太陽(yáng)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(yáng)能在內(nèi)的可再生能源的開(kāi)發(fā)利用受到了越來(lái)越多的關(guān)注。太陽(yáng)能利用技術(shù)是指太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，分為太陽(yáng)能光伏技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)。太陽(yáng)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(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)是指把太陽(yáng)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(yáng)能熱利用技術(shù)——太陽(yáng)墻系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了太陽(yáng)墻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和推廣潛力。

1 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀

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

表1 2006—2012年太陽(yáng)能熱利用年生產(chǎn)量和保有量

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

1.2 國(guó)外太陽(yáng)能利用狀況

國(guó)外太陽(yáng)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(guó)家，近幾年光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅猛。

1）在英國(guó)，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(zhǎng)，到2014年將達(dá)到600 MW。

2）目前美國(guó)在開(kāi)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(lái)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(zhǎng)到450 MW。該國(guó)的太陽(yáng)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(guó)，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(guó)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(guó)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(yáng)能利用方式存在的問(wèn)題

2.1 太陽(yáng)能光伏利用方面存在的問(wèn)題

在太陽(yáng)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(wèn)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(yáng)能電池，由于其內(nèi)在的傳輸損耗及量子損耗，導(dǎo)致太陽(yáng)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(wú)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(yáng)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(lái)性能幾乎沒(méi)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(guó)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(zhēng)，仍然需要政府的補(bǔ)貼。

2.2 太陽(yáng)能熱利用方面存在的問(wèn)題

當(dāng)前，太陽(yáng)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(zhēng)陷入價(jià)格戰(zhàn)、營(yíng)銷戰(zhàn)等低層次的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，需要新的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)改變行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

3 太陽(yáng)墻技術(shù)

太陽(yáng)墻系統(tǒng)是安裝在建筑外墻的一種開(kāi)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(yáng)能高效采暖、有效通風(fēng)的特點(diǎn)，很好地解決了太陽(yáng)能利用和建筑一體化的問(wèn)題。太陽(yáng)墻系統(tǒng)已在歐美國(guó)家得到廣泛應(yīng)用［9］。

3.1 工作原理

太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)墻板材覆于建筑外墻的外側(cè)，上面開(kāi)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(yáng)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(yáng)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(guò)小孔進(jìn)入空腔，在流動(dòng)過(guò)程中獲得板材吸收的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)墻系統(tǒng)原理圖

2）在夏季，太陽(yáng)墻通過(guò)防止太陽(yáng)輻射由南墻進(jìn)入室內(nèi)來(lái)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(yáng)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(yáng)墻還擋住照在建筑墻體的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(guò)空洞獲得最多的熱量。一般情況下，每平方米的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)墻的理想位置［10］。

3.3 太陽(yáng)墻的優(yōu)點(diǎn)

1）經(jīng)濟(jì)效益好 太陽(yáng)墻具有造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)且無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(lái)的結(jié)果。對(duì)于很多密閉良好的建筑來(lái)說(shuō)，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(yáng)能來(lái)加熱空氣的太陽(yáng)墻系統(tǒng)可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題［9］。

4 太陽(yáng)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(yáng)墻系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），2 800 m2太陽(yáng)墻設(shè)計(jì)的預(yù)熱新風(fēng)量達(dá)195 500 m3／h。

太陽(yáng)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(wèn)題，并緩解了室內(nèi)負(fù)壓?jiǎn)栴}，改善了室內(nèi)工作環(huán)境。

圖2 波音公司太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)墻。冬季，太陽(yáng)墻加熱的空氣通過(guò)管道輸送到各層走廊和北向房間，有效解決了不向陽(yáng)的房間利用太陽(yáng)能采暖的問(wèn)題［11］。

5 太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)結(jié)合太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)墻系統(tǒng)和屋頂?shù)奶?yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（見(jiàn)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(yáng)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(yáng)墻項(xiàng)目

6 太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)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(guò)計(jì)算得到，太陽(yáng)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(yáng)墻具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)主要處于溫帶和亞熱帶，具有豐富的太陽(yáng)能資源［15］（見(jiàn)表3）。我國(guó)華北及沿海人口密集區(qū)域均處于太陽(yáng)能可利用區(qū)域，隨著我國(guó)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(lái)氣候的變化，我國(guó)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(zhǎng)，更適合安裝太陽(yáng)墻系統(tǒng)。

表3 我國(guó)各地太陽(yáng)墻應(yīng)用潛力

7 結(jié)語(yǔ)

1）太陽(yáng)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(yáng)墻的使用為太陽(yáng)能熱利用及太陽(yáng)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(guò)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)墻的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)光電／光熱綜合利用，提高太陽(yáng)能利用率。

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

［1］ 趙玉文.太陽(yáng)能利用的發(fā)展概況和未來(lái)趨勢(shì)［J］.中國(guó)電力，2003，36（9）：63-69.

［2］ 魏葳，駱仲泱，趙佳飛，等.太陽(yáng)能光電－光熱綜合利用系統(tǒng)［J］.上海節(jié)能，2010，（5）：12-16.

［3］ 王敬蕊，蔡曉晨，陳銳，等.太陽(yáng)能用硅片技術(shù)及其進(jìn)展［J］.通信電源技術(shù)，2013，30（2）：38-40.

［4］ 羅振濤，霍志臣，謝光明，等.中國(guó)太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告暨產(chǎn)業(yè)二十年進(jìn)展（2011～2012）（上）［J］.太陽(yáng)能，2013，（1）：7-10，59.

［5］ 李國(guó)棟.國(guó)際光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的新進(jìn)展［J］.電力需求側(cè)管理，2012，（1）：61-64.

［6］ William Shockley，Hans J，Queisser.Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells［J］.Journal of Applied Physics.32：510-519（1961）.

［7］ Martin A Green，Keith Emery，Yoshihiro Hishikawa，Wilhelm Warta，and Ewan D Dunlop.Solar cell efficiency tables（version 41）［J］.Progress in Photovoltaics：Research and Applications.21（1）：1-11（2013）.

［8］ Stuart R Wenham，Martin A Green，Muriel E Watt.Richard Corkish［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

［9］ 許瑾.住宅太陽(yáng)墻的原理與使用［J］.住宅科技，2006，（2）：25-29.

［10］謝宜燕，龔咪咪，孟祥睿，等.北方采暖區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)墻系統(tǒng)采暖的可行性研究［J］.太陽(yáng)能，2011（17）：44-49.

［11］王崇杰，何文晶.太陽(yáng)能采暖新技術(shù)——太陽(yáng)墻在建筑中的應(yīng)用與研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（z1）：38-40，50.

［12］王崇杰，何文晶，薛一冰，等.歐美建筑設(shè)計(jì)中太陽(yáng)墻的應(yīng)用［J］.建筑學(xué)報(bào)，2004，（8）：76-78.

［13］符慧德，裴剛，季杰等.槽式聚焦光電／光熱綜合利用系統(tǒng)的性能研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31（9）：1161-1167.

［14］張淮建.動(dòng)靜態(tài)分析在評(píng)價(jià)節(jié)能改造方案經(jīng)濟(jì)性中的應(yīng)用［J］.江西能源，2009（2）：51-53.

［15］李珂，何凡能.中國(guó)陸地太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)潛力區(qū)域分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010（9）：1049-1054.