[中文]孙畅,张磊,鞠晓磊.太阳能建筑的研究进展综述[J].太阳能,2024,(07):70-78.
DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20240328.01文章编号：1003-0417(2024)07-70-09
太阳能建筑的研究进展综述
孙 畅 *，张 磊，鞠晓磊
( 中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)
摘 要：对被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑的应用现状和研究进展进行阐述，并对主动式太阳能建筑中可与建筑相结合的太阳能热利用技术和可与建筑相结合的光伏发电技术进行分析。结果表明：1) 被动式太阳能建筑技术研究方法逐渐由定性分析为主转向定性、定量和综合分析，并以节能低碳、室内热舒适度、设计优化及相变材料的应用作为研究重点。2) 系统的性能系数和太阳能保证率是建筑太阳能热利用技术的研究重点，设备选型、系统设计、运行策略是主要研究内容；阴、雨、雪天等太阳能无法利用的工况多采用太阳能辅助热泵供暖系统。3) 增强光伏组件通风性可使光伏组件降温，提升光伏建筑一体化 (BIPV) 建筑的光伏发电量；回收利用光伏发电伴生热量有助于提升能源综合利用率。
关键词：被动式太阳能建筑；主动式太阳能建筑；光伏建筑一体化；太阳能热水系统；太阳能供暖；太阳能空调制冷
中图分类号：TU29 文献标志码：A
2023 年 3 月，联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 正式发布第 6 次评估报告的综合报告《气候变化 2023》，该报告预测在 2021—2040 年内，全球温升将达到 1.5 ℃。大量使用化石燃料导致温室效应，调整能源结构是减缓全球变暖的重要路径。对于占全球终端能源消耗 30%的建筑行业而言，广泛应用以太阳能为主的可再生能源，是减少化石燃料依赖、实现低碳建筑的有效解决方案。
20 世纪 70 年代爆发的能源危机促进了太阳能的开发利用，主要侧重于单纯的太阳能热利用和光伏发电，然而将太阳能与建筑相结合的概念，当时并未得到广泛关注。1992 年的“联合国世界环境与发展大会”和 1996 年的“世界太阳能高峰会议”召开，推动和发展了太阳能在建筑中的应用 [1]。当前，太阳能建筑主要包括被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑两类。本文对被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑的应用现状和研究进展进行阐述，并对主动式太阳能建筑中可与建筑相结合的太阳能热利用技术和可与建筑相结合的光伏发电技术进行分析。
1 被动式太阳能建筑
近年来，对于被动式太阳能建筑的研究逐步关注室内环境质量和建筑整体性能，注重城市规划与建筑设计整合分析，研究方法论由“现象—问题—策略”向“问题—规律机制—优化调控”转变。JGJ/T 267—2012《被动式太阳能建筑技术规范》对被动式太阳能建筑的规划、技术集成、施工验收等方面提出了明确要求。被动式太阳能建筑的发展历程分为 3 个阶段 [1]，研究方法逐渐由定性分析为主转向定性、定量和综合分析，具体如表 1 所示。
针对被动式太阳能建筑的研究，下文分别从节能低碳、室内热舒适度、设计优化及相变材料的应用等方面进行分析。
1.1 节能低碳
Li 等 [2] 提出了一种改进的“白盒”动态建筑热模型，用于预测被动式太阳能建筑的室内热环境和采暖消耗，研究结果表明：太阳辐射可有效降低建筑热负荷。Chen 等 [3] 构建了主动式和被动式太阳能采暖系统协同仿真模型，建立了以建筑和主动式系统碳排放最小为目标的优化模型，优化后系统的碳排放总量比被动式太阳能建筑和锅炉联合供暖时的碳排放总量减少了26.5%～50.3%。Sivaram 等 [4] 提出了一种改进型集成被动式太阳能系统的建筑，其利用太阳能蒸馏器的热能进行空气通风，每年可减少 17.5 kg的二氧化碳排放量。
1.2 室内热舒适度
Zhu 等 [5] 针对秦巴山区被动式太阳能建筑的仿真研究结果表明：增加太阳能房可将冬季农宅室内温度提高 1.1 ℃左右。通过对印度的某被动式太阳能建筑进行研究发现：相较于常规建筑，该建筑的热损失减少了约 35%[6]，冬季室内温度约为 15.0～17.7 ℃[7]。川西高原的某被动式太阳能采暖建筑的冬季室温为 8.5～21.2 ℃[8]，该建筑的室内最低温度比建筑改造前 ( 原建筑 ) 高 11.9℃，大部分时间室内温度可保持在 10 ℃以上，显著提高了室内热舒适度。Gong 等 [9] 提出了一种与平面重力辅助热管相结合的新型被动式太阳能建筑，其冬季室内平均温度达到了 16.7 ℃，比参考房屋的高 6.8 ℃。
1.3 设计优化
Qiu 等 [10] 提出了一种综合数据挖掘技术和能源参数的模拟方法，对湿热气候下被动式太阳能办公楼围护结构设计时的关键影响因素进行探索，结果表明：玻璃系统、窗墙比和屋顶涂层是设计的关键影响因素。Sivaram 等 [11] 开发了一种集成被动式太阳能技术的建筑，使该建筑的室内换气频次可达 12 次 /h。Ménard 等 [12] 将窗户设计为可调节的立面，以适应天气和使用场景的变化，有效提高了被动式太阳能建筑在冬天的采暖潜力。
1.4 相变材料的应用
Gresse 等 [13]、Bao 等 [14] 采用微型相变材料、纳米二氧化硅和碳纤维制备了高性能胶凝复合材料，将太阳能储存在被动式太阳能建筑中。Zhou等 [15] 提出了一种可应用于被动式太阳能建筑的包含相变材料的动态集热墙 ( 即特朗勃墙 )，该动态集热墙的总体集热效率提高了 20%。Sayed等 [16] 将热水器和相变材料应用于埃及地区住宅的太阳能烟囱作为被动式太阳能冷却技术，与短风塔结合，使全天室内温度降低 4～8 K。Zhang等 [17] 将相变温度为 18 ℃、厚度为 30 mm 的相变材料应用于被动式太阳能建筑，使其冬天的采暖能耗降低了 20.76%。Zhang 等 [18] 设计了一种采用新型围护结构的被动式太阳能建筑墙体，白天时，墙体中的相变材料层被夹在外层砖层和绝缘层之间；日落之后，相变材料层与绝缘层交换位置，此种墙体的节能率高达 89%。
1.5 小结
综上可知，被动式太阳能建筑的研究集中在：1) 以碳排放、室内温度、节能率为目标，通过采用实证研究、仿真模拟、现场测试等方法开展研究；2) 被动式太阳能建筑能有效降低碳排放量、提高室内热舒适度；3) 玻璃系统和窗墙比是设计时的关键影响因素，将外窗设置为可调立面可提高被动式太阳能建筑冬季时的采暖潜力；4) 相变材料广泛应用于被动式太阳能建筑，使建筑的节能效果和舒适性良好。
2 主动式太阳能建筑
主动式太阳能建筑是指通过太阳能热利用、光伏发电等可控技术，对太阳能进行收集、蓄存和使用，使太阳能成为主要能源的节能建筑 [19]。可与建筑结合的太阳能热利用技术包括太阳能热水技术、太阳能空调制冷技术和太阳能供暖技术等；而可与建筑结合的光伏发电技术包括在现有建筑上安装光伏发电系统 (BAPV) 技术和光伏建筑一体化 (BIPV) 技术，本文仅分析 BIPV 技术。
2.1 太阳能热水技术
太阳能热水系统是太阳能热水技术的主要应用形式。此类系统广泛应用于住宅建筑中，在节能减排方面发挥了重要作用。GB 50364—2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》对太阳能热水系统的设计、施工、调试验收、运行维护等提出了明确规定。
2.1.1 系统形式
早期的太阳能热水系统为无辅助热源的自然循环系统，但随着技术进步，目前的太阳能热水系统多为有辅助热源的系统。太阳能热水系统的循环形式包括无动力集热循环、自然循环、强制循环等多种类型。15S128《太阳能集中热水系统选用与安装》给出了太阳能集中热水系统的形式与适用范围，提供了较为成熟的太阳能集中热水系统示意图，并明确了控制要求。
2.1.2 性能优化研究
研究人员提出了多种方法来优化太阳能热水系统性能，包括提高设备性能 [20-21]、优化系统设计 [22]、与其他系统联合运行以提高整体的能源利用率 [23-24]。
运行策略对太阳能热水系统能效的影响幅度约为 8%～18%[25]，可从提高太阳能热水系统集热效率、降低水泵能耗 [26] 和降低运行成本 [27] 等角度来优化太阳能热水系统的运行策略。Bernardo 等 [28]通过降低设定的辅助加热器温度来优化太阳能热水系统的运行策略，使安装于隆德市、里斯本市和卢萨卡市的太阳能热水系统的太阳能保证率分别达 60%、78% 和 81%。Ntsaluba 等 [29] 研究了一种循环泵流量控制方法，并应用于具有两个圆形回路的间接热交换太阳能热水系统，使系统集热量增加了 7.82%。Araujo 等 [30] 发现太阳能热水系统采用比例控制策略时，其太阳能保证率比采用开关控制策略时高 50% 以上。Li 等 [31] 提出了一种简单灵活的循环泵和辅助热泵控制优化策略，使太阳能热水系统的能耗降低了 32.9%。
2.2 太阳能空调制冷技术
太阳能空调制冷技术是通过利用由太阳能集热器收集的太阳辐射能来驱动制冷设备工作，从而为室内降温。常见的太阳能空调制冷系统包括太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统和太阳能干燥冷却系统 3 种类型。
2.2.1 太阳能吸收式制冷系统
太阳能吸收式制冷系统通常使用氨 - 水或溴化锂 - 水工质对作为制冷工质 [32]。Jayadeep等 [33] 的研究表明：在太阳能空调制冷技术中，太阳能吸收式制冷系统是最经济可行的选择；与氨 - 水相比，溴化锂 - 水工质对具有更高的性能系数和较低的发电机温度要求，更适用于太阳能吸收式制冷系统。
学者通常采用计算机模拟工具来评估和优化太阳能吸收式制冷系统的性能。Bakhtiari 等 [34]采用实验和仿真来分析某 14 kW 单极溴化锂太阳能吸收式制冷系统，结果表明：制冷工质的流量和温度对太阳能吸收式制冷系统的性能影响很大。Saleh 等 [35] 研究发现：选择合适的部件温度可使太阳能吸收式制冷系统吸收装置的性能系数值超过 0.8；制冷工质的温度高于 40 ℃会显著降低制冷系统的性能。Shirazi 等 [36] 的仿真结果表明：以系统能耗、经济性和环保性为优化目标，具有供暖和制冷双重效果的太阳能吸收式制冷系统的综合性能最优。
2.2.2 太阳能吸附式制冷系统
太阳能吸附式制冷系统利用硅胶、沸石等固体吸附材料来吸附空气中的水蒸气，而太阳能集热器通过加热吸附材料来促进制冷剂解吸，释放水蒸气并产生冷却效果 [37]。
2.2.3 太阳能干燥冷却系统
太阳能干燥冷却系统的工作原理与太阳能吸附式制冷系统相似，其使用固体吸附材料作为干燥剂，吸收空气中的水分，然后利用太阳能热量再生干燥剂，释放水分；干燥空气通过冷却装置用于制冷。
2.3 太阳能供暖技术
太阳能供暖系统是太阳能供暖技术的主要应用形式。此类系统将热能储存在蓄热水箱，用于满足建筑冬季热负荷 [38]。GB 50495—2019《太阳能供热采暖工程技术标准》对太阳能供暖系统的负荷计算方式，设备选型，系统的设计施工、调试验收等方面均提出了详细要求。
2.3.1 系统形式
太阳能供暖系统通常由太阳集热系统、循环系统、蓄热系统、散热系统等组成 [39]。与传统供暖方式相比，太阳能供暖系统具有能源成本低、清洁环保、使用寿命长、安全系数高等优点 [40]，是当前分散式清洁供暖方式的主力，一些国家将其放在太阳能利用方式的首位。
2.3.2 系统性能优化
一些学者从太阳能保证率、集热系统类型、系统设计优化等方面对太阳能供暖系统进行了研究。Badran 等 [41] 对分别采用太阳能集热器和太阳能池的地板供暖系统进行了实验研究，研究结果显示：采用太阳能集热器时的系统效率比采用太阳能池时的高 7%。Shariah 等 [42] 的仿真研究表明：对于小型太阳能热水器而言，水箱体积与太阳能集热器面积之比越大，太阳能保证率越大。
2.3.3 太阳能辅助热泵供暖系统
国际能源署 (IEA) 太阳能供暖和制冷计划Task44 的目标是将太阳能供暖系统和热泵系统优化集成。这两种系统结合可形成太阳能辅助热泵供暖系统，当太阳能不可用或不满足需求 ( 阴 /雨 / 雪天 ) 时，太阳能辅助热泵系统是实现供暖效果的替代方案。常见的太阳能供暖系统和热泵系统集成方法是将太阳能集热器与热泵蒸发器串联[43]，与单独的太阳能供暖系统和热泵系统相比，太阳能辅助热泵供暖系统蒸发器的温度较高，可有效提高系统能效。Bakirci 等 [44] 实验研究发现，运行条件、运行环境、经济性等均会影响太阳能辅助热泵供暖系统的类型选择和设计方式，蓄热效果是影响系统整体性能的重要因素。Liang等[45]数值研究了太阳能集热器面积对太阳能辅助空气源热泵供暖系统性能系数的影响，结果表明：该系统的性能系数随太阳能集热器面积、太阳辐射强度和供暖季晴天数量的增加而增加。Kong等[46]建立了基于集总参数分布的太阳能辅助热泵供暖系统热性能预测仿真模型，在给定结构参数、气象参数、时间步长和最终水温的情况下，数值模型可以输出热容量、系统性能系数和太阳能集热器集热效率等运行参数。Asaee 等 [47] 研究发现，采用改进后的太阳能辅助热泵供暖系统，建筑能耗和温室气体排放均减少约 20%。
2.3.4 小结
综上，可与建筑相结合的太阳能热利用技术的研究进展总结如下：1) 学者多通过实验和仿真方法来提高太阳能热水系统的性能，研究重点在于运行策略优化；2) 太阳能吸收式制冷系统是太阳能空调制冷技术的主要应用形式，常采用溴化锂 - 水工质对作为制冷工质；3) 太阳能保证率、系统性能是太阳能供暖系统的主要研究目标，太阳能辅助热泵供暖是节能降碳的有效方案。
2.4 BIPV 技术
BIPV 技术是将光伏发电系统与建筑围护结构融为一体的技术，主要应用形式为光伏屋顶、光伏幕墙、光伏窗等。
RISN-TG029—2017《建筑光伏系统技术导则》、GB/T 37655—2019《光伏与建筑一体化发电系统验收规范》、16J908《建筑太阳能光伏系统设计与安装》等建筑与光伏发电系统结合时的规范对光伏发电系统的设备选型，建筑的规划设计，光伏发电系统的设计、施工安装等均提出了明确要求。目前，对于 BIPV 建筑，国内外主要从其发电性能、光伏组件对建筑冷热负荷的影响、综合节能效果和建筑光伏组件冷却等方面进行研究。
2.4.1 建筑发电性能
BIPV 建筑的光伏发电量 [48] 与建筑朝向、季节及建筑所处纬度有关，光伏组件安装在南向外墙的发电量比安装在屋顶时高 [49]。与晶体硅光伏组件相比，三结非晶硅光伏组件的发电量在夏季和冬季可分别提高 15% 和 8%[50]。
光伏发电量随光伏组件温度的升高而降低，设置空气流道可有效降低光伏组件温度。以光伏组件覆盖率 31% 的 BIPV 建筑为例，光伏幕墙采用自然通风措施时的年发电量比无通风措施时的高 2%～4%[51]。通道宽高比为 0.11 时光伏组件降温效果最好 [52]。自然通风状态下，光伏组件间距为 0.1 m 时能有效避免其发电效率降低 [53]。在北京地区，当金属光伏屋面上的光伏组件安装间距为 30 mm、空腔厚度为 68 mm时，光伏组件的温度可降低 25.35%[54]。在埃及开罗地区，当光伏幕墙的空腔厚度为 22 cm 时，光伏组件的发电量较高；夏季工况，风速为 2m/s 时，光伏组件安装间距取 60 mm 可使夏季建筑的冷负荷降低 30%；冬季工况，通过利用光伏组件的伴生热量，可以使建筑的热负荷降低 40%[55]。
2.4.2 光伏组件对建筑冷热负荷的影响
光伏幕墙、光伏窗、光伏遮阳板等 BIPV 构件能有效降低建筑的冷热负荷。与未安装光伏组件的墙体相比，单晶硅光伏幕墙可使夏季室内得热量减少 51%，冬季的散热量减少 32%[56]。应用光伏窗时建筑的能耗明显下降 [57]。当非晶硅双玻光伏组件的透光率为 7% 时，其可使建筑的全年能耗降低 35%[58-59]。与普通玻璃窗相比，单层半透明光伏窗在夏季可减少建筑 65% 的总得热量 [60-61]。与单层光伏窗相比，自然通风和强制通风的双层光伏窗的夏季室内得热量可分别降低 38% 和 62%[62]。光伏遮阳板 [63] 对改善办公建筑室内热环境具有较好效果。回收光伏组件的伴生热量有助于提升建筑节能效果，利用建筑外墙安装的单晶硅光伏组件背板散热量来预热空气 [64]，可使新风的平均温度提升 8.5 ℃[65]。
回收利用光伏组件的伴生热量，综合能量利用率可达 30% 以上 [66]。BIPV 构件能显著提升建筑综合节能性能。巴西地区，采用光伏外窗可比普通外窗节能约40%[67]；在欧洲典型地区，光伏外墙可降低 16%的建筑全年能耗 [68]。
2.4.3 建筑光伏组件冷却技术
光伏组件温度上升不仅会导致 BIPV 建筑的发电效率下降，还加速太阳电池老化，常用的建筑光伏组件降温技术包括自然空气循环冷却、强制空气循环冷却、液浸冷却、热电冷却、热管冷却、相变冷却等，这几种降温技术的优缺点对比如表 2 所示。
此外，BIPV建筑的构造(光伏墙的空腔长度、宽度、是否开口及开口位置等，光伏窗透光率、玻璃层数、是否镀膜等 ) 及节能潜力需根据建筑所在地区、建筑朝向、光伏组件性能，通过模拟或实验方法来确定。
2.4.4 小结
综上可知，BIPV 建筑的研究结果表明：1)增加通风流道可有效降低光伏组件温度，提升光伏发电量；2) BIPV 构件有助于降低建筑冷热负荷；3) 回收利用光伏组件的伴生热量，有利于提升综合能量利用率。
3 结论
本文对被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑的应用现状和研究进展进行了阐述，并对主动式太阳能建筑中可与建筑结合的太阳能热利用技术和可与建筑结合的光伏发电技术进行了分析。得到以下结论：
1) 被动式太阳能建筑技术研究方法逐渐由定性分析为主转向定性、定量和综合分析，并以节能低碳、室内热舒适、设计优化及相变材料的应用作为研究重点。
2) 系统的性能系数和太阳能保证率是建筑太阳能热利用技术的研究重点，设备选型、系统设计、运行策略是主要研究内容；阴、雨、雪天等太阳能无法利用的工况多采用太阳能辅助热泵供暖系统。
3) 增强光伏组件通风性可使光伏组件降温，提升 BIPV 建筑的光伏发电量；回收利用光伏发电伴生热量有助于提升能源综合利用率。被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑均对改善建筑能源结构，降低建筑碳排放有正面作用。
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（转自：太阳能杂志）
