太阳能技术在建筑节能中的应用形式及工程实例分析

1、2 0 0年第9期总第3 5卷 第19期)No. 9 n2 0 0 TTotNaol. 1 V® 1.35)建筑节能新能源与环境NEWENERGENVIRONMENT5 01 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.'?www.CDki.11 el5 #1 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.

2、'?www.CDki.11 el太阳能技术在建筑节能中的应用形式及工程实例分析季炜1 王晓燕2 刘景伟3,董世奎4(兰州理工大学流体动力与控制学院，兰州 7 3 0 0; 5郑州职业技术学院，郑州 4 5 0 Q003河南省扶沟县城关镇一中，河南 周口市 4 6 13; 4哈尔滨工业大学航空航天热物理研究所，哈尔滨 1 5 0 0 0 1 )摘要:通过太阳能技术在建筑节能中应用形式的探讨和典型工程实例分析，指出太阳能技术应用于建筑的环保性、经济性以及在缓解能源紧张、节能减排、促进社会经济可持续发展中所起到的重要作用，提出应积极推广太阳能技术在建筑上的应用。关键词：太阳能技术；建筑节能；

3、节能减排；可持续发展中图分类号：TU11 15. 4文献标志码: A 文章编号：1673 7237 (2007) 09 0050 05AnalyosEn gineePrriancgtaincdtehAppl iFeodrsno ISol EnerTychno li aBguy ildEi megr havingJ We iWANGXiaoyLalnUing動ONGShi4kui(1.Co oiFel gaS dw endontRngineLaniz gUcnuive o Tie tchno L<agy?h7oi00 £h，na;2.Zhen VoCcaut Aocnaad le

4、J&lye ngz4h5o0u0 Ch，na;3.TN ©. Jlun SohoooC hengglUoawnF ugCuuntFruyg, oFuug(4U13 Ch，na;4.InscAeuCelalatnAcalronarTlhtei rcmaolphiy asri bd innst o Te tchno log 巾，5n0 0 0 hi na)Abstr aAcfttdk scu t h a ppi lyfonr o Ssoleanrertgeychnoalnodgnyaly z heegpreseeirtaitn epera n tgihc<h，r acter

5、d)femiecrgyasiadniviigroni|prntacfsio olnnrertgeychnowlhoi gdylappliiibidil <ehn gsgayv Wegrperesented andheignieftfa mtitig a ne ntgeyns s av，ngragnyd educlionagn promothnigsta dneavbelleo ponftehsocial econowmypoinctwThepplicoafetoi lctanrchnoi lao rgcy hite h ct ib lpferomoactfively.Kewords:ol

6、eanrertgeychnobl o ig lyd nngsgayvi snagv iem g anyd educl iongu; sta idneavbelleopment5 #1 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.'?www.CDki.11 el5 #1 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.&

7、#39;?www.CDki.11 el0引言能源是社会发展的原动力，现代建筑对煤炭、石油、天然气等传统能源的过分依赖，高能耗、低效率建 筑的存在不仅增加了能源的消耗， 而且污染环境。资 料显示，建筑能耗占社会总能耗的3 0左右，而暖通空调能耗约占建筑能耗的 8 5呢随着我国城市化的 飞速发展和人们生活水平的不断提高，建筑能耗所占社会商品能源总消耗量的比例也持续增加，目前的比例已从 19 7年的10上升到了近年来的2 6 .左%右，而且此数值仅为建筑运行过程所消耗的能源，不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗出因此，提倡建筑节能不仅能缓解能源紧张、社会经济发展与 能源供应不足的问题， 而且能降

8、低污染物排放， 有效 保护环境。最丰富的能源。我国有着丰富的太阳能资源，每年获得的太阳能约为 3.X610 2J2相当于1 .万t标准煤 的热值 匕约占全国国土面积2/的地区年平均辐射总量在3 3 408 4 0MDJ/，年日照时数超过 2 2 0h0 相当于11弋2 8 0 g/标准煤的热值 匕因此，研发太 阳能在建筑中综合利用的技术，探究太阳能技术与建筑的有机结合将具有积极而深远的意义。1建筑节能概述所谓建筑节能，最初是指减少建筑物中能量的流 失，现在则普遍称为“提高建筑物中的能源利用率”，即在保证提高建筑物舒适度的前提下，合理使用能 源，不断提高能源利用效率。它所界定的范围是指建 筑使用

9、能耗，包括空调、采暖、照明、家用电器、炊事等 方面的能耗。建筑物是由各相关部分有机组合而成的5 #1 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.'?www.CDki.11 el太阳能是一种无污染的能源， 也是人类可利用的系统，因而建筑节能是一项复杂的系统工程。我国建5 #1 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htl

10、p：.'?www.CDki.11 el收稿日期：2 0 0 7 0一2回：2 0 0 7 0二次修回：2007 09 0筑节能的重点是：建筑本体的节能、暖通空调系统的基金项目：兰州理工大学学生科技创新基金项目(CX 0 8 0 7和甘肃省)优化节能以及提高照明和其他用电设备的效率。从规5 #1 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.'?www.CDki.11 el5 #1 ¥942仆 China Academic Journa

11、l Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.'?www.CDki.11 el科技攻关计划项目 (2GS047A52001)划、设计、建造、调试、运行、维护、管理等各个不同阶5 11 ¥942仆 China Academic Journal Kluctranic Fublkhin耳 1 Inuse. All rights reserved, htlp：.'?www.CDki.11 el段着手，降低建筑的能源需求，优化供能系统设计，开 发新型能源系统方式，提高系统的运行效率和管理水 平。因此，建筑节

12、能的关键技术应包括： 维护结构的热 传递机理、节能指标体系优化方法以及建筑低能耗维 护结构组合优化设计方法、冷热源优化运行方式，包括制冷采暖系统运行工况优化调控，冷热负荷的预测技术，开发调节控制软件等； 建筑室内温度控制和冷 热量计量控制成套技术，新能源供热制冷成套技术的 研究开发，包括地热能、太阳能、地下和地面水体储能 等的开发利用，低能耗建筑的综合设计体系研究，建筑设计、环境控制和节能设计的优化匹配，节能建筑和节能设备优选和集成，以及相应优化节能设计软件 的开发等。目前，我国建筑节能领域的研究热点包括： 建筑本体 如围护结构）、能源系统 如暖通空调系统、 办公照明设备等）的节能设计，可再生

13、能源利用、节能 诊断控制和能源管理、节能模拟分析、集成化设计、既有建筑节能改造等。所以， 太阳能技术与建筑物有机 结合，用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能的研究已经成为建筑学和能源科学领域 发展的一个重要方向。2太阳能技术在建筑节能中的应用图1所示，太阳能在建筑节能中应用的主要方向 是光伏发电技术和光热转换技术。太阳能光伏发电技术是指利用光电转换原理使太阳辐射光通过半导体 物质转变为电能，从而实现了能源的灵活运用。从长 远来看，太阳能光伏发电技术为城市类型的居住建筑 提供了开阔的前景，但是初投资高、转化效率低；太阳 能光热转换技术是指通过转换装置把太阳辐射能转 换成热能利用的

14、技术，建筑中常用的太阳能光热转换 技术包括太阳能热水技术、被动式太阳能采暖技术、 太阳能热压通风技术等，以上各种适用于建筑节能的 太阳能技术见表1。5 #& 1994-2010 China Academic Journal kkctronic 卩ublishmif (ouseA】l rightJi reserved.5 #& 1994-2010 China Academic Journal kkctronic 卩ublishmif (ouseA】l rightJi reserved.一口；轴则5 #& 1994-2010 China Academic Journal k

15、kctronic 卩ublishmif (ouseA】l rightJi reserved.表1适用于建筑节能的太阳能技术太阳能技术太阳能发电太阳能热水利用方式间接间接承载收集器的建筑界面屋面、阳台板、遮阳板等屋面、阳台板、遮阳板等优点实现了能源的灵活运用，可二次分配技术成熟，可大面积推广利用缺点初次成本高、效率低集热器与建筑结合欠佳阳光间直接阳台、玻璃中庭等易与建筑形态结合对夏季降温要求高直接受益式直接窗玻璃）简单、费用低、形式灵活温度波动大特朗伯墙（Trombe直接墙体温度波动小，效益高建筑立面处理有一定难度金属罩面集热墙太阳墙）直接墙体热效率高，可提供新鲜空气初投资大，与建筑结合有一定难

16、度太阳能通风直接楼梯间或中厅等竖向式贯通空间结合建筑构造，可调控受日照、风环境影响大，通风强度较小5 #& 1994-2010 China Academic Journal kkctronic 卩ublishmif (ouseA】l rightJi reserved.5 #& 1994-2010 China Academic Journal kkctronic 卩ublishmif (ouseA】l rightJi reserved.太阳能与建筑结合的优点和优势包括匚： 太阳能技术与建筑的结合能有效地减少建筑 能耗； 太阳能与建筑结合，电池板和集热器安装在屋 顶或屋面上，不需要

17、额外占地，节省了土地资源； 太阳能与建筑结合，就地安装、就地发电上网 和供应热水，不需要另外架设输电线路和热水管道， 降低对市政配套的依赖，同时也减少了对市政建设的 压力； 太阳能产品没有噪音，没有排放，不消耗任何 燃料，公众易于接受。2.1太阳能光伏发电技术在建筑节能中的应用目前，太阳能光伏发电技术与建筑物相结合研究 最多的是建筑光伏一体化系统（El P该系统能将太阳能发电机组完美的集成于建筑物的墙面或屋顶上， 其工作原理与普通的光伏发电系统完全相同，唯一区别是太阳能组件既被用作系统发电机，又被用作建筑物外墙材料。用于 EIP系统的光伏构件既可以是透 明的也可以是半透明的， 这样光线依然能透

18、过光伏构 件进入室内，不影响室内采光。采用 EIP系统，可就 地发电、就地使用，且具有诸多优点：利用太阳作为能 源发电可达到节能与环保的要求；节省了电网投资和减少了输送损失；彩色光伏模块可取代昂贵的外饰材 料，不仅具有装饰效果而且降低太阳能发电系统成 本；缓解电力需求；作为建筑物外围护具备隔音隔热 的作用；改善室内热环境。国外对建筑光伏一体化系 统的研究已有较长时间，但目前还处于建造实验房的 阶段，美国、欧洲、日本均推出了 EIP系统的国家发 展规划；国内上海交通大学太阳能研究所进行了该方 面的研究，试制了太阳能光伏屋顶一体化系统，建造了一个生态能源房。建筑光伏一体化系统成本较高， 短时期内在

19、建筑中难以应用， 其高额成本主要源自光 电转换系统价格较高，并不存在太多设计上的难度。 从我国目前状况来看，对这种太阳能利用的方式的研 究也应保持在小规模，仅以跟踪国际研究为主。2.2太阳能光热技术在建筑节能中的应用太阳能光热技术在建筑节能中应用最为广泛的 是太阳能热水及被动太阳能采暖技术。我国太阳能热水系统的发展始于上世纪 8年代，只是将太阳能简 单地直接转换为生活用水的加温，停留在低水平应用 层，而在欧洲太阳热水系统主要是作为辅助热源与常 规能源系统联合运行，在供应生活和洗浴热水的同 时，还为建筑供暖，图2是典型的太阳能低温地板辐 射换热系统原理图匚。为了同时满足用户的需求和城 市景观的要

20、求，太阳能热水系统开始向实用、美观和与建筑有机结合的方向发展， 与建筑的一体化结合已 成为太阳能热水系统发展的目标和方向；我国2（世纪7年代就开始研究开发和示范被动太阳能采暖建 筑，至今已推广约 10 0万m2建筑面积），图3是广泛 用于被动太阳能采暖建筑的特朗伯墙结构图。目前被动太阳能房开始由群体建筑向住宅小区发展，如甘肃图2太阳能低温地板辐射换热系统原理图屯削国省临夏市建成占地 9. 万 m2、建筑面积 9 .万m2的 太阳能小区；兰州“阳光计划”投资4. 2乙元在郊区 兴建7 3万3m2太阳能住宅小区等。我国被动太阳房 采暖节能6 0 % 7 0 %平均每平方米建筑面积每年可 节约2 %

21、 4 0k标准煤，发挥着良好的经济和社会效 益，但在技术水平上同国外还有相当大的差距。= 一一图3特.朗伯集热.墙结构2.3太阳能光热、光电技术在建筑节能中的综合 应用目前太阳能发电系统对太阳能的光电转化率低 下，光和热被大量的流失掉， 而热t电t热的能量二 次转化增加了能量在转换和传输的过程中的损失，使得太阳能的利用率更为低下，针对以上情况，国内外学者提出太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化，集发电、采暖、通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系 统。见图4图5和图6,墙体的最外层是光电幕墙，安 装在多孔的波状金属板上， 空气在金属板下的空腔内 受热，在风机的动力作用下空腔内的热空气从墙体的 顶部通

22、过风道进入空调的新风系统或者直接排出室 外笃与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的护 围结构，照射在墙面上的太阳能不但被有效的利用起 来而且显著改善了护围结构的隔热保温性能。光电幕墙对太阳光的反射率约为15沁电幕墙的光电转化率在17% 3 5之间；在冬季被光电幕墙浪费的那部 分太阳能又被集热板吸收用于空调机组新风的预加 热，使新风空气预热到3 0C左右，热效率在 5 0 %6 0 之间，相当于每平方米能产生多于5 0聊的热量，同时使通过墙体向外界扩散的热量随管道内的热 空气重新进入空调的新风系统， 降低了墙体与室外空風机垂统_x腕图4太阳墙原理示意图厂三8、5 3& 1994-2010

23、 China Academic Journal kkctronic 卩ublishmif (ouseA】l rightJi reserved.阳图5；喝附于钢结构或砖体结构示意图刃初步验收。阴图7甘肃岷县蒲麻镇胡家山社太阳能光伏电站识補F；图6太阳能墙体与光伏组件的结合试 气的热交换；在夏季，风机停止运转，被加热的热空气 在自然对流的作用下从波状金属板与墙体组成空腔的 上部流出，一方面使外界的热量不能直接通过墙体的 传热进入室内，减少了空调的负荷；另一方面空气在空 腔内的流通降低了光电幕墙的温度，能使光电幕墙的 光电转换率提升10磁样一来，从经济上分析这种采 用复合的太阳能采集技术的墙体的初期

24、投资回收速度 比单纯采用光电板回收速度提高了介4倍。3工程案例分析甘肃光照资源丰富， 全省共有无电乡9个，无电村3 2 6个,无电户3 6 0 73,其中岷县年平均日照 时数2 2 14h,年平均气温 4.97. °（0,年平均相对 湿度6 8 %年平均无霜期 912 0,年平均降水量 5 9 6mrfj,最热7月份平均气温 16C,最冷1月份平 均气温-6 ：C 9由甘肃省财政厅支持的甘肃省中德财 政合作太阳能项目，目前已建成独立太阳能光伏电站 6座，项目由德国肖特太阳能公司提供系统集成。其 中蒲麻镇胡家山社太阳能光伏电站供电3沪，太阳电池方阵功率 4. !5Wp蓄电池容量 4 2

25、kW h逆变器 功率6 kW村落电网长度1. km电站外景见图7。该 项目的实施在促进可再生能源利用的步伐，改善当地能源结构，保护自然环境，提高当地人民生活水平方 面起到了积极作用，项目不足之处在于尚未实现太阳 能光伏与建筑物的有机结合。该项目20046月正式启动，于2 0（年6 12月完成一期太阳能光伏电站的山东德州市某小区6层住宅，建筑面积7 7 3 3m2,16 建筑高度19 .m2总户数8（户，采用墙面壁挂式太阳 能集热器2h全日供热水系统，立面效果图见图 &德 州年水平面太阳辐照量 5 12 5. M7J4/8m水平面年平 均日太阳辐照量 14. （M4 32年日照时数 2

26、5 9 7 h,3 年平均日照时数 7.1年平均环境温度 14. C。9根 据计算：9太阳能热水系统增投资6 7 5元，年节能量5 8 9 8.M2J,寿命期内太阳能热水系统的总节能费用 2 0 9 2 .元14回收年限 10.年,3二氧化碳减排量 10. MJ9该项目经济性、节能性及环保性能明显，项 目中使用的太阳能光热设备既实用美观又做到与建 筑物有机结合。图8壁挂式太阳集热器建筑立面效果图阴4结语太阳能作为一种清洁能源已成为世界各国能源 研究工作中的一个重要课题，太阳能在建筑节能中的 应用具有一定的经济性、 节能性、环保性。太阳能光 伏、光热综合利用与建筑有机结合的不断完善，采用太阳能与

27、建筑一体化设计的建筑必定成为我国今后 建筑业发展的主流方向。我国太阳能一体化建筑在正 常发展和生态驱动发展两种发展模式下，2 0 1年）左右其显著的经济和社会效益将会逐渐显现出来，届时太阳能利用量占社会总能耗的比例将不断的提高， CQ及氮氢化合物的排放将大幅减少。预计2 0 2年）的太阳能利用量在社会总能源供给中达到4.7減少CQ及氮氢化合物排放 1 & 2 0Tt C1。yr参考文献：国客昌.关于辐射采暖的若干问题M暖通空调设计规范专 题说明5 4妁42(10 Uhina Academic Jaumal Klcctranic Publishing House. All rights

28、reserved. h(lp2/?ki nel5 #妁42(10 Uhina Academic Jaumal Klcctranic Publishing House. All rights reserved. h(lp2/?ki nel选编，北京：中国计划出版社 ,1 9 9 0.CombiniTte ic vh enod fSgBneragnyArchiteCcJCioinestruc (GU<Ke ch£D®Biscusasbio(Ri0tdiHBJitGi®.eDiiserti<ao8ol&nrerigi(yhinaT2005 (2):l

29、6.)tat i (HiVACStandanCo deSMB. eij Chg ： iannPi rnegss,陈戈，王如竹，代彦军，等 太阳能地板辐射采暖系统的实验与数值模1 9 9 0.)拟分析J能源技术，2 0 0 5,2 6 ( 2 ):7 7 8 0.2张国强，谢冬明 周晋等建筑节能概述 J大众用电,2007 (1):40(CHEdSe'WANGRu zBAIYan jeuanl, xperimndumeri (ZHANGuo qiZKalnlgo ngmZH,ie, ThSummaroifze caSlimulaotSio InR a'diHnoHeatSpgten

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