王 鵬，鞠振河，鞏贊超

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

房屋節(jié)能及光伏發(fā)電的高效利用

王 鵬，鞠振河，鞏贊超

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

近年來，光伏發(fā)電越來越得到重視，光伏建筑得到大規(guī)模發(fā)展。對德國太陽能房建筑和中國古代及現代建筑特點進行研究，以沈陽為典型對農村房屋進行改造，計算出改造成本和安裝光伏太陽能板所需費用，以及成本回收期和盈利情況，使得光伏發(fā)電得到高效利用，并推廣到整個農村的房屋建設中。

光伏發(fā)電；光伏建筑；利用率；改造成本；回收期

在全球經濟一體化的前提下，近年來國內社會經濟問題與國際環(huán)境緊密聯系，自上世紀90年代開始，中國的經濟高速增長。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，城市化已成為社會經濟發(fā)展的主體。與此同時，人們也發(fā)現伴隨著經濟的發(fā)展，工業(yè)化和城市化的實現給自然資源以及生態(tài)環(huán)境帶來了不利影響。對自然資源，尤其是對化石能源的過度開采，將勢必導致資源枯竭現象的出現，這必然將成為中國經濟發(fā)展的瓶頸。與此同時，整個世界都依賴于化石燃料，會破壞大氣，造成空氣的污染，溫室效應的發(fā)生。隨著社會的進步，能源與環(huán)境的壓力將越來越大，節(jié)能減排的呼聲也越來越高，可再生能源的發(fā)展必然成為人類的選擇[1]。每年太陽輻射到地球的能源是地球自身能量消耗的1 200倍，太陽能資源的合理開發(fā)是解決問題的關鍵[2]。

1 太陽能光伏建筑一體化

太陽能光伏建筑一體化技術是太陽能產品或技術與建筑技術的結合。它不僅具有外部保護結構的功能，而且還可以產生建筑用電[3]。太陽能與建筑一體化是建筑節(jié)能的一個新概念，是建筑節(jié)能和可再生能源的一個新的范疇。所謂太陽能光伏建筑一體化不是簡單太陽能光伏與建筑的加法，而是根據能源的節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀、經濟性的要求，將太陽能光伏發(fā)電作為建筑施工領域的一個系統，納入到基建程序的工程建設中的一般術語[4]。

現在常見的光伏建筑一體化是將太陽能板建立在建筑的屋頂上。在整個太陽能光伏建筑中，光伏屋頂發(fā)電占到75%左右，屋頂有更好的采光面積，且安裝方便。此外，現代高層建筑都被玻璃幕墻還有鋁塑幕墻包裹著，所以還可以用太陽能幕墻替換原有的幕墻[5]。此外，光伏與建筑相結合，可以實現電力的就地上網，無需額外加設輸電線路，有效地減少了輸電線路的投資以及損失，節(jié)省了建筑材料[6]。

2 國內外光伏建筑的特點

2.1 國外建筑特點

以德國太陽能建筑為例，近年來，德國在對太陽能住宅的研究和設計方面取得了很大成功，能夠自給自足的新型能源住宅也隨之出現。

德國太陽能住宅區(qū)的技術特點如下：外墻方面，靠近陽臺護欄和通風口使用的都是真空玻璃，保溫效果是普通材料的10倍；墻壁、地板和地面使用的都是通風材料，使室內空氣形成對流，達到冬暖夏涼的效果；建筑屋頂由太陽能板鋪成；在介于一、二層之間的隔板之間安裝了一個“冷凍蓄電池”，房間內的溫度可以自動調節(jié)，通風系統24 h不間斷向室內輸送新鮮空氣，保持室內溫度。

圖1 德國太陽能建筑

目前在德國，一個小的建筑或別墅都可以用太陽能來加熱和供應熱水，而且太陽能還可以用在集體住宅或多戶型公寓。

由于太陽能住宅在節(jié)能方面效果明顯，而且對環(huán)境無污染，在德國已經開始在整幢住宅建設方面采用太陽能采暖。

2.2 國內古代與現代建筑特點

封建社會時期的建筑主要屬于木框架結構體系，使用木材作為建筑材料，木梁柱作為承重骨架，木材、土或其他材料作為圍護結構。古代建筑創(chuàng)建和使用斗拱結構形式，斗拱是中國古代建筑體系的獨特形式，它是上部結構與梁柱之間傳遞荷載的結構部件，也具有美麗和華麗的風格，因此成為建筑的主要的裝飾部分。斗拱是結構功能和裝飾功能的集成化，是中國建筑體系中獨特的組成部分。古代建筑的最大優(yōu)點在于易于使用和快速建造。但由于使用大量的木材，時間長，加上自然破壞，戰(zhàn)爭的影響，往往使大量的古建筑無法保存。

圖2 國內古代建筑

現代的建筑材料種類繁多，可大致分為：無機膠凝材料、混凝土、建筑砂漿、墻體材料、建筑鋼材、防水材料、絕熱、吸聲材料、木材和建筑裝飾裝修材料。

圖3 國內現代建筑

無機膠凝材料分為剛性無機膠凝材料和水硬性無機膠凝材料。其中剛性無機膠凝材料可分為石灰、石膏和水玻璃。水硬性無機膠凝材料分為普通硅酸鹽水泥、特種水泥和專用水泥。混凝土分為普通混凝土、特殊混凝土和新型混凝土。墻體材料可分為磚、砌塊和輕質墻板。墻體材料可分為砌墻磚、建筑砌塊和輕質墻板。建筑用鋼按碳含量可分為碳素鋼和合金鋼；按性能可分為普通碳素結構鋼和優(yōu)質碳素結構鋼以及高強度低合金鋼、熱軋鋼和冷鋼成品鋼；按形狀可分為型鋼、鋼板和鋼管。防水材料可分為瀝青、防水卷材、其他瀝青防水產品。保溫吸聲材料可分為無機材料和有機材料。建筑裝飾材料可分為裝飾石、裝飾陶瓷制品、建筑玻璃、建筑裝飾、塑料裝飾漆和金屬裝飾材料等。

越來越多的現代建筑趨向于高層化，有利于節(jié)省建筑面積，適用于解決現代城市住宅的問題。高層建筑的周期往往很長，從一年到十年不等，甚至更長的時間。

3 東北農村的傳統供暖方式

1) 火炕采暖。

東北地區(qū)由于冬季比較寒冷，農村大部分以火炕作為主要的采暖方式。屋子里的灶臺和臥室僅一墻之隔，木材和柴火作為有效的資源并不衛(wèi)生，而且使用過程中熱量損耗較多，勞動強度大，加熱溫度控制不易把握。由于通風不合理，從添柴口進入的空氣不能直接與燃料層和燃料混合，使燃料不能完全燃燒。同時，從添材口進入大量的冷空氣，當它通過燃料表面時，降低了灶內的溫度。更嚴重的是，一些不完全燃燒的氣體排放到大氣中，直接影響空氣質量，造成當地產生霧霾。

2) 燒爐采暖。

將爐子與煙囪相接并延伸到室外，利用空氣對流和輻射換熱，以提高室內溫度。但由于煤的品質不同，所產生的熱量不穩(wěn)定，副產物多，熱效率低，燃燒不完全所產生的有害氣體造成大氣污染，清潔程度差，循環(huán)不好，易造成一氧化碳中毒[7]。

4 住宅條件分析

通過調查，對東北農村住宅的總體結構、冬季能耗進行了研究，并對系統進行了優(yōu)化。使用太陽能光伏發(fā)電以補償能源，摒棄農村地區(qū)傳統的取暖方式，以達到環(huán)保和清潔的目的。規(guī)劃出冬季東北農村地區(qū)房屋使用太陽能用電的方案，對經濟進行優(yōu)化，并制定出最合適的方案。

4.1 東北地區(qū)地理氣候條件

東北地區(qū)位于東經115°～135°，北緯40°～53°，全年平均太陽輻射量為4 200～5 850 MJ/m2。冬季氣候寒冷干燥，但日輻射仍可在6 h以上，月日照一般在170～190 h左右，為太陽能的開發(fā)利用創(chuàng)造了有利條件。東北地區(qū)冬季寒冷漫長，可達6個月，若按平均溫度0 ℃以下為寒冬，則5個月(11月～次年3月)為寒冬。根據近年來東北地區(qū)氣象數據得到：東北地區(qū)室外最低溫度平均值為-32 ℃，最高平均溫度約10 ℃，可得東北地區(qū)冬季的平均溫度為-11 ℃。

4.2 東北農村房屋基本模型結構

據調查，東北地區(qū)農村房屋大致為100～200 m2，取平均150 m2，坐北朝南。內部標準四室一廳結構，普通粘土磚墻體結構。根據照明和供暖的要求，東墻和西墻沒有窗戶，南墻的窗戶一般是4個，而且面積較大；北墻的窗戶一般是2個，但面積比較??；窗戶為單層塑鋼窗；南墻和北墻各有一扇木門。平面圖如圖4所示。

圖4 東北地區(qū)農村房屋基本平面圖

4.3 東北地區(qū)農村房屋能耗損失計算

房屋損失掉的熱量主要是來自于圍護結構(門、窗、墻、地板、屋頂)，房屋通風的損失可以忽略。房屋內部生活能量的主要來源是住戶的能量釋放(1個成年人坐著時平均能量釋放是100 W)。以1個三口之家(丈夫、妻子、兒女)作為研究對象[8]，房間的總面積為120 m2(12 m×10 m)，房屋高為3.5 m。人體舒適的室內溫度為19 ℃，東北地區(qū)冬季室外平均溫度為-11 ℃。建筑圍護結構如表1所示。

表1 建筑圍護結構參數

門的熱損失=門的面積×門的U值×ΔT=4×2.8×30=336 W；

窗戶的熱損失=窗戶的面積×窗戶的U值×ΔT=7.2×4.89×30=1 056.24 W；

墻的熱損失=墻的面積×墻的U 值×ΔT=142.8×1.318×30=5 646.312 W；

地面的熱損失=室內地面面積×地面的U值×ΔT=120×0.52×30=1 872 W；

屋頂的熱損失=屋頂表面面積×屋頂的U 值×ΔT=127.68×1.077×30=4 125.341 W；

居住者平均釋放能量為300 W。

其中，ΔT 為室內室外的溫度差。

房屋總熱量損失為：336+1 056.24+5 646.312+1 872+4 125.341-300=12 735.893 W。

4.4 房屋優(yōu)化

建筑圍護結構的熱損失和房間內的總熱損失的比例如圖5所示。墻體占比重最大，占室內總熱損的44.3%左右；其次是屋頂和地面，分別占房間總熱損失的32.3%和14.7%，根據初步的房屋損失計算發(fā)現，能源消耗較大，預計需要的光伏設計成本較高，跟實際情況有一定的差距。此外，由于農村房屋的保溫性能差的特點，墻體和地面的熱損失是住房的主要能源損失。對住宅的墻體和窗戶的結構進行優(yōu)化，得到了相對合理的經濟性的光伏設計方案[9]。

圖5 圍護結構的熱量損失與房間內總熱量損失的比值

4.4.1 對墻體的優(yōu)化

表2 為常見的外墻保溫材料的傳熱系數。

表2 常見外墻保溫材料的傳熱系數

對幾種外墻保溫材料的傳熱系數、經濟成本的比較，選出擠塑聚苯板(XPS)作為外墻保溫材料。擠塑聚苯板(XPS)的價格低，保溫性能好，廣泛應用于墻體保溫，導熱系數小于0.028 W·(m2·K)-1。

4.4.2 對窗戶的優(yōu)化

根據當地的農村經濟情況，在不改變現有的窗戶材料結構前提下，在現有的玻璃窗貼上一層30 μm 厚的聚酯薄膜，數據顯示，這樣可以減少窗戶熱損失的60%。

4.4.3 對屋頂的優(yōu)化

在屋頂上鋪設保溫材料，如鋪設摻雜石灰粉的稻草(確保天花板能承受住保溫材料的負荷要求)。

4.4.4 優(yōu)化后的熱量損失

房屋總熱量在優(yōu)化后的損失為：336+422.48+2 399.04+1 872+2 432.3-300=7 161.82 W。經實際優(yōu)化后發(fā)現，房屋的熱損失減少了43.8%，且效果明顯，節(jié)約了成本。

表3 優(yōu)化后房屋圍護結構參數

4.5 太陽能在農村取暖中的應用

作為一種清潔、高效的能源，太陽能被越來越多的應用在房屋建筑中，地球每年可從太陽獲取高達6×1 017 kW·h的能量，東北地區(qū)平均年輻射量約為5 000 MJ/m2，豐富的資源給農村太陽能供熱建設提供了有利條件。

4.5.1 對太陽能電池參數的確定

設計原則：在滿足負載需求的情況下，選擇功率和電池容量最小的太陽能電池組件，并降低初始投資。在設計方面，太陽能模塊應滿足“全年均衡，弱季最大”，在東北，接收太陽輻射最弱的是12月。

1)平均峰值日照時間Tm

以一個120 m2的帶脊房屋為例，沈陽的地理坐標為123.38E、41.8N，房屋都是坐北朝南，可以在南面屋頂上安裝太陽能板，查詢相關的數據可得，平均實際日照時數為7 h，根據遼寧省地方規(guī)程《太陽能光伏與建筑一體化技術規(guī)程》所述，沈陽地區(qū)最佳傾角約為41°，平均峰值日照時間Tm為4.56 h，最小峰值日照時數為3.68 h。由于沈陽農村瓦房傾斜的角度一般為15°到30°。在這種情況下，依據當地規(guī)定，可以得到平均峰值日照時間為4.49 h[10]。

圖6 太陽能光伏系統

2)太陽能電池板的確定

(1)

式中，K1為環(huán)境溫度，取0.93；K2為污染損失，取0.96；K3為最大功率損耗，取0.94；K4為太陽能電池板串并聯損耗，取0.95；K5為直流線損，取0.97；K6為系統中整流、逆變，取0.97；K7為電池損失，取0.7。計算得w約為15 048.5 W～14 421.5 W。

通過查找電池板規(guī)格型號表，選用150(17) P1470×680×25的電池板，峰值功率為150 W，峰值電壓為18.5 V。組件排列形式為4串24并，共96塊電池板。

4.5.2 太陽能光伏采暖方案

根據房頂的實際面積，屋頂只能安裝4串10并的電池板，總裝機容量6 kW，剩余的電池板則需要通過其他形式補充，才能使房間的溫度穩(wěn)定在19 ℃。此時太陽板1天能發(fā)電21.5 kWh，這些電量可實行并網發(fā)電，即自發(fā)自用，余量上網。自發(fā)自用的光伏電量滿足自己使用，國家按照自用電量給予補貼，剩余的上網電量除了電網企業(yè)支付的脫硫燃煤火電機組上網標桿電價外，還享有國家的補貼。若按30%自用，沈陽市電價為每千瓦時0.5元，國家電價補貼標準為每千瓦時0.42元，則每千瓦時共補電價0.95元，自用部分電補貼為21.5×30%×0.95=6.12元，其余70%全部上網，按光伏上網電價為每千瓦0.88元，則上網補貼為21.5×70%×0.88=13.244元，每天共補貼13.244+6.12=19.364元。

圖7 光伏電站系統原理

4.6 經濟性能分析

若全部安裝太陽能板可達15 kW，按照目前市場的家庭光伏系統7～8元/W計算，優(yōu)化前的初始投資達到11.2萬元，對現有的農村居民經濟條件來說，這是很困難的。房屋結構優(yōu)化以后，太陽能電池板的總功率減少到6 kW，安裝太陽能電池板花費約4.5萬元，加上5 000元的建筑圍護結構節(jié)能改造費用，共需花費5萬元，用戶還可以接受，按照每天所發(fā)電量可得到19.364元的補貼，可算出投資回收期為7.1年，而太陽能電池板一般使用壽命為25年，則剩下每年可賺7 068元，到期收益為12.72萬元。

5 結 語

通過對德國，中國古代及近代農村房屋特點的分析，對現有住宅建筑圍護結構的熱損失進行了研究，并對墻體、門窗進行了優(yōu)化，利用太陽能清潔高效的特點，提出了一種用新型的太陽能采暖給農村住宅供暖的方法。隨著太陽能發(fā)電技術的不斷改進，基本上能夠滿足冬季農村居民采暖的要求。

通過使用太陽能，不僅可以解決東北地區(qū)農村住宅供暖問題，減輕霧霾，同時，它也給居民帶來了可觀的收益，從長遠角度觀察，是一種理想的農村采暖措施。這種小型家庭分布式發(fā)電的推廣，從安全、健康、環(huán)保、清潔方面考慮都能夠滿足建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的需求。對環(huán)境污染的控制，減少霧霾提供了一個可行的方案，在促進中國的經濟和社會發(fā)展，能源與環(huán)境保護方面能夠起到巨大的作用。

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(責任編輯 佟金鍇 校對 魏靜敏)

Building Energy Saving and Efficient Utilization of Photovoltaic Power Generation

WANG Peng,JU Zhen-he,GONG Zhan-chao

(School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

With the high-speed development of economy and the improvement of the life level and the economy capacity in China,people has been paying much more attention to the living environment,the modern city construction,energy structure optimization,environmental protection,greenhouse gas emissions reduction and clean energy utilization.In recent years,growing concerns has been given in photovoltaic power generation and photovoltaic building has obtained the large-scale development.Choosing the transformation of rural houses in Shenyang as a typical case,this paper calculated the cost of renovation and installation of photovoltaic solar panels and the cost recovery period and the profit based on the study of the characteristics of solar energy house building in Germany,ancient and modern Chinese architecture.This research can promote the efficient use of solar photovoltaic power generation and is helpful to its promotion in all rural housing construction.

Photovoltaic power generation；Photovoltaic building；Renovation cost；Recovery period cost；Profit

2016-03-15

王 鵬(1987-)，男，遼寧丹東人，碩士研究生。

鞠振河(1962-)，男，遼寧開原人，教授，博士，碩士生導師，主要從事太陽能應用科學技術方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.003

TM615

A

1673-1603(2016)04-0302-06