绿色建筑中太阳能技术的应用研究

绿色建筑中太阳能技术的应用研究

杨铠铭

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摘要：随着全球环境问题的日益严重和能源需求的不断增长，绿色建筑及其节能技术得到了广泛的关注和研究。太阳能技术，特别是太阳能集热器，作为绿色建筑中重要的节能技术之一，其在建筑领域的应用和发展对于推动建筑行业的绿色化进程具有重要意义。本文首先介绍了绿色建筑的概念和太阳能技术的基本原理，然后详细分析了太阳能集热器的工作原理、分类、应用现状及其在建筑节能中的优势。接着，通过案例研究，探讨了太阳能集热器在绿色建筑中的实际应用情况，并分析了其发展趋势和面临的挑战。最后，针对太阳能集热器在绿色建筑中的未来发展，提出了相应的策略和建议。

关键词：绿色建筑；太阳能技术；太阳能集热器；建筑节能；发展趋势

引言

随着工业化和城镇化的快速发展，建筑行业已成为能源消耗和环境污染的主要源头之一。全球气候变化和环境问题日益严重，推动建筑行业向绿色、低碳、节能的方向发展已成为必然趋势。绿色建筑作为一种新型的建筑理念和实践方式，旨在通过采用先进的节能技术和管理手段，实现建筑能源的高效利用、环境的保护和社会的可持续发展。太阳能技术作为绿色建筑中重要的节能技术之一，其在建筑领域的应用和发展对于推动建筑行业的绿色化进程具有重要意义。

1. 绿色建筑与太阳能技术概述

1.1 绿色建筑的概念

绿色建筑是指在建筑的全生命周期内，通过采用先进的节能技术和管理手段，最大限度地减少能源消耗和环境污染，提高建筑的能源利用效率，实现建筑与环境的和谐共生。绿色建筑注重建筑的节能、环保、舒适和健康等方面，强调建筑的可持续性和可循环性，绿色节能建筑不仅关注建筑本身的节能性能，还注重建筑与环境、社会、经济的协调发展。

1.2 太阳能技术的基本原理

太阳能技术是将太阳能转换为电能、热能等能源的技术。太阳能是一种清洁、可再生的能源，具有无限的潜力和广阔的应用前景。太阳能技术主要包括太阳能光伏发电、太阳能集热器、太阳能热水器等。其中，太阳能集热器是太阳能热利用中最常见的一种装置，其工作原理是通过集热器表面吸收太阳能辐射能，并将其转化为热能，进而加热集热器内的水或其他介质。

1.3 建筑绿色节能的重要性

随着全球能源危机的加剧，建筑行业作为能源消耗的主要领域之一，其节能问题显得尤为重要。绿色节能建筑通过采用先进的节能技术和管理手段，可以显著降低能源消耗，缓解能源危机。绿色节能建筑在设计和施工过程中注重环境保护，采用环保材料和绿色施工技术，减少环境污染和生态破坏。同时，绿色节能建筑在使用过程中产生的废弃物和污染物也较少，有利于保护生态环境。绿色节能建筑注重室内环境的舒适性和健康性，通过采用自然通风、采光、隔音等措施，提高居住品质。同时，绿色节能建筑还注重节能设施的智能化和人性化设计，使居住者能够更加方便、舒适地使用节能设施。

2. 太阳能集热器的工作原理、分类及应用

2.1 太阳能集热器的工作原理

太阳能集热器的工作原理是通过集热器表面吸收太阳能辐射能，并将其转化为热能。集热器通常由集热板、保温层、透明盖板等部分组成，其中集热板是太阳能集热器的核心部件，负责吸收太阳能并将其转化为热能。集热板通常采用高吸收率、低发射率的材料制成，以提高其集热效率。

2.2 太阳能集热器的分类

根据结构和工作原理的不同，太阳能集热器可分为平板型集热器、真空管集热器和热管式集热器等几种类型。平板型集热器具有结构简单、成本低廉等优点，但集热效率相对较低；真空管集热器具有较高的集热效率和稳定性，适用于寒冷地区和大规模热水供应系统；热管式集热器则具有传热效率高、结构紧凑等优点，适用于高层建筑和复杂环境条件下的热水供应系统。

2.3 太阳能集热器在建筑节能中的应用

太阳能集热器在建筑节能中主要用于热水供应、采暖和空调等方面。通过太阳能集热器，建筑可以实现热水的自给自足，减少对传统能源的依赖，降低能源消耗和环境污染。同时，太阳能集热器还可以与建筑一体化设计，提高建筑的美观性和实用性。例如，在建筑屋顶或墙面上安装太阳能集热器，不仅可以提供热水供应，还可以作为建筑的外立面装饰，增加建筑的艺术效果。

3. 太阳能集热器在绿色建筑中的实际应用分析

3.1 热水供应系统

太阳能集热器在绿色建筑热水供应系统中的应用是最为普遍和直接的。传统的热水供应系统通常依赖电加热或燃气加热，不仅能耗高，而且排放大量温室气体。而太阳能集热器通过吸收太阳能并将其转化为热能，可以高效地加热建筑内的水循环系统，为建筑提供稳定的热水供应。在实际应用中，太阳能集热器通常安装在建筑的屋顶或墙面，通过集热板收集太阳能。集热板内部装有导热介质，如导热油或水，它们能够将太阳能的热量传递到热水储存设备中。同时，为了保证热水供应的稳定性和可靠性，通常会结合使用电加热或燃气加热作为备用热源。

3.2 空间加热系统

除了热水供应系统外，太阳能集热器还可以用于绿色建筑的空间加热系统。在寒冷地区，建筑的采暖需求较大，而传统的采暖方式如燃气、电加热等能耗高、排放大。太阳能集热器通过收集太阳能并将其转化为热能，可以为建筑提供稳定、环保的采暖热源。在实际应用中，太阳能集热器可以与建筑的采暖系统相结合，如地板采暖、散热器采暖等。太阳能集热器将收集到的热能传递给采暖系统，通过热媒循环将热量输送到建筑的各个角落，从而实现建筑的采暖需求。同时，为了保证采暖系统的稳定性和可靠性，通常会结合使用其他热源作为备用。

3.3 与其他绿色技术的整合应用

太阳能集热器在绿色建筑中的应用不仅仅局限于热水供应和空间加热系统，还可以与其他绿色技术相结合，实现更加高效、环保的建筑能源利用。例如，太阳能集热器可以与光伏发电系统相结合，形成太阳能综合利用系统。光伏发电系统通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，而太阳能集热器则收集太阳能并将其转化为热能。两种系统相互补充、相互协作，可以为建筑提供更加全面、高效的能源供应。

3.4 实际案例分析

3.4.1 项目基本概况

某项目建设地点在大连，其中新建四座宿舍共2万平方米建筑面积，采用太阳能方式进行生活热水供热。项目热水用水量标准为24小时供水，每人每天40升，共满足1300人用水量。

3.4.2 项目太阳能技术要求

热源：太阳能。本项目所在地太阳能资源属于III资源一般区，年太阳能辐照量为：4200~5400 MJ/m2.a，较适合采用太阳能。辅助热源：空气源热泵加电辅热。本项目四座宿舍生活热水系统分区竖向分为两个区（分区同冷水给水系统），采用上行下给式循环，全日供应。各建筑物屋面分别集中设置太阳能集热器，太阳能集热器与太阳能蓄热水箱之间通过太阳能预热循环泵进行机械循环。本项目1号宿舍最高日热水用水量为14.00m3/d，设计小时耗热量451359kJ/h；2号、3号、4号宿舍最高日热水用水量为42.00m3/d（每个宿舍均为14m3/d，，设计小时耗热量752265kJ/h）。综合考虑建筑屋面条件、遮挡等影响，在各建筑物屋顶分别设置采光面积约350m2太阳能集热器。在屋顶热水机房设置太阳能蓄热水箱用于储存热能，有效容积V=15m³，集热系统采用软化水作为传热工质。热水配水管网采用同程机械循环系统。热水系统的补水由相应分区给水系统提供。热水水箱、热水循环泵、集热器循环泵、空气源热泵循环泵设于屋顶热水水箱间内。热水系统设置紫外光催化二氧化钛消毒装置。热水供回水干管按同程敷设，干管竖向布置，支管采用横向布置。热水供水及回水管采用难燃B1级泡沫橡塑保温，保温厚度30mm。太阳能集热管路采用加50mm厚的难燃B1级泡沫橡塑保温，外包镀锌铁皮；冬季温度降至0℃以下时，屋顶热水循环管道采用电伴热保温。太阳能热水系统安全可靠，并采取防冻、防结露、防过热、防雷、抗雹、抗风、抗震等技术措施。电热水器及电加热设备必须带有保证使用安全的装置。

3.4.3 案例经验总结分析

本案例看来，项目实现了预期目标。在工程建设中，通过采用安装太阳能集热器的方式，大幅度的减少了用电量的使用，既经济又环保，获得了良好的社会效益。

4. 太阳能集热器的发展趋势与挑战

4.1 发展趋势

随着科技的进步和环保意识的提高，太阳能集热器在绿色建筑中的应用将越来越广泛。未来，太阳能集热器将朝着更高效、更智能、更环保的方向发展。具体而言，以下是太阳能集热器的发展趋势：

4.1.1技术创新

随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，太阳能集热器的集热效率和稳定性将得到进一步提升。例如，纳米技术、光热转换技术等新兴技术的应用，将有望大幅提高太阳能集热器的性能。

4.1.2智能化控制

未来的太阳能集热器将更加注重智能化控制，通过智能传感器、云计算等技术实现对太阳能集热器运行状态的实时监测和智能调节。这将有助于提高太阳能集热器的运行效率和能源利用效率。

4.1.3系统集成

随着建筑一体化的推进，太阳能集热器将更多地与建筑本身相结合，实现系统集成。通过将太阳能集热器与建筑的外立面、屋顶等部分相结合，不仅可以提高建筑的美观性和实用性，还可以实现更好的能源利用效果。

4.1.4多功能化

未来的太阳能集热器将不仅限于热水供应和采暖服务，还将拓展至其他领域。例如，太阳能集热器可以与光伏发电系统相结合，实现太阳能的综合利用；还可以用于制冷、干燥等领域，进一步拓宽其应用范围。

4.2 面临的挑战

尽管太阳能集热器在绿色建筑中具有广阔的应用前景和发展潜力，但其在实际应用过程中仍面临一些挑战：

4.2.1成本问题

目前太阳能集热器的成本相对较高，这在一定程度上限制了其在建筑领域的广泛应用。未来需要通过技术创新和规模化生产等方式降低太阳能集热器的成本。

4.2.2安装和维护

太阳能集热器的安装和维护需要一定的专业知识和技能。目前市场上缺乏专业的安装和维护人员，这在一定程度上影响了太阳能集热器的使用效果和使用寿命。

4.2.3政策和标准

目前关于太阳能集热器的政策和标准还不够完善，这在一定程度上制约了太阳能集热器的发展和应用。未来需要制定更加完善的政策和标准，为太阳能集热器的发展和应用提供更好的支持和保障。

5. 策略与建议

针对太阳能集热器在绿色建筑中面临的挑战和发展趋势，本文提出以下策略和建议：

5.1 加强政策引导和激励机制

政策引导和激励机制是推动太阳能技术在绿色建筑中广泛应用的关键。政府应制定明确的政策目标，提高绿色建筑中太阳能技术的使用率。例如，可以设立太阳能技术应用补贴，对采用太阳能技术的绿色建筑项目给予财政支持。同时，建立绿色建筑评价体系，将太阳能技术的应用作为重要评价指标，从而鼓励建筑企业和设计师在建筑设计中积极融入太阳能技术。

5.2 加强技术研发和创新

加强技术研发和创新是提升太阳能技术在绿色建筑中应用效果的重要途径。政府和企业应加大对太阳能技术研发的投入，推动太阳能集热器、光伏发电等技术的不断创新和性能提升。特别是要关注太阳能技术与建筑设计的深度融合，开发出更加适合绿色建筑需求的太阳能产品。此外，还应加强国际合作与交流，引进国外先进的太阳能技术和管理经验，推动我国绿色建筑和太阳能技术的快速发展。5.3 完善人才培养体系

完善人才培养体系对于提升绿色建筑中太阳能技术的应用水平至关重要。政府和教育机构应加强对太阳能技术专业人才的培养，设立相关专业课程，培养具备太阳能技术应用能力的专业人才。同时，加强对建筑从业人员的培训，提高他们的太阳能技术应用能力和绿色建筑设计理念。此外，还可以通过举办专业技能竞赛、开展技术交流活动等方式，促进太阳能技术领域的交流与合作，提升整个行业的技术水平。

5.4 加强市场推广和宣传教育

政府和企业应加大对绿色建筑和太阳能技术的宣传力度，提高公众对绿色建筑和可再生能源的认知度和接受度。可以通过举办绿色建筑和太阳能技术展览、开展科普讲座等方式，向公众普及相关知识，引导消费者选择绿色建筑和使用太阳能产品。同时，政府还可以制定优惠政策，鼓励企业和个人购买和使用太阳能产品，推动绿色建筑市场的快速发展。

5.5 建立健全监管机制

建立健全监管机制是确保太阳能技术在绿色建筑中有效应用的重要保障。政府应加强对绿色建筑项目的监管力度，确保项目中太阳能技术的真实性和有效性。对于违反规定、虚假宣传等行为要严厉打击，维护市场秩序和消费者权益。同时，建立绿色建筑和太阳能技术应用的信息公开制度，增强市场透明度，便于公众监督和选择。

6. 结论

绿色建筑中太阳能技术的应用研究具有重要意义。太阳能集热器作为绿色建筑中重要的节能技术之一，其在建筑领域的应用和发展对于推动建筑行业的绿色化进程具有重要作用。未来随着科技的进步和环保意识的提高，太阳能集热器将朝着更高效、更智能、更环保的方向发展。同时我们也需要正视太阳能集热器在实际应用过程中面临的挑战和问题，并采取相应的策略和建议加以解决和推动其发展。

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