太陽墻系統(tǒng)綜合利用技術(shù)

任庚坡，房玉娜

（上海市節(jié)能監(jiān)察中心，上海 200083）

0 引言

隨著節(jié)能減排形勢(shì)日趨緊迫，包括太陽能在內(nèi)的可再生能源的開發(fā)利用受到了越來越多的關(guān)注。太陽能利用技術(shù)是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，分為太陽能光伏技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)。太陽能光伏技術(shù)是指利用半導(dǎo)體期間的光伏效應(yīng)原理把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能，太陽能熱利用技術(shù)是指把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用［1－3］。

本文介紹了一種新的太陽能熱利用技術(shù)——太陽墻系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了太陽墻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和推廣潛力。

1 國內(nèi)外太陽能利用現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)太陽能利用現(xiàn)狀

中國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國家（見表1［4］）和重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國（見表2［3］）。中國比較成熟的太陽能產(chǎn)品有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)兩類。

表1 2006—2012年太陽能熱利用年生產(chǎn)量和保有量

表2 2009—2011年中國硅料和硅片的產(chǎn)能與產(chǎn)量 GW

1.2 國外太陽能利用狀況

國外太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要集中在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，特別是歐美等發(fā)達(dá)國家，近幾年光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅猛。

1）在英國，2010年新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量為95 MW。隨后逐年快速增長，到2014年將達(dá)到600 MW。

2）目前美國在開發(fā)的24個(gè)光伏發(fā)電區(qū)域主要集中在西部的6個(gè)州：亞利桑那州、加利福尼亞州、科羅拉多州、新墨西哥州、內(nèi)華達(dá)州以及猶他州。這些區(qū)域在未來的20年內(nèi)發(fā)電能力可達(dá)到24 GW。

3）在西班牙，2008年光伏發(fā)電裝機(jī)容量為2.4 GW，2009年降至70 MW，2010則增長到450 MW。該國的太陽能利用條件很好，具有高強(qiáng)度日照水平，且有很多空閑的類似沙漠的地區(qū)，這為西班牙發(fā)展光伏市場(chǎng)提供了機(jī)會(huì)。

4）在法國，雖然對(duì)于光伏市場(chǎng)的投資興趣在上升，但是光伏產(chǎn)業(yè)卻難以獲得政府部門的支持。這主要是因?yàn)樯鐣?huì)公眾對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的支持是非常有限的，尤其是法國政府報(bào)告中明顯降低了對(duì)發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的興趣。因此，2014年法國光伏市場(chǎng)新裝機(jī)容量預(yù)測(cè)值也由先前的4 GW下調(diào)至約1 GW［5］。

2 太陽能利用方式存在的問題

2.1 太陽能光伏利用方面存在的問題

在太陽能光伏利用方面存在光電轉(zhuǎn)化效率較低以及光伏發(fā)電成本較高兩個(gè)問題。

1）光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低 低下的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)嚴(yán)重制約了光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于市場(chǎng)上普遍采用的結(jié)晶硅型太陽能電池，由于其內(nèi)在的傳輸損耗及量子損耗，導(dǎo)致太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率較低，根據(jù)細(xì)致平衡假設(shè)推出轉(zhuǎn)化極限約為30%［6］。目前，實(shí)驗(yàn)室中得出的單晶硅轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄為（25.0±0.5）%［7］，已經(jīng)非常接近于轉(zhuǎn)化效率的理論極值。但當(dāng)考慮加工費(fèi)用、工藝的復(fù)雜或生產(chǎn)量后，實(shí)驗(yàn)室技術(shù)通常無法有效適用于工業(yè)生產(chǎn)中。工業(yè)上大批量生產(chǎn)的多晶硅類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率約為15%，單結(jié)晶硅類產(chǎn)品約為20%，近年來性能幾乎沒有提升。

2）光伏發(fā)電成本較高 較高的光伏發(fā)電成本限制了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)中硅原料的價(jià)格占光伏發(fā)電生產(chǎn)總成本的1／3以上，近1／2，受到上游產(chǎn)業(yè)鏈的明顯制約［8］。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前光伏發(fā)電成本已顯著降低，但與常規(guī)能源發(fā)電相比，光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性仍然較差。根據(jù)國家發(fā)改委的通知，光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)為0.9～1.0元／k Wh，明顯高于火電上網(wǎng)電價(jià)0.3～0.5元／k Wh。因此，光伏發(fā)電尚不能與其他發(fā)電方式競(jìng)爭，仍然需要政府的補(bǔ)貼。

2.2 太陽能熱利用方面存在的問題

當(dāng)前，太陽能熱利用行業(yè)產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)發(fā)展遭遇瓶頸。市場(chǎng)競(jìng)爭陷入價(jià)格戰(zhàn)、營銷戰(zhàn)等低層次的競(jìng)爭態(tài)勢(shì)，需要新的技術(shù)創(chuàng)新來改變行業(yè)競(jìng)爭態(tài)勢(shì)。

3 太陽墻技術(shù)

太陽墻系統(tǒng)是安裝在建筑外墻的一種開放式圍護(hù)系統(tǒng)。這種生態(tài)圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠利用太陽能高效采暖、有效通風(fēng)的特點(diǎn)，很好地解決了太陽能利用和建筑一體化的問題。太陽墻系統(tǒng)已在歐美國家得到廣泛應(yīng)用［9］。

3.1 工作原理

太陽墻系統(tǒng)主要基于安裝在建筑外墻或屋頂?shù)慕饘侔逑到y(tǒng)進(jìn)行工作，屬于被動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)，由集熱系統(tǒng)和氣流輸送系統(tǒng)兩部分組成。集熱系統(tǒng)包括垂直墻板、遮雨板和支撐框架；氣流輸送系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)和管道。太陽墻板材覆于建筑外墻的外側(cè)，上面開有小孔，與墻體的間距由計(jì)算決定，一般約為200 mm，形成的空腔與建筑內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的管道相連，管道中設(shè)置風(fēng)機(jī)，用于抽取空腔內(nèi)的空氣。安裝在建筑南側(cè)外墻的太陽墻板將加熱后的空氣分送到建筑物各個(gè)部分如圖1所示。

1）在冬季，白天，深色的金屬外墻板材吸收太陽輻射熱量，金屬墻板頂部的風(fēng)機(jī)在墻板與建筑外墻間形成負(fù)壓，室外空氣通過小孔進(jìn)入空腔，在流動(dòng)過程中獲得板材吸收的太陽輻射熱，受熱壓作用上升，溫暖新鮮的空氣進(jìn)入建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，然后由管道分配輸送到各層空間。板材底部不密封，保持了太陽墻內(nèi)腔的干燥，同時(shí)起到排水作用。夜晚，墻體向外散失的熱量被空腔內(nèi)的空氣吸收，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下被重新帶回室內(nèi)。這樣既保持了室內(nèi)的新風(fēng)量，又回收了散失的熱量。

圖1 太陽墻系統(tǒng)原理圖

2）在夏季，太陽墻通過防止太陽輻射由南墻進(jìn)入室內(nèi)來達(dá)到保持室內(nèi)清涼的效果。同時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，室外熱空氣從太陽墻板底部進(jìn)入，從上部和周圍的孔洞流出，熱量不會(huì)進(jìn)入室內(nèi)。同時(shí)，太陽墻還擋住照在建筑墻體的太陽光，阻隔墻體接受輻射熱，從而使室內(nèi)溫度低于室外溫度［9］。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

太陽墻板材是由1～2 mm厚的鍍鋅鋼板或鋁板構(gòu)成，外側(cè)涂層具有吸收太陽熱、阻擋紫外線的功能。一般建議使用褐色或深棕色，但為了建筑美觀或色彩協(xié)調(diào)，其他顏色也可以使用。為了空氣流動(dòng)及加熱的需要，板材上打有孔，而孔洞的大小、間距和數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑物的使用功能與特點(diǎn)、所在地區(qū)緯度、太陽能資源、輻射熱量進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)確定。這能平衡通過孔洞流入的空氣量和被送入距離最近的風(fēng)扇的空氣量，以保證氣流持續(xù)穩(wěn)定均勻，以及空氣通過空洞獲得最多的熱量。一般情況下，每平方米的太陽墻氣流量可達(dá)到22～44 m3／h［9］。風(fēng)扇的個(gè)數(shù)需要根據(jù)建筑面積計(jì)算確定。

太陽墻理想的安裝方位是南向及南偏東西20°以內(nèi)，也可考慮在東西墻面上安裝。坡屋頂也是設(shè)置太陽墻的理想位置［10］。

3.3 太陽墻的優(yōu)點(diǎn)

1）經(jīng)濟(jì)效益好 太陽墻具有造價(jià)低、使用壽命長且無需維護(hù)等特點(diǎn)。太陽墻板造價(jià)約為1 600元／m2（包括框架材料），使用壽命在30年以上。在冬季，太陽墻使用后可每天節(jié)省4元［11］，兩三年左右便能將投資收回，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益均好。

2）熱效率高 與玻璃幕墻相比，太陽墻表面為深色金屬板，因反射損失的入射光減少，能量吸收能力加強(qiáng)，用多空金屬板能捕獲可利用太陽能的80%。根據(jù)用途不同，可確定每個(gè)房間的集熱面積和角度，以達(dá)到不同的預(yù)熱溫度。在晴天時(shí)能把空氣預(yù)熱到30℃以上，陰天時(shí)能吸收漫反射所產(chǎn)生的熱量［12］。

3）新風(fēng)系統(tǒng)良好 良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量是適當(dāng)?shù)摹⑦B續(xù)的、新鮮的空氣帶來的結(jié)果。對(duì)于很多密閉良好的建筑來說，冬季獲取新鮮空氣和保持室內(nèi)適宜溫度很難兼得，利用太陽能來加熱空氣的太陽墻系統(tǒng)可以很好的解決這個(gè)問題［9］。

4 太陽墻系統(tǒng)應(yīng)用案例

4.1 廠房建筑案例

加拿大安大略省多倫多市的廠房是波音公司航空設(shè)備較大的生產(chǎn)和組裝基地之一。為了節(jié)約能源并提升室內(nèi)舒適度，波音公司在其廠房設(shè)施上使用了太陽墻系統(tǒng)（見圖2），2 800 m2太陽墻設(shè)計(jì)的預(yù)熱新風(fēng)量達(dá)195 500 m3／h。

太陽墻系統(tǒng)可永久性的使用，降低了能耗成本，并可實(shí)現(xiàn)天花板附近溫度和地面附近溫度差約1℃，解決了熱分層問題，并緩解了室內(nèi)負(fù)壓問題，改善了室內(nèi)工作環(huán)境。

圖2 波音公司太陽墻系統(tǒng)橫跨廠房的整個(gè)南面墻

4.2 一般建筑案例

山東建筑大學(xué)新校區(qū)學(xué)生公寓梅園1號(hào)西翼的設(shè)計(jì)中使用了太陽墻系統(tǒng)。該建筑單元總建筑面積為2 300 m2，南向墻面安裝了157 m2的深棕色太陽墻。冬季，太陽墻加熱的空氣通過管道輸送到各層走廊和北向房間，有效解決了不向陽的房間利用太陽能采暖的問題［11］。

5 太陽墻屋頂光電／光熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

在光強(qiáng)一定的條件下，光伏電池的發(fā)電效率會(huì)隨溫度的上升而下降。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)條件下硅電池的發(fā)電效率為12%～18%［13］。若以太陽墻板作為光伏組件安裝所需的框架系統(tǒng)，熱能將被輸送回光伏組件背面，以供太陽墻板利用，從而有效抵消熱負(fù)荷，降低光伏電池溫度，提高其光電效率，同時(shí)還可以提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

通過結(jié)合太陽墻技術(shù)，充分利用光伏發(fā)電的余熱，可以使光伏發(fā)電技術(shù)的太陽能利用總效率提高了5倍，也將光伏發(fā)電成本回收時(shí)間從通常的20年縮短到5年內(nèi)，并且在遇到供電、供熱管網(wǎng)故障或地震等自然災(zāi)害時(shí)還能起到應(yīng)急能源系統(tǒng)的作用。

北京奧運(yùn)村微耗運(yùn)動(dòng)員服務(wù)中心南立面的太陽墻系統(tǒng)和屋頂?shù)奶柲軣犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)（見圖3）于2005年9月安裝完畢并投入使用。該系統(tǒng)共使用了110 m2的太陽墻板，總造價(jià)約占建筑成本的5%，產(chǎn)生的總節(jié)能效益約為每年45 MWh，每年減少二氧化碳排放約60 t。在一般建筑上使用投資回收期約為4.5年。

圖3 北京奧運(yùn)村太陽墻項(xiàng)目

6 太陽墻的經(jīng)濟(jì)性及推廣潛力

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的方法，根據(jù)是否考慮資金的時(shí)間因素可分為靜態(tài)分析法和動(dòng)態(tài)分析法［14］。動(dòng)態(tài)分析法考慮資金的時(shí)間價(jià)值，按最小年費(fèi)法對(duì)比太陽墻、空調(diào)及集中供暖的經(jīng)濟(jì)性。最小年費(fèi)法把項(xiàng)目從開始施工到施工結(jié)束的所有投資，用規(guī)定年利率折算到基準(zhǔn)年，然后將它平攤到項(xiàng)目運(yùn)行期每一年，再與年運(yùn)行費(fèi)用相加得到年費(fèi)用，其表達(dá)式為：

式中：NF為年費(fèi)用；C1為年設(shè)備投資費(fèi)用；f為現(xiàn)值因子，f＝（（1＋i）t－1）／（i（1＋i）t），i為年利率，t為項(xiàng)目周期；C為年運(yùn)行費(fèi)用。

以10 m2室內(nèi)空間供暖為例進(jìn)行分析，年利率為8%，項(xiàng)目周期為30年，f為11.26。通過計(jì)算得到，太陽墻供暖年費(fèi)用NF為213.15元，空調(diào)供暖年費(fèi)用NF為928.30元（其中，空調(diào)費(fèi)用為3 000元，每年使用180天，每天用8 h，電價(jià)為0.617元／k Wh）；集中供暖年費(fèi)用NF為610.80元（暖氣安裝費(fèi)用為3 500元，集中供暖每年約為30元／m2）。由此可知，太陽墻具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

我國主要處于溫帶和亞熱帶，具有豐富的太陽能資源［15］（見表3）。我國華北及沿海人口密集區(qū)域均處于太陽能可利用區(qū)域，隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)的快速推進(jìn)，居民生活水平的大幅提高及近年來氣候的變化，我國供暖需求日益增加，加大了對(duì)電力需求及電力負(fù)荷的調(diào)節(jié)壓力。相較于上海，北方地區(qū)冬季采暖需求大、夏季降溫壓力小，且日照時(shí)間較長，更適合安裝太陽墻系統(tǒng)。

表3 我國各地太陽墻應(yīng)用潛力

7 結(jié)語

1）太陽墻系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)效益好、熱效率高、新風(fēng)效果好的優(yōu)點(diǎn)，因此太陽墻的使用為太陽能熱利用及太陽能建筑一體化提供了可操作性并有廣闊的應(yīng)用前景。

2）通過屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與太陽墻的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)光電／光熱綜合利用，提高太陽能利用率。

3）我國北方采暖地區(qū)比較適合安裝太陽墻系統(tǒng)，太陽墻系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景和未來市場(chǎng)規(guī)模。

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