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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，應充分利用太陽能實現公共建筑的超低能耗。通過介紹幾種主被動太陽能技術，并對主被動結合式太陽能技術在超低能耗公共建筑中的應用效果進行分析，為之后的研究提供依據。

關鍵詞：超低能耗；公共建筑；太陽能

1概述

近年來，我國大力發展城鎮化，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，在完成建筑節能“三步走”戰略目標之后，進一步推廣高性能的超低能耗公共建筑，對我國建筑節能事業的發展可以起到示范作用，推動相關產業革新，有助于實現我國“碳達峰、碳中和”目標。目前，我國超低能耗建筑的技術路線是采用高保溫性能的圍護結構、高效熱回收新風系統和高效熱泵系統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、便于利用等優點，其主被動節能技術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評價指標

2019年發布的《近零能耗建筑技術標準》［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比現行國家標準和行業標準的能耗要求降低50％以上，嚴寒和寒冷地區的本體節能率應不小于25％，氣密性滿足N50≤1．0，其他地區要求本體節能率不小于20％。根據GB／T50801—2013可再生能源應用工程評價標準［3］，對于太陽能系統的評價主要以太陽能熱利用系統的太陽能保證率和太陽能光伏系統的光電轉換效率為指標，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的地區年輻射量大于5000MJ／m2、年日照時數在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、貴州等部分區域太陽能輻射資源相對較低外，我國絕大部分地區均為太陽能資源可利用的區域。因此利用太陽能技術實現建筑節能是切實可行的。

4主被動結合式太陽能技術及應用

主被動結合式太陽能技術由被動式太陽能技術和主動式太陽能技術兩部分組成。被動式太陽能技術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。主動式太陽能技術按照對太陽能的利用形式，目前在超低能耗建筑中應用較為廣泛的主要有太陽能光伏發電和太陽能熱利用。

4．1太陽能光伏發電

光伏發電技術是應用光生伏特效應，將太陽能轉換成電能，轉化的電能可以供建筑直接使用或并入電網。太陽能電池板既可以安裝在屋面，也可以設置在建筑立面與玻璃結合形成光伏幕墻，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。光伏板與圍護結構間常設有空腔，以避免建筑外表面出現過熱現象。空腔內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無孔光伏幕墻，更有利于發電。劉瑞囡［7］采用EnergyPlus軟件，建立普通辦公建筑和鋪設光伏幕墻的辦公建筑模型，通過能耗模擬計算，光伏幕墻＋通風空腔的結構能在夏季節約1．37％的空調能耗，光伏幕墻＋封閉空腔的結構能在冬季節約9．64％的采暖能耗。

4．2太陽能熱利用系統

太陽能熱利用系統按照使用目的可以分為太陽能熱水采暖系統和太陽能空調系統。太陽能熱水采暖系統由太陽能集熱器、蓄熱裝置、輔助加熱裝置和末端設備組成。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備供室內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］對石河子地區某辦公建筑的太陽能－空氣源熱泵系統進行實測研究，該系統的太陽能集熱器和空氣源熱泵采用并聯間膨式構造，根據水箱和環境溫度啟停集熱器和空氣源熱泵，研究發現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煤55．02kg。孫譽桐等［9］提出一種新型太陽能－空氣源熱泵系統，其冷凝器為基于相變材料設計的儲能冷凝器。該儲能冷凝器通過無機相變材料的相變過程實現熱量的存儲與釋放，相比傳統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系。太陽能空調系統是利用太陽能集熱器加熱熱媒，驅動熱力制冷系統的空調系統，主要由太陽能集熱系統、熱力制冷系統、蓄能系統、空調末端系統、輔助能源以及控制系統六部分組成。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，被廣泛應用于我國的太陽能空調系統。ZhifengSun等［10］對北京某近零能耗辦公樓進行能耗監測，該建筑采用太陽能耦合地源熱泵的供暖制冷系統承擔室內冷熱負荷，由地源熱泵作為系統輔助能源。實測結果表明在夏季太陽能空調系統的貢獻率為25．2％，效果良好。孫峙峰等［11］在前述示范建筑的太陽能空調系統的基礎上，向傳統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系統的太陽能保證率提高17．5％。4．3主被動結合式太陽能技術應用案例4．3．1主被動結合式太陽能技術在冬季采暖的應用。馬文生等［12］曾對青藏地區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－空氣源熱泵系統相結合的主被動技術，在建筑南面設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供暖。研究人員利用TRNSYS建模分析，發現陽光間可有效保障南向房間溫度；太陽能空氣源耦合系統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％。該結果表明陽光間與太陽能空氣源熱泵系統的組合可以充分利用太陽輻射資源，具有良好的節能和環保效益，在青藏高寒地區具備一定適用性，對該地區推廣超低能耗公共建筑和太陽能技術具有指導意義。沈陽建筑大學節能示范樓是我國嚴寒地區第一棟實現近零能耗的辦公建筑。該建筑在南側外墻設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，空腔內熱空氣經上部風管送至熱泵機房，提高空氣源熱泵機組COP，換熱后的冷空氣經下部風管送回空腔，形成循環；冬季夜晚風口關閉，利用集熱蓄熱墻放熱維持室內溫度。建筑屋頂設置太陽能光伏板，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進行實時監測，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％，節能潛力巨大。4．3．2主被動結合式太陽能技術在夏季制冷通風的應用。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置“可呼吸”玻璃幕墻，幕墻空腔設有10個通風口，利用熱壓進行自然通風，從而減小室內冷負荷；采用太陽能－地源熱泵復合熱水系統，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冷熱負荷。此外該建筑還采用光伏發電為建筑直接供電。根據第一年的運行數據，該建筑年單位面積耗電量為46．66kW·h／a，較基準建筑節能率達到79．11％，節能效益顯著［14］。中國科學技術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對該示范建筑的太陽能貢獻率為50．1％；太陽能光伏系統全年可獲得3885．0kW·h的太陽能發電量。

5總結與展望

基于上述主被動結合式太陽能技術及其示范建筑，可以得到如下結論和建議：1）公共建筑具有人流密集、功能多樣、結構復雜等特點，在我國建筑能耗中占比最大，應充分利用我國豐富的太陽能資源實現超低能耗。2）光伏幕墻是光伏發電與集熱蓄熱墻的結合形式，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相結合的形式節能效益顯著，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的太陽能保證率受室外環境和天氣的影響，應采用空氣源熱泵或地源熱泵等輔助能源保證系統穩定運行。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）現階段我國主被動結合式太陽能技術的研究多針對某一示范建筑，缺少主被動結合的理論模型，這還有待后續進一步研究。

作者:梁驍 陳偉嬌 單位:北方工業大學