太阳能在建筑中的合理利用方式及原则探讨

报告人：单明 院 系：建筑技术科学系 热能工程系 2014 年 1 月 10 日

清华大学博士后低碳论坛

报告提纲

1

•太阳能在建筑中应用背景

2

•太阳能合理利用方式及原则

3

•面临的一些主要问题

4

•未来发展方向（探讨）

2

• 太阳能资源量丰富太阳能在建筑中的应用背景

我国太阳能资源丰富，北方地区大部分地区属于太阳能可利用区，能量密度大于 6000MJ/ （ m2·a) ，全年日照小时数 3000h 以上。

3

• 太阳能利用带来巨大环境效益应用背景

明确列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年 ) 》能源领域中的可再生能源低成本规模化开发利用优先主题

1m2 100kgce 300kg CO2

50% 效率 减排量

4

应用背景

农村

37%

城镇住宅

（不包括采

暖）15%

北方城镇采

暖26%

一般公共建

筑18%

大型公共建

筑4%

中国建筑能耗结构图

北方地区（城市和农村）冬季采暖能耗已达 2.5 亿 tce ，占全国建筑

总能耗的 43% ，排放 CO2 超过 9

亿吨

数据来源：中国建筑节能年度发展研究报告 2008

太阳能采暖潜力巨大！

• 太阳能是解决建筑供暖的重要途经之一

报告提纲

1

•太阳能在建筑中应用背景

2

•太阳能合理利用方式及原则

3

•面临的一些主要问题

4

•未来发展方向（探讨）

6

太阳能利用方式

光热

直接受益

热水系统

空气系统

光电

光伏发电

光热发电

采暖 生活热水

照明 家电

被动式太阳能光热利用• 直接受益窗• 集热蓄热墙• 阳光间

主动式太阳能光热利用• 太阳能热水采暖系统• 太阳能空气采暖系统

光伏发电• 独立光伏照明

太阳能建筑中利用方式

目前 PV 板能够达到的最高发电效率为 15% 左右 如果无积灰、环境温度、集热部件老化等影响， PV 年发电效率 8%

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

kWh/

kWp•

a光伏组件年累计发电量（

）

屋顶水平 1418 925 805 761 611

45°屋顶朝南 1407 912 792 746 599

南立面 1143 694 580 499 404

拉萨 北京 上海 广州 重庆

年发电量(kWh/kWp)

引自清华大学朱颖心教授授课 PPT 内容

光伏板的生产能耗约为 5400-6700 kWh/1kWp PV如果发电效率为 8% ，光伏板寿命周期内， 1/3~1/2 的能耗用于生产环节

城市 屋顶水平放置 南向倾角 45℃放置 南立面

拉萨 3.3-4.6 3.3-4.6 4.1-5.7

北京 5.0-7.1 5.1-7.2 6.7-9.4

上海 5.8-8.1 5.9-8.3 8.0-11.3

广州 6.1-8.6 6.2-8.7 9.4-13.1

重庆 7.6-10.7 7.8-10.9 11.6-16.2

根据实测，实际应用过程中，由于表面积灰，环境温度、摆放位置等影响，导致光伏板发电效率有可能低至 5% ；

在太阳能资源不是十分丰富的地区（如南方大部分地区），甚至出现生产能耗大于发电量，在此情况下，太阳能光伏就不再是节能技术。

引自清华大学朱颖心教授授课 PPT 内容

直接电采暖

利用太阳能给建筑采暖：孰优孰劣：热 - 热转换？热 - 电 - 热转

换？

太阳能

集热器 输配以及末端系统

光伏发电 输电系统

100W/m2

100W/m2

40W/m2

（假设平均集热效率40% ）

（假设平均发电效率8% ）

（假设热效率 90% ）

8W/m2

（假设输送效率100% ）

36W/m2

8W/m2

采用热泵采暖

8W/m2

（假设 COP=3 ）

末端

末端24W/m2

太阳能利用效率低

初投资巨大

原则：用热不给电，供需匹配

末端

光伏发电技术适用原则：适用范围 : 我国西部偏远的农村地区

太阳能资源丰富建筑密度低，有充足的集热器摆放位置偏远地区缺少供电基础设施

在方案确定之前，要经过详细的技术经济分析经济性对能源的影响对环境的影响

太阳能在建筑中利用应以光热为主！

报告提纲1

• 太阳能在建筑中应用背景

2• 太阳能合理利用方

式及原则

3• 面临的一些主要问

题

4• 未来发展方向（探

讨） 12

太阳能光热采暖系统

按有无机械系统• 被动式太阳房• 主动式采暖系统

按传热介质 • 空气——空气采暖系统• 液体——热水采暖系统

按集热规模• 分散式采暖系统• 集中式采暖系统

采暖系统分类：

被动式太阳能热利用在北方农宅中广泛使用

如果能利用主动式太阳能供暖系统则可以进一步提高太阳能供暖率，减少燃料燃烧

怎么用？

表面利好： 太阳能热水集热器已经形成产业化 太阳能热水集热器效率高，配以蓄热传

输系统，可以形成供暖系统 利用屋顶面积，形成太阳能建筑一体化实际结果：除了一些完全由政府投资建的项目外，农民并未接受并主动用

可以实现太阳能主动式供暖的高效热利用

为什么在农村地区的推广举步维艰？

分散式太阳能热水采暖系统存在的问题

测试农宅全景及集热面

控制面板

• 2005年安装， 2008年 3月 1日 ~3月 7日测试• 采用真空管式集热器 +地面辐射供暖，集热器总

面积为 20m2 ，有效集热面积 14m2 ，为 150㎡的建筑供暖

• 采用电辅助供暖和薪柴保障系统（秸杆和煤两用），但测试期间未使用

• 整个系统每平方米建筑面积 340元左右，每一农宅太阳能热水系统投资 4~5万元左右。

太阳能热水系统实测：

水箱

供回水干管上的热表

室内热环境：

房间 平均温度℃

最高温度℃

最低温度℃

一楼客厅 9.1 11 7

一楼卧室 10.3 14.1 7.5

二楼西卧

室7.8 9.9 6.2

二楼中卧

室8.8 11.5 6.7

二楼东卧

室9.5 13.1 6.5

集热器效率：全天平均集热效率为 33.3％

经济性：总投资每户 4~5万元，生命周期 25年内，无法回收初投资

农民反应： 太阳能主要用于提供生活热水 冬季基本依靠炕、燃煤锅炉采暖 由于太阳能系统主要由政府出资，农民并未有经济损失，因此无抱怨

初投资过高

初投资在 30000~40000元（约 100㎡供热面积）基本为政府出资，否则农民不予考虑这种系统形式

需要较高的维护水平

更换破损集热器更换热水系统中的水处理装置检修管路和控制箱

可靠性欠佳

冬季水冻结，系统常处于“间歇运行”状态管路泄露会给农户造成极大不便

经济性差、保证率低、推广难度大

初投资低

需要较低水平的维护

可靠性高

某火车站太阳能热水采暖系统

• 集热器：真空联集管• 轮廓面积： 3900m2

• 储热体积： 1200m3

• 水箱类型：开式水箱• 设计温度： 集热侧： 50℃/40℃

供暖侧： 41℃/36℃

• 辅助热源：燃油锅炉 （按 90% 负荷设计）

太阳能采暖系统原理图

集中式太阳能热水采暖工程存在的问题

典型设计日热需求 14.8 MWh

平均热负荷功率 615kW

设计热负荷 太阳能集热系统设计

设计典型日太阳能贡献率 40%

按集热效率 30% 计算，集热量 5.9 MWh

11 小时辐照平均集热功率 500kW

设计参数：

应用现状与分析

• 太阳能集热系统对采暖末端的时间累积平均贡献率非常低， 约 10% 左右，远低于设计值：

• 一半以上的运行时间内储热水箱的热量换不出来，导致集热板换热量对末端的贡献率出现负值。

运行效果实测：

——集中式太阳能热水采暖工程

应用现状与分析系统运行原理示意图及实际运行工况： 工况 1 ：正常运行参数

80m2 板换

1200m3

蓄热水箱34℃

60m2 板换108m3/h

3900m2 集热器

36℃

4 吨燃油 锅炉

地板采暖末端

40m3/h

36℃

44℃

42℃46℃

40℃

80m3/h

32 ~ 41℃

32℃

单天集热 6.0 MWh

散热 2.3MWh 有效换热 1.9MWh

补热 4.8MWh

全天水箱及管路热损失占太阳能集热量的 43% ，系统的热损失较大。全天太阳能对末端的贡献率 28.2% 。

单天热需求6.7MWh

锅炉供水 46℃ ，末端供回水温差 6℃ ，水箱初始温度 40℃计算条件：

水体惯性蓄热 1.6MWh

管路等散热 0.2MWh

水箱采用 20mm 岩棉毡保温，导热率 0.045W/(mK) ，保温效果欠佳。

——集中式太阳能热水采暖工程

应用现状与分析工况 2 ：不利运行参数

80m2 板换

1200m3

蓄热水箱32.5℃ 60m2 板换

108m3/h

3900m2 集热器

32℃

4 吨燃油 锅炉

地板采暖末端

40m3/h36℃

42℃

38℃ 44℃

34℃

80m3/h

32~41℃

32℃

锅炉供水 44℃ ，末端供回水温差 6℃ ，水箱初始温度 32℃计算条件：单天集热 6.3MWh

散热 2.0MWh 换热 -1.4MWh

补热 8.1MWh

全天水箱及管路热损失占太阳能集热量的 35% 。全天太阳能从供热侧吸热，对末端的贡献率为负值，集热量换不出来。

单天热需求6.7MWh

水体惯性蓄热 2.7MWh

管路等散热 0.2MWh

水箱体积太大 水体惯性蓄热量大部分损失掉了

——集中式太阳能热水采暖工程

• 太阳能自身的缺陷—供需极大不平衡性

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400 逐日建筑负荷（

w/m

2）

逐日太阳辐射强度（

W/m

2）

太阳辐射强度 建筑负荷

1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月

建筑采暖负荷与太阳辐射季节不平衡性

太阳能资源具有时间上非连续性和“夏盈冬亏”特性而一般能量需求是连续的

建筑采暖负荷与太阳辐射全天不平衡性

21

集热是太阳能转化的核心，储热是太阳能利用的核心。

太阳能的特点：周期性波动不稳定性

集热效率高，总集热量大

集热量与末端需求相匹配

低温集热

中温集热

高温集热

≠22

• 太阳能利用的核心问题—储热

23

太阳能储热的重要意义：解决太阳能热利用系统产热与用热不匹配问题

• 低温短期储热：解决分布式建筑采暖关键问题• 低温跨季节储热：提高太阳能系统全年利用率，实现夏热冬用• 中高温储热：太阳能工业应用及太阳能热发电的关键产业化前景：规模优势带来成本优势，太阳能建筑采暖潜在需求量达到 10亿 m2 以上，是目前全国太阳能热水器保有量的 6倍。

三口之家冬季热负荷估算生活热水系统 采暖系统

日均需热量 18.9MJ 172MJ

集热面积 2m2 20m2

日均储热量 18.9MJ 100MJ

储热体积 0.15m2 1m3

热负荷扩大，增加集热面积

夜间采暖需求高，增加储热体积

采暖连续性要求高，补热系统满负荷设计

国外太阳能跨季节储热系统应用现状国外太阳能跨季节蓄热系统

24

欧洲集热器面积大于 500㎡的太阳能热力站

太阳能储热技术已经成为推动太阳能产业发展的热点技术目前太阳能跨季节储热示范工程规模相对较小，尚难实现更大规模供暖示范由于技术研究的不足等原因，已经有 10% 的工程被迫关闭

报告提纲1

• 太阳能在建筑中应用背景

2• 太阳能合理利用方

式及原则

3• 面临的一些主要问

题

4• 未来发展方向（探

讨） 25

适用于北方农宅的低成本太阳能空气集热系统研究和示范

特点：1 ）初投资低：屋顶集热器造价在 400~500元 /m2 集热面积左右；2 ）需要较低水平的维护：定期清洗过滤网；3 ）可靠性高：冬季不存在冻结的问题。

满足农民要求

空气集热系统能够满足初投资低、易维护、可靠性高的要求，在农村地区具有广泛适用性。空气集热系统由太阳能空气集热器、风机、散流器、温控器等部件组成。当太阳能辐射较好时，风机开启，循环加热室内空气，主要解决白天房间的采暖问题。

太阳能空气集热采暖案例：

围护结构名称

构造传热系数W/(m2·K)

墙体370mm实心砖 +20mm水泥砂浆

0.47050mm苯板保温

屋顶沥青防水层 10mm

0.910水泥预制板 150mm

石膏板 10mm

窗户 双层木窗 4.7

（估计值）

楼地水泥砂浆 50mm

——粘土 100mm

示范工程位于北京市怀柔区渤海镇， 2008年搭建示范工程， 2009年 1月份入户测试

在安装可再生能源供暖系统前，对该农宅的北墙、东西墙体做了保温改造，其余围护结构未改造

门窗密封性能一般，通过测试发现，该农宅的换气次数可以达到 0.7~0.8h-1

集热器采用空腔型传统集热器，集热器尺寸为2m×3m ，集热面积 6m2 ，测试房间 14m2

集热器水平面倾角为 50°

系统采用温控器控制风机开关，集热器出口温度高于 30℃开风机，风机开启后，低于 28℃ ，风机关闭

房间无夜间供暖需求，除空气系统外，无其补热系统

地理位置 改造农宅外观 屋顶空气集热器

1月 5日 ~1月 7日 1月 9日 ~1月 11日

1月 5日 ~1月 7日：屋顶太阳能空气集热系统

1月 9日 ~1月 11日：屋顶太阳能空气集热系统 +直接受益窗

室外气温： 最高气温： 0~3℃ 最低气温： -8~-12℃

集热器表面太阳辐射强度： 最大辐射强

度 :800~900W/m2

1月 5日 ~1月 7日 1月 9日 ~1月 11日

室温空气温度测点 壁面热流及温度测点 集热器表面太阳总辐射仪

29

空气集热器热效率（未优化）：

集热器热效率 17%~23%，比热水系统低 13%左右 (与前面所述的热水系统相比 )

空腔型的传统集热器，初投资（集热面积 )，约为是热水系统的 1/4

单位供热量的初投资是热水系统的 2~3倍 空气系统投资回收期约 8~9年 因此，空气系统的经济性好于热水系统

室内热环境：

1月 5日 1月 11日

送风口

回风口

只有屋顶空气集热系统：风机运行阶段室内空气温度 8.3℃ 屋顶集热系统 +直接受益窗：风机运行阶段室内空气温度 11.5℃

通过对空气集热器进行优化设计，可以较大幅度提升集热器的热效率，改进集热器的热性能，进一步提高经济性。

集热器

翅片结构

y = -6.464x + 0.684R² = 0.846

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025

效率

归一化温度(m2·K/W)30.00

31.00

32.00

33.00

34.00

35.00

36.00

37.00

38.00

39.00

40.00

出口温度

(℃)

时间

0

20

40

60

80

100

120

140

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300 350 400

压差

(Pa)

电机功率

(W)

风量(m3/h)

电机功率(W)

压差(Pa)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00

修正系数

KT

太阳能入射角(� )

修正系数拟合曲线

优化后的集热系统造价 400~500元 /㎡ 主要用于保证白天 采暖需求，集热面积 : 采

暖面积约为 1:4 供暖季集热效率 40% 以上

主被动结合式太阳能采暖系统研究

主被动结合太阳能采暖系统组成

系统原理图

主被动结合太阳能采暖系统运行效果（初步）

太阳能集热器全天效率为 40%主动式太阳能供暖贡献率为 35%热泵系统夜间 COP 为 2 ，白天热泵系统 COP 为 3左右

系统整体比常规系统节能 70%

基于太阳能长周期蓄热的区域性建筑集中供暖系统集成与示范

缺乏经济、稳定、高效的储热方式，是阻碍太阳能规模化光热利用和推广的关键因素

36

37

水箱蓄热

砾石 - 水蓄热

简单，热容大，但水箱需承压，造价高，适用于中小型系统

储热池不承压，但热容略小，储热池体积较大

不需额外建造储热池，对地质条件要求高

• 无需额外储热池• 造价现对低• 系统容量易控制• 易与其他系统配合

• 热容小• 容量小时储热损失大

•适用于大型系统

地埋管土壤蓄热

6000m2 集热面积（ 1200万元） + 50万 m3土壤蓄热打井费用（ 600万元）—— 7~8 年左右

回收期

6000m2 集热面积（ 1200万元） +16.3万 m3 的水箱蓄热体积（ 1.63亿元）——至少 68 年回收期

单位体积储热体的蓄热量

38

不同储热规模的热损比例

损失率随储热体体积变化曲线（初步估算结果）

储热规模超过 50万m3 时，系统长周期热损比例可以降到 10% 以内

储热体合理规模

储热季稳态参数设计计算• 取热温差和放热温差

Q 储 = 4320hr×3600s×CP×G×ΔT 储

Q 取 = 1800hr×3600s×CP×G×ΔT 取

储热体的热损失按照 20%估算：

Q 取 = Q 储 ×(1-20%)

根据吸收机的运行参数，设计取热

温差 ΔT 取=10℃ ，则 ΔT 储 =4.63℃

根据以上几个公式，以及土壤储热期及放热期温度变化与取放热量的热平衡关系，计算系统稳态运行参数与循环流量变化的关系。

技术优势：1、解决非采暖季太阳能产热和工业废热的利用问题；2、用吸收式换热设备（吸收器和发生器）代替传统电 力驱动压缩机，可节省大量电能；3、容易扩大系统规模，有利于减少储热损失，提高系 统的整体能效。

吸收式热泵取热原理

建筑供暖 (70 )℃

储热土壤 (>50 )℃吸收器 蒸发器

太阳能中温集热(130 )℃

高温工业废热(130 )℃

冷凝器发生器

代替电力驱动的压缩机

40

铜厂水泥厂

赤峰小新地

★太阳能和工业余热联合储热集成供热示范工程，供热面积 10 万平方米

★针对不同采暖阶段的采暖需求，研究系统参数匹配和系统的合理运行控制方式

41

示范工程（内蒙赤峰）

42

图：厂外热网管线

图：二系统板换 图：远传数据仪表 1 图：远传数据仪表 2

图：汽 - 水换热器图：软水循环定压水箱

示范工程进展（内蒙赤峰）

总结太阳能在建筑中利用的大原则：

太阳能不是“万能”的，应以光热利用为主，做到供需匹配

太阳能光伏利用原则：适用于太阳能资源丰富、无供电基础设施的农村地区，如我

国西部的偏远农村地区方案确定之前，要经过详细的技术经济分析

太阳能光热利用原则：经济高效——单位有效热量的初投资低维护方便——无需频繁维护、甚至免维护高可靠性——无冻结等问题出现稳定性强——克服太阳能“非连续性、夏盈冬亏”的弊端

谢 谢！