E-concave小屋的太阳能技术利用及分析

珠海兴业绿色建筑科技有限公司 ■ 林笑兰 彭彦 钱世奇 谭军毅 张玲

1 比赛概况

1.1 大赛背景

于2002年首次在美国举办的“太阳能十项全能竞赛”被誉为“太阳能奥运会”。2013中国国际太阳能十项全能竞赛(Solar Decathlon China，SD China)于今年8月在大同文瀛湖畔太阳宫广场举办，20座盛放着太阳能技术应用之花的参赛小屋整齐地排列在太阳村上。

这些建筑作品的能源供应完全依靠各种被动节能技术和主动节能技术(太阳能)进行运转，同时接受十项激烈竞赛标准的考核，其中最美观、宜居、节能、创新的建筑作品将获得竞赛冠军。赛队们不仅需向公众展示各自太阳能房屋的特点，也需接受来自全国专业评审们对其房屋在建筑设计、工程技术、宣传展示、市场推广、太阳能应用方面的打分；此外，赛队必须在竞赛中展示太阳能房屋也能充分满足洗衣、烹饪、看电视等日常生活需求。经过几日激烈的角逐，最终由澳大利亚卧龙岗大学队、华南理工大学队、瑞典查尔莫斯科技大学队依次获得工程技术奖冠、亚、季军。

1.2 设计理念

国际太阳能十项全能竞赛设定十项标准全面考核每个参赛作品的各项节能、建筑物理、环境调控及能源完全自给能力，通过综合10个标准的单项比赛评比，最终确定总体排名，因此设计作品的最低要求是“十项全能”。

华南理工大学队太阳能小屋“E-concave”，定位于城郊养老住宅，为中年及老年退休夫妇设计，可满足其对房屋简约舒适、功能灵活的要求，享受具有田园气息的生活方式。本设计方案从山西民宅的四合院中撷取灵感，以充满自然气息的木质外表和现代化的集装箱组装手段共同经营出舒适惬意的生活空间。所有房间皆由智能物联网控制着温湿度和新风系统，太阳能热水系统向人们输送舒适热水，屋面的太阳能光伏系统则为这个宜人的小屋提供源源不断的电力，中庭的阳光房在夏季和冬季用不同模式利用太阳能为房子降温或加温。 图2 建设中的太阳能小屋

2 太阳能技术利用及分析

人类对太阳能的利用最早可追溯到西周时期“阳燧取火”，即利用金属凹面镜聚集阳光，将艾绒点燃取火。随着现代技术的不断发展，人类利用太阳能的方式也在不断发展。太阳能技术利用分为被动式和主动式，其中主动式又分为太阳能光伏技术和太阳能光热技术。

2.1 设计参数

大同地理位置为北纬 40°10′，东经 113°33′；平均气温7.53 ℃，极端气温最高37.88 ℃，最低-31.40 ℃；年平均太阳辐射量为5413.60 MJ/m2。分析其辐射量可得出，大同的年平均太阳辐射量在全国范围内属于较高水平，5月月平均辐射量为全年最高月份，而比赛月份为8月，其月平均辐射量处于全年中位水平，故使用年平均太阳辐射量作为设计参数符合比赛实际情况，能满足比赛的要求。

2.2 被动式阳光房

阳光房通过被动式技术设计，有效利用太阳能采暖和降温，达到降低建筑暖通能耗的目的。

2.3 主动式太阳能利用——光伏系统设计

光伏技术将太阳能转化为电能，近年来由于硅材料的价格下降，光伏行业得到了很大发展。合理的系统设计可达到自给自足，完全供应住宅的各种电器用电。

2.3.1 最佳倾角

考虑到大气质量、全年错峰用电等因素，通过计算机模拟，得出大同的夏季平均最佳倾角为16.7°；为协调建筑效果，最后确定倾角为4°。经过计算机模拟，4°倾角斜面上接收的太阳辐射量约为16.7°倾角斜面上接收太阳辐射量的87%。

表1 4° 和16.7° 倾角的太阳辐射量及其二者接收比值

2.3.2 容量预估

图8 不同倾角组件的太阳轨迹图

此次比赛的规则中充分考虑到日常生活中家用电器的使用情况，如冰箱冷藏温度保持在1～4 ℃、冷冻保持在-30～15 ℃，还有洗衣机、烘干机、洗碗机等都相应规定了任务量；另外，日常家庭娱乐被单独列出成为一项评分标准，包括组织两次不超过8人的晚宴等，这些娱乐任务也需要相应地消耗一些电力和热水。通过计算机模拟，家用电器耗能及娱乐最大日耗电为33.2 kWh，乘以保险系数1.5，需日均发电50 kWh。

光伏系统发电量计算式为：

式中：S为方阵总面积；Rβ为倾斜方阵面上的太阳总辐射量；η1为光伏系统发电效率，η1=K1K2K3K4K5，其中，K1为光电电池运行性能修正系数；K2为灰尘引起光电板透明度的性能修正系数；K3为光电电池升温导致功率下降修正系数；K4为导电损耗修正系数；K5为逆变器效率；η2为电池组件转化效率。

根据式(1)代入相关参数计算得出，方阵总面积应大于87 m2，选用SYE260 M5-96(尺寸：1580 mm×1065 mm×50 mm)，则需52块组件。

式中：SN为组件最大串联数:Vs为系统电压：Voc为开路电压。

表2 太阳能光伏组件参数表

根据表2所示参数，得到组件最大串联数SN=1000/60.1 ≈ 16.64。

因此，组件最大串联数为16。但是由于开路电压与环境温度的变化关系为负相关,温度降低组件的开路电压将升高,因此必须校核项目所在地极端最低温度情况下开路电压会否超过系统电压。

大同极端最低温度-31.40 ℃。根据式(3)代入相关参数计算得出：

显然，在极端最低温度下16个组件串联时开路电压已超过1000 V，可能对系统的电气安全构成威胁。因此经过校核，组件串联数只能为13。

最后，光伏系统确定使用13串4并，共52块光伏组件。

比赛当场检测的数据见表3。从表3可知，每日实际产能基本大于每日实际消耗，证明设计的容量满足使用要求。

表3 比赛产电量及用电量检测 （单位：kWh）

2.4 主动式太阳能利用——太阳能热水系统设计

根据比赛规则中对热水供应的要求“每次在10 min内提供平均温度为45 ℃的热水60 L，共16次”，山西冷水计算温度为地面水4 ℃，假设每日需进行5次热水测试，则根据公式：

式中：Qw为日用水量，kg；Cw为水的比热容，kJ/(kg·℃)；t2为储水箱内水的终止温度，℃；t1为水的初始温度，℃； JT为当地春分或秋分所在月集热器受热面上日均辐照，kJ/ ℃；ƒ为太阳能保证率，无因次，一般在0.3～0.8范围内，η为集热器全日集热效率，国标经验值为0.45～0.6；ηL为管路及储水箱热损失率，无量纲，国标经验值取0.2～0.25。

根据式(4)代入相关参数计算得出，直接系统集热器采光面积Ac=3.53 m2，乘以保险系数1.5，最后为5.3 m2，即3块太阳能集热组件。

表4 比赛检测热水数据(2013年)

根据表4中比赛检测数据显示，最终比赛每日最多放出3次热水，设计完全满足需求。

2.5 太阳能技术系统便捷安装

由于从材料到场到组装完毕，比赛只安排了9天的组装时间，于是比赛用的太阳能小屋在装配上必须考虑到工业化生产及组装。作为比赛的重头戏，阳光房必然是集装完毕运到现场，太阳能光伏系统及光热系统也必须考虑到如何快速安装。中国兴业太阳能集团在便捷安装方面拥有大量工程实践，本项目中，我们使用了在工厂生产的标准组件，通过一种槽钢两种固定方式的形式实现主体与电池组件之间的连接。由于所用的材料种类及尺寸单一，现场材料放置的空间较小，也无需花时间分门别类；尤其重要的是，大大缩减了工人在安装过程中查找材料的时间，提高了安装效率。

图11 系统安装示意图

3 结束语

由于太阳能是一种受自然气候影响较大的能源，在本次比赛中，因充分考虑到这点，除阳光房外，光伏系统及光热系统皆乘以保险系数1.5，最后效果也达到预期，满足了比赛的评分项要求。

近年来，新能源的利用已经广为人知，太阳能建筑也越来越受到人们的重视，其蓬勃发展孕育着巨大的潜在经济利益，成为世界各国可持续发展的重要选择。而太阳能在建筑中的应用，又是现阶段太阳能应用最具发展潜力的实用领域，太阳能竞赛则推动着太阳能建筑行业的不断进步、不断创新。