淺談太陽能技術在既有建筑節能改造中的應用

沈長亮

(重慶師范大學，重慶 401331)

淺談太陽能技術在既有建筑節能改造中的應用

沈長亮

(重慶師范大學，重慶 401331)

隨著太陽能技術的不斷發展，將太陽能技術應用到既有建筑節能改造中，對節能減排具有重大意義。為進一步降低既有建筑能耗，文中以太陽能應用到實際建筑工程為例，列舉了太陽能熱水系統、太陽能通風墻、太陽能通風式屋頂、太陽能光伏發電、太陽能玻璃、太陽能窗系統六個實用技術，相信這些技術的應用，對節能減排有重大幫助。

太陽能； 既有建筑； 節能改造

當前，既有建筑節能改造的方法，主要包括進行圍護結構保溫、更換節能門窗、更換節能設備、采用可再生能源等。太陽能作為可再生能源，可以說是取之不盡、用之不竭的，而且絕對干凈，不產生公害。我國太陽能資源豐富地區占到陸地國土面積的三分之二，具有大規模開發利用太陽能的資源潛力。聯合國能源機構的調查報告顯示，太陽能建筑業將是21世紀最重要的新興產業之一。將太陽能技術應用于既有建筑節能改造中，可以大大降低能耗，提高節能效益。

1 太陽能與建筑一體化

太陽能利用的基本形式分為主動式和被動式。主動式是利用機械裝置收集和儲存太陽能，并在需要時向房間提供熱能；被動式是在很少使用機械設備的條件下，通過建筑物布局、構造處理、選擇性能好的熱工材料，使建筑物本身能夠吸收和儲存太陽能量，從而達到采暖、空調和供熱水。

太陽能與建筑一體化，就是將太陽能利用設施與建筑有機結合，與建筑物統一設計、統一施工、統一驗收，并與建筑功能及外觀協調，使之成為建筑物有機的組成部分。太陽能技術與建筑的結合，將電池板和集熱器安裝在屋頂或屋面上，不需要額外占地，節省了土地資源，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，有效降低建筑能耗，節約了能源。目前，建筑光伏一體化和建筑太陽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 太陽能技術在建筑節能工程中的應用

2.1 迪拜鳥島太陽能光伏建筑

該建筑又被稱為垂直村(圖1)。該建筑每一個建筑曲面都可以獨立地朝向北面，并均位于東西軸線上，以減少長期太陽光直射。巨大的太陽能集熱器群面朝南，能自動調整自身集光板面，與太陽高度角垂直，最大限度地收集太陽光。建筑屋頂是類似于葉子的結構，它可以把太陽能基地分解成很多小塊，更加方便區域管理。它結合了配套的多功能建筑特點和大量太陽能集熱器列陣，運行智能化，操作管理方便。

2.2 世界太陽城大會主場

該建筑位于中國德州太陽谷內，它是世界上最大的集太陽能光熱、光伏、建筑節能于一體的高層公共建筑(圖2)。

圖1 迪拜鳥島太陽能光伏建筑

圖2 世界太陽城大會主場

該建筑總建筑面積7.5×104m2，采用全球首創太陽能熱水供應、采暖、制冷、光伏發電等與建筑結合技術，節能效率高達88 %，充滿獨特的未來感。

2.3 美國匹茲堡資源保護顧問中心改造工程[1]

建筑內部中廳設有寬敞的采光井，利用自然光線的反射和折射，使室內光線充足，不必使用照明光源。性能良好且易于開啟的窗戶和密封良好的新風入口，使空氣直接從可調式窗戶、屋頂平臺、二樓陽臺和地面花園的通風口進入，經中廳采光井和其他可調式天窗流出，形成自然通風的無動力新風系統，增加了室內的舒適度。建筑光源部分是一個2.2 kw的光電系統，電池板排列在走廊、陽臺及屋頂上。微氣候數據采集站用來采集風力和熱工數據，每天監測太陽能收集情況。

2.4 溫嶺市國際大酒店改造工程[2]

系統采用了不帶蓄電池儲能直接并網的方式，通過采用非晶硅太陽能組件，所發電量直接并網到大樓內部用電系統中，做到實時消耗，達到節能減排的目的。系統設計時充分考慮了太陽能光伏發電系統在建筑物屋面、立面上的安裝結構與工藝設計、線路設計與配線、防雷保護、監控系統等因素，充分利用了建筑面積，提高了發電效率，降低輸配電損耗。據估算，光伏系統每年發電量約23.56 MWh。

3 可應用于建筑節能改造的太陽能技術

3.1 太陽能熱水系統

太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應用發展中最具經濟價值、技術最成熟且已商業化的一項應用產品。山東省、廈門市、合肥市、蘭州市等地強制在部分建筑中使用太陽能熱水系統，北京市、山西省等地對安裝太陽能熱水系統進行財政補貼。

3.2 太陽能通風墻

又稱為特朗伯墻，當應用于建筑物向室外排風時，又稱之為太陽能煙囪(圖3)。原理是在朝南向陽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”原理加熱夾層空氣，從而產生熱壓來驅動空氣流動。冬季可以通過打開集熱墻上、下通風口形成循環對流來加熱室內空氣，當需要新鮮空氣或室外氣溫比較合適時，也可打開玻璃下面的進風口、關閉集熱墻下面的風口來對室外空氣先加熱后再流入室內。夏季，只打開玻璃上風口與集熱墻下風口，利用夾層空氣的熱壓流動來預防室內過熱，同時帶走室內的部分余熱。

圖3 太陽能通風墻

3.3 太陽能通風式屋頂[3]

它是將建筑南向坡屋頂或其一部分做成太陽能空氣集熱器的形式，其原理與太陽能通風墻一致(圖4)。為了便于冬夏季運行工況的轉變，其集熱板可做成活動可拆卸式，即在夏季采用絕熱性能好的材料以防室內過熱，在冬季則可卸掉集熱板讓太陽輻射直接進入室內或轉成傳熱蓄熱性能好的材料，以起到給室內供暖的作用。在生態建筑能系統設計中，太陽能通風屋頂可與特朗伯墻、太陽能煙囪等其他被動太陽能利用形式組合成各種復合能量系統。

圖4 太陽能通風式屋頂

3.4 太陽能光伏發電

光伏發電是根據光生伏特效應原理,利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。無論是獨立使用還是并網發電,光伏發電系統主要由太陽能電池板(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成，不涉及機械部件。所以，光伏發電設備極為精煉，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。理論上講，光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源,大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源無處不在。

3.5 太陽能玻璃

位于加利福尼亞的Pythagoras太陽能公司開發出的太陽能玻璃，能夠同時阻擋太陽輻射和集中陽光，并將其轉換為太陽能。該玻璃裝置還能過濾猛烈的陽光和過高的熱度，提供良好的自然采光，減少在白天對人工照明的使用。該技術能夠加快使用成本更低的發電方式，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，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，也可以為建筑設計錦上添花，創造出更多有特色的建筑藝術精品。

3.6 太陽能窗系統

系統也稱為動態涼窗系統(DSWS)，由嵌入兩個大玻璃天窗的多個透明塑料板構成，每個塑料板上都有幾十個小型金字塔形的模塊，這些模塊能夠追蹤太陽光的運動，每個模塊上都有一個小型的太陽能電池，負責收集光熱，并將其轉化成可用能量，運轉發電機發電。它還能把剩余的能量傳送到需要的地方或者儲存在電池組里，以備后用。除了滿足建筑內供熱、制冷和人工照明的能源需求外，這一系統還具有去除有害光線的功能，它會把過于強烈的太陽光擋在外面，并加以吸收，讓有利于人體的光線透入建筑內。

4 結束語

隨著太陽能開發利用規模快速擴大，太陽能已進入到生產、生活等諸多領域，已成為全球能源轉型的重要領域。“十三五”時期，國家將完成既有居住建筑節能改造面積5×108m2以上，公共建筑節能改造1×108m2，全國城鎮既有居住建筑中節能建筑所占比例超過60 %[4]。相信經過廣大科技工作者的不斷努力，太陽能與建筑會結合得更加緊密，建筑能耗會進一步降低，人們居住環境品質也會不斷提高。

[1] 白勝芳．借鑒國外先進經驗, 服務我國既有公共建筑節能改造[J]. 新型建筑材料, 2003(9) :37-39.

[2] 張靈剛，葉文思．淺談光伏太陽能在建筑節能改造上的應用[J].建筑知識:學術刊, 2012:111-112.

[3] 楊衛波，施明恒，劉光遠, 等．太陽能通風式屋頂強化通風性能的研究[J]. 建筑熱能通風空調, 2007, 26(6):10-13.

[4] 住房城鄉建設部．建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃[R]. 2017.

沈長亮(1982～)，男，碩士，助理工程師，從事建筑工程管理與建筑節能研究。

TU201.5

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[定稿日期]2017-03-29