[科普中国]-主动式太阳能

简介

据是否需要外部驱动力，太阳能光热应用主要有被动式和主动式两种方式。被动式指通过合理布局建筑朝向和周围环境，巧妙处理建筑内部空间和外部空间形体，以及恰当选择建筑材料、结构和构造，以自然热交换的方式，使房屋取得冬暖夏凉效果的建筑。

被动式太阳能系统，一般又称被动式太阳房，是通过建筑朝向和周围环境的合理布置，以及建筑材料和结构的恰当选择，内部空间和外部形体的处理等，使得建筑物在冬季能够充分吸收和贮存太阳辐射能，从而实现建筑采暖。

主动式太阳能系统是由太阳能集热器、管道、风机或泵、储热装置、室内散热末端等组成的强制循环太阳能供热系统，它将传热工质(水或空气)通过太阳能集热器输送到蓄热器或待供暖房间内。系统一般设有辅助热源装置，以保证供暖效果。就这两种太阳能系统而言，被动式太阳能系统主要利用温室效应的原理，其结构简单、造价廉价、易于运行维护和管理，但是随太阳能辐射的变化，集换热效率比较低，空间内热量变化波动大，主动式太阳能系统集换热效率较高，系统热量变化波动小，保温效果好，能够保证空间内的舒适度和环境质量，但投资大，系统比较复杂，运行管理困难。

随着科技的进步和供暖舒适性要求的提升，主动式太阳能供暖受到了广泛关注。主动式太阳能系统按照热媒种类，可分为空气式和热水式；按照太阳能利用方式，可分为直接式和间接式；按照蓄热方式，可分为显热蓄热式、潜热蓄热式和化学蓄热式；按照蓄热时间，可分为短期蓄热式和跨季节蓄热式。1

使用类型现代社会，随着对居住办公环境质量要求的提升，以及对环境控制更加精确性的要求，被动式太阳能利用己经越来越不能满足要求，因此需要更多的太阳能能源利用、更复杂的设备组合和更精确的控制，包括光热和光电的综合利用，于是主动太阳能技术以及其对应的建筑由此产生。主动式太阳能指的是利用外部技术手段对太阳能进行收集、存储、利用，为建筑本身提供能源的利用形式。主动式太阳能目前主要应用在建筑上，为建筑本身提供热量，包括太阳能热水、太阳能空调、太阳能通风、光伏发电等。目前国际上主要使用的有太阳能热利用系统以及太阳能光伏发电系统。按系统使用类型划分，主动太阳能有以下几种类型

热风集热式供热系统在朝南或西屋面上布置太阳空气集热器，集热器里面的空气被加热后通过碎石贮热层后由风机送入房间以采暖，同时设置辅助热源和控制调节装置以保证能源的稳定供给，是一种以利用太阳能光热为主的建筑形式。

地板辐射采暖兼热水供应系统热水集热式地板辐射采暖兼生活热水供应系统是在屋顶或南向墙面设置收集太阳能的集热器，热媒水通过集热循环水泵，辅助蓄热水箱，供热水箱，采暖循环水泵；辅助热源和水循环泵，辅助加热换热器，地板辐射采暖盘管等向房问传热并提供生活热水。

太阳能空调系统兼有供暖、制冷功能，是一种把太阳能光热和光能转换成其他能源的典型利用。由于空调能源消耗量大，节能效率大，如何把太阳能的光热和光能合理转换成空调制冷热的能源供给是非常有意义的事情。

光伏建筑系统即将太阳能直接转换为高级能源——电能，地球所接受的太阳能功率，平均每平方米为1353千瓦，也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量，比目前全世界人类的能耗量大3。5万倍。随着一体化的推广，在国外已有将太阳能电池与房屋的屋面结合在一起的事例，即建筑的屋面瓦就是太阳能发电设备的光电池，不需要其它任何装置。

零能住宅它是指建筑物所需的常规能源消耗为零，全部能源供应均来自太阳能。这种100%靠太阳能供给的建筑，可以不需要电、煤气、木材或煤，这样就不需要烟囱和取暖炉，也没有有害的废气排入空气中，利于保护环境，是新一代最理想的太阳能建筑。2

系统组成对于用于太阳能供热的主动式太阳能系统，通常有以下几方面组成

太阳能集热器太阳能集热器是太阳能供暖系统的核心部件。在太阳能供暖系统中采用的集热器主要是经过改进的平板集热器、真空管集热器和复合抛物面(CPC)集热器。综合考虑集热器保温性能和安全可靠性，集热器和供暖末端的组合形式各不相同。我国太阳能供暖中利用最多的是平板集热器和真空管集热器。

目前对主动式太阳能供暖系统中集热器的研究主要集中在: 集热器与建筑一体化设计，以实现建筑供暖的同时保证建筑美观; 集热器改进，以提高效率和集热温度; 系统集热器面积的优化; 集热器最佳安放倾角等。

辅助热源由于太阳辐射具有间歇、不稳定性，一定时期内的供暖需求又具有连续性和稳定性的特点，为了保证太阳能供暖系统的稳定和可靠性，满足供暖舒适性的要求，必须设置辅助热源。当前太阳能供暖系统的辅助热源形式主要有电加热器、燃油锅炉、天然气锅炉、燃煤锅炉、生物质锅炉、城市热网、工业余热、热泵等。

蓄热装置太阳辐射的周期性和不稳定性使得太阳能与供暖需求出现了时间上的不匹配性，为了解决此问题，充分发掘太阳能资源潜力，太阳能供暖系统中常常需要配置蓄热装置。按照蓄热时间长短，蓄热装置有短期蓄热和长期蓄热之分;按照蓄热机理，蓄热装置有显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热之分。对于短期蓄热，主要的蓄热方式有蓄热水箱和相变蓄热; 对于长期蓄热尤其是跨季节蓄热，较为常用的是显热蓄热装置，主要是热水蓄热、地埋管蓄热、含水层蓄热以及砾石 － 水蓄热。3

发展历史主动式太阳能在建筑领域的应用已有较长的历史。在国外，特别是美国、德国、希腊、以色列、日本、韩国等国家，建筑领域中太阳能技术已得到越来越广泛的应用。太阳能技术利用从低技术、辅助性逐渐向高技术、主导性的方向发展。由简单的供暖能源，向太阳能热水、太阳能发电以及太阳能制冷等方面多元化发展。在实际应用领域太阳房已从被动太阳房向主动太阳房发展，从仅用于偏远地区向城市地区发展，从仅用于单层小型建筑向多层大型建筑发展，从仅用于居住建筑向公共建筑发展。

国外发达国家在被动式太阳能设计和利用方面的研究有着很长的历史，技术已经较为成熟。为了更加有效的利用太阳能，20世纪40年代，最早的主动式太阳房在美国麻省理工学院研究成功，其利用太阳能集热器作为热源，采用太阳能供暖，空调技术，先后建成1，2号实验房，主动式太阳能与建筑设计一体化的探索由此开始。随着1970年以石油代表的传统能源在世界范围内的危机情况的出现，发达国家就开始寻找新能源，并开始发展可再生能源，给太阳能的发展带来了前所未有的条件和机会，从70年代后开始太阳能利用在欧美发达国家得到了飞速的发展，科罗拉多州丹佛市的洛夫太阳房和华盛顿近郊的托马森太阳房等主动式太阳能示范房建成，这些太阳房的成功表明太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑在技术上完全是可行的，太阳能与建筑一体化设计前进了大大的一步。但由于投资太大，主动式太阳房的推广及普及程度不及被动式太阳房；至90年代里约热内卢会议以后，伴随着环境问题太阳能无论在实践还是在研究上都有了飞跃。这种飞跃不仅体现在量上，而且体现在质上，开发出更加高效的太阳能集热器和吸收式制冷机，热泵机组，以及太阳能电池为其提供采暖，空调、照明和用电，应用范围才得以扩大。

目前，许多国家都研制成了许多新型太阳能热利用的产品，并采用光伏发电，发展了与光电技术相结合的建筑。在日本佳能制造的无定型光伏屋顶板和由三洋制造的光伏屋顶瓦片，为光伏与屋面的一体化提供了最新的方式。德国弗莱堡著名的“完全自足太阳房”是一座完全依靠太阳能采暖、发电，而不依赖常规能源的零消耗建筑。该房建成后至今引起各界人士的密切关注，希望通过此项研究能使人类找到一条利用可再生的清洁能源的新路。4

特点优势随着全球资源逐渐匮乏与能源需求不断增长之间的矛盾日益凸显，太阳能作为绿色清洁能源受到越来越多的关注和研究，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力是整个社会可持续发展的有效途径之一。太阳能作为可再生能源的代表，具有分布广泛、储量丰富及绿色清洁等特点。5

主动式太阳能相比于被动式太阳能系统集换热效率较高，系统热量变化波动小，具有良好的供热性能，能为建筑中的人员提供更为舒适的环境，具有良好的发展前景。