嚴寒地區太陽能建筑一體化設計方案優選分析★

任 楠 楠

(吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130000)

嚴寒地區太陽能建筑一體化設計方案優選分析★

任 楠 楠

(吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130000)

為了降低因采用傳統的燃煤而帶來的高能耗問題，比較分析了幾種不同的在屋頂利用太陽能建造光伏光熱與住宅建筑一體化的設計方案，并提出了比較適宜在東北嚴寒地區建造的太陽能一體化設計方案，減少了對自然環境與能源造成的負面影響。

嚴寒地區，光伏，光熱，建筑一體化

1 國家新能源政策的支持

國家大力倡導新能源的開發與利用，并且在政策上給予鼓勵和支持。2012年，國家電網發布了相關政策——《關于做好分布式光伏發電并網服務工作的意見》，意見指出電網用戶可以自行投資安裝光伏發電設備，自行發電，自用的同時，多發的電可以接入國家電網，上網售賣。2013年3月1日起《意見》正式實施。

2 嚴寒地區太陽能住宅建筑一體化建設現狀

2.1 地域特殊性的局限

依據我國GB 50176—93民用建筑設計規范中的“中國建筑熱工設計分區”，規定累年最冷月平均溫度≤-10 ℃，日平均溫度≤5 ℃的天數≥145 d的地區為嚴寒地區[1]。我國東北嚴寒地區是我國太陽能資源中等類型地區，年太陽輻射總量為5 000 MJ/m2～5 850 MJ/m2,日輻射量3.8 kWh/m2～4.5 kWh/m2。盡管嚴寒地區的太陽能資源較一類地區弱，但若是能夠處理好地域問題帶來的例如防寒保暖凍脹等問題，在嚴寒地區應用太陽能一體化技術，降低建筑物能耗，提高生活質量仍然是切實可行的。

2.2 建設現狀

很多發達國家已經取得了顯著成果，例如：澳大利亞悉尼奧運村、奧地利西部能量公園、加拿大多倫多高層屋頂、丹麥布倫特蘭中心、德國塞尼峰學院等等，都是世界上比較有名的一體化典范。但是這些項目多數位于亞熱帶、溫帶、海洋性氣候等全年太陽輻射總值較高，緯度較低的氣候地區，并且多數項目為大型的公共建筑。

我國的太陽能建筑一體化已有了一些嘗試，在上海、深圳、德州、北京、保定等地分別建成并網發電光伏屋頂。

目前，對嚴寒地區(如中國東北)的住宅建筑設計研究主要集中在外圍護結構的節能方面，光伏、光熱與住宅建筑一體化設計還處于一種無序狀態，尚未形成一套完善、科學的思想體系和設計手法。在嚴寒地區的設計和使用尚屬空白。

3 設計要素

東北嚴寒地區由于地理位置所限，太陽能輻射總量以及直接輻射量小于全國其他低緯度地區，考慮到對太陽能的最佳利用率、太陽能系統安裝在立面對建筑采光及透光率的影響，將太陽能系統置于屋頂，是比較理想的狀態。

3.1 與建筑的無縫應用

目前，高平整度一體化太陽能發電整體屋頂已經問世，特殊制作的型材價格高，安裝費高，只有少量的示范工程使用，推廣困難。并且示范也僅僅是在對采暖要求不高的地區，像嚴寒地區這種冬季時間長，采暖要求高的地區，完全脫離“兩張皮”的形式，完全依靠光伏組件來達到保溫要求，以目前的技術還不現實。

因此我們需要積極思考解決的問題就是確保光伏系統與屋頂結構的無縫連接，在不破壞建筑屋頂結構的基礎上，不對建筑形式形成“干擾”。

3.2 兼具保溫功能

光伏板的存在減弱了“對流換熱”——建筑墻體與外界環境之間。在太陽輻射強度較大的時候,光伏板的隔熱作用十分明顯。而在較低太陽輻射強度的情況下,光伏板會阻礙建筑墻體散熱,減緩溫度下降。這與人們對建筑室內環境的需求基本一致,高輻照高氣溫時需要隔熱,低輻照低氣溫時需要保溫。

3.3 組件本身易清潔

組件的不及時清潔會降低組件的發電效率和使用壽命。人工清洗安裝在屋頂的組件又有安全隱患，這是在屋頂安裝太陽能組件的尷尬之處。因此在建筑上安裝光伏系統要求光伏組件本身選用自清潔型的材料，減少日后維護成本，延長組件的使用壽命及發電效率。

3.4 符合美學標準

在建筑中，太陽能組件極具表現力，是高科技的體現。組件的應用，體現出強烈的當代感，同時中和現代過于激進的建筑形式。其所具有的潛在建筑表現力還沒有完全展現出來，所以需要更多的建筑佳作來實現并展現其建筑潛力和多用途的特性。

4 方案設計比選

雖然光伏光熱一體化的研究已經進行了很長時間，美國已經有將光伏光熱兩個系統整合為一個單件元體的專利技術——PPI光伏光熱一體化系統，但是目前屬于世界領先科技，組件不足以達到嚴寒地區保溫要求，大規模的用于嚴寒地區以及將來的推廣應用都有難度。

但是當分布式光伏的發展和分布式光熱都在搶占城市僅有的屋頂空間的時候，我們該何去何從。

針對上述問題，設計兩個方案，分析比對，選出最適宜在嚴寒地區實施的太陽能與建筑一體化方案。

4.1 方案一——屋頂東側光伏系統西側光熱系統的結合方式

1)設計中的具體做法。

在建筑的屋頂設計光伏和光熱系統涉及到兩個系統的安裝結合方式、系統形式、管道井位置以及水箱的位置等內容。

具體如下：

a.兩個系統的安裝結合方式。

方案一采用屋頂東側光伏系統西側光熱系統的結合方式。研究證明，光伏最佳的安裝位置為正南偏東，光熱為正南偏西10°以內。因此方案一考慮將光伏系統安裝在屋頂的東側，光熱系統安裝在屋頂的西側，有利于光伏及光熱兩個系統的工作效率。

b.系統形式。

光伏系統：采用多晶硅太陽能電池板。形成光伏組陣，安裝在屋頂上，較其他太陽能電池板材料制造簡便，制作成本低，易推廣，性價比高。

光熱系統：采用適于東北氣候特點使用的集中式真空管太陽能集熱器。與其他類型的太陽能熱水器相比，安裝簡便、保溫好、耐冰凍、耐熱沖擊性好、啟動快、承壓高、不結垢，同時運行可靠。

c.管道井位置。

比較理想的做法是利用樓梯間的各戶管道井，避免單獨設計影響建筑布局。

d.水箱設置的位置。

水箱的容積小，可單獨設置，放在出屋面的樓梯間上面比較合理。優點是走線短，熱損少，充分利用公共管道井。

2)優點。

a.能夠最大程度的依據光伏和光熱系統自身的優點，發揮各自系統的物理功效，避免因為方位等問題造成發電和發熱效率降低。

b.采用目前主流的多晶硅太陽能電池板和采用真空管太陽能集熱器結合的方式，性價比高，實用性強。

3)缺點。

a.由于屋頂面積有限，兩個系統相互爭搶面積，很難權衡。

b.采用集中供熱系統，后續使用過程中，一旦出現維修費用，分攤費用問題比較棘手。

4.2 方案二——坡屋頂部分光伏系統與平屋頂光熱系統的結合方式

1)設計中的具體做法。

a.兩個系統的安裝結合方式。

方案二采用坡屋頂部分光伏系統與平屋頂光熱系統的結合方式(見圖1)。

以東北長春為例，坡屋頂的角度選擇38°，在坡屋面安裝光伏發電系統，滿足住宅的日常用電需求；在圖1中平屋頂部分設置光熱系統，提供生活熱水。

b.系統形式。

光伏系統：同方案一。光熱系統：采用適于東北氣候特點的分體式真空管太陽能集熱器。

c.管道井位置。同方案一。

d.水箱設置的位置。分體式熱水器自帶水箱。

2)優點。

a.從建筑審美角度，方案二的材質結合方式較方案一更為協調，視覺效果更好。

b.坡屋頂和平屋頂部分安裝不同的兩個系統，系統之間相互不影響。

c.采用分戶供熱系統，后期的維護問題可以自行解決，有利于后期推廣運行。

5 結語

通過對上述的設計方案分析得知，設計前期考慮氣候條件、工程特點及現場條件等因素，能很好地實現光伏、光熱與建筑一體化形式。考慮到嚴寒地區的氣候條件及實際使用需求和限制，方案二更適合。利用坡屋頂設置光伏系統、平屋頂設置光熱系統可以說是嚴寒地區利用太陽能與建筑一體化結合的最佳方式。

隨著節能方式的進步，太陽能與建筑一體化研究的深入，真正意義上的綠色建筑最終會實現。

[1] GB 50176—93,民用建筑設計規范[S].

On optimal selection for design schemes for architectural integration with solar energy in rigid areas★

Ren Nannan

(UrbanConstructionCollege,JilinJianzhuUniversity,Changchun130000,China)

In order to lower the high energy consumption caused by the traditional coal burning, the paper compares and analyzes different design schemes for building photovoltaic-thermal cells and residential and architectural integration on roofs with the solar energy, and points out the solar energy integration schemes in rigid areas in Northeast of China, so as to reduce the negative influence on natural environment and resources.

rigid area, photovoltaic, thermal, architectural integration

1009-6825(2015)32-0174-03

2015-09-02★：吉教科合字[2014]第595號；吉教科合字[2014]第594號

任楠楠(1982- )，女，講師

TU201.5

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