主被动太阳能技术在超低能耗公共建筑的应用

孙晓康

(中国化学工程重型机械化有限公司，北京 102600)

0 引言

近年来，我国的城镇化建设得到了大力发展，公共建筑的面积也随之不断扩张，其在全国建筑存量面积中的占比也在逐年增高。随着公共建筑面积的不断增加，其带来的能源消耗问题也在不断加剧，并且已经成为了我国整体建筑能源消耗的主要消耗点。大力推广超低能耗公共建筑，来发挥模范带头作用，将为我国建筑节能事业的发展提供发展动力，并不断为相关产业的革新创造推力，共同实现我国战略发展中的“碳中和，碳达峰”目标。

1 超低能耗公共建筑概述

对于超低能耗建筑的概念定义，我国在《近零能耗建筑技术标准》中提到：超低能耗公共建筑的能效指标要以建筑综合节能率以及建筑本体性能指标来进行界定，与现行的国家标准以及行业标准相比，能源消耗要求降低50%以上的公共建筑才可以被称为超低能耗公共建筑。而在一些温度较低的严寒和寒冷地区，公共建筑的本体节能率不应小于25%，气密性方面应当满足N50≤1.0，而其他地区的建筑本体节能率应当以不低于20%为基准。

2 主被动太阳能技术概述

2.1 主动式太阳能技术

主动式太阳能技术应用于超低能耗公共建筑中，主要以主动式太阳能收集器作为运行装置，其作为公共建筑建设过程中的附属建筑系统，由附着在建筑结构上的不同装置共同组成，并不是传统意义上依靠太阳能进行热量集中、储存并且释放的建筑结构收集器。主动式太阳能建筑系统对于普通的居民家庭来说，是一种偏向于“额外”的消费项目，具有与平时所购买的太阳能相关产品有不同的特点。与其他太阳能装置进行自动收集热量并进行储存释放特点不同的是，主动式太阳能建筑系统的运行必须要在有泵以及送风机共同运行的情况下才可以实现正常的工作运转[1]。

2.2 被动式太阳能技术

被动式太阳能技术应用于公共建筑的设计建设中，主要是将建筑本身作为集热装置，通过合理的工程项目前期设计，确定较为科学合理的建筑方位布置，并以自然中热交换的方式，实现太阳能热能的传导以及对流，同时吸收太阳能的辐射，使得建筑本身在受到太阳能的影响的情况下依旧能实现采暖以及降温的目的。被动式太阳能技术的利用过程中，既不会因为涉及到其他设备的使用而造成额外的能源消耗，也不需要人工动力系统进行参与，在满足环保发展需求的同时，也实现了该项技术的应用价值。

3 我国太阳能资源分布

太阳能资源是我国一项十分丰富的资源类型，我国的太阳能资源储备也位居世界前列。全国范围内，有超过三分之二的地区太阳能年辐射量超过5 000 MJ/m2，并且年日照时数也达到了2 000 h以上。我国的太阳能辐射资源按强度分类有以下四种：最丰富带、很丰富带、较丰富带以及一般带。其中，我国的大部分地区都属于太阳能辐射资源很丰富带，约占整体国土面积的44%，而较丰富带以及最丰富带次居于前者，分别占据国土面积约29.8%和22.8%，只有少量的地区处于太阳能辐射资源的一般带，约占全国总面积的3.3%。经过专业的分析和调查，在我国的区域范围内，绝大部分的地区都拥有着十分丰富的太阳能辐射资源，只有四川以及贵州等局部地区的太阳能辐射资源相对较少，因此将太阳能技术应用与公共建筑的规划建设中，以此来实现公共建筑节能发展的构想是切实可行的[2]。

4 主被动太阳能技术的主要类型

4.1 太阳能光伏发电

在超低能耗公共建筑的建设中应用主动式太阳能技术，以此来实现太阳能光伏发电技术的作用，其基本的工作运行原理是利用光生伏特效应，将接收到的太阳能转化为电能，而经过转化后的电能便可直接使用，供给建筑的日常所需，或者直接并入电网为建筑日常运作提供能源。应用太阳能光伏发电技术需要使用太阳能电池板，而电池板的安装也并不局限于特定的位置，可以将电池板直接安装在屋面位置，也可以在建筑的立面安装电池板，使得电池板与建筑表面的玻璃结合形成光伏幕墙，这种方式不仅能够提高建筑空间的利用率，同时也不会影响建筑外观的美观。在夏季，电池板还可以起到一定的遮阳作用，一举两得。

通常情况下，光伏板与围护结构之间是设有空腔的，该空腔设计是为了避免高温天气建筑物外表温度过高而出现电池板过热的现象，影响正常的光伏发电效果。空腔的设计，使得其内部能进行自然的通风或者安装机械元件进行辅助通风，这对于降低建筑物的冷热负荷具有十分明显的效果。基于这一设计理念，专家提出新型的设想，设计出一种具有外立面开口的光伏幕墙。而后经过科学的对比实验，可以发现这种新型的光伏幕墙的光伏板温度以及外墙的温度和空气夹层进出口的温度，都远远低于传统的光伏幕墙，其降温效果更佳，这代表着该种新型的光伏幕墙更佳适合发电。通过专业软件EnergyPlus的测算，专家模拟出装有光伏幕墙建筑模型以及未安装光伏幕墙的建筑模型，对二者的能源消耗进行模拟计算得出的结论显示，装有光伏幕墙以及通风空腔的建筑物在夏季期间，空调能耗方面节约了1.37%，而装有光伏幕墙以及封闭空腔的建筑在冬季期间，采暖能耗方面节约了9.64%。这组数据充分说明了太阳能技术应用于公共建筑建设中的实质价值，公共建筑降低能源消耗率的目标也得以实现[3]。

4.2 太阳能热利用系统

太阳能技术在公共建筑设计建设领域还有另外一种用途，即为太阳能热利用系统。根据不同的使用目的，太阳能热利用系统可以分为太阳能热水采暖系统以及太阳能空调系统。就太阳能热水采暖系统而言，其主要组成部分有太阳能集热器、蓄热装置、辅助加热装置以及末端设备。太阳能集热器在正常的运作过程中，会通过吸收太阳能的热量对蓄热水箱内的水进行加热，而后将加热过的水输送到末端设备当中，以此来实现室内采暖的目的，或者为居民提供日常的生活热水。而当天气问题导致太阳能较为稀少的时候，太阳能热水采暖系统则会采用辅助加热的装置来对水箱内的水进行加热处理。但是目前一些市面上的太阳热水采暖系统存在一定的问题，导致其对太阳能利用率无法达到较高的水准，没有发挥出该系统实际的作用和价值。专家通过对相关科研经验的总结和分析，提出了一种全新的太阳能-空气源热泵系统，与传统的蓄热水箱相比，具有更高的蓄热能力，可以很好地改善不同天气以及昼夜温差而导致的热负荷与制热量供求关系太阳能空调系统的主要组成部分有太阳能集热系统、热力制冷系统、蓄能系统、空问题。

调末端系统以及辅助能源和控制系统，其主要是通过对太阳能集热器的利用，来实现热媒加热，并驱动热力制冷系统的空调系统。由于其良好的性能和特点，在我国的太阳能空调系统中得到了广泛的应用。对其展开能源消耗方面的测试，发现在传统的蓄冷水罐中加入相变蓄冷球体后，在相变蓄冷工况下能够使得太阳能空调系统的太阳能保证率得到显著的提升[4]。

5 主被动太阳能技术在超低能耗公共建筑中的具体应用

5.1 太阳能光热技术的应用

采用架空设计方式来建设公共建筑的屋面，并将光电转换电池板以及太阳能集热器铺设在架空板的表面上，这便可以实现利用电池板来避免夏季阳光直射到屋内的目的，从而降低了屋面的温度，使得室内的冷负荷有所减小。屋顶方面的设计要采用平檐口方式，将架空墩按照条形的样式进行砌筑，以此来形成通风道，使得内部的空气能够充分吸收太阳能的辐射，同时借助风压以及热压的作用，促进自然循环流动的形成，让屋面以及电池板的表面温度得到降低。在公共建筑的房檐处，要设置具有自动控制功效的阀片，以此来控制进出通风道的外界空气。在屋脊处要进行开孔，并设置无动力风帽，将其与室内相连通，提升室内的通风换气效果，并在其底部安装风阀门控制装置，避免雨水渗漏问题。

当室外的温度较高时，将屋檐四周的手动控制阀打开，使得外界的热空气流入通风层内，随后将风阀门的控制装置打开，借助无动力风帽的作用，室外的空气流动开始带动风机的涡轮旋转，使得通风道内的空气流速逐渐加快，对于屋面热量的蒸发具有良好的效果，同时也能够通过风帽将屋内的潮湿空气排出室外，使得室内空气形成循环对流，实现屋面以及室内温度降低的目的。与此同时，在屋内的上空可以形成微负压区，其有助于将外界经过土壤降温的新鲜空气通过地脉通道流入到室内当中，将室内的冷负荷降低，提升室内的空气品质[5]。

当室外温度较低时，要将房檐处以及屋顶的风帽阀门全部关闭，将架空层内部空气形成较为封闭空间，以此来为屋面形成天然的空气保温层，避免屋内的热量快速流失。

5.2 太阳能光电技术的应用

5.2.1 太阳能发电系统

在公共建筑的屋顶上，利用薄膜无定形硅光电板卷材进行铺设，这种材料的质地轻便柔软，可以直接粘贴在屋面的架空板上，并且不会占有其余的空间，也无需任何金属支架进行支撑，不但能够形成太阳能发电系统，也能依靠太阳能进行发电，而且并不会给建筑物增加任何荷载。同时，由于太阳能发电系统的光电转换效率较低，通过光电转换过后形成的电能只能够为小型风机以及泵之类的设备提供动力[6]。

5.2.2 太阳能新风系统

在冬季时，外界的气温过低，可以利用太阳能光电转换后储存的电能来为风机的运转提供动力，以此来通过引风器将外界新鲜的冷空气引入地下风道当中，以吸收土壤当中的热量来实现对管道内空气进行预热的目的，从而将新鲜而温暖的新风提供给建筑物的室内空间。在夏季期间，以同样的方式将风机进行驱动，将室外新鲜的热空气引入到地下风道中，并通过土壤中蓄存的冷量来降低管道内部热空气的温度，以此来为建筑室内提供更加新鲜和凉爽的新风，改善室内空气环境。这种系统能够借助土壤自身良好的蓄热蓄冷功能，降低建筑内部新风温度冷热负荷，避免在冬季以及夏季空调设备长时间运作，造成大量的能源消耗，也减少了相应电费的支出，而从土壤当中取出或者放入的热量，经过一段时间后便可以得到自然补偿[7]。

5.3 太阳能采暖技术的应用

在公共建筑的建设中应用太阳能技术打造太阳能采暖系统，主要涉及到相变储能水箱、热交换器、压缩机、循环泵以及流量调节阀等设备。在建筑屋面的架空板上安装太阳能集热器对可以对太阳能辐射进行吸收，管路循环将热量输送到相变储能水箱当中并进行储存。而相变储能水箱由相变储热材料通过特殊容器的封装后加入到水箱当中而形成的，借助于相变材料的作用，在相变过程中能够实现对热量的释放以及吸收，具有热量转换的功能。与传统的水箱相比，相变储能水箱的蓄热能力以及恒温能力都得到了全面的提升。通常情况下为了确保热能的自然循环，相变储能水箱需要安置在阳台处，与屋顶安装的太阳能集热器产生一定的高度差，促进热能的良好循环[8]。

在冬季期间，太阳能集热器通过吸收太阳能辐射热，将其以热能的形式存储在相变储能水箱当中，当水箱中的水温上升到一定的程度后，可以直接将相变储能水箱当中的热水作为公共建筑的直接用热水，或者利用其为公共建筑进行供暖。如果由于天气原因，储存的热能较少，导致供暖的温度无法达到相关的需求时，相变储能水箱以及用户热交换器之间可以启动热泵循环，利用屋面的太阳能发电系统作为压缩机，为整体运行提供电能，同时以相变储能水箱作为蒸发器，以热交换器作为冷凝器，使得热量由水箱向热交换器进行传递，而后通过热水的输送，将热能输送给客户端，为用户进行供暖。冬季的夜晚室外温度极低，太阳能的发电能量也不足以带动压缩机进行运作。在面对这种情形时，为了使得用户采暖以及生活热水供应的需求得到满足，夜间可以借助较为廉价的低谷电作为电能来源，维持热泵循环的运作，为用户进行供暖[9]。

在夏季期间，天气异常炎热，用户需要对室内进行供冷，此时可以在储能水箱以及热交换器之间形成制冷循环模式。实际的方法是通过太阳能电板来提供动力带动压缩机进行运作，促进循环的形成，用储能水箱代替冷凝器，将蒸发器用热交换器进行代替，以此将用户室内的热量经过热交换器转移到水箱当中，实现制冷的目的。与此同时，太阳能集热器也可以进行持续性的热量吸收，通过日间的蓄热来为夜间建筑对热水的需求提供保障。当夜间的室内制冷效果不足时，同冬季夜间取暖的做法相同，可以利用价格低廉的低谷电来作为循环泵以及压缩机的运行能源，维持整体系统的稳定运行，实现持续性的制冷效果，为公共建筑的用户打造良好、舒适的使用环境，提升对建筑建设的满意程度[10]。

6 结语

综上所述，公共建筑由于其具有人流密集、结构复杂的特点，同时又包含着多种多样的功能，因此不可避免的会产生比普通常规建筑更高的能源消耗问题。为了使得公共建筑能够持续性地为人民群众提供便捷舒适的工作生活环境，同时减轻其带来的能耗问题，应当对主被动太阳能技术的应用形式展开系统的分析和研究，结合建筑的实际需求以及技术应用特点，采取主被动相互结合的技术应用模型，不断发展新型的超低能耗公共建筑，为我国的环保事业作出贡献。