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摘要：公共建筑能耗是我國(guó)建筑能耗的主導(dǎo)部分，推廣具有更高性能的超低能耗公共建筑勢(shì)在必行。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，應(yīng)充分利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)公共建筑的超低能耗。通過(guò)介紹幾種主被動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)，并對(duì)主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)在超低能耗公共建筑中的應(yīng)用效果進(jìn)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(yáng)能

1概述

近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展城鎮(zhèn)化，公共建筑面積也隨之迅猛增長(zhǎng)。2018年全國(guó)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(yùn)行能耗為3．83億tce，占全國(guó)的38．3％［1］。公共建筑能耗已成為我國(guó)建筑能耗的主導(dǎo)部分。因此，在完成建筑節(jié)能“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)之后，進(jìn)一步推廣高性能的超低能耗公共建筑，對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展可以起到示范作用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)革新，有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。目前，我國(guó)超低能耗建筑的技術(shù)路線是采用高保溫性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)和高效熱泵系統(tǒng)等主被動(dòng)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(yáng)能具有資源豐富、便于利用等優(yōu)點(diǎn)，其主被動(dòng)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(yáng)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2019年發(fā)布的《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［2］首次界定了我國(guó)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(biāo)作為超低能耗公共建筑的能效指標(biāo)，指出超低能耗公共建筑的綜合能耗應(yīng)比現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的能耗要求降低50％以上，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的本體節(jié)能率應(yīng)不小于25％，氣密性滿(mǎn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［3］，對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)主要以太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率和太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率為指標(biāo)，如表1，表2所示。

3我國(guó)太陽(yáng)能資源分布

我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，位居世界前列。全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量為3350MJ／（m2·a）～8370MJ／（m2·a），平均值約5860MJ／（m2·a）［4］。全國(guó)超過(guò)2／3的地區(qū)年輻射量大于5000MJ／m2、年日照時(shí)數(shù)在2000h以上。表3為我國(guó)太陽(yáng)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(yáng)能輻射資源相對(duì)較低外，我國(guó)絕大部分地區(qū)均為太陽(yáng)能資源可利用的區(qū)域。因此利用太陽(yáng)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能是切實(shí)可行的。

4主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)及應(yīng)用

主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)由被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)和主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)兩部分組成。被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)按照其利用太陽(yáng)能的方式和傳熱過(guò)程，一般分為直接受益窗、集熱蓄熱墻、附加陽(yáng)光間三種形式。主動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)按照對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用。

4．1太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)作用。光伏板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間常設(shè)有空腔，以避免建筑外表面出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象?？涨粌?nèi)進(jìn)行自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)，可以有效降低建筑冷熱負(fù)荷。謝山樣［6］提出了一種外立面開(kāi)口的光伏幕墻，并通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)得出該新型幕墻的光伏板溫度、外墻溫度和空氣夾層進(jìn)出口溫度都低于傳統(tǒng)無(wú)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(guò)能耗模擬計(jì)算，光伏幕墻＋通風(fēng)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(yáng)能熱利用系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)按照使用目的可以分為太陽(yáng)能熱水采暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱水采暖系統(tǒng)由太陽(yáng)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(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)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(dāng)天氣狀況不佳時(shí)則由輔助加熱裝置進(jìn)行加熱。徐鑫［8］對(duì)石河子地區(qū)某辦公建筑的太陽(yáng)能－空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，該系統(tǒng)的太陽(yáng)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(yáng)能利用率可達(dá)84．22％，但供暖中期太陽(yáng)能利用率僅為27．31％，整個(gè)采暖期單位面積節(jié)煤55．02kg。孫譽(yù)桐等［9］提出一種新型太陽(yáng)能－空氣源熱泵系統(tǒng)，其冷凝器為基于相變材料設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能冷凝器。該儲(chǔ)能冷凝器通過(guò)無(wú)機(jī)相變材料的相變過(guò)程實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)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(fù)荷與制熱量的供需關(guān)系。太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器加熱熱媒，驅(qū)動(dòng)熱力制冷系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)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(jī)因其制冷方式成熟，COP較高，對(duì)熱源溫度要求不高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)。ZhifengSun等［10］對(duì)北京某近零能耗辦公樓進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)，該建筑采用太陽(yáng)能耦合地源熱泵的供暖制冷系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)冷熱負(fù)荷，由地源熱泵作為系統(tǒng)輔助能源。實(shí)測(cè)結(jié)果表明在夏季太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率為25．2％，效果良好。孫峙峰等［11］在前述示范建筑的太陽(yáng)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(guò)建模和實(shí)驗(yàn)分析，得知在相變蓄冷工況下可令前述太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率提高17．5％。4．3主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用案例4．3．1主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)在冬季采暖的應(yīng)用。馬文生等［12］曾對(duì)青藏地區(qū)某近零能耗公共建筑展開(kāi)研究。該建筑采用陽(yáng)光間與太陽(yáng)能－空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的主被動(dòng)技術(shù)，在建筑南面設(shè)置陽(yáng)光間利用太陽(yáng)能直接取暖；太陽(yáng)能集熱器制取熱水一部分對(duì)經(jīng)過(guò)熱回收裝置的新風(fēng)進(jìn)行二次加熱，另一部分通過(guò)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(yáng)光間可有效保障南向房間溫度；太陽(yáng)能空氣源耦合系統(tǒng)在整個(gè)供暖季的太陽(yáng)能保證率為71．9％，可再生能源利用率81．1％。該結(jié)果表明陽(yáng)光間與太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)的組合可以充分利用太陽(yáng)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(duì)該地區(qū)推廣超低能耗公共建筑和太陽(yáng)能技術(shù)具有指導(dǎo)意義。沈陽(yáng)建筑大學(xué)節(jié)能示范樓是我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)第一棟實(shí)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(yáng)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(fēng)口開(kāi)啟，空腔內(nèi)熱空氣經(jīng)上部風(fēng)管送至熱泵機(jī)房，提高空氣源熱泵機(jī)組COP，換熱后的冷空氣經(jīng)下部風(fēng)管送回空腔，形成循環(huán)；冬季夜晚風(fēng)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(yáng)能光伏板，充分利用太陽(yáng)能。馮國(guó)會(huì)等［13］對(duì)該建筑光伏幕墻耦合空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)計(jì)算得出全年采暖季太陽(yáng)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(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)在夏季制冷通風(fēng)的應(yīng)用。中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)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(gè)通風(fēng)口，利用熱壓進(jìn)行自然通風(fēng)，從而減小室內(nèi)冷負(fù)荷；采用太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合熱水系統(tǒng)，為建筑提供生活熱水，當(dāng)太陽(yáng)能熱水水溫?zé)o法滿(mǎn)足要求時(shí)啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組。地源熱泵機(jī)組另外承擔(dān)空調(diào)冷熱負(fù)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(yùn)行數(shù)據(jù)，該建筑年單位面積耗電量為46．66kW·h／a，較基準(zhǔn)建筑節(jié)能率達(dá)到79．11％，節(jié)能效益顯著［14］。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)搭建有一棟辦公用途的太陽(yáng)能示范建筑。該建筑在夏季通過(guò)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(fēng)，并利用安裝在外墻和屋面的太陽(yáng)能集熱器、光伏熱水模塊的遮陽(yáng)作用降低建筑冷負(fù)荷，再由太陽(yáng)能集熱器提供熱水驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)，對(duì)房間進(jìn)行制冷。于志［15］采用TRNSYS進(jìn)行模擬，得到在合肥夏季太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)對(duì)該示范建筑的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率為50．1％；太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)全年可獲得3885．0kW·h的太陽(yáng)能發(fā)電量。

5總結(jié)與展望

基于上述主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)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(diǎn)，在我國(guó)建筑能耗中占比最大，應(yīng)充分利用我國(guó)豐富的太陽(yáng)能資源實(shí)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(yáng)能采暖制冷系統(tǒng)相結(jié)合的形式節(jié)能效益顯著，太陽(yáng)能保證率高，適用于超低能耗公共建筑。3）太陽(yáng)能采暖制冷系統(tǒng)的太陽(yáng)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(yùn)行。此外還可以利用相變材料的蓄放熱特性提高太陽(yáng)能利用率。4）現(xiàn)階段我國(guó)主被動(dòng)結(jié)合式太陽(yáng)能技術(shù)的研究多針對(duì)某一示范建筑，缺少主被動(dòng)結(jié)合的理論模型，這還有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

作者:梁驍 陳偉嬌 單位:北方工業(yè)大學(xué)