嚴(yán)寒地區(qū)太陽能建筑一體化設(shè)計(jì)方案優(yōu)選分析★

任 楠 楠

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林 長春 130000)

嚴(yán)寒地區(qū)太陽能建筑一體化設(shè)計(jì)方案優(yōu)選分析★

任 楠 楠

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林 長春 130000)

為了降低因采用傳統(tǒng)的燃煤而帶來的高能耗問題，比較分析了幾種不同的在屋頂利用太陽能建造光伏光熱與住宅建筑一體化的設(shè)計(jì)方案，并提出了比較適宜在東北嚴(yán)寒地區(qū)建造的太陽能一體化設(shè)計(jì)方案，減少了對自然環(huán)境與能源造成的負(fù)面影響。

嚴(yán)寒地區(qū)，光伏，光熱，建筑一體化

1 國家新能源政策的支持

國家大力倡導(dǎo)新能源的開發(fā)與利用，并且在政策上給予鼓勵和支持。2012年，國家電網(wǎng)發(fā)布了相關(guān)政策——《關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，意見指出電網(wǎng)用戶可以自行投資安裝光伏發(fā)電設(shè)備，自行發(fā)電，自用的同時，多發(fā)的電可以接入國家電網(wǎng)，上網(wǎng)售賣。2013年3月1日起《意見》正式實(shí)施。

2 嚴(yán)寒地區(qū)太陽能住宅建筑一體化建設(shè)現(xiàn)狀

2.1 地域特殊性的局限

依據(jù)我國GB 50176—93民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中的“中國建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)”，規(guī)定累年最冷月平均溫度≤-10 ℃，日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)≥145 d的地區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)[1]。我國東北嚴(yán)寒地區(qū)是我國太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5 000 MJ/m2～5 850 MJ/m2,日輻射量3.8 kWh/m2～4.5 kWh/m2。盡管嚴(yán)寒地區(qū)的太陽能資源較一類地區(qū)弱，但若是能夠處理好地域問題帶來的例如防寒保暖凍脹等問題，在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用太陽能一體化技術(shù)，降低建筑物能耗，提高生活質(zhì)量仍然是切實(shí)可行的。

2.2 建設(shè)現(xiàn)狀

很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)取得了顯著成果，例如：澳大利亞悉尼奧運(yùn)村、奧地利西部能量公園、加拿大多倫多高層屋頂、丹麥布倫特蘭中心、德國塞尼峰學(xué)院等等，都是世界上比較有名的一體化典范。但是這些項(xiàng)目多數(shù)位于亞熱帶、溫帶、海洋性氣候等全年太陽輻射總值較高，緯度較低的氣候地區(qū)，并且多數(shù)項(xiàng)目為大型的公共建筑。

我國的太陽能建筑一體化已有了一些嘗試，在上海、深圳、德州、北京、保定等地分別建成并網(wǎng)發(fā)電光伏屋頂。

目前，對嚴(yán)寒地區(qū)(如中國東北)的住宅建筑設(shè)計(jì)研究主要集中在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能方面，光伏、光熱與住宅建筑一體化設(shè)計(jì)還處于一種無序狀態(tài)，尚未形成一套完善、科學(xué)的思想體系和設(shè)計(jì)手法。在嚴(yán)寒地區(qū)的設(shè)計(jì)和使用尚屬空白。

3 設(shè)計(jì)要素

東北嚴(yán)寒地區(qū)由于地理位置所限，太陽能輻射總量以及直接輻射量小于全國其他低緯度地區(qū)，考慮到對太陽能的最佳利用率、太陽能系統(tǒng)安裝在立面對建筑采光及透光率的影響，將太陽能系統(tǒng)置于屋頂，是比較理想的狀態(tài)。

3.1 與建筑的無縫應(yīng)用

目前，高平整度一體化太陽能發(fā)電整體屋頂已經(jīng)問世，特殊制作的型材價格高，安裝費(fèi)高，只有少量的示范工程使用，推廣困難。并且示范也僅僅是在對采暖要求不高的地區(qū)，像嚴(yán)寒地區(qū)這種冬季時間長，采暖要求高的地區(qū)，完全脫離“兩張皮”的形式，完全依靠光伏組件來達(dá)到保溫要求，以目前的技術(shù)還不現(xiàn)實(shí)。

因此我們需要積極思考解決的問題就是確保光伏系統(tǒng)與屋頂結(jié)構(gòu)的無縫連接，在不破壞建筑屋頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，不對建筑形式形成“干擾”。

3.2 兼具保溫功能

光伏板的存在減弱了“對流換熱”——建筑墻體與外界環(huán)境之間。在太陽輻射強(qiáng)度較大的時候,光伏板的隔熱作用十分明顯。而在較低太陽輻射強(qiáng)度的情況下,光伏板會阻礙建筑墻體散熱,減緩溫度下降。這與人們對建筑室內(nèi)環(huán)境的需求基本一致,高輻照高氣溫時需要隔熱,低輻照低氣溫時需要保溫。

3.3 組件本身易清潔

組件的不及時清潔會降低組件的發(fā)電效率和使用壽命。人工清洗安裝在屋頂?shù)慕M件又有安全隱患，這是在屋頂安裝太陽能組件的尷尬之處。因此在建筑上安裝光伏系統(tǒng)要求光伏組件本身選用自清潔型的材料，減少日后維護(hù)成本，延長組件的使用壽命及發(fā)電效率。

3.4 符合美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

在建筑中，太陽能組件極具表現(xiàn)力，是高科技的體現(xiàn)。組件的應(yīng)用，體現(xiàn)出強(qiáng)烈的當(dāng)代感，同時中和現(xiàn)代過于激進(jìn)的建筑形式。其所具有的潛在建筑表現(xiàn)力還沒有完全展現(xiàn)出來，所以需要更多的建筑佳作來實(shí)現(xiàn)并展現(xiàn)其建筑潛力和多用途的特性。

4 方案設(shè)計(jì)比選

雖然光伏光熱一體化的研究已經(jīng)進(jìn)行了很長時間，美國已經(jīng)有將光伏光熱兩個系統(tǒng)整合為一個單件元體的專利技術(shù)——PPI光伏光熱一體化系統(tǒng)，但是目前屬于世界領(lǐng)先科技，組件不足以達(dá)到嚴(yán)寒地區(qū)保溫要求，大規(guī)模的用于嚴(yán)寒地區(qū)以及將來的推廣應(yīng)用都有難度。

但是當(dāng)分布式光伏的發(fā)展和分布式光熱都在搶占城市僅有的屋頂空間的時候，我們該何去何從。

針對上述問題，設(shè)計(jì)兩個方案，分析比對，選出最適宜在嚴(yán)寒地區(qū)實(shí)施的太陽能與建筑一體化方案。

4.1 方案一——屋頂東側(cè)光伏系統(tǒng)西側(cè)光熱系統(tǒng)的結(jié)合方式

1)設(shè)計(jì)中的具體做法。

在建筑的屋頂設(shè)計(jì)光伏和光熱系統(tǒng)涉及到兩個系統(tǒng)的安裝結(jié)合方式、系統(tǒng)形式、管道井位置以及水箱的位置等內(nèi)容。

具體如下：

a.兩個系統(tǒng)的安裝結(jié)合方式。

方案一采用屋頂東側(cè)光伏系統(tǒng)西側(cè)光熱系統(tǒng)的結(jié)合方式。研究證明，光伏最佳的安裝位置為正南偏東，光熱為正南偏西10°以內(nèi)。因此方案一考慮將光伏系統(tǒng)安裝在屋頂?shù)臇|側(cè)，光熱系統(tǒng)安裝在屋頂?shù)奈鱾?cè)，有利于光伏及光熱兩個系統(tǒng)的工作效率。

b.系統(tǒng)形式。

光伏系統(tǒng)：采用多晶硅太陽能電池板。形成光伏組陣，安裝在屋頂上，較其他太陽能電池板材料制造簡便，制作成本低，易推廣，性價比高。

光熱系統(tǒng)：采用適于東北氣候特點(diǎn)使用的集中式真空管太陽能集熱器。與其他類型的太陽能熱水器相比，安裝簡便、保溫好、耐冰凍、耐熱沖擊性好、啟動快、承壓高、不結(jié)垢，同時運(yùn)行可靠。

c.管道井位置。

比較理想的做法是利用樓梯間的各戶管道井，避免單獨(dú)設(shè)計(jì)影響建筑布局。

d.水箱設(shè)置的位置。

水箱的容積小，可單獨(dú)設(shè)置，放在出屋面的樓梯間上面比較合理。優(yōu)點(diǎn)是走線短，熱損少，充分利用公共管道井。

2)優(yōu)點(diǎn)。

a.能夠最大程度的依據(jù)光伏和光熱系統(tǒng)自身的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮各自系統(tǒng)的物理功效，避免因?yàn)榉轿坏葐栴}造成發(fā)電和發(fā)熱效率降低。

b.采用目前主流的多晶硅太陽能電池板和采用真空管太陽能集熱器結(jié)合的方式，性價比高，實(shí)用性強(qiáng)。

3)缺點(diǎn)。

a.由于屋頂面積有限，兩個系統(tǒng)相互爭搶面積，很難權(quán)衡。

b.采用集中供熱系統(tǒng)，后續(xù)使用過程中，一旦出現(xiàn)維修費(fèi)用，分?jǐn)傎M(fèi)用問題比較棘手。

4.2 方案二——坡屋頂部分光伏系統(tǒng)與平屋頂光熱系統(tǒng)的結(jié)合方式

1)設(shè)計(jì)中的具體做法。

a.兩個系統(tǒng)的安裝結(jié)合方式。

方案二采用坡屋頂部分光伏系統(tǒng)與平屋頂光熱系統(tǒng)的結(jié)合方式(見圖1)。

以東北長春為例，坡屋頂?shù)慕嵌冗x擇38°，在坡屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，滿足住宅的日常用電需求；在圖1中平屋頂部分設(shè)置光熱系統(tǒng)，提供生活熱水。

b.系統(tǒng)形式。

光伏系統(tǒng)：同方案一。光熱系統(tǒng)：采用適于東北氣候特點(diǎn)的分體式真空管太陽能集熱器。

c.管道井位置。同方案一。

d.水箱設(shè)置的位置。分體式熱水器自帶水箱。

2)優(yōu)點(diǎn)。

a.從建筑審美角度，方案二的材質(zhì)結(jié)合方式較方案一更為協(xié)調(diào)，視覺效果更好。

b.坡屋頂和平屋頂部分安裝不同的兩個系統(tǒng)，系統(tǒng)之間相互不影響。

c.采用分戶供熱系統(tǒng)，后期的維護(hù)問題可以自行解決，有利于后期推廣運(yùn)行。

5 結(jié)語

通過對上述的設(shè)計(jì)方案分析得知，設(shè)計(jì)前期考慮氣候條件、工程特點(diǎn)及現(xiàn)場條件等因素，能很好地實(shí)現(xiàn)光伏、光熱與建筑一體化形式?？紤]到嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件及實(shí)際使用需求和限制，方案二更適合。利用坡屋頂設(shè)置光伏系統(tǒng)、平屋頂設(shè)置光熱系統(tǒng)可以說是嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽能與建筑一體化結(jié)合的最佳方式。

隨著節(jié)能方式的進(jìn)步，太陽能與建筑一體化研究的深入，真正意義上的綠色建筑最終會實(shí)現(xiàn)。

[1] GB 50176—93,民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)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號；吉教科合字[2014]第594號

任楠楠(1982- )，女，講師

TU201.5

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