德国建筑中的太阳能利用

德国建筑中的太阳能利用

国外太阳能利用现状作为一种污染较轻的绿色能源，在世界现有可持续发展战略的支持下，电动汽车的大规模开发和使用已成为大势所趋。由于社会背景、经济实力的差异，世界各国对太阳能的利用程度有很大的不同。德国一向注重对太阳能的开发、利用，其在太阳能系统的运用上也走在世界前列。中国的太阳能利用虽不广泛，尚属起步阶段，但太阳能的优势已引起社会的广大关注。这里简单介绍几种太阳能系统在德国以住宅为主的建筑设计中的运用，以期对中国建筑中的太阳能利用带来一些启发。被动式住宅的基本原理低能耗住宅(Low-energyHouse)、被动式住宅(PassiveHouse)、能源过剩住宅(PlusenergyHouse)均是基于节能基础上的与太阳能的利用相关的概念。它们的区别主要在于对太阳能的利用方式。太阳能的利用分为被动式利用和主动式利用两种。被动式住宅属于被动式利用，而低能耗住宅和能源过剩住宅则属于主动式利用。被动式住宅是指不借助于任何特殊的技术设备，仅利用自然通风、采光等手段达到节能目的的住宅形式（图1）。住宅南面采用大面积的落地窗，北面则是较封闭的实墙。冬天太阳光可通过落地窗直接进入住宅内部，提供热能；夏天太阳高度角变大，而阳台的宽度是根据太阳高度角计算得出的，这样就能使太阳光恰巧照射到阳台上而不进入室内，避免过多的热量聚集到室内。夏天打开南、北面的窗户，使空气流通，可带走室内的热量，降低室内温度。这就是被动式住宅的基本原理。被动式住宅不是一种直接运用太阳能系统的住宅形式，但运用太阳能系统的住宅往往自发地运用这种原理。因此，被动式住宅的概念通常是作为太阳能系统运用的基础存在的。低能耗住宅并没有严格的定义。不同地区、不同人对低能耗住宅所认同的方式或参照的技术指标也不尽相同。但它通常是指部分利用太阳能，并结合一些构造手段以减少住宅能耗的住宅形式。能源过剩住宅是新近在德国出现的一种说法。它是由德国南部城市弗莱堡的“太阳能建筑师”RolfDisch首先提出来的。能源过剩住宅是利用一种全新的太阳能系统——Photovoltaic(PV系统）的结果。利用PV系统能把太阳能转化为电能和热能，这些能源大于住宅自身所需的能耗，产生过剩能源，因此称之为能源过剩住宅。在德国，以上几个概念的区别是参照一定的能耗指标的。1975年以前的住宅统称为“传统住宅”，能耗在200～300kWh/年·m2;1995年以后的住宅称为“现代住宅”，能耗为100～80kWh/年·m2;2002年又提出所有新建住宅，能耗必须达到低能耗住宅的标准，即80～50kWh/年·m2；而对于被动式住宅，其能耗则要求低于15kWh/年·m2。德国除了这些强制性的政策外，在太阳能的利用方面还有一定的鼓励政策。德国政府规定：对于PV系统产生的大于住宅自身消耗的过剩能源输入城市能源网，能源公司必须付99芬尼/kWh作为给PV系统用户的报酬，时间长达20年。正是德国这一系列的强制性及鼓励政策，使得自觉开发、利用太阳能的观念深入人心。pv系统的原理Photovoltaic，即通常所讲的PV系统，是90年代发展起来的一种新型的太阳能系统。系统的工作原理如图2所示：利用特殊的太阳能集热模块，把太阳能转化为电能，同时保留传统太阳能系统的供热、供暖功能。PV系统的发展并不是一帆风顺的。90年代由于能源市场等一些因素的影响，在一段时期内曾停止发展，直到近几年才又兴盛起来。PV系统能提供给住宅所需热能，又能把太阳能转化为电能，完全满足了住宅的能源需要，而且往往在满足能源自给的前提下还能产生过剩能源。这就是能源过剩住宅的由来所在。下面就以两个实例来介绍一下PV系统在住宅中的运用。1、住宅的电能系统pvHelitrope位于弗莱堡的一个小山坡上（图3），是“太阳能建筑师”RolfDisch的自宅。“Helitrope”原意是“跟着太阳转”，用在这里就生动地描绘了这幢住宅的最大特点——房子自身可以绕中轴随太阳旋转360°。采用PV系统的住宅就像一部精密的机器：房子能自转，这样冬天可使起居室、卧室等主要用房朝南以获得尽量多的阳光；夏天外界气温高时，则可使主要用房背阳，避免过多的阳光进入室内。在住宅顶部有一块54m2的集热板，亦可同住宅一起跟着太阳转，并且可在上、下、左、右四个方向转动400°，使之与水平面的夹角可随着太阳高度角的变化而变化，以保证最大的集热面积，获得最多的太阳能。除了顶部的集热板外，在住宅外墙还设有真空管式集热管作为辅助的集热器，增大集热功能（图4）。因此，在正常的太阳日，住宅自身每天能产生120kWh的电能。而住宅每年所需的能耗仅20kWh，这远远低于住宅能产生的能源。从而，Helitrope成为能源过剩住宅的典型范例。2、pv系统的长期经济效益Schlierberg的能源过剩住宅（图5），距Helitrop不远，同样是建筑师RolfDisch的作品。这是第一个大规模使用PV系统的住宅区。PV系统的昂贵造价，使得方案在实施过程中,由于经济上的原因几经周折才最终完成。PV系统的模块布满朝南的每一寸屋顶，住宅每年能制造5700kWh的能源,这远远超出了住宅自身的能耗。由于住宅良好的保温、隔热、通风系统，它所需的热能仅为传统住宅的1/10。因此，即使户外冬天-20℃、夏天50℃，这种住宅室内却能常年保持在15～20℃而不需要城市集中供暖或空调。尽管PV系统造价很高，但从长远看，它的长期经济效益是很可观的。以Schlierberg的能源过剩住宅为例，有这样一笔帐：在德国，一个4口之家，一年的基本能耗，包括基本的供暖、热水和用电为3400kWh，即每月花费为300～400德国马克。而用了PV系统，每年能制造5700kWh的能源。这样，每年就有5700-3400=2300kWh的过剩能源。根据德国的能源鼓励政策——每千瓦时过剩能源能卖99芬尼，时间长达20年，这样20年卖过剩能源共能获利2300×0.99×20=45000德国马克。再加上20年每月节省的能源开支最少为300×12×20=72000德国马克，20年PV系统所带来的经济效益至少为45000+72000=117000德国马克。因此，从长远看，PV系统的住宅并不是用金钱堆出来的昂贵住宅。管道系统的充配区域供热系统是指在一个区域内采用集中系统进行供暖、供热。其工作原理为：在区域内设一个热存储器存储分散收集来的太阳能，再从能源转换中心通过完整的管道系统把热能发配到各户。区域供热系统采用传统太阳能系统而非PV系统的工作原理。其中热存储的方式是多种多样的，可以采用地面储水箱式、地下盆式或直接采用土储热。区域供热系统适用于短时间内完成的具有一定规模的住宅区。在德国这种住宅区极少，所以这种系统在德国并不常见，仅三、四例。但相对于单幢住宅内的太阳能供暖系统，它具有经济、便捷、高效的特点，而且能保证一年四季的热能供应。下面同样以两个实例加以介绍：1、以土储热为依托的巷道这是个集多种功能于一体的采用太阳能区域供暖系统的居住区，包括一所小学、一个幼儿园、小学的体育馆、若干住宅楼和一些地面停车位等。太阳能集热板分散在不同功能的建筑顶上（图6～8），太阳能在集热板上转化为热能传给热水，通过绝缘良好的管道系统传到能源转换中心(图9)，一时用不完的热能则再从能源转换中心传到热存储器(图10)。在冬天或阴天，直接转化的热能不够用时，再从热存储器器把热能释放出来，通过能源转换中心分配给用户。在这个实例中，比较特殊的是直接利用土来储热，即在地面2m以下的土中埋设30m深的管道来存储多余的热能。而地面以上可完全做成绿化，仅留几个检修口，毫不影响景观。利用土储热，无须再造保温隔热良好的水箱等构筑物，是一种比较经济的做法。但它的缺点是储热效率不如水箱式储热器。这个地区一共采用2700m2的集热面积，可供暖、热给250000m2的建筑面积。2、热存储及能源转换中心这是一个利用太阳能系统区域供热的住宅区（如图11）。太阳能集热板分散在住宅区的不同住宅顶部，热存储器和能源转换中心则位于距住宅区较远的一个小山坡上（图12）。这里热存储器采用储水箱式，共12000m2。图13为建造中的储水箱。储水箱造好后，在上面堆土，种上植被，成为人造的小山坡，可设计成良好的景观。太阳能与建筑的一体化设计德国太阳能系统的研究及太阳能产品的开发一向走在世界前列。纵观我国的太阳能利用状况，虽然刚起步，但太阳能产品的运用尤其是太阳能热水器的开发在一些地区