太阳能技术在建筑设计中的应用之物理论文

　　摘要：开发和利用太阳能，既是近期急需的能源补充，又是低碳、环保的要求。将太阳能应用于建筑物，会获得很好的节能和环保效益。本文物理论文分析了太阳能在建筑设计中的开发利用潜力，探讨了太阳能技术在建筑设计中的应用。
　　关键词：太阳能技术；建筑设计；太阳墙；应用
　　随着常规能源的日益紧张以及环保的呼声愈来愈强，可再生能源的重要性凸显，受到了各国的关注和扶持。太阳能是永不枯竭的清洁能源，有着矿物能源不可比拟的优越性。我国的太阳能资源丰富，60%以上的地区具有丰富的太阳辐照量，年日照时数可达2200h。尤其是华北和西北地区，日照充足，为利用太阳能提供了很好的基础条件。开发和利用太阳能，既是近期急需的能源补充，又是低碳、环保的要求。将太阳能应用于建筑物，会获得很好的节能和环保效益。
　　一、太阳能在建筑设计中的开发利用潜力
　　太阳能是一种清洁、环保能源，是一种可再生资源，同样也是一种可持续发展的能源和绿色的能源。太阳能是节能和环保的资源，取之不尽用之不竭。如能很好地加以利用可以在很大程度上减少现阶段正大量消耗且面临枯竭威胁的有限能源的使用量，如煤炭、石油等有限资源，而这些资源在平时的使用中是很广泛的，我国的太阳能资源丰富但未得到充分有效的利用，为实现经济和丰十会的可持续发展，必须大力提高可再生能源的利用率，坚持把理论变为实际。可再生能源属于绿色能源，对环境和人类的发展提供持续的动力支撑，绿色能源既能满足人类长久生存和发展的需要，在满足人类生存发展需求时也不会造成环境上的负扣和后续的麻烦，利用非可再生资源在有些层面上是以生态环境的破坏为代价换取经济的发展，就近看似乎促进了经济的发展，但从长远和宏观的层面看实际上不利于经济的发展，甚至为人类的发展造成了严重的后果。当前，建筑业已经成为了经济发展的重要产业，同时也是消耗能源较大的行业。不仅在建筑时所需要的能源材料较大，并且在建筑后和拆除后会留下很多的建筑垃圾，这对人类的生存环境是一个巨大的考验。特别在经济飞速发展的现代社会，住宅不仅仅是一个遮风避雨的场所，人们在购房时会以自身的舒适方便安全作为考虑的第一要素，那么如何能在人们追求优越的居住牛活环境与自然环境持续和谐发展的矛盾中取得一个平衡点，绿色建筑应运而生。
　　二、太阳能技术——太阳墙
　　太阳墙系统能够把被太阳加热的空气有组织地输送到室内，起到采暖和输送新风双重作用。该技术经美国能源部国家可再生能源实验室(U．S．DepartmentofEnergy’sNationalRenewableEnergyLaboratory)检测证明，太阳墙加热系统比传统的玻璃太阳能集热器有更高的效率。
　　1、工作原理
　　太阳墙系统原则上属于被动式太阳能采暖系统，由集热和气流输送两部分系统组成。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板材覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距由计算决定，一般在200mm左右，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于抽取空腔内的空气。冬季，白天室外空气通过小孔进入空腔，在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射热，受热压作用上升，进入建筑物的通风系统，然后由管道分配输送到各层空间。板材底部不密封，保持了太阳墙内腔的干燥，同时起到排水作用。夜晚，墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收，在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了新风量，又补充了热量，使墙体起到了热交换器的作用。夏季，风扇停止运转，室外热空气可从太阳墙板底部及孔洞进入，从上部和周围的孔洞流出，热量不会进入室内，因此不需特别设置排气装置。
　　2、材料、构造和设计
　　太阳墙板材是由1～2mm厚的镀锌钢板或铝板构成，外侧涂层具有强烈吸收太阳热、阻挡紫外线的良好功能，一般是黑色或深棕色，为了建筑美观或色彩协调，其他颜色也可以使用，主要的集热板用深色，装饰遮板或顶部的饰带用补充色。为空气流动及加热需要，板材上打有孔洞，孔洞的大小、间距和数量应根据建筑物的使用功能与特点、所在地区纬度、太阳能资源、辐射热量进行计算和试验确定，能平衡通过孔洞流入的空气量和被送入距离最近的风扇的空气量，以保证气流持续稳定均匀，以及空气通过孔洞获得最多的热量。不希望有空气渗透的地方，例如接近顶部处，可使用无孔的同种板材及密封条。板材由钢框架支撑，用自攻螺栓固定在建筑外墙上。应根据建筑设计要求来确定所需的新风量，尽量使新风全部经过太阳墙板；如果不确定新风量的大小，则按最大尺寸设计南向可利用墙面及墙窗比例，达到预热空气的良好效果。一般情况下，每平方米的太阳墙空气流量可达到22～44m3／h。风扇的个数需要根据建筑面积计算决定。风扇由建筑内供电系统或屋面安装的太阳能光电板提供电能，根据气温，智能或人工控制运转。屋面的通风管道要做好保温和防水。
　　2.3安装位置
　　太阳墙理想的安装方位是南向及南偏东西20。以内，也可以考虑在东西墙面上安装。坡屋顶也是设置太阳墙的理想位置，它可以方便地与屋顶的送风系统联系起来。
　　三.太阳墙技术的推广——太阳能屋
　　通常太阳能光电板安装在屋面上，把光能直接转变为电能。为了更好的利用屋面层集聚太阳光辐射产生的热量，将太阳墙技术与光电板结合，形成了另一个光热转换系统。太阳能光电板单元直接安装在多孔的波状金属板上，空气在空腔内流动受热，通过风道进入室内。集热板利用了被光电板浪费的热量供建筑采暖和通风系统使用，热效率为50％～60％，每平方米能产生多于500W的热量；同时由于空气流通，屋面温度降低，光电板在较低温度下运行效率提高了。实验证明，光电板安装在集热板上，电力输出效率可提高大约lO％。另外，太阳能屋面板遮蔽了传统屋面，防止太阳光直接照射在上面，降低了顶层天花板的温度。以上因素使整个屋面初投资的回收速度与单纯使用光电板相比增加了3～4倍，回收时间大大缩短。
　　四、太阳墙的应用实例
　　位于美国科罗拉多州丹佛市的联邦特快专递配送中心(FedEx)，因工作需要有大量卡车穿梭其中，所以建筑对通风要求很高。在选择太阳能集热系统时，中心在南墙上安装了465m2铝质太阳墙板，太阳墙所提供的预热空气流量达到76500m3／h。这些热空气通过3个5马力的风机进入200m长的管道，然后分配到建筑的各个房间。该系统每年可节省大约7万m3天然气，节约资金12000美元。另外，红色的太阳墙与建筑其他立面上的红色色带相呼应，整体外观和谐美观。
　　在生产过程中补充被消耗的气体是工业设备的一个重要需求。加拿大多伦多市ECG汽车修理厂的设备需要大量新鲜空气来驱散修理汽车时产生的烟气。该厂使用了太阳能加热空气系统，在获得所需新鲜空气的同时也节省了费用。ECG的太阳墙通风加热系统从1999年1月开始运行。公司的评估报告表明该系统使公司每年天然气的使用量减少ll000m3，相当于至少减少20吨二氧化碳的排放量，运行第一年就为公司节省了5000～6000美元。
　　纽约中心公园动物医院旧建筑改造，在南墙面上安装了95m2的太阳墙板，可预热空气达到17～30℃，并通过3套风机系统使诊室的换气量达到每小时4次，手术室每小时8次，满足了使用要求。每年能节省费用2000美元。
　　太阳能作为自然界中最丰富的可再生能源之一，对人类社会的可持续发展具有重要意义。太阳能技术在建筑中的利用是当今太阳能利用的主要潮流和趋势之一，值得大力推广。在其具体应用方向上，应该特别注意提高效率，重视太阳能与建筑的一体化设计。
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