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太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

時(shí)間:2019-08-04 02:27:07   作者:GBWindows   來(lái)源:行業(yè)網(wǎng)站   閱讀:7475  
內(nèi)容摘要:一、概況德國(guó)是首批促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歐洲國(guó)家之一。自20世紀(jì)90年代末起,德國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)就開始快速發(fā)展。由于政府對(duì)于光伏補(bǔ)貼政策的鼓勵(lì),2008年到2010年期間德國(guó)新增加的太陽(yáng)能光伏電池裝機(jī)容量更是成倍增長(zhǎng),2013年德國(guó)議會(huì)開始討論光伏補(bǔ)p削減法案,當(dāng)年新增加的太陽(yáng)能光伏電池......

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

一、概況

德國(guó)是首批促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歐洲國(guó)家之一。自20世紀(jì)90年代末起,德國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)就開始快速發(fā)展。由于政府對(duì)于光伏補(bǔ)貼政策的鼓勵(lì),2008年到2010年期間德國(guó)新增加的太陽(yáng)能光伏電池裝機(jī)容量更是成倍增長(zhǎng),2013年德國(guó)議會(huì)開始討論光伏補(bǔ)p削減法案,當(dāng)年新增加的太陽(yáng)能光伏電池裝機(jī)容量?jī)H為2012年的43%(圖1.1)。盡管如此,光伏發(fā)電在德國(guó)對(duì)可再生能源的利用中占舉足輕重的作用,僅2012年,德國(guó)對(duì)可再生能源的投資中,光伏系統(tǒng)就占了57.6%(圖1.2)。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

由于氣候和地理等因素的限制,德國(guó)的自然條件對(duì)于發(fā)展太陽(yáng)能光伏并不優(yōu)越,單位面積的年輻射量不到1500kWh/m2(圖1.3),相當(dāng)于中國(guó)的三類和四類地區(qū)。測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,德國(guó)太陽(yáng)能光伏電池最理想的朝向和角度是正南向且與水平面的夾角30°;當(dāng)太陽(yáng)能光伏電池的安裝朝向?yàn)槟掀珫|45°且與水平面的夾角50°時(shí),太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率將降低5%當(dāng)太陽(yáng)能光伏電池安裝在南立面上時(shí),即正南向且與水平面的夾角90°,太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率則降低20%。因此,利用南向坡屋面安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng),在德國(guó)尤為常見,這也是許多示范性低碳居住區(qū)的重要標(biāo)志之一(1.4)。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

二、德國(guó)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的分類和比較

1. 按太陽(yáng)能光伏電池的材料分類

根據(jù)太陽(yáng)能光伏電池的制作材料可分為硅基半導(dǎo)體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機(jī)材料電池等。其中,硅基半導(dǎo)體電池又分為單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池。各種電池的生產(chǎn)成本、光電轉(zhuǎn)換效率,以及安裝工藝等各有利弊,因此使用的場(chǎng)合也不同。由于多晶硅電池的價(jià)格較單晶硅電池便宜,性能優(yōu)于非晶硅和碲化鎘電池,所以目前德國(guó)居住建筑多采用比較多。近幾年,薄膜太淠芄夥電池因它相對(duì)輕巧的自重和簡(jiǎn)單的安裝工藝,其市場(chǎng)份額也有所增加。表2.1對(duì)居住建筑中,較為常用的幾種太陽(yáng)能光伏電池進(jìn)行了比較。

 

2.1 常用太陽(yáng)能光伏電池的比較

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

通過(guò)在太陽(yáng)能光伏電池表面增加一道抗反光涂層,或者在制作太陽(yáng)能光伏電池時(shí)混入抗反光玻璃,可以得到不同顏色和圖案的太陽(yáng)能p伏電池(圖2.2);而“透明”光伏電池則是改變了太陽(yáng)能光伏電池板上光伏電池的大小和電池之間的距離(圖2.3)。雖然,彩色光伏電池和透明光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)有所降低,但它們的誕生,賦予太陽(yáng)能光伏電池在建筑設(shè)計(jì)上更多的可能性。

 

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

2. 按安裝系統(tǒng)分類

根據(jù)太陽(yáng)能光伏電池的安裝系統(tǒng),可分為非一體化安裝系統(tǒng)(BAPV)(圖2.3)和一體化安裝系統(tǒng)(BIPV)(圖2.4)。前者是將太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)安裝在已經(jīng)完成的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè),后者則用光伏器件代替建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu),與建筑融為一體。兩者的特點(diǎn)和比較見表2.2。

 

2.2 非一體化安裝系統(tǒng)(BAPV)和一體化安裝系ǎBIPV)的比較

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

三、應(yīng)用案例

1. 實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目,Darmstadt——2007Solar Decathlon一等獎(jiǎng)作品(圖3.1-3.3):

結(jié)構(gòu)形式:木框架結(jié)構(gòu);

被動(dòng)式外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì):屋面、外墻和地面均采用60mm厚真空保溫板,屋面、外墻傳熱系數(shù)0.1W/m2K,地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.4W/m2K,外窗傳熱系數(shù)0.7W/m2K

主動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì):建筑遮陽(yáng)采用了可完全開啟的百葉遮陽(yáng)扇,由可調(diào)節(jié)角度的非晶硅太陽(yáng)能光伏電板作為遮陽(yáng)百葉材料,將太陽(yáng)能利用、遮陽(yáng)和美觀結(jié)合在一起,光伏遮陽(yáng)百葉峰值總功率為2.1kWp;屋頂設(shè)置了單晶硅太陽(yáng)能光伏系統(tǒng),峰值總功率為11.2kWp;所產(chǎn)生的電能并入公共電網(wǎng);屋面上同時(shí)還設(shè)有3平方米太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

      2. 坡地別墅, Me?stetten-Tieringen(圖3.4-3.5

 

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

     太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

                                                                                                                       3.5

空間特色:別墅建筑依山就勢(shì),建筑師利用地勢(shì)將住宅分為上下兩層,下層相對(duì)封閉是私密的居住空間,上層幾乎透明是廚房和餐廳。

結(jié)構(gòu)形式:鋼框架結(jié)構(gòu),提高可再循環(huán)材料利用比例的同時(shí),減少了建筑施工期的濕作業(yè)時(shí)間

被動(dòng)式的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì):所有的外窗采用充氬氣的三玻兩腔玻璃,傳熱系數(shù)0.7W/m2K,由于上層透明玻璃面積非常大,玻璃采用了low-e鍍膜以及內(nèi)置織物窗簾。

主動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì):夏季制冷和冬季采暖采用地源熱泵。屋面上安裝了建筑一體化光伏系統(tǒng),設(shè)有41組單晶硅光伏電板,其峰值總功率n9kWp光伏電板產(chǎn)生的電n并入公共電網(wǎng),太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能足夠抵消這棟住宅本身所需的年耗電量。

3.
學(xué)生公寓,Munik(圖3.6

                  太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

慕尼黑某學(xué)生宿舍,可供588個(gè)學(xué)生居住。

被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì):推拉式活動(dòng)外遮陽(yáng),色彩亮麗的遮陽(yáng)構(gòu)件隨著使用者的需求產(chǎn)生無(wú)窮的組合變幻,在抵擋太陽(yáng)輻射熱的同時(shí),極大地豐富了建筑立面效果。

主動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì):所有屋面均設(shè)置太陽(yáng)能光伏和光熱系統(tǒng)。設(shè)置在屋頂?shù)奶?yáng)能光伏電板與水平屋面成30度角,采用多晶硅光伏電池,峰值總功率為22.3kWp;屋頂還布置有130平方米的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),可滿足60%的生活熱水需求量。

4.
集合式住宅,Tübingen——2009年歐洲太陽(yáng)能獎(jiǎng)(圖3.7-3.8

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

這是一棟滿足被動(dòng)式住宅標(biāo)準(zhǔn)的集合式住宅,包括十個(gè)大小不同的公寓,建筑面積從30平方米到150平方米不等,以滿足不同家庭組成的需求=

結(jié)構(gòu)形式:鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),外墻采用輕型木框填充墻。

主動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì):南向外墻裝有20組吸附式太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng),總面積達(dá)54平方米。南向和西向設(shè)置了多晶硅光伏電板,總面積達(dá)78平方米。立面上的太陽(yáng)能系統(tǒng)均采用一體化安裝系統(tǒng)。屋頂布置有87平方米的多晶硅光伏電板,與屋頂平面夾角呈30°,采用非一體化(BAPV)安裝系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電能并入公共電網(wǎng),建筑立面、屋頂產(chǎn)生的電量可滿足整個(gè)住宅樓的照明和家用電器的用電需求。

5.
獨(dú)立別墅,Falkenberg(圖3.9-3.10

 

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

這是一棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的獨(dú)棟別墅建筑。

主動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì):南向立面除結(jié)構(gòu)框架外均為透明玻璃,冬季可最大限度利用太陽(yáng)輻射熱。屋頂上設(shè)置了10組太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)和22組單晶硅光伏電板,為非一體化(BAPV)安裝系統(tǒng)。光伏電板的峰值總功率為360Wp,可滿足該建筑70%的用能需求。采暖期,光伏電板產(chǎn)生的電主要用于地源熱泵設(shè)備;非采暖期,光伏電板產(chǎn)生的電能則并入公共電網(wǎng)。

其他可;生能源利用:地源熱泵熱水系統(tǒng)。

6.
既有建筑改造項(xiàng)目,Darmstadt(圖3.11-3.12

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在德國(guó)居住建筑上的應(yīng)用

 

Darmstadt市中心的改擴(kuò)建項(xiàng)目。

被動(dòng)式外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):老樓加建了屋頂層,沿街立面為保持建筑原有風(fēng)貌增加了墻體內(nèi)保溫,朝向內(nèi)院的外墻增加了墻體外保溫。

主動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)l沿街的建筑主要朝向非南北向,盡管朝向不利于太陽(yáng)能的利用,但新加建的坡屋頂上還是設(shè)置了東西朝向的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和光伏電池,屋面斜度與水平面呈33度,屋面與太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)成一體化(BIPV)。太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)生的電能并入公共電網(wǎng)。

其他節(jié)能措施:回收的雨水用于沖廁和花園灌溉。

 

四、思考與啟示

1、被動(dòng)式的建筑節(jié)能設(shè)計(jì):

1)建筑以南北朝向?yàn)橹?,建筑造型?jiǎn)潔,無(wú)復(fù)雜的凹凸變化,便于 控制體形系數(shù);

2)東、西、北向控制外"面積,以減少外圍護(hù)的熱量損失;南向透 明外窗面積較大,使采暖期白天可通過(guò)玻璃獲得更多的太陽(yáng)熱輻 射,降低采暖能耗;

3)屋面、外墻和外窗的傳熱系數(shù)比較小,外窗采用三玻兩腔中空玻 璃,窗框采用塑鋼和木質(zhì)型材,以提高外窗的熱工性能;

4)建筑外墻采用木制低碳材料,熱工性能好,可循環(huán)重復(fù)利用;

5)設(shè)置建筑活動(dòng)外遮陽(yáng),充分利用太陽(yáng)輻射特點(diǎn),夏季有遮蔽,冬 季有日照。

2、主動(dòng)式的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)充分利用太陽(yáng)能和其他可再生能源:

1)利用建筑x墻和屋頂,綜合采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱水系 統(tǒng);

2)采用排風(fēng)熱回收,提高能源利用a;

3)屋面的太陽(yáng)能光伏和光熱系統(tǒng),根據(jù)建筑特點(diǎn)分別采用太陽(yáng)能BA PV一體化安裝系統(tǒng)或BIPV非一體化安裝系統(tǒng);但建筑立面必須采 用BAPV太陽(yáng)能一體化安裝系統(tǒng)p

4)安裝在居住建筑上的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能均可并入公共 電網(wǎng);

5)利用地源熱泵制冷和采暖,合理利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的電量。

3、德國(guó)雖然不具備發(fā)展太陽(yáng)能光伏的優(yōu)越條件,其太陽(yáng)能資源與上海地區(qū)相似,但它成功的經(jīng)驗(yàn)值得上海地區(qū)借鑒:

1)政府對(duì)于光伏補(bǔ)貼政策的鼓勵(lì)和允許多余電量并入公共電網(wǎng),大 大激發(fā)了民間居住建筑利用太陽(yáng)能的積極性;

2)應(yīng)結(jié)合居住建筑的特點(diǎn),合理設(shè)置太陽(yáng)能光伏或光熱集熱構(gòu)件位 置,太陽(yáng)能構(gòu)件與建筑設(shè)計(jì)、安裝一體化、與外表面裝飾一體化 ;

3)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品的多樣化,除了類型的多樣還有色彩的多樣變r(jià) ,為建筑設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)造想象的空間;

4)既有建筑改造在保持原有建筑風(fēng)貌的同時(shí),不但可z高圍護(hù)結(jié)構(gòu) 的熱工性能,還可充分利用太陽(yáng)能資源和其它可再生能源。


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