浅谈太阳能技术在既有建筑节能改造中的应用

沈长亮

(重庆师范大学，重庆 401331)

浅谈太阳能技术在既有建筑节能改造中的应用

沈长亮

(重庆师范大学，重庆 401331)

随着太阳能技术的不断发展，将太阳能技术应用到既有建筑节能改造中，对节能减排具有重大意义。为进一步降低既有建筑能耗，文中以太阳能应用到实际建筑工程为例，列举了太阳能热水系统、太阳能通风墙、太阳能通风式屋顶、太阳能光伏发电、太阳能玻璃、太阳能窗系统六个实用技术，相信这些技术的应用，对节能减排有重大帮助。

太阳能； 既有建筑； 节能改造

当前，既有建筑节能改造的方法，主要包括进行围护结构保温、更换节能门窗、更换节能设备、采用可再生能源等。太阳能作为可再生能源，可以说是取之不尽、用之不竭的，而且绝对干净，不产生公害。我国太阳能资源丰富地区占到陆地国土面积的三分之二，具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。联合国能源机构的调查报告显示，太阳能建筑业将是21世纪最重要的新兴产业之一。将太阳能技术应用于既有建筑节能改造中，可以大大降低能耗，提高节能效益。

1 太阳能与建筑一体化

太阳能利用的基本形式分为主动式和被动式。主动式是利用机械装置收集和储存太阳能，并在需要时向房间提供热能；被动式是在很少使用机械设备的条件下，通过建筑物布局、构造处理、选择性能好的热工材料，使建筑物本身能够吸收和储存太阳能量，从而达到采暖、空调和供热水。

太阳能与建筑一体化，就是将太阳能利用设施与建筑有机结合，与建筑物统一设计、统一施工、统一验收，并与建筑功能及外观协调，使之成为建筑物有机的组成部分。太阳能技术与建筑的结合，将电池板和集热器安装在屋顶或屋面上，不需要额外占地，节省了土地资源，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，有效降低建筑能耗，节约了能源。目前，建筑光伏一体化和建筑太阳能热水器一体化已成为最普及的建筑物利用可再生能源的形式。

2 太阳能技术在建筑节能工程中的应用

2.1 迪拜鸟岛太阳能光伏建筑

该建筑又被称为垂直村(图1)。该建筑每一个建筑曲面都可以独立地朝向北面，并均位于东西轴线上，以减少长期太阳光直射。巨大的太阳能集热器群面朝南，能自动调整自身集光板面，与太阳高度角垂直，最大限度地收集太阳光。建筑屋顶是类似于叶子的结构，它可以把太阳能基地分解成很多小块，更加方便区域管理。它结合了配套的多功能建筑特点和大量太阳能集热器列阵，运行智能化，操作管理方便。

2.2 世界太阳城大会主场

该建筑位于中国德州太阳谷内，它是世界上最大的集太阳能光热、光伏、建筑节能于一体的高层公共建筑(图2)。

图1 迪拜鸟岛太阳能光伏建筑

图2 世界太阳城大会主场

该建筑总建筑面积7.5×104m2，采用全球首创太阳能热水供应、采暖、制冷、光伏发电等与建筑结合技术，节能效率高达88 %，充满独特的未来感。

2.3 美国匹兹堡资源保护顾问中心改造工程[1]

建筑内部中厅设有宽敞的采光井，利用自然光线的反射和折射，使室内光线充足，不必使用照明光源。性能良好且易于开启的窗户和密封良好的新风入口，使空气直接从可调式窗户、屋顶平台、二楼阳台和地面花园的通风口进入，经中厅采光井和其他可调式天窗流出，形成自然通风的无动力新风系统，增加了室内的舒适度。建筑光源部分是一个2.2 kw的光电系统，电池板排列在走廊、阳台及屋顶上。微气候数据采集站用来采集风力和热工数据，每天监测太阳能收集情况。

2.4 温岭市国际大酒店改造工程[2]

系统采用了不带蓄电池储能直接并网的方式，通过采用非晶硅太阳能组件，所发电量直接并网到大楼内部用电系统中，做到实时消耗，达到节能减排的目的。系统设计时充分考虑了太阳能光伏发电系统在建筑物屋面、立面上的安装结构与工艺设计、线路设计与配线、防雷保护、监控系统等因素，充分利用了建筑面积，提高了发电效率，降低输配电损耗。据估算，光伏系统每年发电量约23.56 MWh。

3 可应用于建筑节能改造的太阳能技术

3.1 太阳能热水系统

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。山东省、厦门市、合肥市、兰州市等地强制在部分建筑中使用太阳能热水系统，北京市、山西省等地对安装太阳能热水系统进行财政补贴。

3.2 太阳能通风墙

又称为特朗伯墙，当应用于建筑物向室外排风时，又称之为太阳能烟囱(图3)。原理是在朝南向阳墙的外表面涂以深色选择性涂层，并在离墙外表面约10 cm处安装玻璃或透明塑料薄片以形成空气间层，利用“温室效应”原理加热夹层空气，从而产生热压来驱动空气流动。冬季可以通过打开集热墙上、下通风口形成循环对流来加热室内空气，当需要新鲜空气或室外气温比较合适时，也可打开玻璃下面的进风口、关闭集热墙下面的风口来对室外空气先加热后再流入室内。夏季，只打开玻璃上风口与集热墙下风口，利用夹层空气的热压流动来预防室内过热，同时带走室内的部分余热。

图3 太阳能通风墙

3.3 太阳能通风式屋顶[3]

它是将建筑南向坡屋顶或其一部分做成太阳能空气集热器的形式，其原理与太阳能通风墙一致(图4)。为了便于冬夏季运行工况的转变，其集热板可做成活动可拆卸式，即在夏季采用绝热性能好的材料以防室内过热，在冬季则可卸掉集热板让太阳辐射直接进入室内或转成传热蓄热性能好的材料，以起到给室内供暖的作用。在生态建筑能系统设计中，太阳能通风屋顶可与特朗伯墙、太阳能烟囱等其他被动太阳能利用形式组合成各种复合能量系统。

图4 太阳能通风式屋顶

3.4 太阳能光伏发电

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。无论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源,大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

3.5 太阳能玻璃

位于加利福尼亚的Pythagoras太阳能公司开发出的太阳能玻璃，能够同时阻挡太阳辐射和集中阳光，并将其转换为太阳能。该玻璃装置还能过滤猛烈的阳光和过高的热度，提供良好的自然采光，减少在白天对人工照明的使用。该技术能够加快使用成本更低的发电方式，并建造美观、零能耗的绿色建筑。该光伏玻璃装置已于2010年下半年投入市场，可用于建筑物的玻璃幕墙、天窗和窗户，不仅能降低建筑成本，也可以为建筑设计锦上添花，创造出更多有特色的建筑艺术精品。

3.6 太阳能窗系统

系统也称为动态凉窗系统(DSWS)，由嵌入两个大玻璃天窗的多个透明塑料板构成，每个塑料板上都有几十个小型金字塔形的模块，这些模块能够追踪太阳光的运动，每个模块上都有一个小型的太阳能电池，负责收集光热，并将其转化成可用能量，运转发电机发电。它还能把剩余的能量传送到需要的地方或者储存在电池组里，以备后用。除了满足建筑内供热、制冷和人工照明的能源需求外，这一系统还具有去除有害光线的功能，它会把过于强烈的太阳光挡在外面，并加以吸收，让有利于人体的光线透入建筑内。

4 结束语

随着太阳能开发利用规模快速扩大，太阳能已进入到生产、生活等诸多领域，已成为全球能源转型的重要领域。“十三五”时期，国家将完成既有居住建筑节能改造面积5×108m2以上，公共建筑节能改造1×108m2，全国城镇既有居住建筑中节能建筑所占比例超过60 %[4]。相信经过广大科技工作者的不断努力，太阳能与建筑会结合得更加紧密，建筑能耗会进一步降低，人们居住环境品质也会不断提高。

[1] 白胜芳．借鉴国外先进经验, 服务我国既有公共建筑节能改造[J]. 新型建筑材料, 2003(9) :37-39.

[2] 张灵刚，叶文思．浅谈光伏太阳能在建筑节能改造上的应用[J].建筑知识:学术刊, 2012:111-112.

[3] 杨卫波，施明恒，刘光远, 等．太阳能通风式屋顶强化通风性能的研究[J]. 建筑热能通风空调, 2007, 26(6):10-13.

[4] 住房城乡建设部．建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划[R]. 2017.

沈长亮(1982～)，男，硕士，助理工程师，从事建筑工程管理与建筑节能研究。

TU201.5

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[定稿日期]2017-03-29