太阳墙系统综合利用技术

任庚坡，房玉娜

（上海市节能监察中心，上海 200083）

0 引言

随着节能减排形势日趋紧迫，包括太阳能在内的可再生能源的开发利用受到了越来越多的关注。太阳能利用技术是指太阳能的直接转化和利用技术，分为太阳能光伏技术和太阳能热利用技术。太阳能光伏技术是指利用半导体期间的光伏效应原理把太阳辐射能转换成电能，太阳能热利用技术是指把太阳辐射能转换成热能并加以利用［1－3］。

本文介绍了一种新的太阳能热利用技术——太阳墙系统，重点分析了太阳墙系统的经济性和推广潜力。

1 国内外太阳能利用现状

1.1 国内太阳能利用现状

中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家（见表1［4］）和重要的太阳能光伏电池生产国（见表2［3］）。中国比较成熟的太阳能产品有太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统两类。

表1 2006—2012年太阳能热利用年生产量和保有量

表2 2009—2011年中国硅料和硅片的产能与产量 GW

1.2 国外太阳能利用状况

国外太阳能产业的发展主要集中在光伏发电系统的应用，特别是欧美等发达国家，近几年光伏产业的发展非常迅猛。

1）在英国，2010年新增光伏发电装机容量为95 MW。随后逐年快速增长，到2014年将达到600 MW。

2）目前美国在开发的24个光伏发电区域主要集中在西部的6个州：亚利桑那州、加利福尼亚州、科罗拉多州、新墨西哥州、内华达州以及犹他州。这些区域在未来的20年内发电能力可达到24 GW。

3）在西班牙，2008年光伏发电装机容量为2.4 GW，2009年降至70 MW，2010则增长到450 MW。该国的太阳能利用条件很好，具有高强度日照水平，且有很多空闲的类似沙漠的地区，这为西班牙发展光伏市场提供了机会。

4）在法国，虽然对于光伏市场的投资兴趣在上升，但是光伏产业却难以获得政府部门的支持。这主要是因为社会公众对光伏产业的支持是非常有限的，尤其是法国政府报告中明显降低了对发展光伏产业的兴趣。因此，2014年法国光伏市场新装机容量预测值也由先前的4 GW下调至约1 GW［5］。

2 太阳能利用方式存在的问题

2.1 太阳能光伏利用方面存在的问题

在太阳能光伏利用方面存在光电转化效率较低以及光伏发电成本较高两个问题。

1）光电转化效率相对较低 低下的能量转化效率已经严重制约了光伏产业的进一步发展。对于市场上普遍采用的结晶硅型太阳能电池，由于其内在的传输损耗及量子损耗，导致太阳能转化为电能的效率较低，根据细致平衡假设推出转化极限约为30%［6］。目前，实验室中得出的单晶硅转化效率的最高纪录为（25.0±0.5）%［7］，已经非常接近于转化效率的理论极值。但当考虑加工费用、工艺的复杂或生产量后，实验室技术通常无法有效适用于工业生产中。工业上大批量生产的多晶硅类太阳能电池的转换效率约为15%，单结晶硅类产品约为20%，近年来性能几乎没有提升。

2）光伏发电成本较高 较高的光伏发电成本限制了整个产业的大规模应用。整个系统中硅原料的价格占光伏发电生产总成本的1／3以上，近1／2，受到上游产业链的明显制约［8］。随着技术的发展，目前光伏发电成本已显著降低，但与常规能源发电相比，光伏发电的经济性仍然较差。根据国家发改委的通知，光伏发电的上网电价为0.9～1.0元／k Wh，明显高于火电上网电价0.3～0.5元／k Wh。因此，光伏发电尚不能与其他发电方式竞争，仍然需要政府的补贴。

2.2 太阳能热利用方面存在的问题

当前，太阳能热利用行业产品同质化现象严重，产业发展遭遇瓶颈。市场竞争陷入价格战、营销战等低层次的竞争态势，需要新的技术创新来改变行业竞争态势。

3 太阳墙技术

太阳墙系统是安装在建筑外墙的一种开放式围护系统。这种生态围护结构能够利用太阳能高效采暖、有效通风的特点，很好地解决了太阳能利用和建筑一体化的问题。太阳墙系统已在欧美国家得到广泛应用［9］。

3.1 工作原理

太阳墙系统主要基于安装在建筑外墙或屋顶的金属板系统进行工作，属于被动式太阳能采暖系统，由集热系统和气流输送系统两部分组成。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架；气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板材覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距由计算决定，一般约为200 mm，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于抽取空腔内的空气。安装在建筑南侧外墙的太阳墙板将加热后的空气分送到建筑物各个部分如图1所示。

1）在冬季，白天，深色的金属外墙板材吸收太阳辐射热量，金属墙板顶部的风机在墙板与建筑外墙间形成负压，室外空气通过小孔进入空腔，在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射热，受热压作用上升，温暖新鲜的空气进入建筑物的通风系统，然后由管道分配输送到各层空间。板材底部不密封，保持了太阳墙内腔的干燥，同时起到排水作用。夜晚，墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收，在风机运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了室内的新风量，又回收了散失的热量。

图1 太阳墙系统原理图

2）在夏季，太阳墙通过防止太阳辐射由南墙进入室内来达到保持室内清凉的效果。同时，风机停止运转，室外热空气从太阳墙板底部进入，从上部和周围的孔洞流出，热量不会进入室内。同时，太阳墙还挡住照在建筑墙体的太阳光，阻隔墙体接受辐射热，从而使室内温度低于室外温度［9］。

3.2 技术指标

太阳墙板材是由1～2 mm厚的镀锌钢板或铝板构成，外侧涂层具有吸收太阳热、阻挡紫外线的功能。一般建议使用褐色或深棕色，但为了建筑美观或色彩协调，其他颜色也可以使用。为了空气流动及加热的需要，板材上打有孔，而孔洞的大小、间距和数量应根据建筑物的使用功能与特点、所在地区纬度、太阳能资源、辐射热量进行计算和试验确定。这能平衡通过孔洞流入的空气量和被送入距离最近的风扇的空气量，以保证气流持续稳定均匀，以及空气通过空洞获得最多的热量。一般情况下，每平方米的太阳墙气流量可达到22～44 m3／h［9］。风扇的个数需要根据建筑面积计算确定。

太阳墙理想的安装方位是南向及南偏东西20°以内，也可考虑在东西墙面上安装。坡屋顶也是设置太阳墙的理想位置［10］。

3.3 太阳墙的优点

1）经济效益好 太阳墙具有造价低、使用寿命长且无需维护等特点。太阳墙板造价约为1 600元／m2（包括框架材料），使用寿命在30年以上。在冬季，太阳墙使用后可每天节省4元［11］，两三年左右便能将投资收回，经济效益、环境效益均好。

2）热效率高 与玻璃幕墙相比，太阳墙表面为深色金属板，因反射损失的入射光减少，能量吸收能力加强，用多空金属板能捕获可利用太阳能的80%。根据用途不同，可确定每个房间的集热面积和角度，以达到不同的预热温度。在晴天时能把空气预热到30℃以上，阴天时能吸收漫反射所产生的热量［12］。

3）新风系统良好 良好的室内空气质量是适当的、连续的、新鲜的空气带来的结果。对于很多密闭良好的建筑来说，冬季获取新鲜空气和保持室内适宜温度很难兼得，利用太阳能来加热空气的太阳墙系统可以很好的解决这个问题［9］。

4 太阳墙系统应用案例

4.1 厂房建筑案例

加拿大安大略省多伦多市的厂房是波音公司航空设备较大的生产和组装基地之一。为了节约能源并提升室内舒适度，波音公司在其厂房设施上使用了太阳墙系统（见图2），2 800 m2太阳墙设计的预热新风量达195 500 m3／h。

太阳墙系统可永久性的使用，降低了能耗成本，并可实现天花板附近温度和地面附近温度差约1℃，解决了热分层问题，并缓解了室内负压问题，改善了室内工作环境。

图2 波音公司太阳墙系统横跨厂房的整个南面墙

4.2 一般建筑案例

山东建筑大学新校区学生公寓梅园1号西翼的设计中使用了太阳墙系统。该建筑单元总建筑面积为2 300 m2，南向墙面安装了157 m2的深棕色太阳墙。冬季，太阳墙加热的空气通过管道输送到各层走廊和北向房间，有效解决了不向阳的房间利用太阳能采暖的问题［11］。

5 太阳墙屋顶光电／光热联产系统

在光强一定的条件下，光伏电池的发电效率会随温度的上升而下降。在实际应用中，标准条件下硅电池的发电效率为12%～18%［13］。若以太阳墙板作为光伏组件安装所需的框架系统，热能将被输送回光伏组件背面，以供太阳墙板利用，从而有效抵消热负荷，降低光伏电池温度，提高其光电效率，同时还可以提高热电联产系统的经济性。

通过结合太阳墙技术，充分利用光伏发电的余热，可以使光伏发电技术的太阳能利用总效率提高了5倍，也将光伏发电成本回收时间从通常的20年缩短到5年内，并且在遇到供电、供热管网故障或地震等自然灾害时还能起到应急能源系统的作用。

北京奥运村微耗运动员服务中心南立面的太阳墙系统和屋顶的太阳能热电联产系统（见图3）于2005年9月安装完毕并投入使用。该系统共使用了110 m2的太阳墙板，总造价约占建筑成本的5%，产生的总节能效益约为每年45 MWh，每年减少二氧化碳排放约60 t。在一般建筑上使用投资回收期约为4.5年。

图3 北京奥运村太阳墙项目

6 太阳墙的经济性及推广潜力

经济性评价的方法，根据是否考虑资金的时间因素可分为静态分析法和动态分析法［14］。动态分析法考虑资金的时间价值，按最小年费法对比太阳墙、空调及集中供暖的经济性。最小年费法把项目从开始施工到施工结束的所有投资，用规定年利率折算到基准年，然后将它平摊到项目运行期每一年，再与年运行费用相加得到年费用，其表达式为：

式中：NF为年费用；C1为年设备投资费用；f为现值因子，f＝（（1＋i）t－1）／（i（1＋i）t），i为年利率，t为项目周期；C为年运行费用。

以10 m2室内空间供暖为例进行分析，年利率为8%，项目周期为30年，f为11.26。通过计算得到，太阳墙供暖年费用NF为213.15元，空调供暖年费用NF为928.30元（其中，空调费用为3 000元，每年使用180天，每天用8 h，电价为0.617元／k Wh）；集中供暖年费用NF为610.80元（暖气安装费用为3 500元，集中供暖每年约为30元／m2）。由此可知，太阳墙具有明显的经济优势。

我国主要处于温带和亚热带，具有丰富的太阳能资源［15］（见表3）。我国华北及沿海人口密集区域均处于太阳能可利用区域，随着我国城乡建设的快速推进，居民生活水平的大幅提高及近年来气候的变化，我国供暖需求日益增加，加大了对电力需求及电力负荷的调节压力。相较于上海，北方地区冬季采暖需求大、夏季降温压力小，且日照时间较长，更适合安装太阳墙系统。

表3 我国各地太阳墙应用潜力

7 结语

1）太阳墙系统具有经济效益好、热效率高、新风效果好的优点，因此太阳墙的使用为太阳能热利用及太阳能建筑一体化提供了可操作性并有广阔的应用前景。

2）通过屋顶光伏发电系统与太阳墙的结合，可实现光电／光热综合利用，提高太阳能利用率。

3）我国北方采暖地区比较适合安装太阳墙系统，太阳墙系统具有良好的发展前景和未来市场规模。

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