主被動太陽能技術在超低能耗公共建筑的應用

孫曉康

(中國化學工程重型機械化有限公司，北京 102600)

0 引言

近年來，我國的城鎮(zhèn)化建設得到了大力發(fā)展，公共建筑的面積也隨之不斷擴張，其在全國建筑存量面積中的占比也在逐年增高。隨著公共建筑面積的不斷增加，其帶來的能源消耗問題也在不斷加劇，并且已經成為了我國整體建筑能源消耗的主要消耗點。大力推廣超低能耗公共建筑，來發(fā)揮模范帶頭作用，將為我國建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展提供發(fā)展動力，并不斷為相關產業(yè)的革新創(chuàng)造推力，共同實現(xiàn)我國戰(zhàn)略發(fā)展中的“碳中和，碳達峰”目標。

1 超低能耗公共建筑概述

對于超低能耗建筑的概念定義，我國在《近零能耗建筑技術標準》中提到：超低能耗公共建筑的能效指標要以建筑綜合節(jié)能率以及建筑本體性能指標來進行界定，與現(xiàn)行的國家標準以及行業(yè)標準相比，能源消耗要求降低50%以上的公共建筑才可以被稱為超低能耗公共建筑。而在一些溫度較低的嚴寒和寒冷地區(qū)，公共建筑的本體節(jié)能率不應小于25%，氣密性方面應當滿足N50≤1.0，而其他地區(qū)的建筑本體節(jié)能率應當以不低于20%為基準。

2 主被動太陽能技術概述

2.1 主動式太陽能技術

主動式太陽能技術應用于超低能耗公共建筑中，主要以主動式太陽能收集器作為運行裝置，其作為公共建筑建設過程中的附屬建筑系統(tǒng)，由附著在建筑結構上的不同裝置共同組成，并不是傳統(tǒng)意義上依靠太陽能進行熱量集中、儲存并且釋放的建筑結構收集器。主動式太陽能建筑系統(tǒng)對于普通的居民家庭來說，是一種偏向于“額外”的消費項目，具有與平時所購買的太陽能相關產品有不同的特點。與其他太陽能裝置進行自動收集熱量并進行儲存釋放特點不同的是，主動式太陽能建筑系統(tǒng)的運行必須要在有泵以及送風機共同運行的情況下才可以實現(xiàn)正常的工作運轉[1]。

2.2 被動式太陽能技術

被動式太陽能技術應用于公共建筑的設計建設中，主要是將建筑本身作為集熱裝置，通過合理的工程項目前期設計，確定較為科學合理的建筑方位布置，并以自然中熱交換的方式，實現(xiàn)太陽能熱能的傳導以及對流，同時吸收太陽能的輻射，使得建筑本身在受到太陽能的影響的情況下依舊能實現(xiàn)采暖以及降溫的目的。被動式太陽能技術的利用過程中，既不會因為涉及到其他設備的使用而造成額外的能源消耗，也不需要人工動力系統(tǒng)進行參與，在滿足環(huán)保發(fā)展需求的同時，也實現(xiàn)了該項技術的應用價值。

3 我國太陽能資源分布

太陽能資源是我國一項十分豐富的資源類型，我國的太陽能資源儲備也位居世界前列。全國范圍內，有超過三分之二的地區(qū)太陽能年輻射量超過5 000 MJ/m2，并且年日照時數(shù)也達到了2 000 h以上。我國的太陽能輻射資源按強度分類有以下四種：最豐富帶、很豐富帶、較豐富帶以及一般帶。其中，我國的大部分地區(qū)都屬于太陽能輻射資源很豐富帶，約占整體國土面積的44%，而較豐富帶以及最豐富帶次居于前者，分別占據(jù)國土面積約29.8%和22.8%，只有少量的地區(qū)處于太陽能輻射資源的一般帶，約占全國總面積的3.3%。經過專業(yè)的分析和調查，在我國的區(qū)域范圍內，絕大部分的地區(qū)都擁有著十分豐富的太陽能輻射資源，只有四川以及貴州等局部地區(qū)的太陽能輻射資源相對較少，因此將太陽能技術應用與公共建筑的規(guī)劃建設中，以此來實現(xiàn)公共建筑節(jié)能發(fā)展的構想是切實可行的[2]。

4 主被動太陽能技術的主要類型

4.1 太陽能光伏發(fā)電

在超低能耗公共建筑的建設中應用主動式太陽能技術，以此來實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電技術的作用，其基本的工作運行原理是利用光生伏特效應，將接收到的太陽能轉化為電能，而經過轉化后的電能便可直接使用，供給建筑的日常所需，或者直接并入電網(wǎng)為建筑日常運作提供能源。應用太陽能光伏發(fā)電技術需要使用太陽能電池板，而電池板的安裝也并不局限于特定的位置，可以將電池板直接安裝在屋面位置，也可以在建筑的立面安裝電池板，使得電池板與建筑表面的玻璃結合形成光伏幕墻，這種方式不僅能夠提高建筑空間的利用率，同時也不會影響建筑外觀的美觀。在夏季，電池板還可以起到一定的遮陽作用，一舉兩得。

通常情況下，光伏板與圍護結構之間是設有空腔的，該空腔設計是為了避免高溫天氣建筑物外表溫度過高而出現(xiàn)電池板過熱的現(xiàn)象，影響正常的光伏發(fā)電效果。空腔的設計，使得其內部能進行自然的通風或者安裝機械元件進行輔助通風，這對于降低建筑物的冷熱負荷具有十分明顯的效果?；谶@一設計理念，專家提出新型的設想，設計出一種具有外立面開口的光伏幕墻。而后經過科學的對比實驗，可以發(fā)現(xiàn)這種新型的光伏幕墻的光伏板溫度以及外墻的溫度和空氣夾層進出口的溫度，都遠遠低于傳統(tǒng)的光伏幕墻，其降溫效果更佳，這代表著該種新型的光伏幕墻更佳適合發(fā)電。通過專業(yè)軟件EnergyPlus的測算，專家模擬出裝有光伏幕墻建筑模型以及未安裝光伏幕墻的建筑模型，對二者的能源消耗進行模擬計算得出的結論顯示，裝有光伏幕墻以及通風空腔的建筑物在夏季期間，空調能耗方面節(jié)約了1.37%，而裝有光伏幕墻以及封閉空腔的建筑在冬季期間，采暖能耗方面節(jié)約了9.64%。這組數(shù)據(jù)充分說明了太陽能技術應用于公共建筑建設中的實質價值，公共建筑降低能源消耗率的目標也得以實現(xiàn)[3]。

4.2 太陽能熱利用系統(tǒng)

太陽能技術在公共建筑設計建設領域還有另外一種用途，即為太陽能熱利用系統(tǒng)。根據(jù)不同的使用目的，太陽能熱利用系統(tǒng)可以分為太陽能熱水采暖系統(tǒng)以及太陽能空調系統(tǒng)。就太陽能熱水采暖系統(tǒng)而言，其主要組成部分有太陽能集熱器、蓄熱裝置、輔助加熱裝置以及末端設備。太陽能集熱器在正常的運作過程中，會通過吸收太陽能的熱量對蓄熱水箱內的水進行加熱，而后將加熱過的水輸送到末端設備當中，以此來實現(xiàn)室內采暖的目的，或者為居民提供日常的生活熱水。而當天氣問題導致太陽能較為稀少的時候，太陽能熱水采暖系統(tǒng)則會采用輔助加熱的裝置來對水箱內的水進行加熱處理。但是目前一些市面上的太陽熱水采暖系統(tǒng)存在一定的問題，導致其對太陽能利用率無法達到較高的水準，沒有發(fā)揮出該系統(tǒng)實際的作用和價值。專家通過對相關科研經驗的總結和分析，提出了一種全新的太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的蓄熱水箱相比，具有更高的蓄熱能力，可以很好地改善不同天氣以及晝夜溫差而導致的熱負荷與制熱量供求關系太陽能空調系統(tǒng)的主要組成部分有太陽能集熱系統(tǒng)、熱力制冷系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、空問題。

調末端系統(tǒng)以及輔助能源和控制系統(tǒng)，其主要是通過對太陽能集熱器的利用，來實現(xiàn)熱媒加熱，并驅動熱力制冷系統(tǒng)的空調系統(tǒng)。由于其良好的性能和特點，在我國的太陽能空調系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。對其展開能源消耗方面的測試，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的蓄冷水罐中加入相變蓄冷球體后，在相變蓄冷工況下能夠使得太陽能空調系統(tǒng)的太陽能保證率得到顯著的提升[4]。

5 主被動太陽能技術在超低能耗公共建筑中的具體應用

5.1 太陽能光熱技術的應用

采用架空設計方式來建設公共建筑的屋面，并將光電轉換電池板以及太陽能集熱器鋪設在架空板的表面上，這便可以實現(xiàn)利用電池板來避免夏季陽光直射到屋內的目的，從而降低了屋面的溫度，使得室內的冷負荷有所減小。屋頂方面的設計要采用平檐口方式，將架空墩按照條形的樣式進行砌筑，以此來形成通風道，使得內部的空氣能夠充分吸收太陽能的輻射，同時借助風壓以及熱壓的作用，促進自然循環(huán)流動的形成，讓屋面以及電池板的表面溫度得到降低。在公共建筑的房檐處，要設置具有自動控制功效的閥片，以此來控制進出通風道的外界空氣。在屋脊處要進行開孔，并設置無動力風帽，將其與室內相連通，提升室內的通風換氣效果，并在其底部安裝風閥門控制裝置，避免雨水滲漏問題。

當室外的溫度較高時，將屋檐四周的手動控制閥打開，使得外界的熱空氣流入通風層內，隨后將風閥門的控制裝置打開，借助無動力風帽的作用，室外的空氣流動開始帶動風機的渦輪旋轉，使得通風道內的空氣流速逐漸加快，對于屋面熱量的蒸發(fā)具有良好的效果，同時也能夠通過風帽將屋內的潮濕空氣排出室外，使得室內空氣形成循環(huán)對流，實現(xiàn)屋面以及室內溫度降低的目的。與此同時，在屋內的上空可以形成微負壓區(qū)，其有助于將外界經過土壤降溫的新鮮空氣通過地脈通道流入到室內當中，將室內的冷負荷降低，提升室內的空氣品質[5]。

當室外溫度較低時，要將房檐處以及屋頂?shù)娘L帽閥門全部關閉，將架空層內部空氣形成較為封閉空間，以此來為屋面形成天然的空氣保溫層，避免屋內的熱量快速流失。

5.2 太陽能光電技術的應用

5.2.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

在公共建筑的屋頂上，利用薄膜無定形硅光電板卷材進行鋪設，這種材料的質地輕便柔軟，可以直接粘貼在屋面的架空板上，并且不會占有其余的空間，也無需任何金屬支架進行支撐，不但能夠形成太陽能發(fā)電系統(tǒng)，也能依靠太陽能進行發(fā)電，而且并不會給建筑物增加任何荷載。同時，由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光電轉換效率較低，通過光電轉換過后形成的電能只能夠為小型風機以及泵之類的設備提供動力[6]。

5.2.2 太陽能新風系統(tǒng)

在冬季時，外界的氣溫過低，可以利用太陽能光電轉換后儲存的電能來為風機的運轉提供動力，以此來通過引風器將外界新鮮的冷空氣引入地下風道當中，以吸收土壤當中的熱量來實現(xiàn)對管道內空氣進行預熱的目的，從而將新鮮而溫暖的新風提供給建筑物的室內空間。在夏季期間，以同樣的方式將風機進行驅動，將室外新鮮的熱空氣引入到地下風道中，并通過土壤中蓄存的冷量來降低管道內部熱空氣的溫度，以此來為建筑室內提供更加新鮮和涼爽的新風，改善室內空氣環(huán)境。這種系統(tǒng)能夠借助土壤自身良好的蓄熱蓄冷功能，降低建筑內部新風溫度冷熱負荷，避免在冬季以及夏季空調設備長時間運作，造成大量的能源消耗，也減少了相應電費的支出，而從土壤當中取出或者放入的熱量，經過一段時間后便可以得到自然補償[7]。

5.3 太陽能采暖技術的應用

在公共建筑的建設中應用太陽能技術打造太陽能采暖系統(tǒng)，主要涉及到相變儲能水箱、熱交換器、壓縮機、循環(huán)泵以及流量調節(jié)閥等設備。在建筑屋面的架空板上安裝太陽能集熱器對可以對太陽能輻射進行吸收，管路循環(huán)將熱量輸送到相變儲能水箱當中并進行儲存。而相變儲能水箱由相變儲熱材料通過特殊容器的封裝后加入到水箱當中而形成的，借助于相變材料的作用，在相變過程中能夠實現(xiàn)對熱量的釋放以及吸收，具有熱量轉換的功能。與傳統(tǒng)的水箱相比，相變儲能水箱的蓄熱能力以及恒溫能力都得到了全面的提升。通常情況下為了確保熱能的自然循環(huán)，相變儲能水箱需要安置在陽臺處，與屋頂安裝的太陽能集熱器產生一定的高度差，促進熱能的良好循環(huán)[8]。

在冬季期間，太陽能集熱器通過吸收太陽能輻射熱，將其以熱能的形式存儲在相變儲能水箱當中，當水箱中的水溫上升到一定的程度后，可以直接將相變儲能水箱當中的熱水作為公共建筑的直接用熱水，或者利用其為公共建筑進行供暖。如果由于天氣原因，儲存的熱能較少，導致供暖的溫度無法達到相關的需求時，相變儲能水箱以及用戶熱交換器之間可以啟動熱泵循環(huán)，利用屋面的太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為壓縮機，為整體運行提供電能，同時以相變儲能水箱作為蒸發(fā)器，以熱交換器作為冷凝器，使得熱量由水箱向熱交換器進行傳遞，而后通過熱水的輸送，將熱能輸送給客戶端，為用戶進行供暖。冬季的夜晚室外溫度極低，太陽能的發(fā)電能量也不足以帶動壓縮機進行運作。在面對這種情形時，為了使得用戶采暖以及生活熱水供應的需求得到滿足，夜間可以借助較為廉價的低谷電作為電能來源，維持熱泵循環(huán)的運作，為用戶進行供暖[9]。

在夏季期間，天氣異常炎熱，用戶需要對室內進行供冷，此時可以在儲能水箱以及熱交換器之間形成制冷循環(huán)模式。實際的方法是通過太陽能電板來提供動力帶動壓縮機進行運作，促進循環(huán)的形成，用儲能水箱代替冷凝器，將蒸發(fā)器用熱交換器進行代替，以此將用戶室內的熱量經過熱交換器轉移到水箱當中，實現(xiàn)制冷的目的。與此同時，太陽能集熱器也可以進行持續(xù)性的熱量吸收，通過日間的蓄熱來為夜間建筑對熱水的需求提供保障。當夜間的室內制冷效果不足時，同冬季夜間取暖的做法相同，可以利用價格低廉的低谷電來作為循環(huán)泵以及壓縮機的運行能源，維持整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)持續(xù)性的制冷效果，為公共建筑的用戶打造良好、舒適的使用環(huán)境，提升對建筑建設的滿意程度[10]。

6 結語

綜上所述，公共建筑由于其具有人流密集、結構復雜的特點，同時又包含著多種多樣的功能，因此不可避免的會產生比普通常規(guī)建筑更高的能源消耗問題。為了使得公共建筑能夠持續(xù)性地為人民群眾提供便捷舒適的工作生活環(huán)境，同時減輕其帶來的能耗問題，應當對主被動太陽能技術的應用形式展開系統(tǒng)的分析和研究，結合建筑的實際需求以及技術應用特點，采取主被動相互結合的技術應用模型，不斷發(fā)展新型的超低能耗公共建筑，為我國的環(huán)保事業(yè)作出貢獻。