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太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

时间:2014/11/27 9:33:00   作者:Tianc   来源:绿建之窗   阅读:3059   评论:0
内容摘要:一、概况德国是首批促进光伏产业发展的欧洲国家之一。自20世纪90年代末起,德国的光伏产业就开始快速发展。由于政府对于光伏补贴政策的鼓励,2008年到2010年期间德国新增加的太阳能光伏电池装机容量更是成倍增长,2013年德国议会开始讨论光伏补贴削减法案,当年新增加的太阳能光伏电池...

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

一、概况

德国是首批促进光伏产业发展的欧洲国家之一。自20世纪90年代末起,德国的光伏产业就开始快速发展。由于政府对于光伏补贴政策的鼓励,2008年到2010年期间德国新增加的太阳能光伏电池装机容量更是成倍增长,2013年德国议会开始讨论光伏补贴削减法案,当年新增加的太阳能光伏电池装机容量仅为2012年的43%(图1.1)。尽管如此,光伏发电在德国对可再生能源的利用中占举足轻重的作用,仅2012年,德国对可再生能源的投资中,光伏系统就占了57.6%(图1.2)。

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

由于气候和地理等因素的限制,德国的自然条件对于发展太阳能光伏并不优越,单位面积的年辐射量不到1500kWh/m2(图1.3),相当于中国的三类和四类地区。测量统计数据表明,德国太阳能光伏电池最理想的朝向和角度是正南向且与水平面的夹角30°;当太阳能光伏电池的安装朝向为南偏东45°且与水平面的夹角50°时,太阳能光伏电池的光电转换效率将降低5%当太阳能光伏电池安装在南立面上时,即正南向且与水平面的夹角90°太阳能光伏电池的光电转换效率则降低20%。因此,利用南向坡屋面安装太阳能光伏系统,在德国尤为常见,这也是许多示范性低碳居住区的重要标志之一(1.4)。

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

二、德国太阳能光伏系统的分类和比较

1. 按太阳能光伏电池的材料分类

根据太阳能光伏电池的制作材料可分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中,硅基半导体电池又分为单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池。各种电池的生产成本、光电转换效率,以及安装工艺等各有利弊,因此使用的场合也不同。由于多晶硅电池的价格较单晶硅电池便宜,性能优于非晶硅和碲化镉电池,所以目前德国居住建筑多采用比较多。近几年,薄膜太阳能光伏电池因它相对轻巧的自重和简单的安装工艺,其市场份额也有所增加。表2.1对居住建筑中,较为常用的几种太阳能光伏电池进行了比较。

 

2.1 常用太阳能光伏电池的比较

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

通过在太阳能光伏电池表面增加一道抗反光涂层,或者在制作太阳能光伏电池时混入抗反光玻璃,可以得到不同颜色和图案的太阳能光伏电池(图2.2);而“透明”光伏电池则是改变了太阳能光伏电池板上光伏电池的大小和电池之间的距离(图2.3)。虽然,彩色光伏电池和透明光伏电池的光电转换效率会有所降低,但它们的诞生,赋予太阳能光伏电池在建筑设计上更多的可能性。

 

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

2. 按安装系统分类

根据太阳能光伏电池的安装系统,可分为非一体化安装系统(BAPV)(图2.3)和一体化安装系统(BIPV)(图2.4)。前者是将太阳能光伏系统安装在已经完成的建筑外围护结构的外侧,后者则用光伏器件代替建筑外围护结构,与建筑融为一体。两者的特点和比较见表2.2

 

2.2 非一体化安装系统(BAPV)和一体化安装系统(BIPV)的比较

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

三、应用案例

1. 实验性项目,Darmstadt——2007Solar Decathlon一等奖作品(图3.1-3.3):

结构形式:木框架结构;

被动式外围护结构节能设计:屋面、外墙和地面均采用60mm厚真空保温板,屋面、外墙传热系数0.1W/m2K,地面传热系数0.4W/m2K,外窗传热系数0.7W/m2K

主动式太阳能设计:建筑遮阳采用了可完全开启的百叶遮阳扇,由可调节角度的非晶硅太阳能光伏电板作为遮阳百叶材料,将太阳能利用、遮阳和美观结合在一起,光伏遮阳百叶峰值总功率为2.1kWp;屋顶设置了单晶硅太阳能光伏系统,峰值总功率为11.2kWp;所产生的电能并入公共电网;屋面上同时还设有3平方米太阳能热水系统。

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

      2. 坡地别墅, Meßstetten-Tieringen(图3.4-3.5

 

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

     太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

                                                                                                                       3.5

空间特色:别墅建筑依山就势,建筑师利用地势将住宅分为上下两层,下层相对封闭是私密的居住空间,上层几乎透明是厨房和餐厅。

结构形式:钢框架结构,提高可再循环材料利用比例的同时,减少了建筑施工期的湿作业时间

被动式的外围护结构节能设计:所有的外窗采用充氩气的三玻两腔玻璃,传热系数0.7W/m2K,由于上层透明玻璃面积非常大,玻璃采用了low-e镀膜以及内置织物窗帘。

主动式节能设计:夏季制冷和冬季采暖采用地源热泵。屋面上安装了建筑一体化光伏系统,设有41组单晶硅光伏电板,其峰值总功率为9kWp光伏电板产生的电能并入公共电网,太阳能光伏系统所产生的电能足够抵消这栋住宅本身所需的年耗电量。

3.
学生公寓,Munik(图3.6

                  太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

慕尼黑某学生宿舍,可供588个学生居住。

被动式节能设计:推拉式活动外遮阳,色彩亮丽的遮阳构件随着使用者的需求产生无穷的组合变幻,在抵挡太阳辐射热的同时,极大地丰富了建筑立面效果。

主动式太阳能设计:所有屋面均设置太阳能光伏和光热系统。设置在屋顶的太阳能光伏电板与水平屋面成30度角,采用多晶硅光伏电池,峰值总功率为22.3kWp;屋顶还布置有130平方米的太阳能热水系统,可满足60%的生活热水需求量。

4.
集合式住宅,Tübingen——2009年欧洲太阳能奖(图3.7-3.8

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

这是一栋满足被动式住宅标准的集合式住宅,包括十个大小不同的公寓,建筑面积从30平方米到150平方米不等,以满足不同家庭组成的需求。

结构形式:钢筋混凝土框架结构,外墙采用轻型木框填充墙。

主动式太阳能设计:南向外墙装有20组吸附式太阳能空调系统,总面积达54平方米。南向和西向设置了多晶硅光伏电板,总面积达78平方米。立面上的太阳能系统均采用一体化安装系统。屋顶布置有87平方米的多晶硅光伏电板,与屋顶平面夹角呈30°,采用非一体化(BAPV)安装系统。太阳能光伏发电所产生的电能并入公共电网,建筑立面、屋顶产生的电量可满足整个住宅楼的照明和家用电器的用电需求。

5.
独立别墅,Falkenberg(图3.9-3.10

 

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

这是一栋钢筋混凝土框架结构的独栋别墅建筑。

主动式太阳能设计:南向立面除结构框架外均为透明玻璃,冬季可最大限度利用太阳辐射热。屋顶上设置了10组太阳能空调系统和22组单晶硅光伏电板,为非一体化(BAPV)安装系统。光伏电板的峰值总功率为360Wp可满足该建筑70%的用能需求。采暖期,光伏电板产生的电主要用于地源热泵设备;非采暖期,光伏电板产生的电能则并入公共电网。

其他可再生能源利用:地源热泵热水系统。

6.
既有建筑改造项目,Darmstadt(图3.11-3.12

太阳能光伏系统在德国居住建筑上的应用

 

Darmstadt市中心的改扩建项目。

被动式外围护结构设计:老楼加建了屋顶层,沿街立面为保持建筑原有风貌增加了墙体内保温,朝向内院的外墙增加了墙体外保温。

主动式太阳能设计:沿街的建筑主要朝向非南北向,尽管朝向不利于太阳能的利用,但新加建的坡屋顶上还是设置了东西朝向的太阳能热水系统和光伏电池,屋面斜度与水平面呈33度,屋面与太阳能光伏系统成一体化(BIPV)。太阳能光伏电池产生的电能并入公共电网。

其他节能措施:回收的雨水用于冲厕和花园灌溉。

 

四、思考与启示

1、被动式的建筑节能设计:

1)建筑以南北朝向为主,建筑造型简洁,无复杂的凹凸变化,便于 控制体形系数;

2)东、西、北向控制外窗面积,以减少外围护的热量损失;南向透 明外窗面积较大,使采暖期白天可通过玻璃获得更多的太阳热辐 射,降低采暖能耗;

3)屋面、外墙和外窗的传热系数比较小,外窗采用三玻两腔中空玻 璃,窗框采用塑钢和木质型材,以提高外窗的热工性能;

4)建筑外墙采用木制低碳材料,热工性能好,可循环重复利用;

5)设置建筑活动外遮阳,充分利用太阳辐射特点,夏季有遮蔽,冬 季有日照。

2、主动式的建筑节能设计充分利用太阳能和其他可再生能源:

1)利用建筑外墙和屋顶,综合采用太阳能光伏发电和太阳能热水系 统;

2)采用排风热回收,提高能源利用率;

3)屋面的太阳能光伏和光热系统,根据建筑特点分别采用太阳能BA PV一体化安装系统或BIPV非一体化安装系统;但建筑立面必须采 用BAPV太阳能一体化安装系统;

4)安装在居住建筑上的太阳能光伏系统所产生的电能均可并入公共 电网;

5)利用地源热泵制冷和采暖,合理利用太阳能产生的电量。

3、德国虽然不具备发展太阳能光伏的优越条件,其太阳能资源与上海地区相似,但它成功的经验值得上海地区借鉴:

1)政府对于光伏补贴政策的鼓励和允许多余电量并入公共电网,大 大激发了民间居住建筑利用太阳能的积极性;

2)应结合居住建筑的特点,合理设置太阳能光伏或光热集热构件位 置,太阳能构件与建筑设计、安装一体化、与外表面装饰一体化 ;

3)太阳能光伏产品的多样化,除了类型的多样还有色彩的多样变化 ,为建筑设计提供了创造想象的空间;

4)既有建筑改造在保持原有建筑风貌的同时,不但可提高围护结构 的热工性能,还可充分利用太阳能资源和其它可再生能源。

 


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