房屋节能及光伏发电的高效利用

王 鹏，鞠振河，巩赞超

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

房屋节能及光伏发电的高效利用

王 鹏，鞠振河，巩赞超

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

近年来，光伏发电越来越得到重视，光伏建筑得到大规模发展。对德国太阳能房建筑和中国古代及现代建筑特点进行研究，以沈阳为典型对农村房屋进行改造，计算出改造成本和安装光伏太阳能板所需费用，以及成本回收期和盈利情况，使得光伏发电得到高效利用，并推广到整个农村的房屋建设中。

光伏发电；光伏建筑；利用率；改造成本；回收期

在全球经济一体化的前提下，近年来国内社会经济问题与国际环境紧密联系，自上世纪90年代开始，中国的经济高速增长。随着工业的快速发展，城市化已成为社会经济发展的主体。与此同时，人们也发现伴随着经济的发展，工业化和城市化的实现给自然资源以及生态环境带来了不利影响。对自然资源，尤其是对化石能源的过度开采，将势必导致资源枯竭现象的出现，这必然将成为中国经济发展的瓶颈。与此同时，整个世界都依赖于化石燃料，会破坏大气，造成空气的污染，温室效应的发生。随着社会的进步，能源与环境的压力将越来越大，节能减排的呼声也越来越高，可再生能源的发展必然成为人类的选择[1]。每年太阳辐射到地球的能源是地球自身能量消耗的1 200倍，太阳能资源的合理开发是解决问题的关键[2]。

1 太阳能光伏建筑一体化

太阳能光伏建筑一体化技术是太阳能产品或技术与建筑技术的结合。它不仅具有外部保护结构的功能，而且还可以产生建筑用电[3]。太阳能与建筑一体化是建筑节能的一个新概念，是建筑节能和可再生能源的一个新的范畴。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单太阳能光伏与建筑的加法，而是根据能源的节能、环保、安全、美观、经济性的要求，将太阳能光伏发电作为建筑施工领域的一个系统，纳入到基建程序的工程建设中的一般术语[4]。

现在常见的光伏建筑一体化是将太阳能板建立在建筑的屋顶上。在整个太阳能光伏建筑中，光伏屋顶发电占到75%左右，屋顶有更好的采光面积，且安装方便。此外，现代高层建筑都被玻璃幕墙还有铝塑幕墙包裹着，所以还可以用太阳能幕墙替换原有的幕墙[5]。此外，光伏与建筑相结合，可以实现电力的就地上网，无需额外加设输电线路，有效地减少了输电线路的投资以及损失，节省了建筑材料[6]。

2 国内外光伏建筑的特点

2.1 国外建筑特点

以德国太阳能建筑为例，近年来，德国在对太阳能住宅的研究和设计方面取得了很大成功，能够自给自足的新型能源住宅也随之出现。

德国太阳能住宅区的技术特点如下：外墙方面，靠近阳台护栏和通风口使用的都是真空玻璃，保温效果是普通材料的10倍；墙壁、地板和地面使用的都是通风材料，使室内空气形成对流，达到冬暖夏凉的效果；建筑屋顶由太阳能板铺成；在介于一、二层之间的隔板之间安装了一个“冷冻蓄电池”，房间内的温度可以自动调节，通风系统24 h不间断向室内输送新鲜空气，保持室内温度。

图1 德国太阳能建筑

目前在德国，一个小的建筑或别墅都可以用太阳能来加热和供应热水，而且太阳能还可以用在集体住宅或多户型公寓。

由于太阳能住宅在节能方面效果明显，而且对环境无污染，在德国已经开始在整幢住宅建设方面采用太阳能采暖。

2.2 国内古代与现代建筑特点

封建社会时期的建筑主要属于木框架结构体系，使用木材作为建筑材料，木梁柱作为承重骨架，木材、土或其他材料作为围护结构。古代建筑创建和使用斗拱结构形式，斗拱是中国古代建筑体系的独特形式，它是上部结构与梁柱之间传递荷载的结构部件，也具有美丽和华丽的风格，因此成为建筑的主要的装饰部分。斗拱是结构功能和装饰功能的集成化，是中国建筑体系中独特的组成部分。古代建筑的最大优点在于易于使用和快速建造。但由于使用大量的木材，时间长，加上自然破坏，战争的影响，往往使大量的古建筑无法保存。

图2 国内古代建筑

现代的建筑材料种类繁多，可大致分为：无机胶凝材料、混凝土、建筑砂浆、墙体材料、建筑钢材、防水材料、绝热、吸声材料、木材和建筑装饰装修材料。

图3 国内现代建筑

无机胶凝材料分为刚性无机胶凝材料和水硬性无机胶凝材料。其中刚性无机胶凝材料可分为石灰、石膏和水玻璃。水硬性无机胶凝材料分为普通硅酸盐水泥、特种水泥和专用水泥。混凝土分为普通混凝土、特殊混凝土和新型混凝土。墙体材料可分为砖、砌块和轻质墙板。墙体材料可分为砌墙砖、建筑砌块和轻质墙板。建筑用钢按碳含量可分为碳素钢和合金钢；按性能可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢以及高强度低合金钢、热轧钢和冷钢成品钢；按形状可分为型钢、钢板和钢管。防水材料可分为沥青、防水卷材、其他沥青防水产品。保温吸声材料可分为无机材料和有机材料。建筑装饰材料可分为装饰石、装饰陶瓷制品、建筑玻璃、建筑装饰、塑料装饰漆和金属装饰材料等。

越来越多的现代建筑趋向于高层化，有利于节省建筑面积，适用于解决现代城市住宅的问题。高层建筑的周期往往很长，从一年到十年不等，甚至更长的时间。

3 东北农村的传统供暖方式

1) 火炕采暖。

东北地区由于冬季比较寒冷，农村大部分以火炕作为主要的采暖方式。屋子里的灶台和卧室仅一墙之隔，木材和柴火作为有效的资源并不卫生，而且使用过程中热量损耗较多，劳动强度大，加热温度控制不易把握。由于通风不合理，从添柴口进入的空气不能直接与燃料层和燃料混合，使燃料不能完全燃烧。同时，从添材口进入大量的冷空气，当它通过燃料表面时，降低了灶内的温度。更严重的是，一些不完全燃烧的气体排放到大气中，直接影响空气质量，造成当地产生雾霾。

2) 烧炉采暖。

将炉子与烟囱相接并延伸到室外，利用空气对流和辐射换热，以提高室内温度。但由于煤的品质不同，所产生的热量不稳定，副产物多，热效率低，燃烧不完全所产生的有害气体造成大气污染，清洁程度差，循环不好，易造成一氧化碳中毒[7]。

4 住宅条件分析

通过调查，对东北农村住宅的总体结构、冬季能耗进行了研究，并对系统进行了优化。使用太阳能光伏发电以补偿能源，摒弃农村地区传统的取暖方式，以达到环保和清洁的目的。规划出冬季东北农村地区房屋使用太阳能用电的方案，对经济进行优化，并制定出最合适的方案。

4.1 东北地区地理气候条件

东北地区位于东经115°～135°，北纬40°～53°，全年平均太阳辐射量为4 200～5 850 MJ/m2。冬季气候寒冷干燥，但日辐射仍可在6 h以上，月日照一般在170～190 h左右，为太阳能的开发利用创造了有利条件。东北地区冬季寒冷漫长，可达6个月，若按平均温度0 ℃以下为寒冬，则5个月(11月～次年3月)为寒冬。根据近年来东北地区气象数据得到：东北地区室外最低温度平均值为-32 ℃，最高平均温度约10 ℃，可得东北地区冬季的平均温度为-11 ℃。

4.2 东北农村房屋基本模型结构

据调查，东北地区农村房屋大致为100～200 m2，取平均150 m2，坐北朝南。内部标准四室一厅结构，普通粘土砖墙体结构。根据照明和供暖的要求，东墙和西墙没有窗户，南墙的窗户一般是4个，而且面积较大；北墙的窗户一般是2个，但面积比较小；窗户为单层塑钢窗；南墙和北墙各有一扇木门。平面图如图4所示。

图4 东北地区农村房屋基本平面图

4.3 东北地区农村房屋能耗损失计算

房屋损失掉的热量主要是来自于围护结构(门、窗、墙、地板、屋顶)，房屋通风的损失可以忽略。房屋内部生活能量的主要来源是住户的能量释放(1个成年人坐着时平均能量释放是100 W)。以1个三口之家(丈夫、妻子、儿女)作为研究对象[8]，房间的总面积为120 m2(12 m×10 m)，房屋高为3.5 m。人体舒适的室内温度为19 ℃，东北地区冬季室外平均温度为-11 ℃。建筑围护结构如表1所示。

表1 建筑围护结构参数

门的热损失=门的面积×门的U值×ΔT=4×2.8×30=336 W；

窗户的热损失=窗户的面积×窗户的U值×ΔT=7.2×4.89×30=1 056.24 W；

墙的热损失=墙的面积×墙的U 值×ΔT=142.8×1.318×30=5 646.312 W；

地面的热损失=室内地面面积×地面的U值×ΔT=120×0.52×30=1 872 W；

屋顶的热损失=屋顶表面面积×屋顶的U 值×ΔT=127.68×1.077×30=4 125.341 W；

居住者平均释放能量为300 W。

其中，ΔT 为室内室外的温度差。

房屋总热量损失为：336+1 056.24+5 646.312+1 872+4 125.341-300=12 735.893 W。

4.4 房屋优化

建筑围护结构的热损失和房间内的总热损失的比例如图5所示。墙体占比重最大，占室内总热损的44.3%左右；其次是屋顶和地面，分别占房间总热损失的32.3%和14.7%，根据初步的房屋损失计算发现，能源消耗较大，预计需要的光伏设计成本较高，跟实际情况有一定的差距。此外，由于农村房屋的保温性能差的特点，墙体和地面的热损失是住房的主要能源损失。对住宅的墙体和窗户的结构进行优化，得到了相对合理的经济性的光伏设计方案[9]。

图5 围护结构的热量损失与房间内总热量损失的比值

4.4.1 对墙体的优化

表2 为常见的外墙保温材料的传热系数。

表2 常见外墙保温材料的传热系数

对几种外墙保温材料的传热系数、经济成本的比较，选出挤塑聚苯板(XPS)作为外墙保温材料。挤塑聚苯板(XPS)的价格低，保温性能好，广泛应用于墙体保温，导热系数小于0.028 W·(m2·K)-1。

4.4.2 对窗户的优化

根据当地的农村经济情况，在不改变现有的窗户材料结构前提下，在现有的玻璃窗贴上一层30 μm 厚的聚酯薄膜，数据显示，这样可以减少窗户热损失的60%。

4.4.3 对屋顶的优化

在屋顶上铺设保温材料，如铺设掺杂石灰粉的稻草(确保天花板能承受住保温材料的负荷要求)。

4.4.4 优化后的热量损失

房屋总热量在优化后的损失为：336+422.48+2 399.04+1 872+2 432.3-300=7 161.82 W。经实际优化后发现，房屋的热损失减少了43.8%，且效果明显，节约了成本。

表3 优化后房屋围护结构参数

4.5 太阳能在农村取暖中的应用

作为一种清洁、高效的能源，太阳能被越来越多的应用在房屋建筑中，地球每年可从太阳获取高达6×1 017 kW·h的能量，东北地区平均年辐射量约为5 000 MJ/m2，丰富的资源给农村太阳能供热建设提供了有利条件。

4.5.1 对太阳能电池参数的确定

设计原则：在满足负载需求的情况下，选择功率和电池容量最小的太阳能电池组件，并降低初始投资。在设计方面，太阳能模块应满足“全年均衡，弱季最大”，在东北，接收太阳辐射最弱的是12月。

1)平均峰值日照时间Tm

以一个120 m2的带脊房屋为例，沈阳的地理坐标为123.38E、41.8N，房屋都是坐北朝南，可以在南面屋顶上安装太阳能板，查询相关的数据可得，平均实际日照时数为7 h，根据辽宁省地方规程《太阳能光伏与建筑一体化技术规程》所述，沈阳地区最佳倾角约为41°，平均峰值日照时间Tm为4.56 h，最小峰值日照时数为3.68 h。由于沈阳农村瓦房倾斜的角度一般为15°到30°。在这种情况下，依据当地规定，可以得到平均峰值日照时间为4.49 h[10]。

图6 太阳能光伏系统

2)太阳能电池板的确定

(1)

式中，K1为环境温度，取0.93；K2为污染损失，取0.96；K3为最大功率损耗，取0.94；K4为太阳能电池板串并联损耗，取0.95；K5为直流线损，取0.97；K6为系统中整流、逆变，取0.97；K7为电池损失，取0.7。计算得w约为15 048.5 W～14 421.5 W。

通过查找电池板规格型号表，选用150(17) P1470×680×25的电池板，峰值功率为150 W，峰值电压为18.5 V。组件排列形式为4串24并，共96块电池板。

4.5.2 太阳能光伏采暖方案

根据房顶的实际面积，屋顶只能安装4串10并的电池板，总装机容量6 kW，剩余的电池板则需要通过其他形式补充，才能使房间的温度稳定在19 ℃。此时太阳板1天能发电21.5 kWh，这些电量可实行并网发电，即自发自用，余量上网。自发自用的光伏电量满足自己使用，国家按照自用电量给予补贴，剩余的上网电量除了电网企业支付的脱硫燃煤火电机组上网标杆电价外，还享有国家的补贴。若按30%自用，沈阳市电价为每千瓦时0.5元，国家电价补贴标准为每千瓦时0.42元，则每千瓦时共补电价0.95元，自用部分电补贴为21.5×30%×0.95=6.12元，其余70%全部上网，按光伏上网电价为每千瓦0.88元，则上网补贴为21.5×70%×0.88=13.244元，每天共补贴13.244+6.12=19.364元。

图7 光伏电站系统原理

4.6 经济性能分析

若全部安装太阳能板可达15 kW，按照目前市场的家庭光伏系统7～8元/W计算，优化前的初始投资达到11.2万元，对现有的农村居民经济条件来说，这是很困难的。房屋结构优化以后，太阳能电池板的总功率减少到6 kW，安装太阳能电池板花费约4.5万元，加上5 000元的建筑围护结构节能改造费用，共需花费5万元，用户还可以接受，按照每天所发电量可得到19.364元的补贴，可算出投资回收期为7.1年，而太阳能电池板一般使用寿命为25年，则剩下每年可赚7 068元，到期收益为12.72万元。

5 结 语

通过对德国，中国古代及近代农村房屋特点的分析，对现有住宅建筑围护结构的热损失进行了研究，并对墙体、门窗进行了优化，利用太阳能清洁高效的特点，提出了一种用新型的太阳能采暖给农村住宅供暖的方法。随着太阳能发电技术的不断改进，基本上能够满足冬季农村居民采暖的要求。

通过使用太阳能，不仅可以解决东北地区农村住宅供暖问题，减轻雾霾，同时，它也给居民带来了可观的收益，从长远角度观察，是一种理想的农村采暖措施。这种小型家庭分布式发电的推广，从安全、健康、环保、清洁方面考虑都能够满足建设资源节约型、环境友好型社会的需求。对环境污染的控制，减少雾霾提供了一个可行的方案，在促进中国的经济和社会发展，能源与环境保护方面能够起到巨大的作用。

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(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

Building Energy Saving and Efficient Utilization of Photovoltaic Power Generation

WANG Peng,JU Zhen-he,GONG Zhan-chao

(School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

With the high-speed development of economy and the improvement of the life level and the economy capacity in China,people has been paying much more attention to the living environment,the modern city construction,energy structure optimization,environmental protection,greenhouse gas emissions reduction and clean energy utilization.In recent years,growing concerns has been given in photovoltaic power generation and photovoltaic building has obtained the large-scale development.Choosing the transformation of rural houses in Shenyang as a typical case,this paper calculated the cost of renovation and installation of photovoltaic solar panels and the cost recovery period and the profit based on the study of the characteristics of solar energy house building in Germany,ancient and modern Chinese architecture.This research can promote the efficient use of solar photovoltaic power generation and is helpful to its promotion in all rural housing construction.

Photovoltaic power generation；Photovoltaic building；Renovation cost；Recovery period cost；Profit

2016-03-15

王 鹏(1987-)，男，辽宁丹东人，硕士研究生。

鞠振河(1962-)，男，辽宁开原人，教授，博士，硕士生导师，主要从事太阳能应用科学技术方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.003

TM615

A

1673-1603(2016)04-0302-06