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摘要：公共建筑能耗是我國建筑能耗的主導部分，推廣具有更高性能的超低能耗公共建筑勢在必行。我國太陽能資源豐富，應(yīng)充分利用太陽能實現(xiàn)公共建筑的超低能耗。通過介紹幾種主被動太陽能技術(shù)，并對主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)在超低能耗公共建筑中的應(yīng)用效果進行分析，為之后的研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超低能耗；公共建筑；太陽能

1概述

近年來，我國大力發(fā)展城鎮(zhèn)化，公共建筑面積也隨之迅猛增長。2018年全國建筑存量面積為674億m2，其中公共建筑面積為129億m2，占比約1／5；同年公共建筑運行能耗為3．83億tce，占全國的38．3％［1］。公共建筑能耗已成為我國建筑能耗的主導部分。因此，在完成建筑節(jié)能“三步走”戰(zhàn)略目標之后，進一步推廣高性能的超低能耗公共建筑，對我國建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展可以起到示范作用，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)革新，有助于實現(xiàn)我國“碳達峰、碳中和”目標。目前，我國超低能耗建筑的技術(shù)路線是采用高保溫性能的圍護結(jié)構(gòu)、高效熱回收新風系統(tǒng)和高效熱泵系統(tǒng)等主被動措施降低建筑冬季供暖和夏季制冷的能耗，并充分利用可再生能源。其中，太陽能具有資源豐富、便于利用等優(yōu)點，其主被動節(jié)能技術(shù)在超低能耗公共建筑中扮演重要角色。

2超低能耗公共建筑及太陽能系統(tǒng)評價指標

2019年發(fā)布的《近零能耗建筑技術(shù)標準》［2］首次界定了我國超低能耗建筑的概念，以建筑綜合節(jié)能率和建筑本體性能指標作為超低能耗公共建筑的能效指標，指出超低能耗公共建筑的綜合能耗應(yīng)比現(xiàn)行國家標準和行業(yè)標準的能耗要求降低50％以上，嚴寒和寒冷地區(qū)的本體節(jié)能率應(yīng)不小于25％，氣密性滿足N50≤1．0，其他地區(qū)要求本體節(jié)能率不小于20％。根據(jù)GB／T50801—2013可再生能源應(yīng)用工程評價標準［3］，對于太陽能系統(tǒng)的評價主要以太陽能熱利用系統(tǒng)的太陽能保證率和太陽能光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率為指標，如表1，表2所示。

3我國太陽能資源分布

我國太陽能資源十分豐富，位居世界前列。全國太陽年輻射總量為3350MJ／（m2·a）～8370MJ／（m2·a），平均值約5860MJ／（m2·a）［4］。全國超過2／3的地區(qū)年輻射量大于5000MJ／m2、年日照時數(shù)在2000h以上。表3為我國太陽能資源的分布情況［5］，可以看出除了四川、貴州等部分區(qū)域太陽能輻射資源相對較低外，我國絕大部分地區(qū)均為太陽能資源可利用的區(qū)域。因此利用太陽能技術(shù)實現(xiàn)建筑節(jié)能是切實可行的。

4主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)及應(yīng)用

主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)由被動式太陽能技術(shù)和主動式太陽能技術(shù)兩部分組成。被動式太陽能技術(shù)按照其利用太陽能的方式和傳熱過程，一般分為直接受益窗、集熱蓄熱墻、附加陽光間三種形式。主動式太陽能技術(shù)按照對太陽能的利用形式，目前在超低能耗建筑中應(yīng)用較為廣泛的主要有太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱利用。

4．1太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用光生伏特效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)化的電能可以供建筑直接使用或并入電網(wǎng)。太陽能電池板既可以安裝在屋面，也可以設(shè)置在建筑立面與玻璃結(jié)合形成光伏幕墻，既充分利用了建筑空間，又不影響美觀，還能在夏季起到遮陽作用。光伏板與圍護結(jié)構(gòu)間常設(shè)有空腔，以避免建筑外表面出現(xiàn)過熱現(xiàn)象?？涨粌?nèi)進行自然通風或機械通風，可以有效降低建筑冷熱負荷。謝山樣［6］提出了一種外立面開口的光伏幕墻，并通過對照實驗得出該新型幕墻的光伏板溫度、外墻溫度和空氣夾層進出口溫度都低于傳統(tǒng)無孔光伏幕墻，更有利于發(fā)電。劉瑞囡［7］采用EnergyPlus軟件，建立普通辦公建筑和鋪設(shè)光伏幕墻的辦公建筑模型，通過能耗模擬計算，光伏幕墻＋通風空腔的結(jié)構(gòu)能在夏季節(jié)約1．37％的空調(diào)能耗，光伏幕墻＋封閉空腔的結(jié)構(gòu)能在冬季節(jié)約9．64％的采暖能耗。

4．2太陽能熱利用系統(tǒng)

太陽能熱利用系統(tǒng)按照使用目的可以分為太陽能熱水采暖系統(tǒng)和太陽能空調(diào)系統(tǒng)。太陽能熱水采暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、蓄熱裝置、輔助加熱裝置和末端設(shè)備組成。由太陽能集熱器收集太陽能的熱量加熱蓄熱水箱中的水并送至末端設(shè)備供室內(nèi)采暖或提供生活熱水，當天氣狀況不佳時則由輔助加熱裝置進行加熱。徐鑫［8］對石河子地區(qū)某辦公建筑的太陽能－空氣源熱泵系統(tǒng)進行實測研究，該系統(tǒng)的太陽能集熱器和空氣源熱泵采用并聯(lián)間膨式構(gòu)造，根據(jù)水箱和環(huán)境溫度啟停集熱器和空氣源熱泵，研究發(fā)現(xiàn)供暖初末期太陽能利用率可達84．22％，但供暖中期太陽能利用率僅為27．31％，整個采暖期單位面積節(jié)煤55．02kg。孫譽桐等［9］提出一種新型太陽能－空氣源熱泵系統(tǒng)，其冷凝器為基于相變材料設(shè)計的儲能冷凝器。該儲能冷凝器通過無機相變材料的相變過程實現(xiàn)熱量的存儲與釋放，相比傳統(tǒng)的蓄熱水箱具有更高的蓄熱能力，可以改善不同天氣情況及晝夜的熱負荷與制熱量的供需關(guān)系。太陽能空調(diào)系統(tǒng)是利用太陽能集熱器加熱熱媒，驅(qū)動熱力制冷系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，主要由太陽能集熱系統(tǒng)、熱力制冷系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、空調(diào)末端系統(tǒng)、輔助能源以及控制系統(tǒng)六部分組成。其中單效溴化鋰／水吸收式制冷機因其制冷方式成熟，COP較高，對熱源溫度要求不高等特點，被廣泛應(yīng)用于我國的太陽能空調(diào)系統(tǒng)。ZhifengSun等［10］對北京某近零能耗辦公樓進行能耗監(jiān)測，該建筑采用太陽能耦合地源熱泵的供暖制冷系統(tǒng)承擔室內(nèi)冷熱負荷，由地源熱泵作為系統(tǒng)輔助能源。實測結(jié)果表明在夏季太陽能空調(diào)系統(tǒng)的貢獻率為25．2％，效果良好。孫峙峰等［11］在前述示范建筑的太陽能空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，向傳統(tǒng)蓄冷水罐中加入相變蓄冷球體，通過建模和實驗分析，得知在相變蓄冷工況下可令前述太陽能空調(diào)系統(tǒng)的太陽能保證率提高17．5％。4．3主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)應(yīng)用案例4．3．1主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)在冬季采暖的應(yīng)用。馬文生等［12］曾對青藏地區(qū)某近零能耗公共建筑展開研究。該建筑采用陽光間與太陽能－空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的主被動技術(shù)，在建筑南面設(shè)置陽光間利用太陽能直接取暖；太陽能集熱器制取熱水一部分對經(jīng)過熱回收裝置的新風進行二次加熱，另一部分通過地板輻射向室內(nèi)供暖。研究人員利用TRNSYS建模分析，發(fā)現(xiàn)陽光間可有效保障南向房間溫度；太陽能空氣源耦合系統(tǒng)在整個供暖季的太陽能保證率為71．9％，可再生能源利用率81．1％。該結(jié)果表明陽光間與太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)的組合可以充分利用太陽輻射資源，具有良好的節(jié)能和環(huán)保效益，在青藏高寒地區(qū)具備一定適用性，對該地區(qū)推廣超低能耗公共建筑和太陽能技術(shù)具有指導意義。沈陽建筑大學節(jié)能示范樓是我國嚴寒地區(qū)第一棟實現(xiàn)近零能耗的辦公建筑。該建筑在南側(cè)外墻設(shè)置太陽能光伏幕墻和采用相變材料的集熱蓄熱墻，二者之間形成空腔。冬季白天蓄熱墻風口開啟，空腔內(nèi)熱空氣經(jīng)上部風管送至熱泵機房，提高空氣源熱泵機組COP，換熱后的冷空氣經(jīng)下部風管送回空腔，形成循環(huán)；冬季夜晚風口關(guān)閉，利用集熱蓄熱墻放熱維持室內(nèi)溫度。建筑屋頂設(shè)置太陽能光伏板，充分利用太陽能。馮國會等［13］對該建筑光伏幕墻耦合空氣源熱泵系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，并通過計算得出全年采暖季太陽能得熱量為12522．8kW·h，光伏幕墻平均熱效率為12％，節(jié)能潛力巨大。4．3．2主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)在夏季制冷通風的應(yīng)用。中國人民解放軍后勤工程學院綠色建筑示范樓在南立面設(shè)置“可呼吸”玻璃幕墻，幕墻空腔設(shè)有10個通風口，利用熱壓進行自然通風，從而減小室內(nèi)冷負荷；采用太陽能－地源熱泵復(fù)合熱水系統(tǒng)，為建筑提供生活熱水，當太陽能熱水水溫無法滿足要求時啟動地源熱泵機組。地源熱泵機組另外承擔空調(diào)冷熱負荷。此外該建筑還采用光伏發(fā)電為建筑直接供電。根據(jù)第一年的運行數(shù)據(jù)，該建筑年單位面積耗電量為46．66kW·h／a，較基準建筑節(jié)能率達到79．11％，節(jié)能效益顯著［14］。中國科學技術(shù)大學搭建有一棟辦公用途的太陽能示范建筑。該建筑在夏季通過百葉窗型特朗勃墻和光伏特朗勃墻利用熱壓形成自然通風，并利用安裝在外墻和屋面的太陽能集熱器、光伏熱水模塊的遮陽作用降低建筑冷負荷，再由太陽能集熱器提供熱水驅(qū)動吸收式制冷機，對房間進行制冷。于志［15］采用TRNSYS進行模擬，得到在合肥夏季太陽能制冷系統(tǒng)對該示范建筑的太陽能貢獻率為50．1％；太陽能光伏系統(tǒng)全年可獲得3885．0kW·h的太陽能發(fā)電量。

5總結(jié)與展望

基于上述主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)及其示范建筑，可以得到如下結(jié)論和建議：1）公共建筑具有人流密集、功能多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，在我國建筑能耗中占比最大，應(yīng)充分利用我國豐富的太陽能資源實現(xiàn)超低能耗。2）光伏幕墻是光伏發(fā)電與集熱蓄熱墻的結(jié)合形式，可以在冬夏季有效降低建筑采暖制冷能耗。光伏幕墻與太陽能采暖制冷系統(tǒng)相結(jié)合的形式節(jié)能效益顯著，太陽能保證率高，適用于超低能耗公共建筑。3）太陽能采暖制冷系統(tǒng)的太陽能保證率受室外環(huán)境和天氣的影響，應(yīng)采用空氣源熱泵或地源熱泵等輔助能源保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。此外還可以利用相變材料的蓄放熱特性提高太陽能利用率。4）現(xiàn)階段我國主被動結(jié)合式太陽能技術(shù)的研究多針對某一示范建筑，缺少主被動結(jié)合的理論模型，這還有待后續(xù)進一步研究。

作者:梁驍 陳偉嬌 單位:北方工業(yè)大學