沈長(zhǎng)亮

(重慶師范大學(xué)，重慶 401331)

淺談太陽(yáng)能技術(shù)在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用

沈長(zhǎng)亮

(重慶師范大學(xué)，重慶 401331)

隨著太陽(yáng)能技術(shù)的不斷發(fā)展，將太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用到既有建筑節(jié)能改造中，對(duì)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(yáng)能應(yīng)用到實(shí)際建筑工程為例，列舉了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能通風(fēng)墻、太陽(yáng)能通風(fēng)式屋頂、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能玻璃、太陽(yáng)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(duì)節(jié)能減排有重大幫助。

太陽(yáng)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(mén)窗、更換節(jié)能設(shè)備、采用可再生能源等。太陽(yáng)能作為可再生能源，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭的，而且絕對(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)占到陸地國(guó)土面積的三分之二，具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的資源潛力。聯(lián)合國(guó)能源機(jī)構(gòu)的調(diào)查報(bào)告顯示，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能與建筑一體化

太陽(yáng)能利用的基本形式分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式是利用機(jī)械裝置收集和儲(chǔ)存太陽(yáng)能，并在需要時(shí)向房間提供熱能；被動(dòng)式是在很少使用機(jī)械設(shè)備的條件下，通過(guò)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(chǔ)存太陽(yáng)能量，從而達(dá)到采暖、空調(diào)和供熱水。

太陽(yáng)能與建筑一體化，就是將太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能技術(shù)在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用

2.1 迪拜鳥(niǎo)島太陽(yáng)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(zhǎng)期太陽(yáng)光直射。巨大的太陽(yáng)能集熱器群面朝南，能自動(dòng)調(diào)整自身集光板面，與太陽(yáng)高度角垂直，最大限度地收集太陽(yáng)光。建筑屋頂是類(lèi)似于葉子的結(jié)構(gòu)，它可以把太陽(yáng)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(yáng)能集熱器列陣，運(yùn)行智能化，操作管理方便。

2.2 世界太陽(yáng)城大會(huì)主場(chǎng)

該建筑位于中國(guó)德州太陽(yáng)谷內(nèi)，它是世界上最大的集太陽(yáng)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(niǎo)島太陽(yáng)能光伏建筑

圖2 世界太陽(yáng)城大會(huì)主場(chǎng)

該建筑總建筑面積7.5×104m2，采用全球首創(chuàng)太陽(yáng)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(lái)感。

2.3 美國(guó)匹茲堡資源保護(hù)顧問(wèn)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(kāi)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(tái)、二樓陽(yáng)臺(tái)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(wú)動(dòng)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(yáng)臺(tái)及屋頂上。微氣候數(shù)據(jù)采集站用來(lái)采集風(fēng)力和熱工數(shù)據(jù)，每天監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能收集情況。

2.4 溫嶺市國(guó)際大酒店改造工程[2]

系統(tǒng)采用了不帶蓄電池儲(chǔ)能直接并網(wǎng)的方式，通過(guò)采用非晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能技術(shù)

3.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器，收集太陽(yáng)輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽(yáng)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(mén)市、合肥市、蘭州市等地強(qiáng)制在部分建筑中使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，北京市、山西省等地對(duì)安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼。

3.2 太陽(yáng)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(yáng)能煙囪(圖3)。原理是在朝南向陽(yáng)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(lái)驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)。冬季可以通過(guò)打開(kāi)集熱墻上、下通風(fēng)口形成循環(huán)對(duì)流來(lái)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(kāi)玻璃下面的進(jìn)風(fēng)口、關(guān)閉集熱墻下面的風(fēng)口來(lái)對(duì)室外空氣先加熱后再流入室內(nèi)。夏季，只打開(kāi)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(dòng)來(lái)預(yù)防室內(nèi)過(guò)熱，同時(shí)帶走室內(nèi)的部分余熱。

圖3 太陽(yáng)能通風(fēng)墻

3.3 太陽(yáng)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(yáng)能空氣集熱器的形式，其原理與太陽(yáng)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(dòng)可拆卸式，即在夏季采用絕熱性能好的材料以防室內(nèi)過(guò)熱，在冬季則可卸掉集熱板讓太陽(yáng)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(yáng)能通風(fēng)屋頂可與特朗伯墻、太陽(yáng)能煙囪等其他被動(dòng)太陽(yáng)能利用形式組合成各種復(fù)合能量系統(tǒng)。

圖4 太陽(yáng)能通風(fēng)式屋頂

3.4 太陽(yáng)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(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。無(wú)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(yáng)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(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)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(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源,大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源無(wú)處不在。

3.5 太陽(yáng)能玻璃

位于加利福尼亞的Pythagoras太陽(yáng)能公司開(kāi)發(fā)出的太陽(yáng)能玻璃，能夠同時(shí)阻擋太陽(yáng)輻射和集中陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能。該玻璃裝置還能過(guò)濾猛烈的陽(yáng)光和過(guò)高的熱度，提供良好的自然采光，減少在白天對(duì)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(chǎng)，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(yáng)能窗系統(tǒng)

系統(tǒng)也稱為動(dòng)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(yáng)光的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)模塊上都有一個(gè)小型的太陽(yáng)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(chǔ)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(huì)把過(guò)于強(qiáng)烈的太陽(yáng)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(yǔ)

隨著太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用規(guī)模快速擴(kuò)大，太陽(yáng)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(guó)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(guó)城鎮(zhèn)既有居住建筑中節(jié)能建筑所占比例超過(guò)60 %[4]。相信經(jīng)過(guò)廣大科技工作者的不斷努力，太陽(yáng)能與建筑會(huì)結(jié)合得更加緊密，建筑能耗會(huì)進(jìn)一步降低，人們居住環(huán)境品質(zhì)也會(huì)不斷提高。

[1] 白勝芳．借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn), 服務(wù)我國(guó)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(yáng)能在建筑節(jié)能改造上的應(yīng)用[J].建筑知識(shí):學(xué)術(shù)刊, 2012:111-112.

[3] 楊衛(wèi)波，施明恒，劉光遠(yuǎn), 等．太陽(yáng)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(zhǎng)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