严寒地区太阳能建筑一体化设计方案优选分析★

任 楠 楠

(吉林建筑大学城建学院，吉林 长春 130000)

严寒地区太阳能建筑一体化设计方案优选分析★

任 楠 楠

(吉林建筑大学城建学院，吉林 长春 130000)

为了降低因采用传统的燃煤而带来的高能耗问题，比较分析了几种不同的在屋顶利用太阳能建造光伏光热与住宅建筑一体化的设计方案，并提出了比较适宜在东北严寒地区建造的太阳能一体化设计方案，减少了对自然环境与能源造成的负面影响。

严寒地区，光伏，光热，建筑一体化

1 国家新能源政策的支持

国家大力倡导新能源的开发与利用，并且在政策上给予鼓励和支持。2012年，国家电网发布了相关政策——《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》，意见指出电网用户可以自行投资安装光伏发电设备，自行发电，自用的同时，多发的电可以接入国家电网，上网售卖。2013年3月1日起《意见》正式实施。

2 严寒地区太阳能住宅建筑一体化建设现状

2.1 地域特殊性的局限

依据我国GB 50176—93民用建筑设计规范中的“中国建筑热工设计分区”，规定累年最冷月平均温度≤-10 ℃，日平均温度≤5 ℃的天数≥145 d的地区为严寒地区[1]。我国东北严寒地区是我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5 000 MJ/m2～5 850 MJ/m2,日辐射量3.8 kWh/m2～4.5 kWh/m2。尽管严寒地区的太阳能资源较一类地区弱，但若是能够处理好地域问题带来的例如防寒保暖冻胀等问题，在严寒地区应用太阳能一体化技术，降低建筑物能耗，提高生活质量仍然是切实可行的。

2.2 建设现状

很多发达国家已经取得了显著成果，例如：澳大利亚悉尼奥运村、奥地利西部能量公园、加拿大多伦多高层屋顶、丹麦布伦特兰中心、德国塞尼峰学院等等，都是世界上比较有名的一体化典范。但是这些项目多数位于亚热带、温带、海洋性气候等全年太阳辐射总值较高，纬度较低的气候地区，并且多数项目为大型的公共建筑。

我国的太阳能建筑一体化已有了一些尝试，在上海、深圳、德州、北京、保定等地分别建成并网发电光伏屋顶。

目前，对严寒地区(如中国东北)的住宅建筑设计研究主要集中在外围护结构的节能方面，光伏、光热与住宅建筑一体化设计还处于一种无序状态，尚未形成一套完善、科学的思想体系和设计手法。在严寒地区的设计和使用尚属空白。

3 设计要素

东北严寒地区由于地理位置所限，太阳能辐射总量以及直接辐射量小于全国其他低纬度地区，考虑到对太阳能的最佳利用率、太阳能系统安装在立面对建筑采光及透光率的影响，将太阳能系统置于屋顶，是比较理想的状态。

3.1 与建筑的无缝应用

目前，高平整度一体化太阳能发电整体屋顶已经问世，特殊制作的型材价格高，安装费高，只有少量的示范工程使用，推广困难。并且示范也仅仅是在对采暖要求不高的地区，像严寒地区这种冬季时间长，采暖要求高的地区，完全脱离“两张皮”的形式，完全依靠光伏组件来达到保温要求，以目前的技术还不现实。

因此我们需要积极思考解决的问题就是确保光伏系统与屋顶结构的无缝连接，在不破坏建筑屋顶结构的基础上，不对建筑形式形成“干扰”。

3.2 兼具保温功能

光伏板的存在减弱了“对流换热”——建筑墙体与外界环境之间。在太阳辐射强度较大的时候,光伏板的隔热作用十分明显。而在较低太阳辐射强度的情况下,光伏板会阻碍建筑墙体散热,减缓温度下降。这与人们对建筑室内环境的需求基本一致,高辐照高气温时需要隔热,低辐照低气温时需要保温。

3.3 组件本身易清洁

组件的不及时清洁会降低组件的发电效率和使用寿命。人工清洗安装在屋顶的组件又有安全隐患，这是在屋顶安装太阳能组件的尴尬之处。因此在建筑上安装光伏系统要求光伏组件本身选用自清洁型的材料，减少日后维护成本，延长组件的使用寿命及发电效率。

3.4 符合美学标准

在建筑中，太阳能组件极具表现力，是高科技的体现。组件的应用，体现出强烈的当代感，同时中和现代过于激进的建筑形式。其所具有的潜在建筑表现力还没有完全展现出来，所以需要更多的建筑佳作来实现并展现其建筑潜力和多用途的特性。

4 方案设计比选

虽然光伏光热一体化的研究已经进行了很长时间，美国已经有将光伏光热两个系统整合为一个单件元体的专利技术——PPI光伏光热一体化系统，但是目前属于世界领先科技，组件不足以达到严寒地区保温要求，大规模的用于严寒地区以及将来的推广应用都有难度。

但是当分布式光伏的发展和分布式光热都在抢占城市仅有的屋顶空间的时候，我们该何去何从。

针对上述问题，设计两个方案，分析比对，选出最适宜在严寒地区实施的太阳能与建筑一体化方案。

4.1 方案一——屋顶东侧光伏系统西侧光热系统的结合方式

1)设计中的具体做法。

在建筑的屋顶设计光伏和光热系统涉及到两个系统的安装结合方式、系统形式、管道井位置以及水箱的位置等内容。

具体如下：

a.两个系统的安装结合方式。

方案一采用屋顶东侧光伏系统西侧光热系统的结合方式。研究证明，光伏最佳的安装位置为正南偏东，光热为正南偏西10°以内。因此方案一考虑将光伏系统安装在屋顶的东侧，光热系统安装在屋顶的西侧，有利于光伏及光热两个系统的工作效率。

b.系统形式。

光伏系统：采用多晶硅太阳能电池板。形成光伏组阵，安装在屋顶上，较其他太阳能电池板材料制造简便，制作成本低，易推广，性价比高。

光热系统：采用适于东北气候特点使用的集中式真空管太阳能集热器。与其他类型的太阳能热水器相比，安装简便、保温好、耐冰冻、耐热冲击性好、启动快、承压高、不结垢，同时运行可靠。

c.管道井位置。

比较理想的做法是利用楼梯间的各户管道井，避免单独设计影响建筑布局。

d.水箱设置的位置。

水箱的容积小，可单独设置，放在出屋面的楼梯间上面比较合理。优点是走线短，热损少，充分利用公共管道井。

2)优点。

a.能够最大程度的依据光伏和光热系统自身的优点，发挥各自系统的物理功效，避免因为方位等问题造成发电和发热效率降低。

b.采用目前主流的多晶硅太阳能电池板和采用真空管太阳能集热器结合的方式，性价比高，实用性强。

3)缺点。

a.由于屋顶面积有限，两个系统相互争抢面积，很难权衡。

b.采用集中供热系统，后续使用过程中，一旦出现维修费用，分摊费用问题比较棘手。

4.2 方案二——坡屋顶部分光伏系统与平屋顶光热系统的结合方式

1)设计中的具体做法。

a.两个系统的安装结合方式。

方案二采用坡屋顶部分光伏系统与平屋顶光热系统的结合方式(见图1)。

以东北长春为例，坡屋顶的角度选择38°，在坡屋面安装光伏发电系统，满足住宅的日常用电需求；在图1中平屋顶部分设置光热系统，提供生活热水。

b.系统形式。

光伏系统：同方案一。光热系统：采用适于东北气候特点的分体式真空管太阳能集热器。

c.管道井位置。同方案一。

d.水箱设置的位置。分体式热水器自带水箱。

2)优点。

a.从建筑审美角度，方案二的材质结合方式较方案一更为协调，视觉效果更好。

b.坡屋顶和平屋顶部分安装不同的两个系统，系统之间相互不影响。

c.采用分户供热系统，后期的维护问题可以自行解决，有利于后期推广运行。

5 结语

通过对上述的设计方案分析得知，设计前期考虑气候条件、工程特点及现场条件等因素，能很好地实现光伏、光热与建筑一体化形式。考虑到严寒地区的气候条件及实际使用需求和限制，方案二更适合。利用坡屋顶设置光伏系统、平屋顶设置光热系统可以说是严寒地区利用太阳能与建筑一体化结合的最佳方式。

随着节能方式的进步，太阳能与建筑一体化研究的深入，真正意义上的绿色建筑最终会实现。

[1] GB 50176—93,民用建筑设计规范[S].

On optimal selection for design schemes for architectural integration with solar energy in rigid areas★

Ren Nannan

(UrbanConstructionCollege,JilinJianzhuUniversity,Changchun130000,China)

In order to lower the high energy consumption caused by the traditional coal burning, the paper compares and analyzes different design schemes for building photovoltaic-thermal cells and residential and architectural integration on roofs with the solar energy, and points out the solar energy integration schemes in rigid areas in Northeast of China, so as to reduce the negative influence on natural environment and resources.

rigid area, photovoltaic, thermal, architectural integration

1009-6825(2015)32-0174-03

2015-09-02★：吉教科合字[2014]第595号；吉教科合字[2014]第594号

任楠楠(1982- )，女，讲师

TU201.5

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