杨怡泉,李九宏

(1.河南建筑材料研究设计院有限责任公司,郑州 450003;2.中州大学工程技术学院,郑州 450044)

1.引言

目前,我国建筑物的单位能耗较高,以住宅为例,多层住宅单位能耗为气候条件相近发达国家的 2～5倍,而空调住宅的能耗为普通住宅能耗的 6～7倍;同时,近几年我国住宅面积年增长约为 20亿m2,到 2020年建筑总面积将达 500亿m2,能源需求剧增。因此倡导健康住宅节约能源的设计理念,最大限度地利用太阳能等自然能源,实现建筑、能源与环境的可持续协调发展。

2.健康住宅

2.1 健康住宅的概念

《健康住宅建设技术要点》[1]突出了健康住宅,不但在居住环境的居住空间、空气环境、声、光、热、水、绿化环境等方面,而且扩展到居住区的社会环境健康性,包括居住区社会功能、居住区心理环境、公共卫生体系、文化教育体系、保健体系、健康保险体系、业主健康行动、健康物业管理等方面,并且提出了与社会、技术以及居民可支付能力等水平相关的量化技术指标。

2.2 健康住宅的标准

《健康住宅建设技术要点》中已经定义了健康住宅的标准,具体来说,健康住宅最低有以下几点要求:

(1)会引起过敏症的化学物质的浓度很低。尽可能不使用易散的化学物质的胶合板、墙体装修材料等。

(2)设有换气性能良好的换气设备,能将室内污染物质排至室外,特别是对高气密性、高隔热性来说,必须采用具有风管的中央换气系统,进行定时换气。在厨房灶具或吸烟处,要设局部排气设备。

(3)起居室、卧室、厨房、厕所、走廊、浴室等要全年保持在 17℃～27℃之间。

(4)室内的湿度全年保持在 40%～70%之间;二氧化碳要低于 1000ppm;悬浮粉尘浓度要低于 0.15mg/m2;噪声要小于 50(db)分贝。

3.健康住宅太阳能应用

3.1 我国的太阳能资源

太阳能是一个取之不尽,用之不竭的能量库。2000年全世界消耗的总能量也仅占地球每天接收的太阳能量的 2.5%左右。我国太阳能资源十分丰富,约二分之一的国土太阳辐射总量接近或超过 6000MJ/(m2·年),尤其是华北、西北的广大地区,日照充足,为利用太阳能提供了良好的条件。表 1给出了我国太阳能资源的大致分布情况[2]。

除四川盆地等局部地区不适宜太阳能利用以外,我国大部分地区都具有较好的太阳能资源,尤其是西北、西南、华南地区,具有丰富的太阳能资源,这为我国在建筑中充分利用太阳能这种绿色的清洁能源,减少建筑能耗,改善我国能源结构,为提高我国可持续发展能力提供了资源保证。

3.2 我国太阳能利用现状

中国蕴藏着丰富的太阳能资源,太阳能利用前景广阔。中国太阳能利用进入大规模实用阶段的条件已经成熟。中国已经成为世界上产量最大的太阳能消费品生产国,形成了广阔的农村太阳能产品消费市场。2002-2008年间,太阳能热产业迅猛发展,已经成为世界太阳能产业和市场发展最快的国家之一。2007年,我国光伏电池产量首次超过德国和日本,居世界第一位。

在可再生能源产业中,太阳能热水器已成为拥有自主知识产权、生产规模全球最大、普及面最广的绿色朝阳产业。太阳能热水器产业经过近三十年的发展,基本形成较为完整的产业化体系、市场开发体系和服务体系。2008年太阳能热水器产量已经达到 3100万平方米,占世界总产量的 76%,总保有量 12300万平方米,占世界总保有量的 56%;我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国,也拥有最大的太阳能热水器消费市场。

我国已成为全球第三大光伏产品制造基地。在其关键环节——太阳能电池制造上,我国已基本具备生产设备整线装备能力。在目前国产设备及进口设备的主流建设方案中, 国产设备在数量上已占多数。

表 1 我国太阳能资源分布表

3.3 健康住宅太阳能利用

为了实现健康住宅节约能源的设计理念,最大限度地利用太阳能等自然能源,实现建筑、能源与环境的可持续协调发展,可以从通风结构、热水系统、采暖系统、空调系统以及照明系统等几个方面利用太阳能来满足健康住宅的具体要求,既营造了健康、舒适的室内环境,又实现了节约能源可持续协调发展。

4.健康住宅中可应用的太阳能技术

4.1 太阳能通风结构

太阳能通风结构是将太阳能空气集热器与建筑围护结构有机结合,从而使建筑围护结构与通风、被动式采暖以及被动式冷却相结合,在改善室内热环境方而起到积极的作用。其工作原理是利用太阳辐射能量产生热压,诱导空气流动,将热能转化为空气运动的动能。太阳能通风结构的主要形式包括:太阳能集热墙体[3]以及太阳能集热屋面[4]。在太阳辐射的作用下,将会诱导热压作用下的自然通风,从而实现房间的被动式采暖与降温。

太阳能集热墙体的冬季采暖工况:(1)关闭风阀 3和 4,打开风阀 1和 2,室内空气自然通风实现采暖;(2)关闭风阀2和 3,打开风阀 1和 4,室外空气自然通风实现全新风采暖。夏季自然通风工况:关闭风阀 1和 4,打开风阀 2和 3,通过自然通风排除室内余热,降低室内空气有害气体的浓度,实现换气功能,保证室内空气的质量满足健康住宅的要求。

4.2 太阳能热水系统[5]

太阳能热水系统一般包括太阳能集热器、储水箱、循环泵、电控柜和管道等。太阳能热水系统按照其运行方式可分为四种基本形式:自然循环式、自然循环定温放水式、直流式和强制循环式(如图 1所示)。目前在我国家用太阳能热水器和小型太阳能热水系统多采用自然循环式,而大中型太阳能热水系统多采用强制循环式或定温放水式。太阳能热水与地板采暖复合系统已进入实验测试阶段,特别值得注意的是,地板采暖要求的水温为 40℃～45℃,这种形式采暖不仅保证了房间气候的热舒适性,而且其单位面积能耗大大下降。通常 1m2太阳能集热器可以配置 3m2～5m2采暖面积。

图 1 太阳能热水系统的四种基本形式

4.3 太阳能采暖系统

图 2 太阳能空气采暖系统

太阳能采暖包括以空气为介质的系统和以水为介质的系统。如图 2所示,太阳能空气采暖系统由空气集热器、蓄热装置、风机、辅助热源以及风道等组成,与后者相比,它可以避免集热器的冻结以及腐蚀等问题,其缺点是风机电耗较高、蓄热装置的体积较大、空气渗漏较严重,集热效率较低。以水为介质的太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展,它的集热效率比太阳能空气采暖系统高,通过适当增加太阳能集热器的采光面积,太阳能采暖系统可以和太阳能热水系统联合使用。目前,在十分重视环境保护的欧美国家,己经建成大批集太阳能热水和采暖于一体的复合系统。

4.4 太阳能空调系统

实现太阳能空调有两条途径:(1)太阳能光电转换,利用电力制冷;(2)太阳能光热转换,以热能制冷。前一种方法成本高,以目前太阳电池的价格来算,在相同制冷功率情况下,造价约为后者的 4～5倍。国际上太阳能空调的应用主要是后一种方法。利用光热转换技术的太阳能空调一般通过太阳能集热器与除湿装置、热泵、吸收式或吸附式制冷机组相结合来实现。

(1)太阳能固体除湿空调系统

干燥剂除湿冷却系统属于热驱动的开式制冷,一般由干燥剂除湿、空气冷却、再生空气加热和热回收等几类主要设备组成。其中,干燥剂有固体和液体,固定床和回转床之分;空气冷却有水冷、直接蒸发冷却和间接蒸发冷却之分;再生用热源有来自锅炉、直燃、太阳能等。干燥剂系统与利用闭式制冷机的空调系统相比,具有除湿能力强、有利于改善室内空气品质、处理空气不需再加热、工作在常压、适宜于中小规模太阳能热利用以及有很大的灵活性等特点。固体转轮除湿系统已普遍用于连续除湿的场合,两股不同的气流分别流经旋转的除湿转轮,处理侧空气流经转轮时,空气通过吸附作用而去湿,这并不改变干燥剂的物理性质;再生侧空气被加热后用来再生干燥剂。图3所示为利用空气集热器的的太阳能转轮除湿系统[8]。

图 3 太阳能 (空气)转轮除湿系统

(2)太阳能液体除湿空调系统

太阳能液体除湿空调系统利用湿空气与除湿剂中的水蒸汽分压差来进行除湿和再生。它能直接吸收空气中的水蒸汽,以避免压缩式空调系统为了降低空气湿度,而首先必须将空气降温到露点以下,从而造成系统效率的降低。其次,该系统用水做工作流体,消除了对环境的破坏,而且以太阳能为主要能源,耗电很少。该系统同样可以单独控制处理空气的温度和湿度,实现热、湿分别处理。在大通风量和高湿地区,该系统仍有较高的效率。太阳能液体除湿系统通常采用除湿塔作为除湿部件,利用太阳能集热器进行溶液浓缩,其系统如图 4所示[6]。液体除湿空调系统具有节能、清洁、易操作、处理空气量大、除湿溶液的生温度低等优点,很适合以太阳能和其它低湿热源作为其主要供能,具有较好的发展前景。

图 4 太阳能液体除湿系统

(3)太阳能吸收式空调系统

以热能制冷的多种方式中,以吸收式制冷最为普遍,国际上一般都采用溴化锂吸收式制冷机。图 5给出了太阳能吸收式空调系统的基本原理。

(4)太阳能固体吸附式空调系统

太阳能固体吸附式制冷是利用吸附制冷原理,以太阳能为热源,采用的工质对通常为活性炭——甲醇、分子筛——水、硅胶——水及氯化钙——氨等。利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂,通过加热脱附——冷凝——吸附——蒸发等几个环节实现制冷。

图 5 太阳能吸收空调系统基本原理

4.5 太阳光照明系统

发达国家的建筑能耗占总能耗的 30%～50%,其中照明能耗又占商业建筑能耗的 30%～60%,我国发达地区的建筑能耗平均占总能耗的 20%～30%,其中照明占建筑能耗的30%左右。

太阳能采光照明系统包括采光、传光和照明三部分。采光系统分为聚光和非聚光两种:非聚光采光照明系统通常用平面反光镜或曲面镜等光学系统采光,传光方式多数采用空中传光;聚光采光照明系统用透镜或定日镜等光学系统采光,传光方式采用导光管或光纤。

目前已有全自动跟踪太阳的采光装置[9],主要由采光器、自动跟踪系统、传光光纤三大部分组成。其中自动跟踪系统主要包括太阳光跟踪传感器、跟踪控制电路、机械传动机构和驱动电机。太阳光跟踪传感器探测太阳位置传递信号至跟踪控制电路,控制电路输出驱动信号驱动相应电机,通过机械传动机构带动采光器转动,从而实现跟踪并对正太阳的功能,工作原理如图 6所示。该装置采用光电传感技术,精密地跟踪太阳,将聚光元件采集到的太阳光经传光光纤传至室内照明,光路传输示意如图 7,太阳 1发出的光线经过聚光元件 2的会聚,经过滤光片 3,通过光纤 4传至弥散灯头 5后输出。

图 6 全自动跟踪太阳能采光装置工作原理图

图 7 光路传播示意图

5.结束语

太阳能在健康住宅中的使用方式多种多样,应根据实际情况选择使用。由于太阳能具有间歇性的特点,而且初期投资一般较高,因此,应考虑与常规能源相结合,实现联合运行。同时,为了提高太阳能系统的利用率,将采暖、制冷、热水供应组成统一的系统,可以达到对太阳能集热系统的全年使用。

[1]国家住宅与居住环境工程中心.健康住宅建设技术要点[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]海铁权.环保能源:太阳能[J].内蒙古科技与经济,2002(7):52～53.

[3]Guohui Gan.A paramctric study of Trombcwalls for passive cooling of buildings[J].Encrgyand Buildings,1998,27(1):37-43.

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[5]王如竹,翟晓强.基于太阳热能利用的生态建筑能源技术[J].建筑热能通风空调,2004,23(1):1-10.

[6]陈君燕.太阳能干燥剂复介式空调试验装置[J].太阳能学报,2000,21(2):176-180.

[7]孙光伟,蒋志坚,刘晓峰,等.建筑中太阳能的应用技术[J].低温建筑技术,2002(2):69-70.

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[9]张耀明.采集太阳光的照明系统研究 [J].中国工程科学,2002,4(9):63-68.