太阳能一体化建筑的基本构件及系统方法.doc

太阳能一体化建筑的基本构件及系统方法 魏 涛今天，节能减排成为世界关注的焦点从而使得太阳能与建筑的一体化是其中的一个课题之一。目前该课题主要以幕墙以及屋面为太阳能光伏和光热应用形式的主体，而太阳能热水器（管式、平板式）则主要体现在与阳台、屋顶平面的结合上。由于存在安装质量以及太阳能热水器使用寿命问题（812年）存在危及公众安全和使用成本较高同时在寒冷地区热水器本身存在冬季冻裂等问题。因而，使之应用受到限制。由于传统的太阳能光热解决方案均把关注点放在小而全的太阳能热水器上，而忽略了建筑墙体事实上数倍于屋面的集热效应。事实上小而全的太阳能热水器一直企图与建筑物构成一个一体化的系统但是由于其本身致命的弱点而无法取得突破，因此以将一个建筑物或者一系列相邻建筑物为整体的系统的太阳能光热解决方案应该成为寻求能够与建筑物寿命相当、降低建筑物建造成本和使用成本的技术的主要趋势并带动太阳能光热技术发展的正确选择。一、 太阳能一体化建筑的基本构件在研究现有的太阳能热水器的技术理念和解决方案的基础上，本人提出了一个打破传统的思路解决太阳能光热（光伏）与建筑一体化的问题：1、以屋面、阳面墙体结合轻型壁式集热器（气体热媒，首选氮气。）为主体形成大面积的太阳能集热系统并将相对高温的气体通过管道、集箱等构件联通输送至气源热泵；2、气源热泵将相对高温的气体转换为热水(冬季可以提供暖风)等形式的能源；3、可以以小区或连片住宅为集热系统构成较大功率的低温发电系统解决区域热电需求；4、轻型集热器也可为薄膜光伏发电组件替换（只是将连接的管子变为电路即可），形成太阳能建筑光伏一体化解决方案。本发明将提供主导设计的太阳能光热构件与建筑结构相结合使建筑物屋顶以及全部墙面成为利用太阳能光热资源的集热器并形成闭合的热循环系统为用户提供所需要的热能或者转化为其他形式的能源，同时基于工业化生产和气体热媒（氮气）的应用避免了太阳能集热器冬季冻裂以及腐蚀等问题从而确保该系统长期有效的运行，另一方面该系统的工业化生产的太阳能集热器（或者光伏组件）本身可替代部分建筑外墙同时具备保温、装饰功能，为用户及社会最大化创造价值。发明内容：本发明基于电站锅炉基本结构、太阳能光热技术结合建筑结构特点，提出以由集箱、壁式集热器、连接管、（气源）热泵等基本构件以导热工质（气体、首选氮气，氮气具有较好的导热性能为大气主要成分方便制备，另外氮气是惰性气体与金属的集热器、连接管、集箱、热泵等接触具有保护气体功能。）为媒介组成太阳能光热一体化建筑供热系统，向用户提供热水或其他形式的能源。本发明涉及的光热一体化构件包括以下基本构件：1） 由无缝钢管根据建筑物特征并以压力容器标准为专业工厂制造的集箱分上、下，结构相同反向使用：主要功能为汇集、分配导热工质至集热器，该构件必须具备长期使用的功能在建筑物建造时分三部分预埋在0.00米层和顶层的建筑物框架梁中。集箱为两端封闭出、入口为大口径管（以氮气为导热工质的系统热泵设置在顶层，以水为导热工质的系统热泵设置在底层），另一面为以建筑物墙面为基础的分配小口径管组成。集箱与集热器之间的连接为焊接并作防腐以及其他防护以确保在建筑寿命期内的可靠使用。2） 壁式集热器为系统核心部件，按照平板式太阳能热水器的原理简化，剔除制造成本较高的传热导管并由专业制造厂以容器标准制造，主要改进有以下内容：以一定厚度的具有良好吸热以及热传导性能优异的金属或非金属材料面板（最佳性能比材料为铝合金表面镀蓝膜，即太阳选择性吸收涂层的板材，由于目前制造的蓝膜为平板太阳能热水器的主要吸热材料，其厚度在0.12mm0.4mm对于直接用作面板在强度上存在问题，因此技术上应该需要厚度大于1mm以上的铝合金蓝膜板材；非金属材料以石墨基材或者泥炭基材为基础具有与铝材类似热学性能。）并与其他为保温绝热复合材料构成的中空扁平压力容器（厚度原则上不超过6cm并符合建筑模数,在减少相应的墙体厚度的基础上作为墙体外部装饰包括保温墙面降低建筑造价）、上下设导管方便与导管通过焊接连接，制造时单个集热器需要在一定压力下按压力容器标准进行气密压试验，对应于光伏系统，集热器表面以光伏组件并连接一体即可构成立体化的光伏系统。建造时壁式集热器在垂直方向由连接管串联，在水平方向与集箱并联构成以墙面为主体的太阳能集热点阵（附图一）。其中：2、3为上下集箱，4为壁式集热器。适当根据建筑物特点增加刚性梁以确保集热器的稳定性并配合太阳能屋面结构使整个建筑成为一个太阳能吸热（如果是光伏系统，使用的是太阳能薄膜光伏组件，实际上也有降低表面温度并提供光伏效率等问题，本系统的氮气只有控制流量即可有效的解决这一问题）并利用的综合体。壁式集热器实际上是一个类似于黑体的空腔以导热性能优良的吸热材料制造能够使充斥其间的气体在控制流量的前提下成为较高温度的流体将吸收的热量带走实现利用光热的目的。壁式集热器在只是光热系统情况下可以为单独的设备单元在建筑物墙体构成中的一部分，也可以墙体在表面处理后作为底面与有良好导热性能的面板建造为中空的夹层沟通连接管使整个墙体成为气墙（主要应用于旧建筑的改造方面）相关形式和要求是多样化的（比如非金属吸热材料制造）以适应不同市场或对现有建筑改造的要求。 对应于太阳能光伏系统，壁式集热器仍然具有应用前景只有将集热面板改为光伏组件为插接方便金属边框设计为插槽然后加以密封即可构成单个太阳能光伏组件，而其中的气体仍然可以将余热带走从而保证了光伏组件的正常运行并避免阳光下由于高温造成的太阳能光伏组件自燃等问题而高温气体即为热泵提供有效的廉价能源。3） 连接管为沟通壁式集热器形成分部串、并联的整体，选用压力管道在原材料方面与集箱和壁式集热器管道同质以具备良好的焊接性能。管道口径大于壁式集热器以便能够方便插接并与集热器焊接，焊接后应作检漏和密闭性试验以确保相关系统的正常运行。4） 热泵（空气能热泵热水器），选用成熟的气源热泵设备选型根据系统产生的热量、传热和热交换等要求进行，由于采用氮气（或者经过处理的空气，主要去除水蒸气）作为气体热媒因而在实际上提高了热泵的使用寿命，当然如果以功率后的空气在系统中循环也可达到类似的效果而且运行成本还可进一步降低。二、 太阳能建筑一体化系统的构成 基于上述基本构件我们可以下面的基本步骤和方法构建太阳能与建筑一体化的系统：1）首先根据建筑物结构特点，将外墙阳面分为3部分并确定集箱的结构设计并制造集箱；2）根据建筑物墙体结构尺寸确定壁式集热器结构及其主要性能设计并制造壁式集热器；3）根据实际单体建筑物或小区布局以及基于热传导和相关设备的选型设计并按照以下系统框图构建组成太阳能光热一体化建筑应用系统(附图一) 其中：1为导热工质箱；2、3为集箱；4为壁式集热器；5、为热泵 系统构建时的技术要点：1）集箱和连接管的安装可以与建筑结构施工同步进行，预埋在结构梁中或者预埋连接件以固定；2）壁式集热器与连接管采用焊接方式连接并作防腐处理对于较大面积的集热器可以增加相应的固定装置；3）外露的部件防腐应与建筑外观色调协调；4）原则上空气能热泵设置在屋顶；5）建筑外观设计与太阳能基本构件应该协调统一。 在太阳能光热应用方面本系统能通过较大面积的集热器所形成较高温度的气体输入空气能热水器可以有效的提高其效能，使其应用达到最大化。另一方面，对于太阳能光伏系统壁式集热器即为光伏组件也极大的增加了光伏电池的面积并解决了其与建筑物一体化的问题，当然考虑到各地区阳光照射角度以及建筑物的方位等问题不可能阳面墙体均可实现太阳能一体化的。系统的技术特点：1、打破传统的太阳能光热系统模式，以建筑物屋面、墙体（阳面）为集热器较大的增加太阳能集热面积；2、以轻型吸热材料制造的空腔容器作为集热器，气体为热媒并与建筑物墙面一体化从而解决了太阳能热水器在安装、使用中安全以及冬季破裂等问题；3、以气体为热媒为热泵提供较高温度的气体从而得到廉价的热水或其他形式的能源，其集中生产热水的方式便于管理和控制；4、气体（首选氮气）作为热媒应用，其优越的热物理特性以及惰性气体确保了系统具有长寿命周期的特性。5、壁式集热器（或者光伏组件）在建造中可以替代建筑外部装饰、保温等项目施工，从而降低施工造价和建造成本达到经济效应的最大化。三、 应用实施的具体方法 本发明的具体实施可以包括以下三个方面，分别针对新建建筑、旧建筑改造以及工业化集成房屋和工业厂房提出实施的思路1） 对于新建建筑：首先根据建筑物结构特点，将外墙阳面分为3部分并确定集箱的结构设计并制造集箱；2）根据建筑物阳面外墙墙体结构尺寸确定壁式集热器（光伏组件）结构及其主要性能设计并制造壁式集热器、连接管；3）根据实际单体建筑物或小区布局以及基于热传导和相关设备的选型，设计并制造、采购热泵（空气能热泵热水器）；4）根据建筑物建造实际进度预埋连接管以及相关固定件、安装集箱及集热器并进行相关气密型实验，连接管道形成太阳能光热建筑应用系统。2） 对于旧建筑改造：应以外墙面为集热器或者光伏组件的容器内面，在结构梁上采取植筋方式固定轻型材料制造的面板为确保长期安全使用应该考虑一定距离增加刚性梁固定；通过相关措施可以在阳面墙体形成局部气墙式集热器系统并将产生的较高温度的气体引入热泵完成保温、太阳能一体化应用改造。3） 对于工业化集成房屋和工业厂房：根据结构特性可以较为方便地在阳面或者整个墙面以增加厚度和减少夹层等形式构成实际上的密闭空间，配合管道等连接形成贯通的气体通路。从而使气体能够方便的带走建筑物在阳光下产生的热量形成较高温度的气体因此实现太阳能一体化建筑的基本目标。四、 相关问题和设想 本发明的实施依赖于以下基本条件：1）设计、规划部门以及政府部门将其纳入的太阳能光热（光伏）技术专项推广计划以及建筑设计标准，从而实施建筑与太阳能一体化达到新能源产业化应用目标；2）建立设计、施工标准和规范指导并推广技术应用；3）全面深入的研究吸热材料特别是泥炭等实现产业化并使得满足太阳能建筑一体化的要求。