太陽能建筑的研究進展綜述

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240328.01 文章編號：1003-0417（2024）07-70-09

摘 要：對被動式太陽能建筑和主動式太陽能建筑的應用現(xiàn)狀和研究進展進行闡述，并對主動式太陽能建筑中可與建筑相結合的太陽能熱利用技術和可與建筑相結合的光伏發(fā)電技術進行分析。結果表明：1）被動式太陽能建筑技術研究方法逐漸由定性分析為主轉向定性、定量和綜合分析，并以節(jié)能低碳、室內熱舒適度、設計優(yōu)化及相變材料的應用作為研究重點。2） 系統(tǒng)的性能系數和太陽能保證率是建筑太陽能熱利用技術的研究重點，設備選型、系統(tǒng)設計、運行策略是主要研究內容；陰、雨、雪天等太陽能無法利用的工況多采用太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)。3）增強光伏組件通風性可使光伏組件降溫，提升光伏建筑一體化（BIPV）建筑的光伏發(fā)電量；回收利用光伏發(fā)電伴生熱量有助于提升能源綜合利用率。

關鍵詞：被動式太陽能建筑；主動式太陽能建筑；光伏建筑一體化；太陽能熱水系統(tǒng)；太陽能供暖；太陽能空調制冷

中圖分類號：TU29 文獻標志碼：A

0" 引言

2023年3月，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）正式發(fā)布第6次評估報告的綜合報告《氣候變化2023》，該報告預測在2021—2040年內，全球溫升將達到1.5 ℃。大量使用化石燃料導致溫室效應，調整能源結構是減緩全球變暖的重要路徑。對于占全球終端能源消耗30%的建筑行業(yè)而言，廣泛應用以太陽能為主的可再生能源，是減少化石燃料依賴、實現(xiàn)低碳建筑的有效解決方案。

20世紀70年代爆發(fā)的能源危機促進了太陽能的開發(fā)利用，主要側重于單純的太陽能熱利用和光伏發(fā)電，然而將太陽能與建筑相結合的概念，當時并未得到廣泛關注。1992年的“聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展大會”和1996年的“世界太陽能高峰會議”召開，推動和發(fā)展了太陽能在建筑中的應用[1]。當前，太陽能建筑主要包括被動式太陽能建筑和主動式太陽能建筑兩類。本文對被動式太陽能建筑和主動式太陽能建筑的應用現(xiàn)狀和研究進展進行闡述，并對主動式太陽能建筑中可與建筑相結合的太陽能熱利用技術和可與建筑相結合的光伏發(fā)電技術進行分析。

1" 被動式太陽能建筑

近年來，對于被動式太陽能建筑的研究逐步關注室內環(huán)境質量和建筑整體性能，注重城市規(guī)劃與建筑設計整合分析，研究方法論由“現(xiàn)象—問題—策略”向“問題—規(guī)律機制—優(yōu)化調控”轉變。JGJ/T 267—2012《被動式太陽能建筑技術規(guī)范》對被動式太陽能建筑的規(guī)劃、技術集成、施工驗收等方面提出了明確要求。被動式太陽能建筑的發(fā)展歷程分為3個階段[1]，研究方法逐漸由定性分析為主轉向定性、定量和綜合分析，具體如表1所示。

針對被動式太陽能建筑的研究，下文分別從節(jié)能低碳、室內熱舒適度、設計優(yōu)化及相變材料的應用等方面進行分析。

1.1" 節(jié)能低碳

Li等[2]提出了一種改進的“白盒”動態(tài)建筑熱模型，用于預測被動式太陽能建筑的室內熱環(huán)境和采暖消耗，研究結果表明：太陽輻射可有效降低建筑熱負荷。Chen等[3]構建了主動式和被動式太陽能采暖系統(tǒng)協(xié)同仿真模型，建立了以建筑和主動式系統(tǒng)碳排放最小為目標的優(yōu)化模型，優(yōu)化后系統(tǒng)的碳排放總量比被動式太陽能建筑和鍋爐聯(lián)合供暖時的碳排放總量減少了26.5%～50.3%。Sivaram等[4]提出了一種改進型集成被動式太陽能系統(tǒng)的建筑，其利用太陽能蒸餾器的熱能進行空氣通風，每年可減少17.5 kg的二氧化碳排放量。

1.2" 室內熱舒適度

Zhu等[5]針對秦巴山區(qū)被動式太陽能建筑的仿真研究結果表明：增加太陽能房可將冬季農宅室內溫度提高1.1 ℃左右。通過對印度的某被動式太陽能建筑進行研究發(fā)現(xiàn)：相較于常規(guī)建筑，該建筑的熱損失減少了約35%[6]，冬季室內溫度約為15.0～17.7 ℃[7]。川西高原的某被動式太陽能采暖建筑的冬季室溫為8.5～21.2 ℃[8]，該建筑的室內最低溫度比建筑改造前（原建筑）高11.9 ℃，大部分時間室內溫度可保持在10 ℃以上，顯著提高了室內熱舒適度。Gong等[9]提出了一種與平面重力輔助熱管相結合的新型被動式太陽能建筑，其冬季室內平均溫度達到了16.7 ℃，比參考房屋的高6.8 ℃。

1.3" 設計優(yōu)化

Qiu等[10]提出了一種綜合數據挖掘技術和能源參數的模擬方法，對濕熱氣候下被動式太陽能辦公樓圍護結構設計時的關鍵影響因素進行探索，結果表明：玻璃系統(tǒng)、窗墻比和屋頂涂層是設計的關鍵影響因素。Sivaram等[11]開發(fā)了一種集成被動式太陽能技術的建筑，使該建筑的室內換氣頻次可達12次/h。Ménard等[12]將窗戶設計為可調節(jié)的立面，以適應天氣和使用場景的變化，有效提高了被動式太陽能建筑在冬天的采暖潛力。

1.4" 相變材料的應用

Gresse等[13]、Bao等[14]采用微型相變材料、納米二氧化硅和碳纖維制備了高性能膠凝復合材料，將太陽能儲存在被動式太陽能建筑中。Zhou等[15]提出了一種可應用于被動式太陽能建筑的包含相變材料的動態(tài)集熱墻（即特朗勃墻），該動態(tài)集熱墻的總體集熱效率提高了20%。Sayed等[16]將熱水器和相變材料應用于埃及地區(qū)住宅的太陽能煙囪作為被動式太陽能冷卻技術，與短風塔結合，使全天室內溫度降低4～8 K。Zhang等[17]將相變溫度為18 ℃、厚度為30 mm的相變材料應用于被動式太陽能建筑，使其冬天的采暖能耗降低了20.76%。Zhang等[18]設計了一種采用新型圍護結構的被動式太陽能建筑墻體，白天時，墻體中的相變材料層被夾在外層磚層和絕緣層之間；日落之后，相變材料層與絕緣層交換位置，此種墻體的節(jié)能率高達89%。

1.5" 小結

綜上可知，被動式太陽能建筑的研究集中在：1）以碳排放、室內溫度、節(jié)能率為目標，通過采用實證研究、仿真模擬、現(xiàn)場測試等方法開展研究；2）被動式太陽能建筑能有效降低碳排放量、提高室內熱舒適度；3）玻璃系統(tǒng)和窗墻比是設計時的關鍵影響因素，將外窗設置為可調立面可提高被動式太陽能建筑冬季時的采暖潛力；4）相變材料廣泛應用于被動式太陽能建筑，使建筑的節(jié)能效果和舒適性良好。

2" 主動式太陽能建筑

主動式太陽能建筑是指通過太陽能熱利用、光伏發(fā)電等可控技術，對太陽能進行收集、蓄存和使用，使太陽能成為主要能源的節(jié)能建筑[19]?？膳c建筑結合的太陽能熱利用技術包括太陽能熱水技術、太陽能空調制冷技術和太陽能供暖技術等；而可與建筑結合的光伏發(fā)電技術包括在現(xiàn)有建筑上安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)（BAPV）技術和光伏建筑一體化（BIPV）技術，本文僅分析BIPV技術。

2.1" 太陽能熱水技術

太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能熱水技術的主要應用形式。此類系統(tǒng)廣泛應用于住宅建筑中，在節(jié)能減排方面發(fā)揮了重要作用。GB 50364—2018《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術標準》對太陽能熱水系統(tǒng)的設計、施工、調試驗收、運行維護等提出了明確規(guī)定。

2.1.1" 系統(tǒng)形式

早期的太陽能熱水系統(tǒng)為無輔助熱源的自然循環(huán)系統(tǒng)，但隨著技術進步，目前的太陽能熱水系統(tǒng)多為有輔助熱源的系統(tǒng)。太陽能熱水系統(tǒng)的循環(huán)形式包括無動力集熱循環(huán)、自然循環(huán)、強制循環(huán)等多種類型。15S128《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》給出了太陽能集中熱水系統(tǒng)的形式與適用范圍，提供了較為成熟的太陽能集中熱水系統(tǒng)示意圖，并明確了控制要求。

2.1.2" 性能優(yōu)化研究

研究人員提出了多種方法來優(yōu)化太陽能熱水系統(tǒng)性能，包括提高設備性能[20-21]、優(yōu)化系統(tǒng)設計[22]、與其他系統(tǒng)聯(lián)合運行以提高整體的能源利用率[23-24]。

運行策略對太陽能熱水系統(tǒng)能效的影響幅度約為8%～18%[25]，可從提高太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率、降低水泵能耗[26]和降低運行成本[27]等角度來優(yōu)化太陽能熱水系統(tǒng)的運行策略。Bernardo等[28]通過降低設定的輔助加熱器溫度來優(yōu)化太陽能熱水系統(tǒng)的運行策略，使安裝于隆德市、里斯本市和盧薩卡市的太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能保證率分別達60%、78%和81%。Ntsaluba等[29]研究了一種循環(huán)泵流量控制方法，并應用于具有兩個圓形回路的間接熱交換太陽能熱水系統(tǒng)，使系統(tǒng)集熱量增加了7.82%。Araujo等[30]發(fā)現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)采用比例控制策略時，其太陽能保證率比采用開關控制策略時高50%以上。Li等[31]提出了一種簡單靈活的循環(huán)泵和輔助熱泵控制優(yōu)化策略，使太陽能熱水系統(tǒng)的能耗降低了32.9%。

2.2" 太陽能空調制冷技術

太陽能空調制冷技術是通過利用由太陽能集熱器收集的太陽輻射能來驅動制冷設備工作，從而為室內降溫。常見的太陽能空調制冷系統(tǒng)包括太陽能吸收式制冷系統(tǒng)、太陽能吸附式制冷系統(tǒng)和太陽能干燥冷卻系統(tǒng)3種類型。

2.2.1" 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)通常使用氨-水或溴化鋰-水工質對作為制冷工質[32]。Jayadeep等[33]的研究表明：在太陽能空調制冷技術中，太陽能吸收式制冷系統(tǒng)是最經濟可行的選擇；與氨-水相比，溴化鋰-水工質對具有更高的性能系數和較低的發(fā)電機溫度要求，更適用于太陽能吸收式制冷系統(tǒng)。

學者通常采用計算機模擬工具來評估和優(yōu)化太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的性能。Bakhtiari等[34]采用實驗和仿真來分析某14 kW單極溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)，結果表明：制冷工質的流量和溫度對太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的性能影響很大。Saleh等[35]研究發(fā)現(xiàn)：選擇合適的部件溫度可使太陽能吸收式制冷系統(tǒng)吸收裝置的性能系數值超過0.8；制冷工質的溫度高于40 ℃會顯著降低制冷系統(tǒng)的性能。Shirazi等[36]的仿真結果表明：以系統(tǒng)能耗、經濟性和環(huán)保性為優(yōu)化目標，具有供暖和制冷雙重效果的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的綜合性能最優(yōu)。

2.2.2" 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)利用硅膠、沸石等固體吸附材料來吸附空氣中的水蒸氣，而太陽能集熱器通過加熱吸附材料來促進制冷劑解吸，釋放水蒸氣并產生冷卻效果[37]。

2.2.3" 太陽能干燥冷卻系統(tǒng)

太陽能干燥冷卻系統(tǒng)的工作原理與太陽能吸附式制冷系統(tǒng)相似，其使用固體吸附材料作為干燥劑，吸收空氣中的水分，然后利用太陽能熱量再生干燥劑，釋放水分；干燥空氣通過冷卻裝置用于制冷。

2.3" 太陽能供暖技術

太陽能供暖系統(tǒng)是太陽能供暖技術的主要應用形式。此類系統(tǒng)將熱能儲存在蓄熱水箱，用于滿足建筑冬季熱負荷[38]。GB 50495—2019《太陽能供熱采暖工程技術標準》對太陽能供暖系統(tǒng)的負荷計算方式，設備選型，系統(tǒng)的設計施工、調試驗收等方面均提出了詳細要求。

2.3.1" 系統(tǒng)形式

太陽能供暖系統(tǒng)通常由太陽集熱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等組成[39]。與傳統(tǒng)供暖方式相比，太陽能供暖系統(tǒng)具有能源成本低、清潔環(huán)保、使用壽命長、安全系數高等優(yōu)點[40]，是當前分散式清潔供暖方式的主力，一些國家將其放在太陽能利用方式的首位。

2.3.2" 系統(tǒng)性能優(yōu)化

一些學者從太陽能保證率、集熱系統(tǒng)類型、系統(tǒng)設計優(yōu)化等方面對太陽能供暖系統(tǒng)進行了研究。Badran等[41]對分別采用太陽能集熱器和太陽能池的地板供暖系統(tǒng)進行了實驗研究，研究結果顯示：采用太陽能集熱器時的系統(tǒng)效率比采用太陽能池時的高7%。Shariah等[42]的仿真研究表明：對于小型太陽能熱水器而言，水箱體積與太陽能集熱器面積之比越大，太陽能保證率越大。

2.3.3" 太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)

國際能源署（IEA）太陽能供暖和制冷計劃Task44的目標是將太陽能供暖系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)優(yōu)化集成。這兩種系統(tǒng)結合可形成太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)，當太陽能不可用或不滿足需求（陰/雨/雪天）時，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)是實現(xiàn)供暖效果的替代方案。常見的太陽能供暖系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)集成方法是將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器串聯(lián)[43]，與單獨的太陽能供暖系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)相比，太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)蒸發(fā)器的溫度較高，可有效提高系統(tǒng)能效。Bakirci等[44]實驗研究發(fā)現(xiàn)，運行條件、運行環(huán)境、經濟性等均會影響太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)的類型選擇和設計方式，蓄熱效果是影響系統(tǒng)整體性能的重要因素。Liang等[45]數值研究了太陽能集熱器面積對太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能系數的影響，結果表明：該系統(tǒng)的性能系數隨太陽能集熱器面積、太陽輻射強度和供暖季晴天數量的增加而增加。Kong等[46]建立了基于集總參數分布的太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)熱性能預測仿真模型，在給定結構參數、氣象參數、時間步長和最終水溫的情況下，數值模型可以輸出熱容量、系統(tǒng)性能系數和太陽能集熱器集熱效率等運行參數。Asaee等[47]研究發(fā)現(xiàn)，采用改進后的太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)，建筑能耗和溫室氣體排放均減少約20%。

2.3.4" 小結

綜上，可與建筑相結合的太陽能熱利用技術的研究進展總結如下：1）學者多通過實驗和仿真方法來提高太陽能熱水系統(tǒng)的性能，研究重點在于運行策略優(yōu)化；2）太陽能吸收式制冷系統(tǒng)是太陽能空調制冷技術的主要應用形式，常采用溴化鋰-水工質對作為制冷工質；3）太陽能保證率、系統(tǒng)性能是太陽能供暖系統(tǒng)的主要研究目標，太陽能輔助熱泵供暖是節(jié)能降碳的有效方案。

2.4" BIPV技術

BIPV技術是將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑圍護結構融為一體的技術，主要應用形式為光伏屋頂、光伏幕墻、光伏窗等。

RISN-TG029—2017《建筑光伏系統(tǒng)技術導則》、GB/T 37655—2019《光伏與建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)驗收規(guī)范》、16J908《建筑太陽能光伏系統(tǒng)設計與安裝》等建筑與光伏發(fā)電系統(tǒng)結合時的規(guī)范對光伏發(fā)電系統(tǒng)的設備選型，建筑的規(guī)劃設計，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計、施工安裝等均提出了明確要求。

目前，對于BIPV建筑，國內外主要從其發(fā)電性能、光伏組件對建筑冷熱負荷的影響、綜合節(jié)能效果和建筑光伏組件冷卻等方面進行研究。

2.4.1" 建筑發(fā)電性能

BIPV建筑的光伏發(fā)電量[48]與建筑朝向、季節(jié)及建筑所處緯度有關，光伏組件安裝在南向外墻的發(fā)電量比安裝在屋頂時高[49]。與晶體硅光伏組件相比，三結非晶硅光伏組件的發(fā)電量在夏季和冬季可分別提高15%和8%[50]。

光伏發(fā)電量隨光伏組件溫度的升高而降低，設置空氣流道可有效降低光伏組件溫度。以光伏組件覆蓋率31%的BIPV建筑為例，光伏幕墻采用自然通風措施時的年發(fā)電量比無通風措施時的高2%～4%[51]。通道寬高比為0.11時光伏組件降溫效果最好[52]。自然通風狀態(tài)下，光伏組件間距為0.1 m時能有效避免其發(fā)電效率降低[53]。在北京地區(qū)，當金屬光伏屋面上的光伏組件安裝間距為30 mm、空腔厚度為68 mm時，光伏組件的溫度可降低25.35%[54]。在埃及開羅地區(qū)，當光伏幕墻的空腔厚度為22 cm時，光伏組件的發(fā)電量較高；夏季工況，風速為2 m/s時，光伏組件安裝間距取60 mm可使夏季建筑的冷負荷降低30%；冬季工況，通過利用光伏組件的伴生熱量，可以使建筑的熱負荷降低40%[55]。

2.4.2" 光伏組件對建筑冷熱負荷的影響

光伏幕墻、光伏窗、光伏遮陽板等BIPV構件能有效降低建筑的冷熱負荷。與未安裝光伏組件的墻體相比，單晶硅光伏幕墻可使夏季室內得熱量減少51%，冬季的散熱量減少32%[56]。應用光伏窗時建筑的能耗明顯下降[57]。當非晶硅雙玻光伏組件的透光率為7%時，其可使建筑的全年能耗降低35%[58-59]。與普通玻璃窗相比，單層半透明光伏窗在夏季可減少建筑65%的總得熱量[60-61]。與單層光伏窗相比，自然通風和強制通風的雙層光伏窗的夏季室內得熱量可分別降低38%和62%[62]。光伏遮陽板[63]對改善辦公建筑室內熱環(huán)境具有較好效果。

回收光伏組件的伴生熱量有助于提升建筑節(jié)能效果，利用建筑外墻安裝的單晶硅光伏組件背板散熱量來預熱空氣[64]，可使新風的平均溫度提升8.5 ℃[65]?；厥绽霉夥M件的伴生熱量，綜合能量利用率可達30%以上[66]。

BIPV構件能顯著提升建筑綜合節(jié)能性能。巴西地區(qū)，采用光伏外窗可比普通外窗節(jié)能約40%[67]；在歐洲典型地區(qū)，光伏外墻可降低16%的建筑全年能耗[68]。

2.4.3" 建筑光伏組件冷卻技術

光伏組件溫度上升不僅會導致BIPV建筑的發(fā)電效率下降，還加速太陽電池老化，常用的建筑光伏組件降溫技術包括自然空氣循環(huán)冷卻、強制空氣循環(huán)冷卻、液浸冷卻、熱電冷卻、熱管冷卻、相變冷卻等，這幾種降溫技術的優(yōu)缺點對比如表2所示。

此外，BIPV建筑的構造（光伏墻的空腔長度、寬度、是否開口及開口位置等，光伏窗透光率、玻璃層數、是否鍍膜等）及節(jié)能潛力需根據建筑所在地區(qū)、建筑朝向、光伏組件性能，通過模擬或實驗方法來確定。

2.4.4" 小結

綜上可知，BIPV建筑的研究結果表明：1）增加通風流道可有效降低光伏組件溫度，提升光伏發(fā)電量；2） BIPV構件有助于降低建筑冷熱負荷；3）回收利用光伏組件的伴生熱量，有利于提升綜合能量利用率。

3" 結論

本文對被動式太陽能建筑和主動式太陽能建筑的應用現(xiàn)狀和研究進展進行了闡述，并對主動式太陽能建筑中可與建筑結合的太陽能熱利用技術和可與建筑結合的光伏發(fā)電技術進行了分析。得到以下結論：

1） 被動式太陽能建筑技術研究方法逐漸由定性分析為主轉向定性、定量和綜合分析，并以節(jié)能低碳、室內熱舒適、設計優(yōu)化及相變材料的應用作為研究重點。

2）系統(tǒng)的性能系數和太陽能保證率是建筑太陽能熱利用技術的研究重點，設備選型、系統(tǒng)設計、運行策略是主要研究內容；陰、雨、雪天等太陽能無法利用的工況多采用太陽能輔助熱泵供暖系統(tǒng)。

3）增強光伏組件通風性可使光伏組件降溫，提升BIPV建筑的光伏發(fā)電量；回收利用光伏發(fā)電伴生熱量有助于提升能源綜合利用率。

被動式太陽能建筑和主動式太陽能建筑均對改善建筑能源結構，降低建筑碳排放有正面作用。

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OVERVIEW OF SOLAR BUILDING TECHNOLOGY

RESEARCH AND DEVELOPMENT

Sun Chang，Zhang Lei，Ju Xiaolei

（China Architecture Design amp; Research Group，Beijing 100044，China）

Abstract：This paper elaborates on the current application status and research progress of passive solar buildings and active solar buildings，and analyzes the solar thermal utilization technology that can be combined with buildings and the PV power generation technology that can be combined with buildings in active solar buildings. The results indicate that：1） The research methods for passive solar building technology are gradually shifting from qualitative analysis to qualitative，quantitative，and comprehensive analysis，with a focus on energy conservation and low-carbon，indoor thermal comfort，design optimization，and the application of phase change materials. 2） The performance coefficient and solar energy guarantee rate of the system are the research focuses of building solar thermal utilization technology，and equipment selection，system design，and operation strategy are the main research contents. Solar assisted heat pump heating systems are often used in conditions where solar energy cannot be utilized，such as cloudy，rainy，and snowy days. 3） Enhancing the ventilation of PV modules can cool them down and increase the PV power generation of BIPV buildings. Recycling and utilizing the heat generated by PV power generation can help improve the comprehensive energy utilization rate.

Keywords：passive solar building；active solar building；BIPV；solar hot water system；solar heating；solar air conditioning refrigeration

收稿日期：2024-03-28

基金項目：“十四五”國家重點研發(fā)計劃課題“建筑光伏系統(tǒng)綜合評價方法及典型設計方案研究”（2022YFB4201001）

通信作者：孫暢（1994—），女，碩士、工程師，主要從事可再生能源與建筑集成方面的研究。sunc@cadg.cn