太阳能技术在超低能耗公共建筑应用

前言：本站为你精心整理了太阳能技术在超低能耗公共建筑应用范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。

摘要：公共建筑能耗是我国建筑能耗的主导部分，推广具有更高性能的超低能耗公共建筑势在必行。我国太阳能资源丰富，应充分利用太阳能实现公共建筑的超低能耗。通过介绍几种主被动太阳能技术，并对主被动结合式太阳能技术在超低能耗公共建筑中的应用效果进行分析，为之后的研究提供依据。

关键词：超低能耗；公共建筑；太阳能

1概述

近年来，我国大力发展城镇化，公共建筑面积也随之迅猛增长。2018年全国建筑存量面积为674亿m2，其中公共建筑面积为129亿m2，占比约1／5；同年公共建筑运行能耗为3．83亿tce，占全国的38．3％［1］。公共建筑能耗已成为我国建筑能耗的主导部分。因此，在完成建筑节能“三步走”战略目标之后，进一步推广高性能的超低能耗公共建筑，对我国建筑节能事业的发展可以起到示范作用，推动相关产业革新，有助于实现我国“碳达峰、碳中和”目标。目前，我国超低能耗建筑的技术路线是采用高保温性能的围护结构、高效热回收新风系统和高效热泵系统等主被动措施降低建筑冬季供暖和夏季制冷的能耗，并充分利用可再生能源。其中，太阳能具有资源丰富、便于利用等优点，其主被动节能技术在超低能耗公共建筑中扮演重要角色。

2超低能耗公共建筑及太阳能系统评价指标

2019年发布的《近零能耗建筑技术标准》［2］首次界定了我国超低能耗建筑的概念，以建筑综合节能率和建筑本体性能指标作为超低能耗公共建筑的能效指标，指出超低能耗公共建筑的综合能耗应比现行国家标准和行业标准的能耗要求降低50％以上，严寒和寒冷地区的本体节能率应不小于25％，气密性满足N50≤1．0，其他地区要求本体节能率不小于20％。根据GB／T50801—2013可再生能源应用工程评价标准［3］，对于太阳能系统的评价主要以太阳能热利用系统的太阳能保证率和太阳能光伏系统的光电转换效率为指标，如表1，表2所示。

3我国太阳能资源分布

我国太阳能资源十分丰富，位居世界前列。全国太阳年辐射总量为3350MJ／（m2·a）～8370MJ／（m2·a），平均值约5860MJ／（m2·a）［4］。全国超过2／3的地区年辐射量大于5000MJ／m2、年日照时数在2000h以上。表3为我国太阳能资源的分布情况［5］，可以看出除了四川、贵州等部分区域太阳能辐射资源相对较低外，我国绝大部分地区均为太阳能资源可利用的区域。因此利用太阳能技术实现建筑节能是切实可行的。

4主被动结合式太阳能技术及应用

主被动结合式太阳能技术由被动式太阳能技术和主动式太阳能技术两部分组成。被动式太阳能技术按照其利用太阳能的方式和传热过程，一般分为直接受益窗、集热蓄热墙、附加阳光间三种形式。主动式太阳能技术按照对太阳能的利用形式，目前在超低能耗建筑中应用较为广泛的主要有太阳能光伏发电和太阳能热利用。

4．1太阳能光伏发电

光伏发电技术是应用光生伏特效应，将太阳能转换成电能，转化的电能可以供建筑直接使用或并入电网。太阳能电池板既可以安装在屋面，也可以设置在建筑立面与玻璃结合形成光伏幕墙，既充分利用了建筑空间，又不影响美观，还能在夏季起到遮阳作用。光伏板与围护结构间常设有空腔，以避免建筑外表面出现过热现象。空腔内进行自然通风或机械通风，可以有效降低建筑冷热负荷。谢山样［6］提出了一种外立面开口的光伏幕墙，并通过对照实验得出该新型幕墙的光伏板温度、外墙温度和空气夹层进出口温度都低于传统无孔光伏幕墙，更有利于发电。刘瑞囡［7］采用EnergyPlus软件，建立普通办公建筑和铺设光伏幕墙的办公建筑模型，通过能耗模拟计算，光伏幕墙＋通风空腔的结构能在夏季节约1．37％的空调能耗，光伏幕墙＋封闭空腔的结构能在冬季节约9．64％的采暖能耗。

4．2太阳能热利用系统

太阳能热利用系统按照使用目的可以分为太阳能热水采暖系统和太阳能空调系统。太阳能热水采暖系统由太阳能集热器、蓄热装置、辅助加热装置和末端设备组成。由太阳能集热器收集太阳能的热量加热蓄热水箱中的水并送至末端设备供室内采暖或提供生活热水，当天气状况不佳时则由辅助加热装置进行加热。徐鑫［8］对石河子地区某办公建筑的太阳能－空气源热泵系统进行实测研究，该系统的太阳能集热器和空气源热泵采用并联间膨式构造，根据水箱和环境温度启停集热器和空气源热泵，研究发现供暖初末期太阳能利用率可达84．22％，但供暖中期太阳能利用率仅为27．31％，整个采暖期单位面积节煤55．02kg。孙誉桐等［9］提出一种新型太阳能－空气源热泵系统，其冷凝器为基于相变材料设计的储能冷凝器。该储能冷凝器通过无机相变材料的相变过程实现热量的存储与释放，相比传统的蓄热水箱具有更高的蓄热能力，可以改善不同天气情况及昼夜的热负荷与制热量的供需关系。太阳能空调系统是利用太阳能集热器加热热媒，驱动热力制冷系统的空调系统，主要由太阳能集热系统、热力制冷系统、蓄能系统、空调末端系统、辅助能源以及控制系统六部分组成。其中单效溴化锂／水吸收式制冷机因其制冷方式成熟，COP较高，对热源温度要求不高等特点，被广泛应用于我国的太阳能空调系统。ZhifengSun等［10］对北京某近零能耗办公楼进行能耗监测，该建筑采用太阳能耦合地源热泵的供暖制冷系统承担室内冷热负荷，由地源热泵作为系统辅助能源。实测结果表明在夏季太阳能空调系统的贡献率为25．2％，效果良好。孙峙峰等［11］在前述示范建筑的太阳能空调系统的基础上，向传统蓄冷水罐中加入相变蓄冷球体，通过建模和实验分析，得知在相变蓄冷工况下可令前述太阳能空调系统的太阳能保证率提高17．5％。4．3主被动结合式太阳能技术应用案例4．3．1主被动结合式太阳能技术在冬季采暖的应用。马文生等［12］曾对青藏地区某近零能耗公共建筑展开研究。该建筑采用阳光间与太阳能－空气源热泵系统相结合的主被动技术，在建筑南面设置阳光间利用太阳能直接取暖；太阳能集热器制取热水一部分对经过热回收装置的新风进行二次加热，另一部分通过地板辐射向室内供暖。研究人员利用TRNSYS建模分析，发现阳光间可有效保障南向房间温度；太阳能空气源耦合系统在整个供暖季的太阳能保证率为71．9％，可再生能源利用率81．1％。该结果表明阳光间与太阳能空气源热泵系统的组合可以充分利用太阳辐射资源，具有良好的节能和环保效益，在青藏高寒地区具备一定适用性，对该地区推广超低能耗公共建筑和太阳能技术具有指导意义。沈阳建筑大学节能示范楼是我国严寒地区第一栋实现近零能耗的办公建筑。该建筑在南侧外墙设置太阳能光伏幕墙和采用相变材料的集热蓄热墙，二者之间形成空腔。冬季白天蓄热墙风口开启，空腔内热空气经上部风管送至热泵机房，提高空气源热泵机组COP，换热后的冷空气经下部风管送回空腔，形成循环；冬季夜晚风口关闭，利用集热蓄热墙放热维持室内温度。建筑屋顶设置太阳能光伏板，充分利用太阳能。冯国会等［13］对该建筑光伏幕墙耦合空气源热泵系统进行实时监测，并通过计算得出全年采暖季太阳能得热量为12522．8kW·h，光伏幕墙平均热效率为12％，节能潜力巨大。4．3．2主被动结合式太阳能技术在夏季制冷通风的应用。中国人民解放军后勤工程学院绿色建筑示范楼在南立面设置“可呼吸”玻璃幕墙，幕墙空腔设有10个通风口，利用热压进行自然通风，从而减小室内冷负荷；采用太阳能－地源热泵复合热水系统，为建筑提供生活热水，当太阳能热水水温无法满足要求时启动地源热泵机组。地源热泵机组另外承担空调冷热负荷。此外该建筑还采用光伏发电为建筑直接供电。根据第一年的运行数据，该建筑年单位面积耗电量为46．66kW·h／a，较基准建筑节能率达到79．11％，节能效益显著［14］。中国科学技术大学搭建有一栋办公用途的太阳能示范建筑。该建筑在夏季通过百叶窗型特朗勃墙和光伏特朗勃墙利用热压形成自然通风，并利用安装在外墙和屋面的太阳能集热器、光伏热水模块的遮阳作用降低建筑冷负荷，再由太阳能集热器提供热水驱动吸收式制冷机，对房间进行制冷。于志［15］采用TRNSYS进行模拟，得到在合肥夏季太阳能制冷系统对该示范建筑的太阳能贡献率为50．1％；太阳能光伏系统全年可获得3885．0kW·h的太阳能发电量。

5总结与展望

基于上述主被动结合式太阳能技术及其示范建筑，可以得到如下结论和建议：1）公共建筑具有人流密集、功能多样、结构复杂等特点，在我国建筑能耗中占比最大，应充分利用我国丰富的太阳能资源实现超低能耗。2）光伏幕墙是光伏发电与集热蓄热墙的结合形式，可以在冬夏季有效降低建筑采暖制冷能耗。光伏幕墙与太阳能采暖制冷系统相结合的形式节能效益显著，太阳能保证率高，适用于超低能耗公共建筑。3）太阳能采暖制冷系统的太阳能保证率受室外环境和天气的影响，应采用空气源热泵或地源热泵等辅助能源保证系统稳定运行。此外还可以利用相变材料的蓄放热特性提高太阳能利用率。4）现阶段我国主被动结合式太阳能技术的研究多针对某一示范建筑，缺少主被动结合的理论模型，这还有待后续进一步研究。

作者:梁骁 陈伟娇 单位:北方工业大学