沈長亮

(重慶師范大學(xué)，重慶 401331)

淺談太陽能技術(shù)在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用

沈長亮

(重慶師范大學(xué)，重慶 401331)

隨著太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展，將太陽能技術(shù)應(yīng)用到既有建筑節(jié)能改造中，對節(jié)能減排具有重大意義。為進(jìn)一步降低既有建筑能耗，文中以太陽能應(yīng)用到實(shí)際建筑工程為例，列舉了太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能通風(fēng)墻、太陽能通風(fēng)式屋頂、太陽能光伏發(fā)電、太陽能玻璃、太陽能窗系統(tǒng)六個(gè)實(shí)用技術(shù)，相信這些技術(shù)的應(yīng)用，對節(jié)能減排有重大幫助。

太陽能； 既有建筑； 節(jié)能改造

當(dāng)前，既有建筑節(jié)能改造的方法，主要包括進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、更換節(jié)能門窗、更換節(jié)能設(shè)備、采用可再生能源等。太陽能作為可再生能源，可以說是取之不盡、用之不竭的，而且絕對干凈，不產(chǎn)生公害。我國太陽能資源豐富地區(qū)占到陸地國土面積的三分之二，具有大規(guī)模開發(fā)利用太陽能的資源潛力。聯(lián)合國能源機(jī)構(gòu)的調(diào)查報(bào)告顯示，太陽能建筑業(yè)將是21世紀(jì)最重要的新興產(chǎn)業(yè)之一。將太陽能技術(shù)應(yīng)用于既有建筑節(jié)能改造中，可以大大降低能耗，提高節(jié)能效益。

1 太陽能與建筑一體化

太陽能利用的基本形式分為主動式和被動式。主動式是利用機(jī)械裝置收集和儲存太陽能，并在需要時(shí)向房間提供熱能；被動式是在很少使用機(jī)械設(shè)備的條件下，通過建筑物布局、構(gòu)造處理、選擇性能好的熱工材料，使建筑物本身能夠吸收和儲存太陽能量，從而達(dá)到采暖、空調(diào)和供熱水。

太陽能與建筑一體化，就是將太陽能利用設(shè)施與建筑有機(jī)結(jié)合，與建筑物統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一施工、統(tǒng)一驗(yàn)收，并與建筑功能及外觀協(xié)調(diào)，使之成為建筑物有機(jī)的組成部分。太陽能技術(shù)與建筑的結(jié)合，將電池板和集熱器安裝在屋頂或屋面上，不需要額外占地，節(jié)省了土地資源，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，有效降低建筑能耗，節(jié)約了能源。目前，建筑光伏一體化和建筑太陽能熱水器一體化已成為最普及的建筑物利用可再生能源的形式。

2 太陽能技術(shù)在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用

2.1 迪拜鳥島太陽能光伏建筑

該建筑又被稱為垂直村(圖1)。該建筑每一個(gè)建筑曲面都可以獨(dú)立地朝向北面，并均位于東西軸線上，以減少長期太陽光直射。巨大的太陽能集熱器群面朝南，能自動調(diào)整自身集光板面，與太陽高度角垂直，最大限度地收集太陽光。建筑屋頂是類似于葉子的結(jié)構(gòu)，它可以把太陽能基地分解成很多小塊，更加方便區(qū)域管理。它結(jié)合了配套的多功能建筑特點(diǎn)和大量太陽能集熱器列陣，運(yùn)行智能化，操作管理方便。

2.2 世界太陽城大會主場

該建筑位于中國德州太陽谷內(nèi)，它是世界上最大的集太陽能光熱、光伏、建筑節(jié)能于一體的高層公共建筑(圖2)。

圖1 迪拜鳥島太陽能光伏建筑

圖2 世界太陽城大會主場

該建筑總建筑面積7.5×104m2，采用全球首創(chuàng)太陽能熱水供應(yīng)、采暖、制冷、光伏發(fā)電等與建筑結(jié)合技術(shù)，節(jié)能效率高達(dá)88 %，充滿獨(dú)特的未來感。

2.3 美國匹茲堡資源保護(hù)顧問中心改造工程[1]

建筑內(nèi)部中廳設(shè)有寬敞的采光井，利用自然光線的反射和折射，使室內(nèi)光線充足，不必使用照明光源。性能良好且易于開啟的窗戶和密封良好的新風(fēng)入口，使空氣直接從可調(diào)式窗戶、屋頂平臺、二樓陽臺和地面花園的通風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)中廳采光井和其他可調(diào)式天窗流出，形成自然通風(fēng)的無動力新風(fēng)系統(tǒng)，增加了室內(nèi)的舒適度。建筑光源部分是一個(gè)2.2 kw的光電系統(tǒng)，電池板排列在走廊、陽臺及屋頂上。微氣候數(shù)據(jù)采集站用來采集風(fēng)力和熱工數(shù)據(jù)，每天監(jiān)測太陽能收集情況。

2.4 溫嶺市國際大酒店改造工程[2]

系統(tǒng)采用了不帶蓄電池儲能直接并網(wǎng)的方式，通過采用非晶硅太陽能組件，所發(fā)電量直接并網(wǎng)到大樓內(nèi)部用電系統(tǒng)中，做到實(shí)時(shí)消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑物屋面、立面上的安裝結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)與配線、防雷保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)等因素，充分利用了建筑面積，提高了發(fā)電效率，降低輸配電損耗。據(jù)估算，光伏系統(tǒng)每年發(fā)電量約23.56 MWh。

3 可應(yīng)用于建筑節(jié)能改造的太陽能技術(shù)

3.1 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值、技術(shù)最成熟且已商業(yè)化的一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品。山東省、廈門市、合肥市、蘭州市等地強(qiáng)制在部分建筑中使用太陽能熱水系統(tǒng)，北京市、山西省等地對安裝太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼。

3.2 太陽能通風(fēng)墻

又稱為特朗伯墻，當(dāng)應(yīng)用于建筑物向室外排風(fēng)時(shí)，又稱之為太陽能煙囪(圖3)。原理是在朝南向陽墻的外表面涂以深色選擇性涂層，并在離墻外表面約10 cm處安裝玻璃或透明塑料薄片以形成空氣間層，利用“溫室效應(yīng)”原理加熱夾層空氣，從而產(chǎn)生熱壓來驅(qū)動空氣流動。冬季可以通過打開集熱墻上、下通風(fēng)口形成循環(huán)對流來加熱室內(nèi)空氣，當(dāng)需要新鮮空氣或室外氣溫比較合適時(shí)，也可打開玻璃下面的進(jìn)風(fēng)口、關(guān)閉集熱墻下面的風(fēng)口來對室外空氣先加熱后再流入室內(nèi)。夏季，只打開玻璃上風(fēng)口與集熱墻下風(fēng)口，利用夾層空氣的熱壓流動來預(yù)防室內(nèi)過熱，同時(shí)帶走室內(nèi)的部分余熱。

圖3 太陽能通風(fēng)墻

3.3 太陽能通風(fēng)式屋頂[3]

它是將建筑南向坡屋頂或其一部分做成太陽能空氣集熱器的形式，其原理與太陽能通風(fēng)墻一致(圖4)。為了便于冬夏季運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)變，其集熱板可做成活動可拆卸式，即在夏季采用絕熱性能好的材料以防室內(nèi)過熱，在冬季則可卸掉集熱板讓太陽輻射直接進(jìn)入室內(nèi)或轉(zhuǎn)成傳熱蓄熱性能好的材料，以起到給室內(nèi)供暖的作用。在生態(tài)建筑能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，太陽能通風(fēng)屋頂可與特朗伯墻、太陽能煙囪等其他被動太陽能利用形式組合成各種復(fù)合能量系統(tǒng)。

圖4 太陽能通風(fēng)式屋頂

3.4 太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。無論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件。所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源,大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源無處不在。

3.5 太陽能玻璃

位于加利福尼亞的Pythagoras太陽能公司開發(fā)出的太陽能玻璃，能夠同時(shí)阻擋太陽輻射和集中陽光，并將其轉(zhuǎn)換為太陽能。該玻璃裝置還能過濾猛烈的陽光和過高的熱度，提供良好的自然采光，減少在白天對人工照明的使用。該技術(shù)能夠加快使用成本更低的發(fā)電方式，并建造美觀、零能耗的綠色建筑。該光伏玻璃裝置已于2010年下半年投入市場，可用于建筑物的玻璃幕墻、天窗和窗戶，不僅能降低建筑成本，也可以為建筑設(shè)計(jì)錦上添花，創(chuàng)造出更多有特色的建筑藝術(shù)精品。

3.6 太陽能窗系統(tǒng)

系統(tǒng)也稱為動態(tài)涼窗系統(tǒng)(DSWS)，由嵌入兩個(gè)大玻璃天窗的多個(gè)透明塑料板構(gòu)成，每個(gè)塑料板上都有幾十個(gè)小型金字塔形的模塊，這些模塊能夠追蹤太陽光的運(yùn)動，每個(gè)模塊上都有一個(gè)小型的太陽能電池，負(fù)責(zé)收集光熱，并將其轉(zhuǎn)化成可用能量，運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。它還能把剩余的能量傳送到需要的地方或者儲存在電池組里，以備后用。除了滿足建筑內(nèi)供熱、制冷和人工照明的能源需求外，這一系統(tǒng)還具有去除有害光線的功能，它會把過于強(qiáng)烈的太陽光擋在外面，并加以吸收，讓有利于人體的光線透入建筑內(nèi)。

4 結(jié)束語

隨著太陽能開發(fā)利用規(guī)?？焖贁U(kuò)大，太陽能已進(jìn)入到生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域，已成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要領(lǐng)域?！笆濉睍r(shí)期，國家將完成既有居住建筑節(jié)能改造面積5×108m2以上，公共建筑節(jié)能改造1×108m2，全國城鎮(zhèn)既有居住建筑中節(jié)能建筑所占比例超過60 %[4]。相信經(jīng)過廣大科技工作者的不斷努力，太陽能與建筑會結(jié)合得更加緊密，建筑能耗會進(jìn)一步降低，人們居住環(huán)境品質(zhì)也會不斷提高。

[1] 白勝芳．借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn), 服務(wù)我國既有公共建筑節(jié)能改造[J]. 新型建筑材料, 2003(9) :37-39.

[2] 張靈剛，葉文思．淺談光伏太陽能在建筑節(jié)能改造上的應(yīng)用[J].建筑知識:學(xué)術(shù)刊, 2012:111-112.

[3] 楊衛(wèi)波，施明恒，劉光遠(yuǎn), 等．太陽能通風(fēng)式屋頂強(qiáng)化通風(fēng)性能的研究[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2007, 26(6):10-13.

[4] 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃[R]. 2017.

沈長亮(1982～)，男，碩士，助理工程師，從事建筑工程管理與建筑節(jié)能研究。

TU201.5

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[定稿日期]2017-03-29