为顺应国家建筑节能的需求,在太阳能企业的推动下,2007年以来,上海、北京、山东、湖南、湖北、河北、河南、浙江、海南等20多个省市均制定了“太阳能光热与建筑结合”规划,并强制要求12层以下建筑强制安装太阳能光热系统。同时国家住房和城乡建设部还将太阳能热水器列入建筑部品行列,确定山东力诺瑞特新能源有限公司为国家级的“国家住宅产业化基地”,大大推动了太阳能热水器的建筑部品化以及为太阳能与建筑一体化的发展。
经过多年的探索实践,《太阳能热水系统建筑一体化设计与应用标准图集》、山东省《太阳能热水系统建筑一体化设计与应用》、上海市《民用建筑太阳能系统应用图集》等国家和各地方标准相继制定执行,为太阳能与建筑同步设计、同步施工、同步验收、同步管理提供技术标准,太阳能与建筑一体化推广逐步走向规范和完善。据中国太阳能热利用产业联盟数据显示2010年我国太阳能热水器的实际使用量已达1.68亿平方米,建筑节能成效明显。
然而,在太阳能与建筑一体化的推广过程中,太阳能集热效率与建筑美学之间的权衡,尺度的把握,一直是困扰一体化进程的发展,而随着太阳能中温集热技术取得的历史性突破、节能减排压力逐渐加大以及电子通信技术的快速发展,太阳能与建筑一体化正逐步朝景观化、中高温、大型化、综合化、智能化等方向发展。
(一)兼顾效率和美观 提升工程景观性
尽管目前太阳能与建筑一体化已经获得房产商、设计院以及用户的认可,越来越多的太阳能一体化建筑落成,但不可否认的是集热器安装结构过多的考虑集热效率,普遍存在松散零乱、不美观的问题,没法满足的现代化建筑多样性的设计需求,成为太阳能在高层住宅应用方面的一大障碍。
由于地球的自转轴和公转轨道不是垂直的。在我们看来,不同季节,太阳的角度是不同的,有±23.4度的变化。这样,太阳能热水器要想取得最佳集热效果,夏天的最佳倾斜角比纬度要小15度左右,冬天的最佳倾角比纬度要大15度左右。但考虑到安装角度调整不便,因此一般情况下普通直插式热水器一般设定为比所在纬度略大一点,取达到接收能量的最大值。
而太阳能与建筑一体化过程中,尤其是阳台壁挂产品的安装则受安装位置的限制,倾斜角度有限。若垂直安装可保证与建筑整体的和谐统一,不会影响建筑美观,但集热效率则大打折扣,尤其是在夏季和纬度低的地区。为此经过反复实践研究,目前广为采用的方式为设置15度地倾斜角。同时也有太阳能企业也提出通过加大真空管间距、增加集热面积的方法解决集热效率和建筑美观的矛盾。
如力诺瑞特就提出要充分利用窗间墙、空调栏板等位置,通过增加集热器总面积弥补加大管间距带来弥补有效集热面积的损失。他们提出对太阳能集热模块在产品的模数、安全、美观、寿命、效果和经济性能方面进行整体设计,推出FU集热模块,精益设计太阳能热力系统的每一个细节,让太阳能与建筑一体化从宏观走进微观。目前行业呼声日渐其高的平板集热器较之真空管集热器更容易与建筑结合,稍加技术提升,或将成为太阳能与建筑一体化的主打产品。
(二)太阳能空调提供新的建筑节能方案
多年来,我国的太阳能热利用仅仅停留在低温热水应用阶段,而在太阳能应用最先进、最广泛的德国,太阳能空调、采暖等中高温应用已经大范围推广。
据了解,目前我国已经成为继美国、日本之后世界第三大空调市场,占全世界空调市场利用率的12%。在炎炎夏日里,空调的耗电量几乎是整个电力系统耗电量的三分之一,这是夏季电力系统不堪重负的原因之一。因此太阳能空调从一开始就具有很大的诱惑力。“相关统计数据显示,中国建筑能耗总量已占能源总消费量的27.45%,建筑节能迫在眉睫。而目前的建筑能耗中,采暖空调耗能占65%。”住房和城乡建设部政研中心副主任秦虹认为,“作为一个新产品,太阳能空调若能经受住市场考验,其市场前景将十分广阔。”
一般的太阳能热利用项目,如采暖、热水等,在需求上其实与太阳能的提供并不完全一致:当天气越冷、人们越需要温暖的时候,太阳能量的提供往往不足。从这个角度来看,太阳能空调的应用是最合理的:当太阳辐射越强、天气越热的时候,空调的使用率越高,我们需要空调的负荷也越大,而这时正是利用太阳能空调最有利的时机。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。此外,传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质,对大气层有极大的破坏作用,而太阳能吸收式制冷机以无毒、无害的溴化锂为介质,对保护环境十分有利;同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来,显著提高了太阳能系统的利用率和经济性。
太阳能空调的优点决定了这是一个极具前景,并且与强调绿色、节能的宏观政策导向相符的市场。就如眼下中央空调行业对新能源的提倡和利用一样,从长远来看,太阳能这种可以源源不断供应的新能源必将在中央空调行业的利用中大有作为。而我们分析太阳能尚且不能广泛用于空调制冷的原因,归根结底还是因为技术条件的限制,技术发展的不成熟至少在目前制约了我们对这个市场前景展开更美好的想象。
去年七月,力诺瑞特与清华大学合作研发的太阳能中温集热技术顺利通过中国工程院院士、专家团验收,集热温度达到150℃,填补国际空白,使太阳能空调、太阳能采暖等成为现实;力诺瑞特“零碳房”太阳能空调系统采用了105平方米自主研发的CPC中温太阳能集热器,工作温度范围为80-150℃。利用17.5KW的单效溴化锂制冷机组成功实现夏季太阳能制冷、冬季进行太阳能采暖、春秋季节提供生活热水,已经为太阳能空调的开发应用打下坚实基础。
无独有偶,在去年举行的2010世界太阳能中央空调发展论坛上,山东奇威特人工环境有限公司发布了直驱式太阳能空调,其光热冷综合转换率最高可达85%,比普通热水器的太阳能利用能力高出27倍,可实现24小时使用太阳能驱动空调制冷、制热和提供生活热水,同时也可使用燃气等作为补充能源。
当前的太阳能空调技术多种多样,主要是吸收式制冷和光电转化电能驱动制冷。比较成熟的技术是溴化锂-水工质对吸收制冷,目前已经在一些示范工程中有所应用,效果理想。不久前从力诺瑞特与上海交通大学合作成立的太阳能研究院传来消息:该研究院已经研制出新兴双效溴化锂制冷机,其COP值较单效制冷机提升一倍多。尽管由于太阳能空调的技术种类繁多,成熟度也各有不同,导致其产业化进程缓慢,但种种现象表明,太阳能空调进入寻常百姓家的日子不会太久。
(三)公共建筑将成为太阳能与建筑一体化的主攻点
“大型公共建筑建筑面积占不到城镇建筑总量的4%,但是却消耗了建筑能耗总量的22%。”建设部科技司副司长武涌说。我国大型公共建筑单位建筑面积的耗电量为住宅的5-15倍,是建筑能源消耗的高密度领域。
以北京市为例,虽然全市大型公共建筑面积仅占建筑总量的5.4%,但全年耗电量却接近全市居民生活用电的一半。据清华大学薛志峰博士预测:在未来几年内,北京的大型公共建筑的建筑面积将增长一倍,达到4000万平方米。按照现有的能耗指标推算,今后大型公共建筑耗电量将高达60亿度,与全市居民生活用电总量的80%相当。
曾有专家用“黑洞”来形容大型公共建筑造成的能源消耗。资料显示,北京市一般家庭空调的平均电耗是每平米两度,而大型公共建筑的电耗平均是每平米60-70度;一般家庭的空调半年大约运行400个小时,而大型公共建筑的空调半年大约运行1800个小时。但大型公共建筑与普通住宅建筑相比,有着相对更多的屋顶或阳台面积,这为太阳能集热器的安装提供了极大便利,同时也不存在普通住宅安装太阳能可能带来的物业问题。有了足够的集热器,建筑的采暖甚至制冷都可以用太阳能来解决,如果再加上太阳能光伏发电,“零能耗”并非不可实现。
力诺瑞特牵手上海交大联合设计太阳能空调制冷系统,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。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。
财政部、住房城乡建设部不久前公布了“十二五”期间我国公共建筑节能目标,计划打造一批公共建筑节能改造重点城市,到2015年,重点城市公共建筑单位面积能耗下降20%以上,其中大型公共建筑单位建筑面积能耗下降30%以上。改造重点城市在批准后两年内应完成改造建筑面积不少于400万平方米,中央财政将给予财政资金补助。另一方面推动高校等重点公共建筑和中央本级办公建筑节能改造,明确高校建筑节能改造示范应不低于20万平方米,单位面积能耗应下降20%以上。因此不难发现,公共建筑将成为太阳能与建筑一体化的主攻点。
(四)使用维护智能化趋势明显
尽管太阳能与建筑一体化的技术不断优化升级,广泛推广并广受认可,但太阳能“靠天吃饭”的弊端依然不容忽视,当遇到阴雨天气等太阳能光照不足的时候,如何及时切换常规模式满足热水、采暖等需求,系统时刻能给太阳能保留加热空间,是必须解决的问题。同时太阳能系统的运行监测、系统维护以及系统原始数据的采集等都需要认真对待,因此太阳能与建筑一体化系统的智能化是必然选择,也是大势所趋。
长期以来,未来科技都让人们对生活充满幻想和憧憬。如果能将智能控制、物联科技与家用设备结合起来的话,我们的生活也许会更具未来感。物联网太阳能热水系统就可以为这样的“梦想”与现实搭建了美丽的桥梁,打开了太阳能与建筑一体化的智能化方向之门。
物联网太阳能系统,即将现有的成熟太阳能系统与射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备相配套,通过综合何止系统,按约定的协议,将太阳能系统与互联网相连接,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种新型太阳能系统解决方案。该系统与传统太阳能系统比较而言,它在控制方式的空间上进行拓宽,通过手机、网络平台将控制范围延伸,可以在任意时间任意地点,通过电脑、手机等网络、通信监控太阳能系统温度、水位参数,实现启动上水、辅助加热等功能,让节能降耗更随心所欲;在监控和实时预警商业具有无可比拟的优越,可实现实时系统检测,从而避免某些运行风险,即使为客户解决问题,提高服务质量。
在济南奥体中心游泳馆太阳能热水系统工程中,力诺瑞特正式基于物流网开发了了远程监控平台,实现了温差循环、定量补水、定压补水、防冻循环、辅助加热、恒温供水等系统智能化运行,同时实现了图形化显示界面,真实反映现场情况;自动检测功能,故障报警设置实现后期智能化管理;数据备份功能,自动记录现场运行数据等智能化监控、服务,为太阳能与建筑一体化的智能化发展开了个好头。