零能耗建筑中太阳能的应用_叶晓莉

摘 要： 首先简单介绍零能耗建筑，指出该项技术的良好发展前景。其次，分析太阳能的应用价值和前景，指出当
前太阳能利用的两种主要方式。结合国内外零能耗建筑的发展状况和实例，介绍零能耗建筑中太阳能利用的常见
形式，围绕太阳能热利用和电利用两个重点，针对部分典型的零能耗建筑实例深入分析，总结其在太阳能热利用和
能、太阳能烟囱、太阳能光伏发电、太阳能采暖制冷 等技术，使其对太阳能的利用达到最大化，以满足建 筑采暖、制冷、生活热水、日常用电等所需能量，实现 建筑的零能耗运作。 2. 2. 2 太阳能电利用
太阳能光电技术的应用是零能耗建筑的另一大 热点和亮点，利用太阳电池或者太阳能发电技术，将 太阳能直接转化成电能进行利用，既达到了保障建 筑用电的目的，同时也减少了环境污染和破坏，有利 于可持续战略的 实 施。随 着 研 究 的 深 入 及 成 本 的 降低，在 未 来，太 阳 能 发 电 将 逐 渐 取 代 火 电 和 水 电。同时随 着 太 阳 能 薄 膜 的 研 究 成 功，今 后 的 建 筑表面可能 都 将 覆 盖 上 太 阳 能 薄 膜，将 太 阳 能 转 化成电能供 建 筑 使 用，在 建 筑 中 实 现 太 阳 能 利 用 的最大化［4］。表 2 所示为部分零能耗建筑中太阳 能电利用状况。
目前，太阳 能 利 用 方 式 主 要 有 热 利 用 和 电 利 用两种。热 利 用 是 通 过 太 阳 能 摄 取 热 能，电 利 用 是通过太阳能光电技术将太阳能转化为电能。近 年 来 ，随 着 相 关 技 术 的 突 破 发 展 ，太 阳 能 技 术 因 其
收稿日期： 2012-03-28 基金项目： 国家“十二五”国家科技支撑计划（ 2012BAJ04B03） 通讯作者： 端木琳（ 1959—） ，女，博士、教授，主要从事建筑环境特征和热泵技术领域方面的研究。duanmulin@ sina． com
增刊
叶晓莉等： 零能耗建筑中太阳能的应用
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要实现零 能 耗 运 行，建 筑 电 力 自 产 不 可 或 缺。 近年来，美国积极推广零能耗新技术应用，其推广的 零能耗建筑具有室内温度变化小、不怕停电、节约能 源和减少污染等优点，旨在最大程度地利用太阳能 等可再生能源，利用最先进的建筑材料以及已上市 的节能设备，达到房屋所需能源或电力 100% 自产 的目标［9］。
太阳房建设在零能耗建筑中较为常见。由表 1 可知，巧妙运用建筑本体结构，利用南向玻璃窗建设 太阳房，冬天利用太阳房吸收太阳热量，以提高建筑 室内温度，夏天利用太阳房向外散热，降低室温。这 种被动式利用太阳能的方式，只需稍微改进建筑围 护结构的朝向和材质等性能，并不会增加太多的成 本，但能起到较好的作用，利用太阳房有助于室内达 到冬暖夏凉的效果。
4 奥伯林学院刘易斯中心
美国 俄亥俄州
占地 面 积 1260m2 ，两 层 建 筑，设 有教室、办公室、演讲厅、环境研 约 400m2 太阳电池 究图书馆
5 明尼苏达科学屋
美国明尼苏达州 占地面积 1260m2 ，包 括 教 室、公
8. 8kWp 光伏发电系统
德卢斯市
共实验室、特别活动空间
6 “零能耗”生态幼儿园
所需。 以俄罗斯为例，俄罗斯大力推广的 “生态屋”就
是由零能 耗 建 筑 和 屋 旁 地 构 成 的。 “生 态 屋 ”主 要 靠太阳集热器供暖，不足部分以燃用可再生载能体 （ 秸秆、木材、沼气等） 的发热机补充。通过有效利
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太阳能学报
33 卷
用太阳热能和生物质能等其他可再生能源，有效实 现了建筑零能耗使用。
表 2 零能耗建筑中太阳能电利用状况 Table 2 Photovoltaic use of solar energy in zero energy buildings
序号
建筑名称
地理位置
概况
太阳能应用状况
英国伦敦 1 贝丁顿零能耗发展项目［7］
南部
占地面积 16500m2 ，包括 82 套公 777m2 太 阳 电 池， 年 供 电 寓和 2500m2 的办公和商住面积 量 8800kWh
8 oooPK 建筑［8］
中国武汉
建筑面 积 12762m2 ，华 中 科 技 大 屋顶光伏发电系统，所有发电均
学教学楼
并网，用电从电网输出
9 希望之家
英国萨里郡莫勒色 2 层，木结构，乡村零能耗住宅
1. 1kWp 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统， 真空管 太 阳 集 热 器 供 应 晚 春 到 初秋之间的家用热水
在零能耗建筑中，常采用主动式太阳能和被动 式太阳能利用相结合的方式，实现太阳能利用的最 大化。位于中国山东德州的道格拉斯零能耗别墅 （ 如表 1 所示） ，该建筑面积约 2340 m2 ，共 10 户，地 上 4 层，地下 1 层。建筑采用主动式太阳能和被动 式太阳能相结合的方式，利用太阳能光热、太阳能蓄
零能耗建筑基本不消耗煤炭、石油、电力等不可 再生能源就能维持建筑的正常运转，这种优点正是
实现建筑节能的最有效途径之一。由于基本不消耗 常规能源，零能耗建筑正日益成为人们关注的焦点。 然而，零能源建筑其实并不是一个新的概念，许多欧 美国家（ 如英国、美国、加拿大、德国） 均已发展零能 源建筑且已取得一定成果。一些区域国家 （ 如日 本、泰国和马来西亚） 也已开始发展。
第 33 卷 增刊 2012 年 12 月
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
文章编号： 0254-0096（2012） 增刊-0086-05
零能耗建筑中太阳能的应用
Vol． 33 Suppl Dec. ，2012
叶晓莉1 ，端木琳1 ，齐 杰2
（ 1. 大连理工大学，大连 116024； 2. 大连经济技术开发区供热有限公司，大连 116622）
2 能耗建筑中太阳能的利用
2. 1 太阳能在建筑中的应用价值
地球上的化石燃料资源是极其有限和不可再生 的，发展可再生能源既是未来能源技术储备的战略 需要，也是解决局部地区基本能源供应的现实选择。 因此，积极发展可再生能源对促进节能减排工作具 有意义重大。
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能 源，生物质能、风能、海洋能等其他形式的可再生能 源均来自于太阳能。广义太阳能即包含以上各种可 再生能源。如果将太阳能有效利用，对于减少二氧 化碳排放，保护生态环境，保证经济发展过程中能源 的持续稳定供应具有重大而深远的意义。
1308. 5MJ，运用了太阳能热水、太阳能采暖制
4
中国山东德州 下 1 层，地上 4 层，地下室为设备
别墅
冷、太阳能鹅卵石跨季节蓄能、被动式太阳房
层、蓄能层等，地上部分为住宅
等技术
5 希望之家［6］
英国萨里 2 层，木结构，乡村零能耗住宅
郡莫勒色
真空管太阳集热器供应晚春到初秋之间家用 热水
贝丁顿零能耗发展 英国伦敦 占地面积 16500m2 ，包括 82 套公 利用南向玻璃，82 个居住单元都建有阳光房，
增刊
叶晓莉等： 零能耗建筑中太阳能的应用
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具有节能、环 保、品 质 高 等 特 性，成 为 建 筑 节 能 领 域的一大研究热点。如何在建筑中更好地利用太 阳能就是当今建筑节能以及绿色建筑领域的一个 重要课题。
2. 2 零能耗建筑中太阳能应用状况
零能耗建筑的主要特点除强调建筑围护结构被 动式节能设计外，还大量使用太阳能、地热能、风能、 生物能等可再生能源。通过将建筑能源需求转向太 阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生能源的 举措，零能耗建筑为人类、建筑与环境和谐共生寻找 到良好的解决方案［2，3］。
表 1 零能耗建筑中太阳能热利用状况 Table 1 Solar energy heat utilization in zero energy buildings
序号
建筑名称
地理位置
概况
太阳能应用状况
宁波诺丁汉大学可
建筑面 积 约 1556m2 ，地 上 5 层， 114m2 太阳集热管，采暖时，利用太阳能驱动
德国北莱茵河威斯特法伦州
建筑面积 1000m2 ，低 层，木 结 构 光伏发电系统，可提供建筑 70%
框架
的能源需求
7 沪上生态家
中国上海
占 地 面 积 1300m2 ，建 筑 面 积 3017 m2 ，地上 4 层，地下 1 层
12kWp 光伏发电系统，分为光伏 屋顶发 电 系 统 和 南 立 面 光 伏 外 墙发电系统两部分
在零能耗建筑中，利用太阳能解决家居热水、生 活用电、制冷采暖、空气调节的用能问题，其应用在 建筑零能耗技术中尤为关键。
2. 2. 1 太阳能热利用 现阶段，太 阳 能 的 热 利 用 技 术 相 对 较 为 成 熟。
太阳能热利用技术包括被动式和主动式两种 形式［4］。
太阳能被动式应用是指利用房屋结构本身来完 成集热、蓄热和放热功能，主要利用南向或屋顶的窗 户使阳光进入室内，依靠室内的蓄热结构来蓄积太 阳能，或者直接利用蓄热外墙来完成对太阳能的蓄 积。目前，常用的被动式用法主要有直接受益式、集 热蓄热墙式、附加阳光间式、屋顶池式 4 种。太阳能 主动式应用指利用太阳集热器收集太阳能，然后加 以利用。目前，主动式太阳能系统在建筑中的热利 用，主要有采暖、制冷和热水供应 3 方面用途。表 1 所示为部分零能耗建筑中太阳能热利用状况。
完全依靠太阳能，达到太阳能主动、被动技术
天 津 大 学“零 能
3
中国天津 建筑面积 74m2 ，1 层，一室一厅 有机结合，实现太阳能冬季采暖、夏季制冷、
耗”未来小屋
全年提供生活热水
建筑 面 积 1252m2 ，框 架 结 构，地 139. 5m2 太 阳 集 热 器，日 平 均 集 热 量
道格 拉 斯 零 能 耗
1 持续能源技术研究 中国宁波 地下 1 层，地上建筑面积仅占总 吸收式溴化锂冷水机组，采暖时则作为空调