生态建筑学:太阳能集热系统及应用

太阳能可以用于加热自来水，为房屋供暖或提供热水。太阳能集热器的尺寸大小不一。最常用的是独户太阳能系统，5—10 m2大的太阳能组件往往被置于屋顶（图3-53、图3-54）。也可使用屋顶一体化太阳能面板。大的太阳能集热系统往往与一个区域供热网络或季节性储热设备连接，通常包括一个太阳能集热场（图3-55）。利用太阳能的另一种途径是给游泳池加热。因为游泳池不需要太高的温度，所以这些太阳能收集器集热器往往较为简单。也有为空气加热的太阳能集热器。

1）太阳能供热系统

（1）太阳能供热系统的特点。太阳能集热设备的广告往往会提到它的能效，但是仅集热器有能效是不够的。整个系统都必须是高效的。因此出现了一个专有名词“太阳能保证率”，指供暖和热水系统中由太阳能提供的热量占全部热负荷的比率。系统的热损耗包含在内。世界上最大的能量存储单元之一是位于斯德哥尔摩阿兰达机场的地下含水层（图3-56、图3-57）。含水层的低温水被用于夏天建筑制冷，同时在冬天用于融化机场停车场的积雪。

图3-53　太阳能集热系统

该系统包括太阳能集热器，储热箱和一个含有气泵、止回阀、过滤器、蒸发器、填充装置、安全阀、温度计、压力计以及调节设备的系统。这些部分用绝热管子连接起来。插图为列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）绘制

图3-54　斯迈登（Smeden）生态村双拼住宅的太阳能集热屋顶

该住宅位于瑞典延雪平（Jönköping）地区。建筑师：扬 莫斯科林（Jan Moeschlin）和佩奥 奥斯卡松（Peo Oskarsson）。摄影：拉尔斯 安德烈（Lars Andrén）

图3-55　瑞典孔艾尔夫（Kungälv）太阳能集热场

该集热场是欧洲最大的集热场之一，在35 000 m²的场地上，太阳能集热器的面积达到10 000 m2，比5个足球场还要大。这些集热器用新技术制成，包括抗反射玻璃，这使得该太阳能集热器具有更高的效率。该系统每年输出4 GWh的能量，提供所在区域热能年产量的4%

（2）朝向和角度。理想的太阳能集热器应该朝向正南方，然而有±30°的偏角对能量的损失极少（最多只有10%）。如果偏角太大的话，就只能靠增加集热面积来弥补了。不能有物体遮挡太阳能板，比如树木（图3-58，表3-2）。

图3-56　不同的季节性储热方式

图3-57　瑞典带有季节性储热设施的太阳能集热系统

该系统的规模越大，经济性越好，目标是太阳能占75%，其他能源占25%。图示为1983年建于乌普萨拉（Uppsala）的吕克勃（Lyckebo）公寓楼，包含550套公寓。总共4 300 m2的太阳能集热器提供100 000 L的热水，这些热水被储存在地下30 m深的一个水窖内。太阳能热量只提供了吕克勃公寓楼总热能消耗中很小的部分。太阳能集热器、临时电炉、热水窖

图3-58　南向不同倾角24 h的平均集热量比较

如果全年的大部分时段都要利用太阳能，在瑞典60º 70º是较好的角度，虽然夏季集热较少，但是全年的总集热量最多。在斯德哥尔摩最佳角度是30º 60º，如果只是夏季集热角度越低越好，但是如果也用于冬季那角度就要高一些了。资料源于贡纳 李讷默（Gunnar Lennermo），能源分析公司，阿灵索斯（Alingsås），瑞典

表3-2　朝向和角度对太阳能集热器能效的影响

注：建议将太阳能集热器放置在15　65°倾角的位置。

2）太阳能集热器的类型

人们很容易把太阳能集热器和太阳能电池混淆起来。太阳能集热器用于供热而太阳能电池则用于发电。有时候这两种情况都可使用“太阳能板”这个词。共有三种类型的太阳能集热器：平板太阳能集热器、真空太阳能集热器以及聚光式太阳能集热器（图3-59）。在21世纪初，开始出现了聚光式太阳能集热器，使得瑞典这样的高纬度国家也能有效使用太阳能，现在在瑞典北部那样阳光少的地方也能够使用。

（1）平板太阳能集热器。用于提供热水的平板太阳能集热器是最常用的。这些平板是带有吸热设备的绝热箱体，吸热设备覆盖着玻璃片或塑料片。也有与屋顶构造结合为一体的太阳能集热板。最便宜的得到太阳能集热器的方式是自己来造，为此有专门DIY工具。瑞典太阳能公司还为参与者开设了课程。平板太阳能集热器内含一个加热水或油的吸热器。该吸热器由玻璃板或塑料板覆盖，且背面绝缘（图3-60）。在吸热器与玻璃之间有一个传热阀，在绝缘体与吸热器之间也有防止绝缘体排放的保护层，以避免污染玻璃（图3-61）。独户的家用太阳能热水器通常只需5 m2大小，能够满足每年一半的热水需求。如果太阳热能同时用于采暖和热水，一般有10—15 m2大小就能满足需求量的三分之一。人们通常购买成品设备。成品预制的太阳能集热器能够安装在屋顶、墙面或者地面上。与屋顶构造结合的一体式太阳能集热器通常比成品安装更美观，也更便宜（图3-62）。如果太阳能集热器完全覆盖了屋顶，那么它们如何与屋脊、屋檐以及山墙相连接就显得非常重要了（图3-63）。管子的进出也会影响美观。夏季小房子用的太阳能集热器很简单，也不贵，通常也不配备有防冻剂和热泵。在这种太阳能集热器中，水的填充是利用常规水系统压力来完成的，它在太阳能集热器中加热并通过一个自然循环将水送到热水箱。经验显示，集热板前面配备反射器能将效率提高大约50%。

图3-59　平板式、真空式与聚光式太阳能集热器

(www.xing528.com)

图3-60　TeknoTerm牌平板式太阳能集热器的构造

A）低氧化铁含量钢化玻璃。B）具有良好透明性的特氟纶层。C）拥有世界专利技术的吸热器。D）带有纤维玻璃面层的高温绝缘体。E）铝制框架。F）EPDM橡胶密封条。G）波纹状铝质合金背板

图3-61　Sunstrip”吸热器

该吸热器的发展已经使得瑞典太阳能集热器具有了良好的耐久性和品质。铝和铜在很高的温度下挤压到一起，金属之间采用焊接节点，这样就不会再有锈蚀现象了。A.铜管。B.少量的水。C.焊接节点。D.选择性表皮。E.固定表皮。F.铝制的边框

图3-62　与屋顶结合的太阳能集热器

这是一个降低太阳能造价的方法。太阳能集热器构成屋顶的外层，其保温层同时也成为建筑屋顶的保温层。建筑师：扬 莫斯科林（Jan Moeschlin）和佩奥 奥斯卡松（Peo Oskarsson）。摄影：拉尔斯 安德烈（Lars Andrén）

图3-63　SolTech能源公司制造的玻璃瓦

其既作为屋面防水层，又作为太阳能空气集热装置来加热蓄热箱中的水

（2）真空式太阳能集热器。真空太阳能集热器是将吸热装置密闭在玻璃真空管中，这样可以减少热损耗。玻璃管相互连接组成一个单元（图3-64）。真空太阳能集热器与平板太阳能集热器是一样的。尽管每平方米造价比平板式集热器要高，但是它提供的能量也更高，所以总的经济性并不一定差。真空太阳能集热器通常用在空间受限的地方。当然，它们也能塑造一个与众不同的建筑形象。有几种不同类型的真空太阳能集热器。集热管可以用金属或者黑漆玻璃制作。有些集热器中的水是在吸热装置中流动加热的，而在另外一些集热器中，热量是利用一个加热管从吸热装置引入热循环中。

（3）游泳池专用太阳能集热器。利用太阳能最经济的方式是为游泳池加热（图3-65）。游泳池用太阳能集热器通常很容易建造。它们不需要防冻剂，而且也不需要达到太高的温度。它们是由塑料或者橡胶材料制造的，使用时也不需要绝缘体或者玻璃覆盖面。户外游泳池在夏天利用充足的太阳能加热，因为游泳池是直接用太阳能加热的，所以也不需要集热箱。为防止辐射热损失，一个有效的办法是为游泳池加盖子。防止游泳池在夜晚变冷。

图3-64　真空太阳能集热器

图3-65　为游泳池提供热量的太阳能加热系统

表面略大于半个游泳池面积的太阳能集热器可以为整个游泳池提供热量，同时，无论是春天还是秋天，游泳的时节也可以延长几周。游泳池现有的大部分加热设备仍可以使用。游泳池水就相当于载热体和蓄热体。资料源于“Värmeboken-20　till lägsta kostnad”，拉尔斯 安德烈（Lars Andrén）和安德斯 阿克塞尔松（Anders Axelsson），2000

（4）太阳能收集器的实践。2006年，瑞典新安装了28 500 m2的太阳能集热器，比上年增长了24%。同时期在德国，这一数据为1 500 000 m2，比2005年增长58%。奥地利为300 000 m2（增长25%），西班牙为175 000 m2（增长了81%），意大利为186 000 m2（增长了46%）。但是全世界太阳能集热器数量增长最多的还是中国，共14 500 000 m2（2005年）。世界上超过一半的太阳能集热器在中国生产并被安装。在瑞典，已经有越来越多的人开始使用真空式太阳能集热器而非平板式。2006年，真空式太阳能集热器在瑞典已经占据了30%的市场。

（5）太阳能空气集热器。在太阳能空气集热器中，热媒是空气而不是水。太阳能空气集热器可以与屋顶或者墙面结合为一体，也可以购买成品（图3-66）。① 封闭的太阳能热系统。该系统是在内置于南向屋顶或墙面的空气太阳能集热器中将空气加热。通过一个缺口，风扇将热空气向下通过一个缺口吹向外墙或者楼地面结构，使其加热（图3-67）。夏天，利用热交换器，热空气还可以用来加热水。② 开放的太阳能热系统。在开放的太阳能热系统中，吸入的空气经过位于南面的空气太阳能集热器，预热后才被送到建筑中，这降低了热需求量（图3-68）。夏季空气温度过高，有时候不得不停止这种预热。③ 用于潮湿环境中的太阳能热系统。夏季没有供暖的房子可能会比较潮湿。太阳能集热器一般装在南向的外墙上，热空气通过一个太阳能电池驱动的风扇，直接从集热器吹向房屋，帮助加热并干燥小房子。太阳能干燥机通常在农业生产中用来干燥谷物和草料。它们包括一面设计成空气太阳能集热器的屋顶或墙面以及用来吹送热空气的风扇。④ 用于干燥环境中的太阳能热系统。空气太阳能集热器通常也使用在农用太阳能干燥器中，用来干燥谷物和草料。

图3-66　位于“绿色地带”的汽车经销店

该经销店位于瑞典北部的于默奥（Umeå）地区。风是通过一个空气太阳能集热器加热后送进商店的。在瑞典北部，即使温度是零下，空气也能在太阳作用下被加热。建筑师：安德斯 尼奎斯特（Anders Nyquist）

图3-67　具有太阳能集热功能的窗间墙

空气在这样的墙中被加热后送进室内。新鲜空气通过一个由墙体保温层和外部光滑的黑漆金属片构成的气腔。夏季，应该尽量减小腔体的长度以避免空气温度过高

图3-68　不同月份的太阳能集热器热需求总量

太阳能集热器可用来预热新鲜空气，用于满足一个10m²的公寓10% 20%的热需求