E-concave小屋的太陽能技術利用及分析

珠海興業綠色建筑科技有限公司 ■ 林笑蘭 彭彥 錢世奇 譚軍毅 張玲

1 比賽概況

1.1 大賽背景

于2002年首次在美國舉辦的“太陽能十項全能競賽”被譽為“太陽能奧運會”。2013中國國際太陽能十項全能競賽(Solar Decathlon China，SD China)于今年8月在大同文瀛湖畔太陽宮廣場舉辦，20座盛放著太陽能技術應用之花的參賽小屋整齊地排列在太陽村上。

這些建筑作品的能源供應完全依靠各種被動節能技術和主動節能技術(太陽能)進行運轉，同時接受十項激烈競賽標準的考核，其中最美觀、宜居、節能、創新的建筑作品將獲得競賽冠軍。賽隊們不僅需向公眾展示各自太陽能房屋的特點，也需接受來自全國專業評審們對其房屋在建筑設計、工程技術、宣傳展示、市場推廣、太陽能應用方面的打分；此外，賽隊必須在競賽中展示太陽能房屋也能充分滿足洗衣、烹飪、看電視等日常生活需求。經過幾日激烈的角逐，最終由澳大利亞臥龍崗大學隊、華南理工大學隊、瑞典查爾莫斯科技大學隊依次獲得工程技術獎冠、亞、季軍。

1.2 設計理念

國際太陽能十項全能競賽設定十項標準全面考核每個參賽作品的各項節能、建筑物理、環境調控及能源完全自給能力，通過綜合10個標準的單項比賽評比，最終確定總體排名，因此設計作品的最低要求是“十項全能”。

華南理工大學隊太陽能小屋“E-concave”，定位于城郊養老住宅，為中年及老年退休夫婦設計，可滿足其對房屋簡約舒適、功能靈活的要求，享受具有田園氣息的生活方式。本設計方案從山西民宅的四合院中擷取靈感，以充滿自然氣息的木質外表和現代化的集裝箱組裝手段共同經營出舒適愜意的生活空間。所有房間皆由智能物聯網控制著溫濕度和新風系統，太陽能熱水系統向人們輸送舒適熱水，屋面的太陽能光伏系統則為這個宜人的小屋提供源源不斷的電力，中庭的陽光房在夏季和冬季用不同模式利用太陽能為房子降溫或加溫。 圖2 建設中的太陽能小屋

2 太陽能技術利用及分析

人類對太陽能的利用最早可追溯到西周時期“陽燧取火”，即利用金屬凹面鏡聚集陽光，將艾絨點燃取火。隨著現代技術的不斷發展，人類利用太陽能的方式也在不斷發展。太陽能技術利用分為被動式和主動式，其中主動式又分為太陽能光伏技術和太陽能光熱技術。

2.1 設計參數

大同地理位置為北緯 40°10′，東經 113°33′；平均氣溫7.53 ℃，極端氣溫最高37.88 ℃，最低-31.40 ℃；年平均太陽輻射量為5413.60 MJ/m2。分析其輻射量可得出，大同的年平均太陽輻射量在全國范圍內屬于較高水平，5月月平均輻射量為全年最高月份，而比賽月份為8月，其月平均輻射量處于全年中位水平，故使用年平均太陽輻射量作為設計參數符合比賽實際情況，能滿足比賽的要求。

2.2 被動式陽光房

陽光房通過被動式技術設計，有效利用太陽能采暖和降溫，達到降低建筑暖通能耗的目的。

2.3 主動式太陽能利用——光伏系統設計

光伏技術將太陽能轉化為電能，近年來由于硅材料的價格下降，光伏行業得到了很大發展。合理的系統設計可達到自給自足，完全供應住宅的各種電器用電。

2.3.1 最佳傾角

考慮到大氣質量、全年錯峰用電等因素，通過計算機模擬，得出大同的夏季平均最佳傾角為16.7°；為協調建筑效果，最后確定傾角為4°。經過計算機模擬，4°傾角斜面上接收的太陽輻射量約為16.7°傾角斜面上接收太陽輻射量的87%。

表1 4° 和16.7° 傾角的太陽輻射量及其二者接收比值

2.3.2 容量預估

圖8 不同傾角組件的太陽軌跡圖

此次比賽的規則中充分考慮到日常生活中家用電器的使用情況，如冰箱冷藏溫度保持在1～4 ℃、冷凍保持在-30～15 ℃，還有洗衣機、烘干機、洗碗機等都相應規定了任務量；另外，日常家庭娛樂被單獨列出成為一項評分標準，包括組織兩次不超過8人的晚宴等，這些娛樂任務也需要相應地消耗一些電力和熱水。通過計算機模擬，家用電器耗能及娛樂最大日耗電為33.2 kWh，乘以保險系數1.5，需日均發電50 kWh。

光伏系統發電量計算式為：

式中：S為方陣總面積；Rβ為傾斜方陣面上的太陽總輻射量；η1為光伏系統發電效率，η1=K1K2K3K4K5，其中，K1為光電電池運行性能修正系數；K2為灰塵引起光電板透明度的性能修正系數；K3為光電電池升溫導致功率下降修正系數；K4為導電損耗修正系數；K5為逆變器效率；η2為電池組件轉化效率。

根據式(1)代入相關參數計算得出，方陣總面積應大于87 m2，選用SYE260 M5-96(尺寸：1580 mm×1065 mm×50 mm)，則需52塊組件。

式中：SN為組件最大串聯數:Vs為系統電壓：Voc為開路電壓。

表2 太陽能光伏組件參數表

根據表2所示參數，得到組件最大串聯數SN=1000/60.1 ≈ 16.64。

因此，組件最大串聯數為16。但是由于開路電壓與環境溫度的變化關系為負相關,溫度降低組件的開路電壓將升高,因此必須校核項目所在地極端最低溫度情況下開路電壓會否超過系統電壓。

大同極端最低溫度-31.40 ℃。根據式(3)代入相關參數計算得出：

顯然，在極端最低溫度下16個組件串聯時開路電壓已超過1000 V，可能對系統的電氣安全構成威脅。因此經過校核，組件串聯數只能為13。

最后，光伏系統確定使用13串4并，共52塊光伏組件。

比賽當場檢測的數據見表3。從表3可知，每日實際產能基本大于每日實際消耗，證明設計的容量滿足使用要求。

表3 比賽產電量及用電量檢測 （單位：kWh）

2.4 主動式太陽能利用——太陽能熱水系統設計

根據比賽規則中對熱水供應的要求“每次在10 min內提供平均溫度為45 ℃的熱水60 L，共16次”，山西冷水計算溫度為地面水4 ℃，假設每日需進行5次熱水測試，則根據公式：

式中：Qw為日用水量，kg；Cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；t2為儲水箱內水的終止溫度，℃；t1為水的初始溫度，℃； JT為當地春分或秋分所在月集熱器受熱面上日均輻照，kJ/ ℃；?為太陽能保證率，無因次，一般在0.3～0.8范圍內，η為集熱器全日集熱效率，國標經驗值為0.45～0.6；ηL為管路及儲水箱熱損失率，無量綱，國標經驗值取0.2～0.25。

根據式(4)代入相關參數計算得出，直接系統集熱器采光面積Ac=3.53 m2，乘以保險系數1.5，最后為5.3 m2，即3塊太陽能集熱組件。

表4 比賽檢測熱水數據(2013年)

根據表4中比賽檢測數據顯示，最終比賽每日最多放出3次熱水，設計完全滿足需求。

2.5 太陽能技術系統便捷安裝

由于從材料到場到組裝完畢，比賽只安排了9天的組裝時間，于是比賽用的太陽能小屋在裝配上必須考慮到工業化生產及組裝。作為比賽的重頭戲，陽光房必然是集裝完畢運到現場，太陽能光伏系統及光熱系統也必須考慮到如何快速安裝。中國興業太陽能集團在便捷安裝方面擁有大量工程實踐，本項目中，我們使用了在工廠生產的標準組件，通過一種槽鋼兩種固定方式的形式實現主體與電池組件之間的連接。由于所用的材料種類及尺寸單一，現場材料放置的空間較小，也無需花時間分門別類；尤其重要的是，大大縮減了工人在安裝過程中查找材料的時間，提高了安裝效率。

圖11 系統安裝示意圖

3 結束語

由于太陽能是一種受自然氣候影響較大的能源，在本次比賽中，因充分考慮到這點，除陽光房外，光伏系統及光熱系統皆乘以保險系數1.5，最后效果也達到預期，滿足了比賽的評分項要求。

近年來，新能源的利用已經廣為人知，太陽能建筑也越來越受到人們的重視，其蓬勃發展孕育著巨大的潛在經濟利益，成為世界各國可持續發展的重要選擇。而太陽能在建筑中的應用，又是現階段太陽能應用最具發展潛力的實用領域，太陽能競賽則推動著太陽能建筑行業的不斷進步、不斷創新。