太陽能技術在建筑節能中的應用研究

朱曉麗，周 維

（濟源職業技術學院，河南 濟源 454650）

太陽能屬于低污染、無噪音、安全性高、操作簡單、分布式的再生能源系統，它的利用對于低尖峰用電、環境保護等有極大幫助.雖然太陽光電發電系統的發電成本仍然高達新15～20元/度電（不同系統差異），但是世界各國仍卯足全力投入研發，視為明日之星的產業.建筑物生命周期中，需消耗不少能源.若將太陽熱能、光電能、光能等直接作為使用建筑物的能源，那可降低對化石能源的依賴，使建筑物的使用更環保，減少對環境的沖擊.近年來太陽能技術發展已有許多項目與建筑物的相結合.本文主要探討應用在建筑物上的太陽能技術.就其利用的種類，主要區分為三大項目.第一項是太陽能光電板在建筑物上的利用.第二項是太陽熱能在建筑物上的利用.第三項為太陽光在建筑物上的利用.

1 太陽能光電板在建筑物上的利用

1.1 太陽能電池構成

太陽能電池的發電能源來自于光的波長，太陽光是一種全域波長，太陽能電池系一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片.它只要一照光，瞬間就可輸出電壓及電流.此種太陽能光電池（Solar cell）簡稱太陽能電池，或太陽電池又可稱為太陽能芯片.目前太陽能電池種類大致可區分為三類：第一類為晶硅太陽能電池，是目前太陽能電池系統運用最為廣泛的系統；第二類為多化合物太陽能電池系統，主要應用于太空及聚光型太陽能光電系統；第三類為納米及有機太陽能電池系統，這類電池均屬于開發階段.硅（silicon）為目前通用的太陽能電池的原料代表，而在市場上運用最為廣泛，目前應用在建筑物上的太陽能電池均屬此類，晶硅太陽能電池又可分為三種：（1）單結晶硅、（2）多結晶硅、（3）非結晶硅.而目前市場應用上大多為單晶硅及非晶硅兩大類，原因是單晶效率最高.非晶價格最便宜，且無需封裝生產也最快.而前述兩種都較易于再切割及加工.太陽能電池的效率系以其轉換效率作為分等，以單結晶硅來說一般單晶硅的光電板其效率值約在12%～20%左右.當然效率愈高其價格就愈貴.而多晶硅電池的效率6%～9%.電池最重要的性能指數為由光轉成電的變換效率.轉換效率為注入太陽電池內的光能量中，可轉換多少電能的數值.

1.2 太陽能電池系統配件及使用系統

太陽能制造商所稱的太陽能芯片（Cell），國內業者則稱芯片，把芯片或依設計所需要的電流進行芯片切割后，焊上箔條導線再將許多焊好的芯片用箔條串連成一組，在和低鐵質強化玻璃層層迭迭，一同放入層壓機的機臺上做真空封裝，制成模塊或稱太陽能板，將若干太陽能板組成方陣列陣，接配上充放保護控制及蓄電池以及變流器（合稱為太陽能電力系統.

構成太陽能電池的組件為太陽電池及模版的串聯排列：太陽電池→模板→模板構架→電池陣列→電池陣列構架.

1.3 建材一體型太陽電池模板（BIPV）

所謂建材一體型太陽光電系統（BIPV）乃是開發具有建材功能之太陽光電模版（，然后以建筑設計手法將太陽能光電模版導入建筑物本體，讓BIPV的系統組件不止可以發電并且也是建筑外殼的一部份.因此BIPV是一種可反應風土氣候之被動式(passive)綠色建筑設計手法，其不僅具有發電及儲能的經濟效益，更可進而替代既有建材，降低初制成本，并且結合遮陽處理、采光照明等設計手法，以獲得建筑節能效益.

太陽能光電板做為建筑面材或構材的一部份，也給予建筑物更深一層的定義，即使建筑物活化、有機化.建筑物從傳統的“被動式”構架走向“主動式”的格局，建筑物的外表不僅是做為外殼，也有發電、儲熱等其它主動功能.BIPV在建筑物中，主要應用在屋頂（設置于屋頂上或直接作為屋頂之構材）、外墻（雙層墻或直接作為外墻構材）、遮陽板（取代傳統做法，以太陽能光電板做為遮陽板）.

2 太陽熱能在建筑上的利用

太陽熱能是直接無需轉換且干凈的綠色能源.它不像太陽光電需將低階能源（熱能）轉換為高階能源（電能），故其無能源轉換的耗損.因此直接將太陽熱能作為驅動能源使用是更經濟且有效率的方式.太陽熱能在建筑上的利用，主要包含太陽能熱水系統、太陽能空調制冷系統及太陽能暖氣系統.

2.1 太陽能熱水系統

我國大部分地區日照充沛，具有足夠的潛力來發展太陽能，而其中的太陽能熱水器（系統）更是一項成熟的商品，長期使用則可節省可觀的能源消耗.太陽熱能的利用主要是接收或聚集太陽輻射能，使的轉換為熱能來使用，而太陽能熱水系統是目前主要的運用形式，它利用集熱器將水加熱后儲存于儲水槽以供后續的使用.我國近年來制定相關法規與獎勵制度，包括設備補助措施(太陽能熱水系統推廣獎勵辦法)與財稅獎勵措施.

2.2 太陽能冷氣空調系統

太陽能輻射量變化幾乎與冷氣空調負載或電力尖峰負載同步，因此太陽能制冷空調系統的發展一直被重視，也能將目前國內太陽熱能系統偏重于盥洗應用的市場，拓增至冷卻空調應用市場領域，除可積極開發國內太陽熱能的利用量外，更可以降低電力尖峰負載，對能源效益的貢獻度極高.由于太陽能制冷系統技術的開發潛力大，因此縱使偏重暖氣需求較高的高緯度的國家，如德國等也積極投入開發，歐盟在SUN IN ACTION II也將太陽能制冷技術的開發列入中長程的重點研究.

現階段使用熱能驅動的空調系統其熱源主要來自鍋爐、氣電共生、工業制程廢熱氣、引擎廢棄以及太陽熱能.其系統運行由于無機械式耗能的壓縮機，只有冰水泵、冷卻水泵以及熱水泵，其特性是結構簡單、運轉安靜、維護簡單、制冷成本低廉以及節約能源等.熱能驅動的空調系統并無使用CFCs(氟氯碳)化合物作為冷媒，無污染環境的問題，是具環保概念的空調系統.

2.3 太陽能暖氣空調系統

太陽能暖氣系統與太陽能熱水系統是雙胞胎，故其構造原理非常相似.太陽能熱水系統是將水利用太陽能集熱器加熱后，直接拿來利用.而太陽能暖氣系統則是將水（或熱媒）作為熱傳遞的媒介，以太陽能集熱器將熱媒加熱，利用熱輻射、空氣熱對流的原理將室內溫度升高.太陽能暖氣系統系對傳統暖器加熱的驅動能源如瓦斯、電力、重油、柴油、媒等，以太陽熱能取代的.相對的，太陽能暖氣系統可大大降對傳統能源的依賴，減少化石能源的消耗.太陽能暖氣系統依熱媒種類可分為水暖系統與超導系統.

3 太陽光源在建筑物上的利用

太陽光是孕育地球萬物生命的源頭，沒有太陽光萬物的生存將無以為藉.相同的，太陽光線也影響建筑物的物理性能.建筑規劃設計準則中的采光、隔熱等項目均與太陽光線息息相關.采光永遠是建筑規劃設計項目中重要的課題.但礙于種種現實條件的限制，使建筑物內部均有自然采光那是非常困難的挑戰，一般皆以人工照明為輔助光線.而一般建筑物自然排光均介由外殼開口部讓自然光線進入建筑物內，而自然光線的進入相對地也將太陽熱能傳遞入內，故除了遮陽設施外，如何采光又可隔離太陽輻射也是一重要課題.

3.1 太陽光照明系統

太陽能照明系統主要是將太陽光線不受限制地引導到室內任何角落作為照明使用.而且可以將太陽光中的紫外線與紅外線摒除，視為無熱量的照明.太陽光照明系統分為三大部分：

收集太陽光的集光機、傳輸光線的光纖和作為燈具的照射器具.集光主機是由“高效能集光透鏡”及“太陽光感應器”組合而成，并由雙軸馬達來驅動追蹤太陽光.集光機收集太陽光經由光纖傳遞到室內照射器具提供照明

3.2 高性能玻璃

3.2.1 高性能玻璃阻隔太陽熱能

高性能玻璃是能有效防止室外熱能進入建筑物內，達到節約能源的目的，并且提升生活質量的玻璃建材.一般傳統玻璃的太陽輻射熱能穿透率高達81%，紫外線的穿透率也可逾40%，長驅直入的太陽輻射熱，使得屋內的溫度大幅升高，導致空調能耗也隨的大幅攀升.使用高性能玻璃，除能維持適當的采光效果外，并可將太陽輻射熱能及紫外線的穿透率分別降至30%及1%以下，可同時減少照明及空調的使用.

3.2.2 高性能玻璃與太陽光源

高性能玻璃除可阻隔太陽輻射熱外，也可提高透視率降低可見光反射率.依內政部率建材標章的規范可見光反射率需≦0.25，可見光穿透率需≧0.5.

3.2.3 高性能玻璃種類

隨著技術的不斷進步，玻璃的種類越來越多，目前以節能為主要目的的節能玻璃，有吸熱玻璃、鍍膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等.一般玻璃的輻射率為0.84，而節能玻璃的輻射率為0.02～0.11，節能玻璃的特點為高透明且有較佳的輻射熱阻絕效果，其因可阻隔大部份太陽輻射熱，同時也可維持玻璃原有的采光效果，故可有效降低空調、照明所需的能耗.另內政部綠建材標章對「節能玻璃」的評估基準為：遮蔽系數Sc值≦0.35、可見光反射率≦0.25、可見光穿透率≧0.5.對于節能玻璃性能測試，目前國際間已有完整的測試標準及方法，如 CNS 12381、ISO 9050、JIS R3106、EN 410等.

〔1〕M.Oclanse，K.C.A.Alam，F.Meunier， Residential Air Conditioning and Heating by Means of Enhanced Solar Collectors Coupled to anAdsorption System」，Solar Energ,2013.

〔2〕趙榮馨.發展城市節能 促進城市綠色轉型[J].山西建筑，2012（19）.

〔3〕萬忠民，舒水明，胡興華.新型高效太陽能吸收式制冷循環.華中科技大學學報，2006（9）.