[汉文]孙畅,张磊,鞠晓磊.太阳能建筑的研讨进展综述[J].太阳能,2024,(07):70-78.

DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20240328.01著作编号：1003-0417(2024)07-70-09

太阳能建筑的研讨进展综述

孙　畅 *，张　磊，鞠晓磊

( 中国建筑瞎想研讨院有限公司，北京 100044)

摘　要：对被迫式太阳能建筑和主动式太阳能建筑的应用近况和研讨进展进行说明，并对主动式太阳能建筑中可与建筑相联结的太阳能热应用时刻和可与建筑相联结的光伏发电时刻进行分析。结尾标明：1) 被迫式太阳能建筑时刻研讨门径渐渐由定性分析为主转向定性、定量和概述分析，并以节能低碳、室内热舒甩掉、瞎想优化及相变材料的应用行为研讨要点。2) 系统的性能扫数和太阳能保证率是建筑太阳能热应用时刻的研讨要点，开辟选型、系统瞎想、初始计策是主要研讨执行；阴、雨、雪天等太阳能无法应用的工况多接纳太阳能赞助热泵供暖系统。3) 增强光伏组件透风性可使光伏组件降温，提高光伏建筑一体化 (BIPV) 建筑的光伏发电量；回收应用光伏发电伴生热量有助于提高能源概述应用率。

要津词：被迫式太阳能建筑；主动式太阳能建筑；光伏建筑一体化；太阳能沸水系统；太阳能供暖；太阳能空调制冷

中图分类号：TU29 文件标识码：A

　　2023 年 3 月，聚拢国政府间征象变化挑升委员会 (IPCC) 持重发布第 6 次评估薪金的概述薪金《征象变化 2023》，该薪金预测在 2021—2040 年内，大师温升将达到 1.5 ℃。盛大使用化石燃料导致温室效应，颐养能源结构是减缓大师变暖的进军旅途。关于占大师末端能源糜费 30%的建筑行业而言，粗糙应用以太阳能为主的可再生能源，是减少化石燃料依赖、好意思满低碳建筑的有用处治决策。

　　20 世纪 70 年代爆发的能源危险促进了太阳能的开发应用，主要侧重于单纯的太阳能热应用和光伏发电，但是将太阳能与建筑相联结的想法，其时并未获取粗糙暖和。1992 年的“聚拢国全国环境与发展大会”和 1996 年的“全国太阳能岑岭会议”召开，鼓励和发展了太阳能在建筑中的应用 [1]。面前，太阳能建筑主要包括被迫式太阳能建筑和主动式太阳能建筑两类。本文对被迫式太阳能建筑和主动式太阳能建筑的应用近况和研讨进展进行说明，并对主动式太阳能建筑中可与建筑相联结的太阳能热应用时刻和可与建筑相联结的光伏发电时刻进行分析。

1 被迫式太阳能建筑

　　比年来，关于被迫式太阳能建筑的研讨安详暖和室内环境质料和建筑举座性能，持重城市贪图与建筑瞎想整合分析，研讨门径论由“征象—问题—计策”向“问题—规矩机制—优化调控”周折。JGJ/T 267—2012《被迫式太阳能建筑时刻轨范》对被迫式太阳能建筑的贪图、时刻集成、施工验收等方面提议了明确要求。被迫式太阳能建筑的发展历程分为 3 个阶段 [1]，研讨门径渐渐由定性分析为主转向定性、定量和概述分析，具体如表 1 所示。

　　针对被迫式太阳能建筑的研讨，下文区别从节能低碳、室内热舒甩掉、瞎想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] 提议了一种编削的“白盒”动态建筑热模子，用于预测被迫式太阳能建筑的室内热环境和采暖糜费，研讨结尾标明：太阳辐照可有用裁减建筑热负荷。Chen 等 [3] 构建了主动式和被迫式太阳能采暖系统协同仿真模子，开发了以建筑和主动式系统碳排放最小为主见的优化模子，优化后系统的碳排放总量比被迫式太阳能建筑和汽锅聚拢供暖时的碳排放总量减少了26.5%～50.3%。Sivaram 等 [4] 提议了一种编削型集成被迫式太阳能系统的建筑，其应用太阳能蒸馏器的热能进行空气透风，每年可减少 17.5 kg的二氧化碳排放量。

1.2 室内热舒甩掉

　　Zhu 等 [5] 针对秦巴山区被迫式太阳能建筑的仿真研讨结尾标明：增多太阳能房可将冬季农宅室内温度提高 1.1 ℃附近。通过对印度的某被迫式太阳能建筑进行研讨发现：相较于旧例建筑，该建筑的热耗损减少了约 35%[6]，冬季室内温度约为 15.0～17.7 ℃[7]。川西高原的某被迫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雠校前 ( 原建筑 ) 高 11.9℃，大部分期间室内温度可保捏在 10 ℃以上，显耀提高了室内热舒甩掉。Gong 等 [9] 提议了一种与平面重力赞助热管相联结的新式被迫式太阳能建筑，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 瞎想优化

　　Qiu 等 [10] 提议了一种概述数据挖掘时刻和能源参数的模拟门径，对干冷征象下被迫式太阳能办公楼围护结构瞎想时的要津影响成分进行探索，结尾标明：玻璃系统、窗墙比和屋顶涂层是瞎想的要津影响成分。Sivaram 等 [11] 开发了一种集成被迫式太阳能时刻的建筑，使该建筑的室内换气频次可达 12 次 /h。Ménard 等 [12] 将窗户瞎想为可调度的立面，以顺应天气和使用场景的变化，有用提高了被迫式太阳能建筑在冬天的采暖后劲。

1.4 相变材料的应用

　　Gresse 等 [13]、Bao 等 [14] 接纳微型相变材料、纳米二氧化硅和碳纤维制备了高性能胶凝复合材料，将太阳能储存在被迫式太阳能建筑中。Zhou等 [15] 提议了一种可应用于被迫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遵循提高了 20%。Sayed等 [16] 将沸水器和相变材料应用于埃及地区住宅的太阳能烟囱行为被迫式太阳能冷却时刻，与短风塔联结，使全天室内温度裁减 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迫式太阳能建筑，使其冬天的采暖能耗裁减了 20.76%。Zhang 等 [18] 瞎想了一种接纳新式围护结构的被迫式太阳能建筑墙体，白昼时，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，被迫式太阳能建筑的研讨聚首在：1) 以碳排放、室内温度、节能率为主见，通过接纳实证研讨、仿真模拟、现场测试等门径开展研讨；2) 被迫式太阳能建筑能有用裁减碳排放量、提高室内热舒甩掉；3) 玻璃系统和窗墙比是瞎想时的要津影响成分，将外窗缔造为可调立面可提高被迫式太阳能建筑冬季时的采暖后劲；4) 相变材料粗糙应用于被迫式太阳能建筑，使建筑的节能遵循和安逸肠细腻。

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应用、光伏发电等可控时刻，对太阳能进行集中、蓄存和使用，使太阳能成为主要能源的节能建筑 [19]。可与建筑联结的太阳能热应用时刻包括太阳能沸水时刻、太阳能空调制冷时刻和太阳能供暖时刻等；而可与建筑联结的光伏发电时刻包括在现存建筑上安装光伏发电系统 (BAPV) 时刻和光伏建筑一体化 (BIPV) 时刻，本文仅分析 BIPV 时刻。

2.1 太阳能沸水时刻

　　太阳能沸水系统是太阳能沸水时刻的主要应用体式。此类系统粗糙应用于住宅建筑中，在节能减排方面发达了进军作用。GB 50364—2018《民用建筑太阳能沸水系统应用时刻圭臬》对太阳能沸水系统的瞎想、施工、调考验收、初始爱戴等提议了明确规矩。

2.1.1 系统体式

　　早期的太阳能沸水系统为无赞助热源的当然轮回系统，但跟着时刻跨越，现在的太阳能沸水系统多为有赞助热源的系统。太阳能沸水系统的轮回体式包括无能源集热轮回、当然轮回、强制轮回等多种类型。15S128《太阳能聚首沸水系统选择与安装》给出了太阳能聚首沸水系统的体式与适用规模，提供了较为熟谙的太阳能聚首沸水系统暗示图，并明确了适度要求。

2.1.2 性能优化研讨

　　研讨东谈主员提议了多种门径来优化太阳能沸水系统性能，包括提高开辟性能 [20-21]、优化系统瞎想 [22]、与其他系统聚拢初始以提高举座的能源应用率 [23-24]。

　　初始计策对太阳能沸水系统能效的影响幅度约为 8%～18%[25]，可从提高太阳能沸水系统集热遵循、裁减水泵能耗 [26] 和裁减初始本钱 [27] 等角度来优化太阳能沸水系统的初始计策。Bernardo 等 [28]通过裁减设定的赞助加热器温度来优化太阳能沸水系统的初始计策，使安装于隆德市、里斯本市和卢萨卡市的太阳能沸水系统的太阳能保证率区别达 60%、78% 和 81%。Ntsaluba 等 [29] 研讨了一种轮回泵流量适度门径，并应用于具有两个圆形回路的辗转热交换太阳能沸水系统，使系统集热量增多了 7.82%。Araujo 等 [30] 发现太阳能沸水系统接纳比例适度计策时，其太阳能保证率比接纳开关适度计策时高 50% 以上。Li 等 [31] 提议了一种轻便活泼的轮回泵和赞助热泵适度优化计策，使太阳能沸水系统的能耗裁减了 32.9%。

2.2 太阳能空调制冷时刻

　　太阳能空调制冷时刻是通过应用由太阳能集热器集中的太阳辐照能来驱动制冷开辟责任，从而为室内降温。常见的太阳能空调制冷系统包括太阳能收受式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统和太阳颖异燥冷却系统 3 种类型。

2.2.1 太阳能收受式制冷系统

　　太阳能收受式制冷系统经常使用氨 - 水或溴化锂 - 水工质对行为制冷工质 [32]。Jayadeep等 [33] 的研讨标明：在太阳能空调制冷时刻中，太阳能收受式制冷系统是最经济可行的聘任；与氨 - 水比较，溴化锂 - 水工质对具有更高的性能扫数和较低的发电机温度要求，更适用于太阳能收受式制冷系统。

　　学者经常接纳计较机模拟器具来评估和优化太阳能收受式制冷系统的性能。Bakhtiari 等 [34]接纳实验和仿真来分析某 14 kW 单极溴化锂太阳能收受式制冷系统，结尾标明：制冷工质的流量和温度对太阳能收受式制冷系统的性能影响很大。Saleh 等 [35] 研讨发现：聘任顺应的部件温度可使太阳能收受式制冷系统收受安装的性能扫数值很是 0.8；制冷工质的温度高于 40 ℃会显耀裁减制冷系统的性能。Shirazi 等 [36] 的仿真结尾标明：以系统能耗、经济性和环保性为优化主见，具有供和缓制冷双重遵循的太阳能收受式制冷系统的概述性能最优。

2.2.2 太阳能吸附式制冷系统

　　太阳能吸附式制冷系统应用硅胶、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，开释水蒸气并产生冷却遵循 [37]。

2.2.3 太阳颖异燥冷却系统

　　太阳颖异燥冷却系统的责任旨趣与太阳能吸附式制冷系统一样，其使用固体吸附材料行为干燥剂，收受空气中的水分，然后应用太阳能热量再生干燥剂，开释水分；干燥空气通过冷却安装用于制冷。

2.3 太阳能供暖时刻

　　太阳能供暖系统是太阳能供暖时刻的主要应用体式。此类系统将热能储存在蓄沸水箱，用于得志建筑冬季热负荷 [38]。GB 50495—2019《太阳能供热采暖工程时刻圭臬》对太阳能供暖系统的负荷计较容貌，开辟选型，系统的瞎想施工、调考验收等方面均提议了详备要求。

2.3.1 系统体式

　　太阳能供暖系统经常由太阳集热系统、轮回系统、蓄热系统、散热系统等构成 [39]。与传统供暖容貌比较，太阳能供暖系统具有能源本钱低、清洁环保、使用寿命长、安全扫数高级优点 [40]，是面前分散式清洁供暖容貌的主力，一些国度将其放在太阳能应用容貌的首位。

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、系统瞎想优化等方濒临太阳能供暖系统进行了研讨。Badran 等 [41] 对区别接纳太阳能集热器和太阳能池的地板供暖系统进行了实验研讨，研讨结尾清晰：接纳太阳能集热器时的系统遵循比接纳太阳能池时的高 7%。Shariah 等 [42] 的仿真研讨标明：关于微型太阳能沸水器而言，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 太阳能赞助热泵供暖系统

　　海外能源署 (IEA) 太阳能供和缓制冷贪图Task44 的主见是将太阳能供暖系统和热泵系统优化集成。这两种系统联结可变成太阳能赞助热泵供暖系统，当太阳能不能用或不得志需求 ( 阴 /雨 / 雪天 ) 时，太阳能赞助热泵系统是好意思满供暖遵循的替代决策。常见的太阳能供暖系统和热泵系统集成门径是将太阳能集热器与热泵挥发器串联[43]，与单独的太阳能供暖系统和热泵系统比较，太阳能赞助热泵供暖系统挥发器的温度较高，可有用提高系统能效。Bakirci 等 [44] 实验研讨发现，初始条目、初始环境、经济性等均会影响太阳能赞助热泵供暖系统的类型聘任和瞎想容貌，蓄热遵循是影响系统举座性能的进军成分。Liang等[45]数值研讨了太阳能集热器面积对太阳能赞助空气源热泵供暖系统性能扫数的影响，结尾标明：该系统的性能扫数随太阳能集热器面积、太阳辐照强度和供暖季好天数目的增多而增多。Kong等[46]开发了基于集总参数散布的太阳能赞助热泵供暖系统热性能预测仿真模子，在给定结构参数、风物参数、期间步长和最终水温的情况下，数值模子不错输出热容量、系统性能扫数和太阳能集热器集热遵循等初始参数。Asaee 等 [47] 研讨发现，接纳编削后的太阳能赞助热泵供暖系统，建筑能耗和温室气体排放均减少约 20%。

2.3.4 小结

　　综上，可与建筑相联结的太阳能热应用时刻的研讨进展归来如下：1) 学者多通过实验和仿真门径来提高太阳能沸水系统的性能，研讨要点在于初始计策优化；2) 太阳能收受式制冷系统是太阳能空调制冷时刻的主要应用体式，常接纳溴化锂 - 水工质对行为制冷工质；3) 太阳能保证率、系统性能是太阳能供暖系统的主要研讨主见，太阳能赞助热泵供暖是节能降碳的有用决策。

2.4 BIPV 时刻

　　BIPV 时刻是将光伏发电系统与建筑围护结构情投意合的时刻，主要应用体式为光伏屋顶、光伏幕墙、光伏窗等。

　　RISN-TG029—2017《建筑光伏系统时刻导则》、GB/T 37655—2019《光伏与建筑一体化发电系统验收轨范》、16J908《建筑太阳能光伏系统瞎想与安装》等建筑与光伏发电系统联结时的轨范对光伏发电系统的开辟选型，建筑的贪图瞎想，光伏发电系统的瞎想、施工安装等均提议了明确要求。现在，关于 BIPV 建筑，国表里主要从其发电性能、光伏组件对建筑冷热负荷的影响、概述节能遵循和建筑光伏组件冷却等方面进行研讨。

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关系，光伏组件安装在南向外墙的发电量比安装在屋顶时高 [49]。与晶体硅光伏组件比较，三结非晶硅光伏组件的发电量在夏日和冬季可区别提高 15% 和 8%[50]。

　　光伏发电量随光伏组件温度的升高而裁减，缔造空气流谈可有用裁减光伏组件温度。以光伏组件遮蔽率 31% 的 BIPV 建筑为例，光伏幕墙接纳当然透风设施时的年发电量比无透风设施时的高 2%～4%[51]。通谈宽高比为 0.11 时光伏组件降温遵循最佳 [52]。当然透风景色下，光伏组件间距为 0.1 m 时能有用幸免其发电遵循裁减 [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，光伏组件的温度可裁减 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；夏日工况，风速为 2m/s 时，光伏组件安装间距取 60 mm 可使夏日建筑的冷负荷裁减 30%；冬季工况，通过应用光伏组件的伴生热量，不错使建筑的热负荷裁减 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 构件能有用裁减建筑的冷热负荷。与未安装光伏组件的墙体比较，单晶硅光伏幕墙可使夏日室内得热量减少 51%，冬季的散热量减少 32%[56]。应用光伏窗时建筑的能耗彰着下落 [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裁减 35%[58-59]。与平时玻璃窗比较，单层半透明光伏窗在夏日可减少建筑 65% 的总得热量 [60-61]。与单层光伏窗比较，当然透风和强制透风的双层光伏窗的夏日室内得热量可区别裁减 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遵循。回收光伏组件的伴生热量有助于提高建筑节能遵循，应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高 8.5 ℃[65]。

　　回收应用光伏组件的伴生热量，概述能量应用率可达 30% 以上 [66]。BIPV 构件能显耀提高建筑概述节能性能。巴西地区，接纳光伏外窗可比平时外窗节能约40%[67]；在欧洲典型地区，光伏外墙可裁减 16%的建筑全年能耗 [68]。

2.4.3 建筑光伏组件冷却时刻

　　光伏组件温度高潮不仅会导致 BIPV 建筑的发电遵循下落，还加快太阳电板老化，常用的建筑光伏组件降温时刻包括当然空气轮回冷却、强制空气轮回冷却、液浸冷却、热电冷却、热管冷却、相变冷却等，这几种降温时刻的优流毒对比如表 2 所示。

　　此外，BIPV建筑的构造(光伏墙的空腔长度、宽度、是否启齿及启齿位置等，光伏窗透光率、玻璃层数、是否镀膜等 ) 及节能后劲需凭据建筑方位地区、建筑朝向、光伏组件性能，通过模拟或实验门径来投诚。

2.4.4 小结

　　综上可知，BIPV 建筑的研讨结尾标明：1)增多透风致谈可有用裁减光伏组件温度，提高光伏发电量；2) BIPV 构件有助于裁减建筑冷热负荷；3) 回收应用光伏组件的伴生热量，成心于提高概述能量应用率。

3 论断

　　本文对被迫式太阳能建筑和主动式太阳能建筑的应用近况和研讨进展进行了说明，并对主动式太阳能建筑中可与建筑联结的太阳能热应用时刻和可与建筑联结的光伏发电时刻进行了分析。获取以下论断：

　　1) 被迫式太阳能建筑时刻研讨门径渐渐由定性分析为主转向定性、定量和概述分析，并以节能低碳、室内热安逸、瞎想优化及相变材料的应用行为研讨要点。

　　2) 系统的性能扫数和太阳能保证率是建筑太阳能热应用时刻的研讨要点，开辟选型、系统瞎想、初始计策是主要研讨执行；阴、雨、雪天等太阳能无法应用的工况多接纳太阳能赞助热泵供暖系统。

　　3) 增强光伏组件透风性可使光伏组件降温，提高 BIPV 建筑的光伏发电量；回收应用光伏发电伴生热量有助于提高能源概述应用率。被迫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，裁减建筑碳排放有正面作用。

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（转自：太阳能杂志）现金九游体育app平台

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