太陽墻系統綜合利用技術

任庚坡，房玉娜

（上海市節能監察中心，上海 200083）

0 引言

隨著節能減排形勢日趨緊迫，包括太陽能在內的可再生能源的開發利用受到了越來越多的關注。太陽能利用技術是指太陽能的直接轉化和利用技術，分為太陽能光伏技術和太陽能熱利用技術。太陽能光伏技術是指利用半導體期間的光伏效應原理把太陽輻射能轉換成電能，太陽能熱利用技術是指把太陽輻射能轉換成熱能并加以利用［1－3］。

本文介紹了一種新的太陽能熱利用技術——太陽墻系統，重點分析了太陽墻系統的經濟性和推廣潛力。

1 國內外太陽能利用現狀

1.1 國內太陽能利用現狀

中國太陽能產業規模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產量和使用量最大的國家（見表1［4］）和重要的太陽能光伏電池生產國（見表2［3］）。中國比較成熟的太陽能產品有太陽能光伏發電系統和太陽能熱水系統兩類。

表1 2006—2012年太陽能熱利用年生產量和保有量

表2 2009—2011年中國硅料和硅片的產能與產量 GW

1.2 國外太陽能利用狀況

國外太陽能產業的發展主要集中在光伏發電系統的應用，特別是歐美等發達國家，近幾年光伏產業的發展非常迅猛。

1）在英國，2010年新增光伏發電裝機容量為95 MW。隨后逐年快速增長，到2014年將達到600 MW。

2）目前美國在開發的24個光伏發電區域主要集中在西部的6個州：亞利桑那州、加利福尼亞州、科羅拉多州、新墨西哥州、內華達州以及猶他州。這些區域在未來的20年內發電能力可達到24 GW。

3）在西班牙，2008年光伏發電裝機容量為2.4 GW，2009年降至70 MW，2010則增長到450 MW。該國的太陽能利用條件很好，具有高強度日照水平，且有很多空閑的類似沙漠的地區，這為西班牙發展光伏市場提供了機會。

4）在法國，雖然對于光伏市場的投資興趣在上升，但是光伏產業卻難以獲得政府部門的支持。這主要是因為社會公眾對光伏產業的支持是非常有限的，尤其是法國政府報告中明顯降低了對發展光伏產業的興趣。因此，2014年法國光伏市場新裝機容量預測值也由先前的4 GW下調至約1 GW［5］。

2 太陽能利用方式存在的問題

2.1 太陽能光伏利用方面存在的問題

在太陽能光伏利用方面存在光電轉化效率較低以及光伏發電成本較高兩個問題。

1）光電轉化效率相對較低 低下的能量轉化效率已經嚴重制約了光伏產業的進一步發展。對于市場上普遍采用的結晶硅型太陽能電池，由于其內在的傳輸損耗及量子損耗，導致太陽能轉化為電能的效率較低，根據細致平衡假設推出轉化極限約為30%［6］。目前，實驗室中得出的單晶硅轉化效率的最高紀錄為（25.0±0.5）%［7］，已經非常接近于轉化效率的理論極值。但當考慮加工費用、工藝的復雜或生產量后，實驗室技術通常無法有效適用于工業生產中。工業上大批量生產的多晶硅類太陽能電池的轉換效率約為15%，單結晶硅類產品約為20%，近年來性能幾乎沒有提升。

2）光伏發電成本較高 較高的光伏發電成本限制了整個產業的大規模應用。整個系統中硅原料的價格占光伏發電生產總成本的1／3以上，近1／2，受到上游產業鏈的明顯制約［8］。隨著技術的發展，目前光伏發電成本已顯著降低，但與常規能源發電相比，光伏發電的經濟性仍然較差。根據國家發改委的通知，光伏發電的上網電價為0.9～1.0元／k Wh，明顯高于火電上網電價0.3～0.5元／k Wh。因此，光伏發電尚不能與其他發電方式競爭，仍然需要政府的補貼。

2.2 太陽能熱利用方面存在的問題

當前，太陽能熱利用行業產品同質化現象嚴重，產業發展遭遇瓶頸。市場競爭陷入價格戰、營銷戰等低層次的競爭態勢，需要新的技術創新來改變行業競爭態勢。

3 太陽墻技術

太陽墻系統是安裝在建筑外墻的一種開放式圍護系統。這種生態圍護結構能夠利用太陽能高效采暖、有效通風的特點，很好地解決了太陽能利用和建筑一體化的問題。太陽墻系統已在歐美國家得到廣泛應用［9］。

3.1 工作原理

太陽墻系統主要基于安裝在建筑外墻或屋頂的金屬板系統進行工作，屬于被動式太陽能采暖系統，由集熱系統和氣流輸送系統兩部分組成。集熱系統包括垂直墻板、遮雨板和支撐框架；氣流輸送系統包括風機和管道。太陽墻板材覆于建筑外墻的外側，上面開有小孔，與墻體的間距由計算決定，一般約為200 mm，形成的空腔與建筑內部通風系統的管道相連，管道中設置風機，用于抽取空腔內的空氣。安裝在建筑南側外墻的太陽墻板將加熱后的空氣分送到建筑物各個部分如圖1所示。

1）在冬季，白天，深色的金屬外墻板材吸收太陽輻射熱量，金屬墻板頂部的風機在墻板與建筑外墻間形成負壓，室外空氣通過小孔進入空腔，在流動過程中獲得板材吸收的太陽輻射熱，受熱壓作用上升，溫暖新鮮的空氣進入建筑物的通風系統，然后由管道分配輸送到各層空間。板材底部不密封，保持了太陽墻內腔的干燥，同時起到排水作用。夜晚，墻體向外散失的熱量被空腔內的空氣吸收，在風機運轉的情況下被重新帶回室內。這樣既保持了室內的新風量，又回收了散失的熱量。

圖1 太陽墻系統原理圖

2）在夏季，太陽墻通過防止太陽輻射由南墻進入室內來達到保持室內清涼的效果。同時，風機停止運轉，室外熱空氣從太陽墻板底部進入，從上部和周圍的孔洞流出，熱量不會進入室內。同時，太陽墻還擋住照在建筑墻體的太陽光，阻隔墻體接受輻射熱，從而使室內溫度低于室外溫度［9］。

3.2 技術指標

太陽墻板材是由1～2 mm厚的鍍鋅鋼板或鋁板構成，外側涂層具有吸收太陽熱、阻擋紫外線的功能。一般建議使用褐色或深棕色，但為了建筑美觀或色彩協調，其他顏色也可以使用。為了空氣流動及加熱的需要，板材上打有孔，而孔洞的大小、間距和數量應根據建筑物的使用功能與特點、所在地區緯度、太陽能資源、輻射熱量進行計算和試驗確定。這能平衡通過孔洞流入的空氣量和被送入距離最近的風扇的空氣量，以保證氣流持續穩定均勻，以及空氣通過空洞獲得最多的熱量。一般情況下，每平方米的太陽墻氣流量可達到22～44 m3／h［9］。風扇的個數需要根據建筑面積計算確定。

太陽墻理想的安裝方位是南向及南偏東西20°以內，也可考慮在東西墻面上安裝。坡屋頂也是設置太陽墻的理想位置［10］。

3.3 太陽墻的優點

1）經濟效益好 太陽墻具有造價低、使用壽命長且無需維護等特點。太陽墻板造價約為1 600元／m2（包括框架材料），使用壽命在30年以上。在冬季，太陽墻使用后可每天節省4元［11］，兩三年左右便能將投資收回，經濟效益、環境效益均好。

2）熱效率高 與玻璃幕墻相比，太陽墻表面為深色金屬板，因反射損失的入射光減少，能量吸收能力加強，用多空金屬板能捕獲可利用太陽能的80%。根據用途不同，可確定每個房間的集熱面積和角度，以達到不同的預熱溫度。在晴天時能把空氣預熱到30℃以上，陰天時能吸收漫反射所產生的熱量［12］。

3）新風系統良好 良好的室內空氣質量是適當的、連續的、新鮮的空氣帶來的結果。對于很多密閉良好的建筑來說，冬季獲取新鮮空氣和保持室內適宜溫度很難兼得，利用太陽能來加熱空氣的太陽墻系統可以很好的解決這個問題［9］。

4 太陽墻系統應用案例

4.1 廠房建筑案例

加拿大安大略省多倫多市的廠房是波音公司航空設備較大的生產和組裝基地之一。為了節約能源并提升室內舒適度，波音公司在其廠房設施上使用了太陽墻系統（見圖2），2 800 m2太陽墻設計的預熱新風量達195 500 m3／h。

太陽墻系統可永久性的使用，降低了能耗成本，并可實現天花板附近溫度和地面附近溫度差約1℃，解決了熱分層問題，并緩解了室內負壓問題，改善了室內工作環境。

圖2 波音公司太陽墻系統橫跨廠房的整個南面墻

4.2 一般建筑案例

山東建筑大學新校區學生公寓梅園1號西翼的設計中使用了太陽墻系統。該建筑單元總建筑面積為2 300 m2，南向墻面安裝了157 m2的深棕色太陽墻。冬季，太陽墻加熱的空氣通過管道輸送到各層走廊和北向房間，有效解決了不向陽的房間利用太陽能采暖的問題［11］。

5 太陽墻屋頂光電／光熱聯產系統

在光強一定的條件下，光伏電池的發電效率會隨溫度的上升而下降。在實際應用中，標準條件下硅電池的發電效率為12%～18%［13］。若以太陽墻板作為光伏組件安裝所需的框架系統，熱能將被輸送回光伏組件背面，以供太陽墻板利用，從而有效抵消熱負荷，降低光伏電池溫度，提高其光電效率，同時還可以提高熱電聯產系統的經濟性。

通過結合太陽墻技術，充分利用光伏發電的余熱，可以使光伏發電技術的太陽能利用總效率提高了5倍，也將光伏發電成本回收時間從通常的20年縮短到5年內，并且在遇到供電、供熱管網故障或地震等自然災害時還能起到應急能源系統的作用。

北京奧運村微耗運動員服務中心南立面的太陽墻系統和屋頂的太陽能熱電聯產系統（見圖3）于2005年9月安裝完畢并投入使用。該系統共使用了110 m2的太陽墻板，總造價約占建筑成本的5%，產生的總節能效益約為每年45 MWh，每年減少二氧化碳排放約60 t。在一般建筑上使用投資回收期約為4.5年。

圖3 北京奧運村太陽墻項目

6 太陽墻的經濟性及推廣潛力

經濟性評價的方法，根據是否考慮資金的時間因素可分為靜態分析法和動態分析法［14］。動態分析法考慮資金的時間價值，按最小年費法對比太陽墻、空調及集中供暖的經濟性。最小年費法把項目從開始施工到施工結束的所有投資，用規定年利率折算到基準年，然后將它平攤到項目運行期每一年，再與年運行費用相加得到年費用，其表達式為：

式中：NF為年費用；C1為年設備投資費用；f為現值因子，f＝（（1＋i）t－1）／（i（1＋i）t），i為年利率，t為項目周期；C為年運行費用。

以10 m2室內空間供暖為例進行分析，年利率為8%，項目周期為30年，f為11.26。通過計算得到，太陽墻供暖年費用NF為213.15元，空調供暖年費用NF為928.30元（其中，空調費用為3 000元，每年使用180天，每天用8 h，電價為0.617元／k Wh）；集中供暖年費用NF為610.80元（暖氣安裝費用為3 500元，集中供暖每年約為30元／m2）。由此可知，太陽墻具有明顯的經濟優勢。

我國主要處于溫帶和亞熱帶，具有豐富的太陽能資源［15］（見表3）。我國華北及沿海人口密集區域均處于太陽能可利用區域，隨著我國城鄉建設的快速推進，居民生活水平的大幅提高及近年來氣候的變化，我國供暖需求日益增加，加大了對電力需求及電力負荷的調節壓力。相較于上海，北方地區冬季采暖需求大、夏季降溫壓力小，且日照時間較長，更適合安裝太陽墻系統。

表3 我國各地太陽墻應用潛力

7 結語

1）太陽墻系統具有經濟效益好、熱效率高、新風效果好的優點，因此太陽墻的使用為太陽能熱利用及太陽能建筑一體化提供了可操作性并有廣闊的應用前景。

2）通過屋頂光伏發電系統與太陽墻的結合，可實現光電／光熱綜合利用，提高太陽能利用率。

3）我國北方采暖地區比較適合安裝太陽墻系統，太陽墻系統具有良好的發展前景和未來市場規模。

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