1 概述
玻璃幕墙的透光性好[1-2]，幕墙型太阳能光热构件有着巨大的应用前景。太阳能光热幕墙除了具有常规幕墙的功能以外，还能够将接收到的太阳能转化为建筑所需的热能。应用太阳能光热幕墙的建筑外立面无需再设外保温层。夏季，太阳能光热幕墙吸收了部分太阳能，对建筑起到一定程度的降温作用。因此，太阳能光热幕墙可有效降低建筑用于取暖、制冷的能源消耗。
目前，普通玻璃幕墙采用标准化产品，施工时，按照施工工艺将构件安装到建筑结构上即可。其具有如下特点：质量稳定可靠，可满足不同的使用需求；拆卸方便，易于更换，便于维护；制作技术成熟[3]。太阳能光热幕墙采用标准化幕墙型太阳能光热构件产品，达到与普通玻璃幕墙兼容的目的，既实现与普通玻璃幕墙一样满足建筑的采光需求，又具有充分利用太阳能的功能。
2 水介质幕墙型太阳能光热构件的结构
水介质幕墙型太阳能光热构件的结构见图1。光热构件外表面采用常规幕墙玻璃，以期使得光热构件和普通幕墙构件兼容，幕墙玻璃通过结构密封胶粘接固定在边框上面，吸热板芯外表面喷涂太阳能选择性吸收涂层。阳光透过玻璃盖板辐射到吸热板芯上，选择性吸收涂层可将太阳能转化成热能，使吸热板芯温度升高。吸热板芯吸热面后是热交换管道，管道里充满水介质，通过吸热板芯与水的热交换使水温度升高，当水流动时将热能带走，充分利用了辐射到建筑上的太阳能。光热构件的吸热板芯背后还设置有保温背板。玻璃盖板、铝合金边框以及保温背板形成一个整体结构，提高了光热构件的得热量。水介质进出热交换管道的接口从光热构件的背板伸出。
光热构件的玻璃盖板采用4mm厚优质钢化玻璃，透光率高达87％以上，抗冰雹、抗老化。吸热板芯外表面为镀黑铬涂层，吸收率为93％～95％，发射率为9％～l0％。光热构件的关键部件——吸热板芯选用结构简单、耐晒、抗压、抗外力冲击、抗冷热冲击能力强、故障率低的铜管集热器，采用国际先进的超声波焊接技术焊接而成，具有成型质量好、热阻小，使用寿命可达30a以上等优点。吸热板芯制作完成后要进行0.9MPa的压力试验，确保光热构件质量稳定可靠。背板保温采用聚氨酯发泡和高温玻璃丝棉相结合制作。整个光热构件采用工厂预制工艺，形成幕墙型的标准构件产品。
水介质幕墙型太阳能光热构件的安装见图2。当光热构件进行多块拼接时，通过标准的连接件将光热构件连接到一起，光热构件之间距离为10mm，光热构件的玻璃盖板之间通过结构密封胶进行密封，从而形成外立面幕墙玻璃的外观形式。各光热构件的水介质热交换管道可以进行水平或垂直连接。
4 工程实例
4.1 应用幕墙型太阳能光热构件的供热系统
①供热系统组成
太阳能供热在应用上受季节性及昼夜性的影响，存在着冬季热量不足、贡献率低的问题。此外，连续雨雪天气时，太阳能也无法满足需求。在冬季，空气源热泵作为太阳能集热系统的补充，对储热水箱进行热量的储备和缓冲，满足建筑物的供暖和生活热水需求。在夏季，太阳能集热系统提供生活热水，空气源热泵提供空调系统冷水。
本文研究的应用幕墙型太阳能光热构件的供热系统见图3，由太阳能集热系统、热泵系统以及智能控制系统等组成。太阳能集热系统由太阳能光热构件幕墙、循环水泵及储热水箱等组成，其作用是通过光热构件最大限度地吸收太阳能，并通过储热水箱进行热量的储备及缓冲。储热水箱为双层夹套式水箱，水箱中间夹套部分的热水作为供暖热媒，向建筑物供热，满足室内的供暖需求。储热水箱内部承压水箱内的水通过压力供应至生活用热水末端，满足日常生活热水需求。电加热系统作为极端情况下的热源备用。智能控制系统对整个供热系统进行自动控制，完成温度检测、水泵的智能控制。
太阳能集热系统采用温差循环的控制方式，假设太阳能集热系统检测点温度为q1，供暖储热水箱水温为q2，当q1>q2时，太阳能循环水泵启动，循环加热储热水箱中的水，不断将太阳能储存至储热水箱中；随着储热水箱中的水不断循环，光热构件的温度逐步下降，当q1≤q2时，太阳能循环水泵停止运行。当储热水箱温度q2>70℃时，太阳能循环水泵不受光热构件和水箱温差控制，停止运行，对太阳能集热系统起到过热保护的作用。在供暖期，阀门F4关闭，其他阀门打开，太阳能集热系统与空气源热泵串联运行，当太阳能不足、储热水箱水温低时，空气源热泵启动。在非供暖期，太阳能过剩而需要室内制冷的情况下，关闭阀门F2、F3，打开阀门F4，空气源热泵与太阳能集热系统独立运行。
试验系统供暖房间为北京市怀柔区某办公室(长×宽为8.3m×6.7m)，建筑南立面为太阳能光热构件幕墙，幕墙面积是32.0m2(8.0m×4.0m)，由16块光热构件组装而成，见图4。
②供热系统的主要设备与试验仪器
供热系统的主要设备与试验仪器见表1。
③相关计算公式
太阳能集热系统与热泵的有效得热量计算公式
式中Q——有效得热量，kJ
c——循环工质的比定压热容，kJ／(kg·K)
r——循环工质的密度，kg／m3
qV——循环工质的流量，m3／s
Dq——供回水的温差，℃
t——时间，s，可由智能热量表测试计算得出热泵机组冬季或夏季的制热或制冷工况COP计算公式为：
式中ICOP——COP值
Qb——制热量或制冷量，kJ
Qh——机组耗电量，kJ
4.2 测试结果与分析
①太阳能集热系统单独供热
2011年1月5—10日测试期间室外平均温度为-6.2℃，测得的太阳能得热情况见表2。
试验办公室使用时间为8：00—21：00，21：00以后关闭供热系统末端。太阳能集热系统单独供热条件下，1月8日储热水箱和办公室的测试温度见图5。仅凭太阳能供暖，1月8日室外最低温度为-13℃，储热水箱的水温从14.3℃上升到40.2℃，室内温度从10℃上升到22℃，然后又逐步下降到15℃左右，太阳能集热系统单独供热提供的热量可以勉强满足建筑供暖需求。
冬季太阳能光热构件幕墙的得热量较低，因此空气源热泵作为补充热源协同供暖。整个供热系统开始运行时，太阳能集热系统和空气源热泵共同运行，可以把储热水箱中的水温提高到40℃以上，经过一天的运行，系统达到稳定状态。在联合供暖条件下，2011年1月19日储热水箱和办公室的测试温度见图6。室外温度最低达到-15℃，办公室使用时间为8：00—21：00，21：00以后关闭供热系统末端，此后室温由晚上的20℃左右降至早晨的l4℃左右。太阳能集热系统与空气源热泵同时处于工作状态，空气源热泵在早晨太阳能不足的时候工作，可以把储热水箱的水温维持在35～40℃。在晴好天气情况下，太阳能集热系统可以把储热水箱的水温提升到50℃，室内温度可以很快升至20℃，然后空气源热泵停止工作，太阳能集热系统可以保证室温在20℃以上，房间的舒适性较好。
③联合供热能耗分析
供热系统运行稳定后，累计测试3天，数据见表3。由表3可知，太阳能集热系统平均得热l37.6MJ／d，空气源热泵提供热量189.9MJ／d，共提供热量327.5 MJ／d，太阳能集热系统在整个系统中的贡献率为42.0％，空气源热泵的贡献率为58.0％。办公室每天使用13h，平均能耗125.9W／m2。由于试验条件限制，该办公室属小型建筑，因此单位面积能耗较大。热泵消耗电能120.2MJ／d(33.4kW·h／d)，计算得出热泵平均COP值为1.6。此外，太阳能循环水泵、供暖水泵、风机盘管等平均耗电9.4kW·h／d，因此整个供热系统消耗电能154.1MJ／d(42.8kW·h／d)，产生热能327.5MJ／d，节能173.4MJ／d。扩展到整个供暖期(120d)，该供热系统会产能39300MJ，节能20808MJ，按照标准煤热值为29.3MJ／kg计算，约节约标准煤710kg。此外，该系统在非供暖期还可以提供足够的生活热水。该系统零污染，因此，具有较好的节能与环保效益。
④联合供热经济性分析
该联合供热系统的造价为59430元，详见表4，最小使用期限为20a。该系统每个供暖期提供热量39300MJ，如果单纯采用空气源热泵系统，则提供同等热量需要电能6823kW·h，经测试得知每个供暖期实际消耗电能5136kW·h。因此，应用太阳能光热构件幕墙集热系统后，节约了电能1687kW·h，电价按0.8元／(kW·h)计算，则节约了1349.6元。若只采用空气源热泵系统，则需要使用普通玻璃幕墙，普通玻璃幕墙的综合单价约为1200元／m2，总造价为38400元。保守考虑，忽略只采用空气源热泵系统条件下，空气源热泵、热泵循环泵、风机盘管的造价变化，则该联合供暖系统比单纯采用空气源热泵系统增加的造价仅为表4中的第4～8项，同时扣除普通玻璃幕墙的造价38400元，得到增加的造价为5130元，增加的造价投资回收期约为3.8a。虽然该联合供热系统在造价方面有所增加，但是环保节能，在非供暖期还可以提供生活用热水，夏季热泵还可以供冷，最大限度地利用了太阳能。此外，太阳能应用产业也是政府积极扶持的产业，是推进节能环保产业发展的有效途径。
5 结论
太阳能光热构件幕墙替代玻璃幕墙，在满足玻璃幕墙装饰功能的情况下，还有效利用了太阳能。幕墙型太阳能光热构件供热系统示范工程为建筑面积55.6m2的房间供暖，该系统采用了32m2的光热构件，太阳能集热系统得热效率达到26.7％。在最冷天气时，日消耗能源154.1MJ／d，可产生热量327.5MJ／d，其中太阳能提供热量137.6MJ／d，空气源热泵提供热量189.9MJ／d，热泵COP值为1.6。该供热系统在使用较少电能的情况下，即能满足供热需求，整个系统具有较好的节能环保性和经济性。因此，幕墙型太阳能光热构件在供热系统的应用有必要在实际工程中进行推广。
参考文献：
[1]孙跃强，周志华，杜苗．呼吸式玻璃幕墙在寒冷地区的应用[J]．煤气与热力，2008，28(1)：A15-A17．
[2]张君美，郑新敏，吕建，等．薄膜光伏幕墙结构及节能性能分析[J]．煤气与热力，2010，30(5)：A21-A23．
本文作者：赵丹 赵国华 邢永杰 赵岩 叶建东
作者单位：北京市工程咨询公司
北京九阳实业公司
北京市科学技术委员会
北京源深节能技术有限责任公司
北京市可持续发展促进会
