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岭南地区太阳能一体化建筑研究
发布日期:2020-10-07 10:55:10

第一章 绪论

1.1岭南地区日照概况

我国幅员广大,有着十分丰富的太阳能资源。据估算,我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1015MJ,全国各地太阳辐射总量为3350~8370MJ/cm2,中值为5860MJ/cm2,根据以下全年太阳日照时间表可以看出我国岭南地区日照概况。(见表1-1)

表1-1我国部分地区全年太阳日照时间表

全年日照时数/h

年总量/(KJ/㎡)

主要地区

 

2200~3000

(502~670)×104相当于170~200kg标准煤燃烧所发出的热量

山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽南部、黑龙江、台湾东北部

1400~2200

(419~502)×104相当于140~170kg标准煤燃烧所发出的热量

湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江、台湾东北部

从全国各地区全年太阳日照时间表来看,岭南广大地区的太阳辐射总量很大,而岭南,包含福建南部,香港、澳门、台湾、广东、海南,和广西东北部地域;狭义上的岭南则指珠三角及广东西南部讲广府白话的区域。岭南地区整年日照时间达到2000小时,正午最低的入射角达到410。每年的平均温度为21~24℃,最热的月份平均温度可达到28~29℃,最冷的月平均气温也有14~17℃。夏天从5月份到10月份中旬结束,长达6个月的时间。夏季的白昼时间长达12-14小时,太阳辐射强度大,气温高,7月到9月中午太阳高度角均达到700 以上,夏至日达到870。以广东省为例,全省各地的平均日照时数载1450小时-2300小时之间。综上所述,岭南地区的太阳能资源非常丰富,这也是在岭南推广太阳能一体化建筑的一个重要前提。

1.2国内外太阳能的应用现状及发展前景

1.2.1国外太阳能发展趋势

全球领先的太阳能组件生产条线供应商Midsummer总裁Sven表示,太阳能和可再生能源行业在不断地发展,太阳每年提供给地球的免费辐射能量多达5.4×1024 J,相当于人类目前能源总消费量的上万倍[1]。因此世界各国都在逐渐加大对太阳能利用方面的研究力度,太阳能利用研究离不开国家政策扶持。各发达国家太阳能发展政策如(表1-2)所示

表1-2各发达国家太阳能发展政策

国家

时间

政策意见

英国

2010年4月

2011年6月

实施太阳能发电的买回政策;

政府为吸引投资商家,出台多项太阳能优惠政策;

美国

2008年

出台新能源激励计划奥巴马政府出台太阳能相关政策及各州政府出台了相关政策;

德国

1990年

实施光伏屋顶计划;

日本

2003年4月

全面实施《电业系统利用新能源的特别措施法》;

以上发达国家出台的太阳能新能源政策,极大促进了该国太阳能利用,太阳能利用将是各国未来能源结构中占比例很大的一项,国外太阳能发展趋势将势不可挡。

1.2.2 国内太阳能的发展趋势

根据《可再生能源中长期发展规划》,到2020年,我国力争使用太阳能发电装机容量达到1.8GW(百万千瓦),到2050年将达到600GW(百万千瓦)。预计,到2050年,中国可再生能源的店里装机将占全国电力装机的25%,其中光伏发电机将占到5%。未来几十年,我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%。2009年我国推出了太阳能屋顶计划和金太阳示范工程,金太阳示范工程提出对并网光伏发电项目原则上按光伏发电系统及其配套输配电工程总投资的50%给予补助,偏远无电地区的独立光伏发电系统按总投资的70%给予补助。受“金太阳工程”和建筑屋顶光伏项目推动,国内光伏内需市场开始启动。国家能源局最新透出的目标是,到2015年国内光伏装机要达500万千瓦;到2020年,光伏装机达2000万千瓦[2]。

1.3太阳能一体化建筑技术的进展概况

在当今世界能源与环境问题日益严重的形势下,太阳能是一种可利用的非常宝贵的可再生能源。而且相对于人类发展历史而言是一种取之不尽、用之不竭、清洁的永 久能源。太阳能技术已成为一项新兴而热门的技术,由这项技术衍生出来的其他技术,比如太阳能建筑一体化技术是太阳能应用领域扩展的需要。把太阳能同建筑结 合起来。把几千年来房屋只是人类居住、遮风挡雨、避寒暑的简单场所发展成具有独立能源、自我循环式的新型建筑、少温室气体的排放,推广利用可再生能源,1990年德国率先提出并实施“一千光伏屋顶计划”1997年美国宣布,为了达到2010年使室温气体排放量比1990年减少7%的目标,开始实施“百万太阳能屋顶计划”。于是欧盟国家,日本等国也各自推出“太阳屋顶计划”如表1-3所示

表1-3各发达国家的太阳能利用计划

国家

计划

目标

年度

政府资助

澳大利亚

新阳光计划

20MW

2004

50%

德国

10万屋顶

300MW

2005

38%

美国

100万屋顶

3025MW

2010

35%-40%

意大利

1万

50MW

2003

75%-80%

日本

新阳光计划

5000MW

2010

33%-50%

从上述计划可以看出,国外各国政府都把太阳能应用同建筑紧密联系,推动太阳能一体化建筑技术的发展。我国早在2001年就开始探索太阳能在建筑上的应用方式与方法[3]。国家发改委 2007年下发《推进全国太阳能热利用工作实施方案》,同年9月,国家环保总局发布《家用太阳能热水系统》和《太阳能集热器》两项国家标准,2012年 12月《家用太阳能热水系统能效限定值及能效级》等一系列标准相继出台。与此同时,我国多个省区市颁布实施了进一步推广利用太阳能热水器的政策,要求12 层以下并满足安装条件的民用建筑强制安装太阳能热水系统[4]。

1.4岭南地区太阳能一体化建筑发展前景

岭南地区地处我国改革开放的最前沿,改革开放三十多年以来,经济发展迅速,人民生活水平有了很大的提高。岭南地区人口众多,GDP约占全国的五分之一,在经济飞速发展的推动下,住宅建设得到了空前的发展。随着生活水平的提高居民用电,工业用电,大型公共建筑建筑用电量,大幅度提高,成功实现太阳能制冷、采暖、热水、光电等四位一体应用,该系统可广泛应用于办公、娱乐、酒店、会议、超市等公共建筑以及别墅等高档住宅建筑[5]。专家表示,在充足的设备安装的前提下,以目前的技术,综合利用太阳能,全面实现太阳能与建筑一体化及太阳能光热光电综合应用一体化,太阳能热水可补充15%的建筑能耗,采暖、制冷系统可解决50%的建筑能耗,光伏发电可节约30%的建筑能耗,就可建成最理想的零能耗房[6]。因此岭南地区太阳能一体化建筑具有可观的发展前景。

 

 

第二章 太阳能光热系统与建筑一体化

2.1太阳能热水系统

所谓太阳能与建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合,利用太阳能集热器替代屋顶覆盖层或替代屋顶保温层,既消除了太阳能对建筑物形象的影响,又避免了重复投资,降低了成本.太阳能与建筑一体化是未来太阳能技术发展的方向。太阳能与建筑一体化技术的特点:1.把太阳能的利用纳入环境的总体设计,把建筑、技术和美学融为一体,太阳能设施成为建筑的一部分,相互间有机结合,取代了传统太阳能的结构所造成的对建筑的外观形象的影响。2.利用太阳能设施完全取代或部分取代屋顶覆盖层,可减少成本,提高效益。3.可用于平屋顶或斜屋顶,一般对平屋顶而言用覆盖式,对斜屋顶用镶嵌式。4.太阳能热水器完全纳入建筑部品体系,成为建筑体系不可分割的一部分,与建筑同步设计、同步施工、同步后期物业管理[7]。

2.2太阳能热水系统工作原理

太阳能光热系统与建筑一体化技术,是指运用设计手段,将太阳能产品集成到建筑上,使之成为有机整体的技术。它需要建筑、结构、电气等多个工种的交叉、协调和配合, 是一项比较全面系统的工程[8]。在建筑物的方案、规划阶段就应对太阳能光热系统进行经济与技术的分析、比较,明确设置太阳能光能系统的必要性。日常生活中使用的太阳能热水系统也是太阳能光热转换利用的一种技术,太阳能光热利用是指将太阳辐射能量收集起来,通过太阳集热器,将太阳能变为可以利用的热能,并向水箱中的水传递热量,而获得热水的一种系统。太阳能热水系统,它包括太阳能集热器、电动遮阳罩、水箱、水泵,其特征是太阳能集热器和水箱分别设置感温探头,感温探头、水泵及遮阳罩电机的信号线均连接到电脑控制仪的相应控制接口上。能够实现按时间类别输入指令,对遮阳罩进行定时控制。如图所示:

 

图2-1太阳能热水系统

                   图2-2太阳能热水器的工作原理

冷水通过管道进入太阳能热水器内,经过集热板,集热板能收集太阳能,将太阳能转化为热能,然后把冷水加热。由于冷水的比重比热水的比重大,热水会自动往上升,然后形成一个循环动力,水就在集热板那逐渐升温,达到一定温度后就能进入储热水箱,需要热水的时候就能供应热水。

2.3太阳能光热系统与建筑结合形成一体化

2.3.1太阳能光热系统与屋顶结合形成一体化

太阳能与屋顶结合一体化:屋顶光照条件好,太阳辐射充足。并且安装简单,集热效果最佳,对本身建筑也没有多大的影响美观。

 

图2-3太阳能热水系统与屋顶形成一体化

 

图2-4太阳能热水系统与屋顶形成一体化

2.3.2太阳能光热系统与阳台结合形成一体化

阳台构架式太阳能光热系统不仅能充分利用太阳能源,还能保证建筑的外立面不被改变,适用于建筑工程统一规划、同步设计、同时施工的新建、扩建和改建的综合办公楼、公寓、居民住宅楼等工程。

 

图2-5太阳能热水系统与阳台形成一体化

2.4太阳能热水系统的节能效益分析

太阳能一体化建筑的建设成本分析,影响其盈利能力的因素有:装机成本、系统发电量、补贴力度等。对这些因素的分析,能够计算出热水系统系统的基本费用,可以判断其经济效益状况[9]。太阳能一体化建筑的建设的成本、发热量、年节省量等这些效益因素的数值,也是计算太阳能一体化建筑的建设投资回收率、内部收益率、回收期等技术经济指标的基础。

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