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太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

時間：2019-08-04 02:27:07 作者：GBWindows 來源：行業網站閱讀：6129

內容摘要：一、概況德國是首批促進光伏產業發展的歐洲國家之一。自20世紀90年代末起，德國的光伏產業就開始快速發展。由于政府對于光伏補貼政策的鼓勵，2008年到2010年期間德國新增加的太陽能光伏電池裝機容量更是成倍增長，2013年德國議會開始討論光伏補p削減法案，當年新增加的太陽能光伏電池......

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

一、概況

德國是首批促進光伏產業發展的歐洲國家之一。自20世紀90年代末起，德國的光伏產業就開始快速發展。由于政府對于光伏補貼政策的鼓勵，2008年到2010年期間德國新增加的太陽能光伏電池裝機容量更是成倍增長，2013年德國議會開始討論光伏補p削減法案，當年新增加的太陽能光伏電池裝機容量僅為2012年的43%（圖1.1）。盡管如此，光伏發電在德國對可再生能源的利用中占舉足輕重的作用，僅2012年，德國對可再生能源的投資中，光伏系統就占了57.6%（圖1.2）。

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

由于氣候和地理等因素的限制，德國的自然條件對于發展太陽能光伏并不優越，單位面積的年輻射量不到1500kWh/m2（圖1.3），相當于中國的三類和四類地區。測量統計數據表明，德國太陽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呈30°；當太陽能光伏電池的安裝朝向為南偏東45°且與水平面的夾角呈50°時，太陽能光伏電池的光電轉換效率將降低5%；當太陽能光伏電池安裝在南立面上時，即正南向且與水平面的夾角呈90°，太陽能光伏電池的光電轉換效率則降低20%。因此，利用南向坡屋面安裝太陽能光伏系統，在德國尤為常見，這也是許多示范性低碳居住區的重要標志之一（圖1.4）。

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

二、德國太陽能光伏系統的分類和比較

1. 按太陽能光伏電池的材料分類

根據太陽能光伏電池的制作材料可分為硅基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中，硅基半導體電池又分為單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池。各種電池的生產成本、光電轉換效率，以及安裝工藝等各有利弊，因此使用的場合也不同。由于多晶硅電池的價格較單晶硅電池便宜，性能優于非晶硅和碲化鎘電池，所以目前德國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輕巧的自重和簡單的安裝工藝，其市場份額也有所增加。表2.1對居住建筑中，較為常用的幾種太陽能光伏電池進行了比較。

表2.1 常用太陽能光伏電池的比較

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

通過在太陽能光伏電池表面增加一道抗反光涂層，或者在制作太陽能光伏電池時混入抗反光玻璃，可以得到不同顏色和圖案的太陽能p伏電池（圖2.2）；而“透明”光伏電池則是改變了太陽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換效率會有所降低，但它們的誕生，賦予太陽能光伏電池在建筑設計上更多的可能性。

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

2. 按安裝系統分類

根據太陽能光伏電池的安裝系統，可分為非一體化安裝系統（BAPV）（圖2.3）和一體化安裝系統（BIPV）（圖2.4）。前者是將太陽能光伏系統安裝在已經完成的建筑外圍護結構的外側，后者則用光伏器件代替建筑外圍護結構，與建筑融為一體。兩者的特點和比較見表2.2。

表2.2 非一體化安裝系統（BAPV）和一體化安裝系ǎBIPV）的比較

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

三、應用案例

1. 實驗性項目，Darmstadt——2007年Solar Decathlon一等獎作品（圖3.1-3.3）：

結構形式：木框架結構；

被動式外圍護結構節能設計：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0.1W/m2K，地面傳熱系數0.4W/m2K，外窗傳熱系數0.7W/m2K

主動式太陽能設計：建筑遮陽采用了可完全開啟的百葉遮陽扇，由可調節角度的非晶硅太陽能光伏電板作為遮陽百葉材料，將太陽能利用、遮陽和美觀結合在一起，光伏遮陽百葉峰值總功率為2.1kWp；屋頂設置了單晶硅太陽能光伏系統，峰值總功率為11.2kWp；所產生的電能并入公共電網；屋面上同時還設有3平方米太陽能熱水系統。

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

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

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

圖3.5

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

結構形式：鋼框架結構，提高可再循環材料利用比例的同時，減少了建筑施工期的濕作業時間

被動式的外圍護結構節能設計：所有的外窗采用充氬氣的三玻兩腔玻璃，傳熱系數0.7W/m2K，由于上層透明玻璃面積非常大，玻璃采用了low-e鍍膜以及內置織物窗簾。

主動式節能設計：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，設有41組單晶硅光伏電板，其峰值總功率n9kWp光伏電板產生的電n并入公共電網，太陽能光伏系統所產生的電能足夠抵消這棟住宅本身所需的年耗電量。

3.
學生公寓，Munik（圖3.6）

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

慕尼黑某學生宿舍，可供588個學生居住。

被動式節能設計：推拉式活動外遮陽，色彩亮麗的遮陽構件隨著使用者的需求產生無窮的組合變幻，在抵擋太陽輻射熱的同時，極大地豐富了建筑立面效果。

主動式太陽能設計：所有屋面均設置太陽能光伏和光熱系統。設置在屋頂的太陽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平方米的太陽能熱水系統，可滿足60%的生活熱水需求量。

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

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

這是一棟滿足被動式住宅標準的集合式住宅，包括十個大小不同的公寓，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=

結構形式：鋼筋混凝土框架結構，外墻采用輕型木框填充墻。

主動式太陽能設計：南向外墻裝有20組吸附式太陽能空調系統，總面積達54平方米。南向和西向設置了多晶硅光伏電板，總面積達78平方米。立面上的太陽能系統均采用一體化安裝系統。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。太陽能光伏發電所產生的電能并入公共電網，建筑立面、屋頂產生的電量可滿足整個住宅樓的照明和家用電器的用電需求。

5.
獨立別墅，Falkenberg（圖3.9-3.10）

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

這是一棟鋼筋混凝土框架結構的獨棟別墅建筑。

主動式太陽能設計：南向立面除結構框架外均為透明玻璃，冬季可最大限度利用太陽輻射熱。屋頂上設置了10組太陽能空調系統和22組單晶硅光伏電板，為非一體化（BAPV）安裝系統。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，光伏電板產生的電主要用于地源熱泵設備；非采暖期，光伏電板產生的電能則并入公共電網。

其他可;生能源利用：地源熱泵熱水系統。

6.
既有建筑改造項目，Darmstadt（圖3.11-3.12）

太陽能光伏系統在德國居住建筑上的應用

Darmstadt市中心的改擴建項目。

被動式外圍護結構設計：老樓加建了屋頂層，沿街立面為保持建筑原有風貌增加了墻體內保溫，朝向內院的外墻增加了墻體外保溫。

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

其他節能措施：回收的雨水用于沖廁和花園灌溉。

四、思考與啟示

1、被動式的建筑節能設計：

1）建筑以南北朝向為主，建筑造型簡潔，無復雜的凹凸變化，便于控制體形系數；

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

3）屋面、外墻和外窗的傳熱系數比較小，外窗采用三玻兩腔中空玻璃，窗框采用塑鋼和木質型材，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，可循環重復利用；

5）設置建筑活動外遮陽，充分利用太陽輻射特點，夏季有遮蔽，冬季有日照。

2、主動式的建筑節能設計充分利用太陽能和其他可再生能源：

1）利用建筑x墻和屋頂，綜合采用太陽能光伏發電和太陽能熱水系統；

2）采用排風熱回收，提高能源利用a；

3）屋面的太陽能光伏和光熱系統，根據建筑特點分別采用太陽能BA PV一體化安裝系統或BIPV非一體化安裝系統；但建筑立面必須采用BAPV太陽能一體化安裝系統p

4）安裝在居住建筑上的太陽能光伏系統所產生的電能均可并入公共電網；

5）利用地源熱泵制冷和采暖，合理利用太陽能產生的電量。

3、德國雖然不具備發展太陽能光伏的優越條件，其太陽能資源與上海地區相似，但它成功的經驗值得上海地區借鑒：

1）政府對于光伏補貼政策的鼓勵和允許多余電量并入公共電網，大大激發了民間居住建筑利用太陽能的積極性；

2）應結合居住建筑的特點，合理設置太陽能光伏或光熱集熱構件位置，太陽能構件與建筑設計、安裝一體化、與外表面裝飾一體化；

3）太陽能光伏產品的多樣化，除了類型的多樣還有色彩的多樣變r ，為建筑設計提供了創造想象的空間；

4）既有建筑改造在保持原有建筑風貌的同時，不但可z高圍護結構的熱工性能，還可充分利用太陽能資源和其它可再生能源。

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