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同济大学李峥嵘: 太阳能采暖技术的建筑应用

上传时间:2016-07-01 17:46:29来源:浏览次数:


5月26日,由河北省太阳能利用行业协会、河北省光热产业技术研究院、国际铜业协会、IMSIA国际金属太阳能产业联盟联合举办的“2016中国河北第三届可再生能源工农业利用峰会”在保定市电谷国际酒店隆重召开。

 

 

上海同济大学李峥嵘教授从建筑的角度为我们分享了太阳能采暖技术和市场研究。李教授介绍,太阳能的应用不是一个新问题,大家可以看一下历史,我们国家从第二个五年计划中就提到过太阳能应用,当时大家主要是针对西北地区,但是第二个五年计划延伸到今年的第十三个五年计划离得就是关于太阳能的应用。所以你说这个问题说简单也简单,说复杂肯定也是复杂的,为什么横跨了11个五年计划还没有完成?这里面是蛮有意思的。

 


                           

 

这是网上部分数据,数据说明不管燃料或能源如何变化,从煤变成天然气,或更清洁的能源,建筑能源需求一直存在,也就是说整个建筑能源需求非常旺盛。

 

整个能源需求曲线呈上升趋势,包括城市热力用能也是急剧上升,与过去相比,除了用户采暖需求提高外,还有生活热水需求。五年前,居民对热水的需求还小,随着居民生活水平提高,用户生活热水习惯也从南往北发生较大变化,城市热水需求逐年提升,热水市场越来越大。

 

大家看下面这条线,我们的室内温度必须达到一个最低水平,那个黄线是从用户的角度,保证室内的温度必须达到这个标准。

 

 

但是我们看上海的调研结果,冬季大部分的用户温度都在蓝线以上,这意味着什么呢?我们都在这个深层线以下,所以这个区域冬季采暖的需求非常旺盛,关键是我们怎么采暖,因为国家限制建筑能耗。今年国家“十三五”供暖专项里面也有长江流域采暖专项研究,不允许提高单位面积年耗电量或耗能量,为可再生能源尤其是太阳能创造空间。

 

 

最下面那张图是我以前拍的,是个历史建筑,屋顶上表面的保护层已被破坏,这是因为老百姓自发做太阳能,即使太阳能不保温,还是愿意做,所以从这个心理角度上老百姓完全接受太阳能热水系统。

 

我们在做分析比较时,通常会对比各个国家太阳能热水供应。看那个国家太阳能热水系统更好。建筑层面一旦变成强制性措施后,就变成国家的一个指定政策和指定性计划。

 

如果强制性推广呢?一个是现代建筑高层高壁比较多,所以在施工或者设计时,都需要精细设计,因为现在建筑外墙和阳台侧面都有太阳能热水系统,但是实际墙壁太阳能热水系统热水温度能够达到多少呢,再分摊到楼面上,整个建筑领域又是多少呢?

 

建筑上实际上有一个很大的特点,并不是说技术好,而是最适合的。

 


这个房子是新加坡一个三层建筑,老房子改造的。其实新加坡这大家都很熟悉,它的一个特点就是气温高,空气潮湿,政府为控制热和湿做了两件事,第一个是把热挡在建筑外,第二个是要把太阳能给利用起来,不让进入室内。这样做了一个整体的规划之后,当然主要采用光电、绿色植被还有自然通风。这样使得全年的空调时间减到2780小时。我们全年空调需要多少小时呢?8760小时,我们做暖通空调时是按照8760小时算的,而实际上用空调的时间就2780小时。这比我们现在上海居民使用时间还要短,所以可见太阳对房子来说太重要了,关键是如何隔绝,同时怎么利用起来?这是一个很有潜力的方向。

 

这是新加坡采用一些其他技术,屋顶上的绿化不是简单的种树,而是跟光电结合在一起,抬高了一些屋面,增加了屋面下通风的功能,增强了一个自然通风的效果。最有意思的是它的侧面,光电技术就有好多种,有螺结构,也有钛金结构的,但是在这个模型里面呢,实际上它的模结构里面加入了一个叫做光导管的技术,能够一边发电一边挡光。如果能够把散射光利用起来那就更好了,也就是说发电的同时可以照明。

 

 

最右边那张图反映的是不同的遮阳功能,那个大的圆圆的像铁盒子一样的东西,是一个水平的导光筒,也就是说在对窗户遮阳的同时将光导进去,屋顶上还有垂直的光,下面的感觉就是上面这张图。但是问题也很明显,电脑的后面是有光斑,这个对室内的人来说也是一个光的污染问题,所以这个可以用在大厅,我觉得不适合用在办公室。

 

 

我先看的中间这一张图,这个很漂亮,再一看实际上是个光电源,与室内设计结合后看不出有太多突兀的地方,对比周围两栋高层,周围两栋高层就是上图左下角张图,右边实际是光电板。外形完全可以接受,但建筑附加一个发电功能。

 

 

这张是各地的一个统计图,绿色的是太阳能建筑采暖,中间红色光伏发电,蓝色是太阳能制冷。从全世界发展来看,太阳能制冷技术到目前为止并没有完全过渡,目前主要采用太阳能采暖、工业制冷与工业热应用。

 

太阳能用在建筑上主要困难点是什么呢?第一个,不管是空调系统还是工业余热系统,如果温度达不到要求,建筑师和设计师都不敢用,所以这一点对于太阳能运用来讲是一个蛮高的要求。第二个,作为建筑来讲需要能源系统和能源需求必须匹配,也就是说我需要多少热量,系统就提供多少热量,时间也要完全匹配,只能大,不能小,还要具有可调性。可调节还反映在另外一个地方。国家第二个五年计划建了很多太阳能房子,大家都很熟悉太阳房是根据冬天的负荷设计,也都面临着夏天过热问题,中国有这样的问题,欧洲也存在类似问题。全球变暖,先前兴建的太阳能建筑夏天过热,我们的太阳能系统规划设计时是否面临同样的问题?

 

第三个就是太阳能不稳定性。今天有很多老总都谈到采用跨季节储热,跨季节储热我的意见是夏天热量存到冬天用,那么在这个储能过程中,热水消耗多少?可利用率是多少?对自然环境的破坏多少?或者这个蓄热罐是多大?这个就需要预热空间和技术要求,比如热水分层问题,目前蓄冷也面临同样问题。

最后一个我觉得不难,就是系统性。大家对自己的设备就像自己的孩子一样,问题也好,优点也好,非常清楚,我今天也受益良多。但是只要太阳能用在这个地方,就是一个系统问题,而不是一个独立的设备问题。因此必须从整个系统的角度来看你的系统是怎么样的设计、安装、调试。所以在今天的报告里面我就给个建议,大家还是跟我们的房子多沟通沟通。

 

那么与建筑结合的优势是什么呢?建筑这个东西实际上嫁接了很多物种,材料、结构、保温等等,从能源角度看,太阳能对系统贡献还是蛮大的,可以做一些借鉴工作。比如说蓄热蓄冷问题,土壤问题。

 


用几张图给大家展示一下,我们做水蓄冷的时候,实际上是有个定位的。就是说我这个系统到底蓄存多大建筑负荷?你可以蓄存100%、70%、50%、20%建筑负荷等等,这些都是设计期间你的定位,定位并不是说要花多少钱,而是要承担建筑立面多少负荷,这个很重要。如果你的定位不清的话,后续系统设计可能多花钱,也可能无效或者效率低。

 

我们太阳能系统装上去之后可能会跟空气能热泵、地源热泵等结合在一起,你的的系统是什么呢?很多阀门需要不断维护、调整,先适应你的调节,再去适合建筑调节,这是一个逐级调节的过程,这个调适是目前国际上一个热点,就是怎样将系统配合调试好。
 

    

 

还有一个就是环境问题,太阳能是靠天吃饭的,当建筑发展起来,我们发现由于周边建筑条件的变化,全球气候的变化和城市污染问题,各地太阳能其实有很大差别;系统安装角度不同,太阳能辐照也是不一样的,上面是我们实测的一个数据,左边为我们模拟的系统,所以建筑节能走到精细化的时候,它就会在每个阶段慢慢地推敲,慢慢地去磨合和改善。

 

 

区域供热实际上在欧洲推广有一段时间了,为什么出现区域供热问题呢?实际上一个是太阳能,还有一个就是所谓的污染物的垃圾燃烧问题,不间断的或者间断的热量问题,其他的沼气等等,这一类的热源都有共同特点,不稳定和间断性。如果把上述所有热源集中在一起,然后用一个智能网把它调配起来,统一管理统一输送,每一个用户既是使用者又是生产者。所有热源就会变成一个能源网格。

 

能源网会成为智慧城市里面一个很重要的网络,因为没有能源的话,这个城市无法正常运转,所以能源网在智慧城市里面是很重要的。小区规划有一个能源规划专项,能源规划时就应该把气侯条件和对未来的预测等等都考虑进来,统一在能源网体现出来。

 

单纯的来讲,这些都是大家比较熟悉的东西了,太阳能热水也好,采暖也好,它可以分成好几个类型。第一个就是建筑一体化;第二个就是关于多能互补的问题,是不是要注意能源是否匹配跟调适;第三个就是能源区域的问题,就是我说的能源微网或者智能微网。

 

最大的问题是我们应该提倡需求能源管理。热水直供式系统,它是一个分享的过程,我觉得这个东西最简单,如果采用跟用户相结合方式,也有一个弊端,分开热泵组合还是串联热泵提升?如果你用在热泵冬天蒸发侧,提高它的温度,我不仅帮你解决了负荷问题,还帮你提升了系统能效,所以对系统是个提升过程,而不仅仅是分享的过程。

 

 还有区域问题,当然这个瑞典示范工程较多,丹麦政策已经跟进了,他们有很多好的经验,大家可以去参观一下。但是这种工序实际上是要跟当地的自然条件相结合。我参观的一个工厂燃烧橡胶,通过橡胶分解然后作为能源进行燃烧,再跟其他的配合,组装起来运送到城市有关区域。

 

 

国际能源署预测到2050年时太阳能供采暖和热水的用能为3500GW, 将占据采暖和生活热水14%的份额。未来太阳能热需求前景还是很广阔的,谢谢大家!

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