主動式太陽能

據是否需要外部驅動力，太陽能光熱應用主要有被動式和主動式兩種方式。被動式指通過合理佈局建築朝向和周圍環境，巧妙處理建築內部空間和外部空間形體，以及恰當選擇建築材料、結構和構造，以自然熱交換的方式，使房屋取得冬暖夏涼效果的建築。

被動式太陽能系統，一般又稱被動式太陽房，是通過建築朝向和周圍環境的合理佈置，以及建築材料和結構的恰當選擇，內部空間和外部形體的處理等，使得建築物在冬季能夠充分吸收和貯存太陽輻射能，從而實現建築採暖。

主動式太陽能系統是由太陽能集熱器、管道、風機或泵、儲熱裝置、室內散熱末端等組成的強制循環太陽能供熱系統，它將傳熱工質(水或空氣)通過太陽能集熱器輸送到蓄熱器或待供暖房間內。系統一般設有輔助熱源裝置，以保證供暖效果。就這兩種太陽能系統而言，被動式太陽能系統主要利用温室效應的原理，其結構簡單、造價廉價、易於運行維護和管理，但是隨太陽能輻射的變化，集換熱效率比較低，空間內熱量變化波動大，主動式太陽能系統集換熱效率較高，系統熱量變化波動小，保温效果好，能夠保證空間內的舒適度和環境質量，但投資大，系統比較複雜，運行管理困難。

隨着科技的進步和供暖舒適性要求的提升，主動式太陽能供暖受到了廣泛關注。主動式太陽能系統按照熱媒種類，可分為空氣式和熱水式；按照太陽能利用方式，可分為直接式和間接式；按照蓄熱方式，可分為顯熱蓄熱式、潛熱蓄熱式和化學蓄熱式；按照蓄熱時間，可分為短期蓄熱式和跨季節蓄熱式。 ^[1] 

現代社會，隨着對居住辦公環境質量要求的提升，以及對環境控制更加精確性的要求，被動式太陽能利用己經越來越不能滿足要求，因此需要更多的太陽能能源利用、更復雜的設備組合和更精確的控制，包括光熱和光電的綜合利用，於是主動太陽能技術以及其對應的建築由此產生。主動式太陽能指的是利用外部技術手段對太陽能進行收集、存儲、利用，為建築本身提供能源的利用形式。主動式太陽能目前主要應用在建築上，為建築本身提供熱量，包括太陽能熱水、太陽能空調、太陽能通風、光伏發電等。目前國際上主要使用的有太陽能熱利用系統以及太陽能光伏發電系統。按系統使用類型劃分，主動太陽能有以下幾種類型

在朝南或西屋面上佈置太陽空氣集熱器，集熱器裏面的空氣被加熱後通過碎石貯熱層後由風機送入房間以採暖，同時設置輔助熱源和控制調節裝置以保證能源的穩定供給，是一種以利用太陽能光熱為主的建築形式。

熱水集熱式地板輻射採暖兼生活熱水供應系統是在屋頂或南向牆面設置收集太陽能的集熱器，熱媒水通過集熱循環水泵，輔助蓄熱水箱，供熱水箱，採暖循環水泵；輔助熱源和水循環泵，輔助加熱換熱器，地板輻射採暖盤管等向房問傳熱並提供生活熱水。

兼有供暖、製冷功能，是一種把太陽能光熱和光能轉換成其他能源的典型利用。由於空調能源消耗量大，節能效率大，如何把太陽能的光熱和光能合理轉換成空調製冷熱的能源供給是非常有意義的事情。

即將太陽能直接轉換為高級能源——電能，地球所接受的太陽能功率，平均每平方米為1353千瓦，也就是説，太陽每秒鐘照射到地球上的能量約為500萬噸煤當量，比目前全世界人類的能耗量大3。5萬倍。隨着一體化的推廣，在國外已有將太陽能電池與房屋的屋面結合在一起的事例，即建築的屋面瓦就是太陽能發電設備的光電池，不需要其它任何裝置。

它是指建築物所需的常規能源消耗為零，全部能源供應均來自太陽能。這種100%靠太陽能供給的建築，可以不需要電、煤氣、木材或煤，這樣就不需要煙囱和取暖爐，也沒有有害的廢氣排入空氣中，利於保護環境，是新一代最理想的太陽能建築。 ^[2] 

主動式太陽能在建築領域的應用已有較長的歷史。在國外，特別是美國、德國、希臘、以色列、日本、韓國等國家，建築領域中太陽能技術已得到越來越廣泛的應用。太陽能技術利用從低技術、輔助性逐漸向高技術、主導性的方向發展。由簡單的供暖能源，向太陽能熱水、太陽能發電以及太陽能製冷等方面多元化發展。在實際應用領域太陽房已從被動太陽房向主動太陽房發展，從僅用於偏遠地區向城市地區發展，從僅用於單層小型建築向多層大型建築發展，從僅用於居住建築向公共建築發展。

國外發達國家在被動式太陽能設計和利用方面的研究有着很長的歷史，技術已經較為成熟。為了更加有效的利用太陽能，20世紀40年代，最早的主動式太陽房在美國麻省理工學院研究成功，其利用太陽能集熱器作為熱源，採用太陽能供暖，空調技術，先後建成1，2號實驗房，主動式太陽能與建築設計一體化的探索由此開始。隨着1970年以石油代表的傳統能源在世界範圍內的危機情況的出現，發達國家就開始尋找新能源，並開始發展可再生能源，給太陽能的發展帶來了前所未有的條件和機會，從70年代後開始太陽能利用在歐美髮達國家得到了飛速的發展，科羅拉多州丹佛市的洛夫太陽房和華盛頓近郊的托馬森太陽房等主動式太陽能示範房建成，這些太陽房的成功表明太陽能集熱器與風機、泵、散熱器等組成的太陽能採暖系統或者與吸收式製冷機組成的太陽能空調及供熱系統的建築在技術上完全是可行的，太陽能與建築一體化設計前進了大大的一步。但由於投資太大，主動式太陽房的推廣及普及程度不及被動式太陽房；至90年代裏約熱內盧會議以後，伴隨着環境問題太陽能無論在實踐還是在研究上都有了飛躍。這種飛躍不僅體現在量上，而且體現在質上，開發出更加高效的太陽能集熱器和吸收式製冷機，熱泵機組，以及太陽能電池為其提供採暖，空調、照明和用電，應用範圍才得以擴大。

目前，許多國家都研製成了許多新型太陽能熱利用的產品，並採用光伏發電，發展了與光電技術相結合的建築。在日本佳能製造的無定型光伏屋頂板和由三洋製造的光伏屋頂瓦片，為光伏與屋面的一體化提供了最新的方式。德國弗萊堡著名的“完全自足太陽房”是一座完全依靠太陽能採暖、發電，而不依賴常規能源的零消耗建築。該房建成後至今引起各界人士的密切關注，希望通過此項研究能使人類找到一條利用可再生的清潔能源的新路。 ^[4] 

對於用於太陽能供熱的主動式太陽能系統，通常有以下幾方面組成

太陽能集熱器是太陽能供暖系統的核心部件。在太陽能供暖系統中採用的集熱器主要是經過改進的平板集熱器、真空管集熱器和複合拋物面(CPC)集熱器。綜合考慮集熱器保温性能和安全可靠性，集熱器和供暖末端的組合形式各不相同。我國太陽能供暖中利用最多的是平板集熱器和真空管集熱器。

目前對主動式太陽能供暖系統中集熱器的研究主要集中在: 集熱器與建築一體化設計，以實現建築供暖的同時保證建築美觀; 集熱器改進，以提高效率和集熱温度; 系統集熱器面積的優化; 集熱器最佳安放傾角等。

由於太陽輻射具有間歇、不穩定性，一定時期內的供暖需求又具有連續性和穩定性的特點，為了保證太陽能供暖系統的穩定和可靠性，滿足供暖舒適性的要求，必須設置輔助熱源。當前太陽能供暖系統的輔助熱源形式主要有電加熱器、燃油鍋爐、天然氣鍋爐、燃煤鍋爐、生物質鍋爐、城市熱網、工業餘熱、熱泵等。

太陽輻射的週期性和不穩定性使得太陽能與供暖需求出現了時間上的不匹配性，為了解決此問題，充分發掘太陽能資源潛力，太陽能供暖系統中常常需要配置蓄熱裝置。按照蓄熱時間長短，蓄熱裝置有短期蓄熱和長期蓄熱之分;按照蓄熱機理，蓄熱裝置有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學蓄熱之分。對於短期蓄熱，主要的蓄熱方式有蓄熱水箱和相變蓄熱; 對於長期蓄熱尤其是跨季節蓄熱，較為常用的是顯熱蓄熱裝置，主要是熱水蓄熱、地埋管蓄熱、含水層蓄熱以及礫石 － 水蓄熱。 ^[3] 

隨着全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長之間的矛盾日益凸顯，太陽能作為綠色清潔能源受到越來越多的關注和研究，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力是整個社會可持續發展的有效途徑之一。太陽能作為可再生能源的代表，具有分佈廣泛、儲量豐富及綠色清潔等特點。 ^[5] 

主動式太陽能相比於被動式太陽能系統集換熱效率較高，系統熱量變化波動小，具有良好的供熱性能，能為建築中的人員提供更為舒適的環境，具有良好的發展前景。