低，相应占用的空间和需要的成本较高，与建筑的结合性也差。

3)产品本身的问题目前整体式太阳能热水器自身存在很多问题，很不适合在建筑上安装：①大水箱带来的视觉效果不好，影响建筑美观，很难与建筑进行完美的结合；②安装对屋面的影响较大，例如对屋面防水的破坏、结构的影响；③整体式太阳热水器本身无法解决的一些问题，如真空管易结垢、易炸管碎管、不承压、不易自动控制等，限制了它的推广和使用。

4)建筑设计没有考虑现在建筑设计对太阳能热水器的情况是连屋面上也没有预留管线接口及安装的基础，更不要说在阳台和墙面上以及对建筑一体化的考虑了。

因此，若能把建筑物与太阳能热水设施统一考虑，实现相互间的有机结合，既能提供生活便利，又能保持建筑物的整体性、美观性不受破坏。

5、太阳能热水器在高层住宅的两种做法1）屋顶架空构架式（集中集热分户供水）高层住宅楼顶位置最高，周围的遮挡较少，是热水器集热器安装的首选位置，如果把架空构架和太阳能热水器结合起来，使之既能满足形式的需要．又具有实用功能，即可做到形式和功能的统一。

①屋顶架空构架式的做法1、集热器采用集中成片的热管式真空管太阳能集热器。

这种形式的水箱和集热管可以分离。

太阳能通过集热管中的介质传递到水箱中和水进行热交换。

这种间接式热交换、强迫式双循环的分离式承压系统不怕冻，不会造成真空管结垢、炸管，能承压运行。

即使有真空管损坏，系统仍能正常运行。

集热器不是直接放在屋面上，而是利用下部原有结构升出屋面形成架空的构架，使之成为集热器的安装场所。

构架可以用混凝土或钢结构做成倾斜式或水平的，细长密集的集熟管作为里面的小构架，达到和构架的完美结合，成为建筑的特色。

密集的集热管同时还能作为屋顶的遮阳构架，见下图2、水箱的设置：水箱可设在出屋面的楼电梯间的上面，对于单元式住宅来说，可以每个单元设计一个单独的水箱。

这样水箱的容积较小，对结构影响小；集热器和水箱的管线短，热损失少；另外和用水点的管线联系也非常方便，通过设在楼梯问内的管道井人户即可。

3、供水系统形式：集中供热水系统相对于分户供热水系统，具有用户间用水量可以平衡，集热器利用充分，容易和建筑结合的优点，非常适合集合住宅的形式。

因此同等条件下应优先考虑采用这种系统。

这样不必每户均设上下水管和电管，只需安装集中的集热器、贮水箱和管道即可。

由物业部门统一管理维护，热水采用分户计量的方式，免去了各户自己购买、安装、维修管理的麻烦，还增加了室内使用空间。

比较理想的状态应该是采用区域供热，即一个住宅区为一个单位集中集热供热。

但由于国内的实际情况难以近期实现。

比较现实的做法是采用一个单元集中供热，这样不仅能有效和高效的利用太阳能，对于管理和维修也比较方便，同时还能充分利用空间和降低运行费用。

4、管道井的设置：仍然利用原来楼梯间中的管道井作为进入各用户的管道安装位置。

②屋顶架空构架式的优点这种把集热器构件与屋顶构架结合起来的做法优点很多：1、构架处于建筑最高点，遮挡最少，集热效率高，易于连片布置。

2、构架作为建筑造型的一部分，完全和建筑融合；构架造型灵活多变，可以有各种不同的组合方式；集热管位于大的构架内构成小构架，加上距离地面较高，不易成为视觉焦点，不仅不像其它结合形式那样易于形成视觉污染，反而对造型是很大的提升。

3、集热器安装在构架上，而不是在屋面上，对结构、防水、保温不会造成破坏。

4、构架的安装不影响屋顶空间的使用，下方仍然是居民的活动场所和消防通道。

另外集热器构架在夏天会成为绝好的遮阳构件，使屋面的隔热作用有所加强，从而降低住宅顶层夏季室内温度。

5、施工维修均非常方便，安全性高。

6、采用集中供热系统，集热器和屋顶水箱连接距离近，热损失少。

连接管道可结合构架隐藏设置，不影响景观。

7、在设计阶段就考虑热水器的安装。

这样不仅能达到功能和造型的协调一致，还可以相应降低一定的投资，减少不必要的浪费和对其它住户的干扰。

③屋顶架空构架式太阳能热水器的缺点主要是：1、对于层数太高的住宅建筑，由于户数太多，楼顶的面积安徘不下集热器的面积。

现在这种形式可做到20层左右。