新型光伏熱電墻技術(shù)

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個(gè)地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。今年冬天，華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院羅勇強(qiáng)博士像往常一樣撕下貼在門上的水電費(fèi)單，打開手機(jī)繳納費(fèi)用。“冬季要支付暖氣費(fèi)，夏季空調(diào)耗電量大，電費(fèi)也比較高昂。為了住得舒服，實(shí)在太不容易了!”他希望，有朝一日，建筑房屋擁有自己的“思想”，不依靠這些制冷、供暖設(shè)置就能夠自動(dòng)化地調(diào)節(jié)溫度，從而大大減少建筑供電的能耗。

幸運(yùn)的是，他的夢想在不久的將來就會實(shí)現(xiàn)。多年來，羅勇強(qiáng)專攻于建筑領(lǐng)域的節(jié)能研究。近日他所在的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套可根據(jù)需求智能調(diào)節(jié)溫度的零能耗新型光伏熱電墻體系統(tǒng)，相關(guān)成果發(fā)表于《應(yīng)用能源》。“在全球變暖亟須節(jié)能減排的大趨勢下，發(fā)展近零能耗乃至零能耗建筑是必然選擇。”羅勇強(qiáng)說。給建筑“穿衣服”能夠住在冬暖夏涼的房子里，是每位居民的夢想，而決定溫度的關(guān)鍵在于墻體的設(shè)計(jì)。“就像人冬天怕冷要穿棉襖、夏天穿得清涼一樣，建筑也不例外。”論文第一作者羅勇強(qiáng)向《中國科學(xué)報(bào)》打了一個(gè)形象的比喻。通常而言，建筑設(shè)計(jì)師會根據(jù)不同地域特點(diǎn)設(shè)計(jì)墻體的厚度。

比如，北方地區(qū)氣候寒冷，建筑墻體就會設(shè)計(jì)得偏厚實(shí)，以提高保溫效果。南方地區(qū)則相反，為了排出熱量，墻體就會設(shè)計(jì)得更加輕薄。不過，建筑一旦建成之后，其墻體的熱性能就會固定，很難根據(jù)一年四季的氣候情況而隨機(jī)變化，難以滿足人們的居住需求。“夏天室外炎熱，熱量透過墻體傳到室內(nèi)導(dǎo)致同步炎熱，所以我們需要打開空調(diào)把室內(nèi)熱量排出。而到了冬天，室內(nèi)的熱量又會源源不斷地從墻體向外流失，所以我們需要打開供暖設(shè)施補(bǔ)充損失的熱量。”他介紹，為了居住舒適，建筑內(nèi)部往往配有制冷供熱設(shè)施，而這會造成大量的能耗。有沒有一種辦法能讓建筑可以自行根據(jù)外界溫度添加或脫掉“衣服”?羅勇強(qiáng)陷入了沉思。

芯片也有“兩面派”為了常年保持室內(nèi)舒適的溫度，羅勇強(qiáng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款光伏熱電耦合蓄電池的墻體系統(tǒng)。熱電系統(tǒng)的運(yùn)作基于一種輕薄且小巧的半導(dǎo)體芯片，其依靠光伏電池低壓直流電驅(qū)動(dòng)。當(dāng)直流電輸入此半導(dǎo)體芯片時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)揮“兩面派”的特質(zhì)。通俗來說，到了夏天，安裝在墻體里的芯片朝向室內(nèi)的一面制冷，背面制熱。到了冬天，將電流方向逆轉(zhuǎn)，則可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制熱的效果。通往成功的道路是曲折的。很快，羅勇強(qiáng)就面臨著一個(gè)不可避免的難題——由于該系統(tǒng)依靠光伏充電，所以晚上沒有太陽，墻體就無法工作。有沒有辦法可以解決?他將目光投向了蓄電池。“其實(shí)白天的時(shí)候，太陽能發(fā)的電是綽綽有余的。

比如夏天，用于冷卻墻體的電力非常充足，為何不能把多余的電量儲存起來?這樣，白天我只需采用光伏產(chǎn)生的一小部分電力用于冷卻墻體，多余的電先讓蓄電池幫忙‘保管一下’。在晚上沒有太陽的時(shí)候，我再把電從蓄電池里面取出來，輸送給熱電芯片。最終通過控制算法，讓芯片在夏天幫我們冷卻墻體，在冬天的晚上繼續(xù)加熱墻體，實(shí)現(xiàn)‘一年四季一天24小時(shí)’的墻體熱流控制。”羅勇強(qiáng)表示，如此一來，無論夏天、冬天還是白天、晚上，都能將墻體控制在適宜的溫度內(nèi)。“而且，如果能夠讓墻體溫度和室內(nèi)溫度保持一致，就不會出現(xiàn)熱傳遞和熱損失。”為此，他建立了熱電墻體的點(diǎn)熱源二維解析傳熱模型、復(fù)合墻體狀態(tài)空間模型、光伏電池模型以及蓄電池動(dòng)態(tài)充放電模型，利用光伏熱電墻體實(shí)驗(yàn)臺驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，通過控制算法實(shí)現(xiàn)了墻體內(nèi)表面溫度夏季始終不高于室內(nèi)溫度、冬季始終不低于室內(nèi)溫度，并且該系統(tǒng)完全由可再生能源驅(qū)動(dòng)，不消耗電網(wǎng)電力。

有望降低建筑供電能耗系統(tǒng)完成后，該團(tuán)隊(duì)很快將其投入測試。結(jié)果表明，建筑墻體可保持恒定的設(shè)置溫度，全年均能順利運(yùn)行。隨后，團(tuán)隊(duì)又通過模擬計(jì)算考察系統(tǒng)在北京、武漢、廈門等十多個(gè)不同地區(qū)城市的可行性，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對不同的氣候區(qū)都具有適應(yīng)性。“這就意味著建筑墻體全年只要穿這么一件‘衣服’就行了。”羅勇強(qiáng)說。論文通訊作者之一、湖南大學(xué)教授張泠告訴《中國科學(xué)報(bào)》，此套系統(tǒng)不僅為傳統(tǒng)墻體的熱性能增加了靈活性，最大的作用還在于降低了建筑供電的能耗。“很多大型建筑都配有中央空調(diào)進(jìn)行調(diào)溫，但是墻體如果安裝了我們的光伏熱電系統(tǒng)，就可以大大減少空調(diào)的耗能，最終實(shí)現(xiàn)建筑的近零能耗乃至零能耗。”

她說，目前該系統(tǒng)已申請了國家發(fā)明專利，并出售給建筑公司使用。建筑節(jié)能邁向“近零能耗”時(shí)代近些年，我國政府在推進(jìn)節(jié)能技術(shù)、可再生能源技術(shù)、綠色建筑等方面采取了相應(yīng)的措施，對節(jié)能減排的重視不言而喻。9月1日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了我國首部建筑節(jié)能引領(lǐng)性國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51350-2019(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)。至此，“近零能耗建筑”概念置于聚光燈下。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，近零能耗建筑需要適應(yīng)氣候特征和場地條件，通過被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過主動(dòng)技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境。

此外，在冬季(夏季)要滿足室內(nèi)溫度≥20攝氏度(≤26攝氏度)、室內(nèi)相對濕度≥30%(≤60%)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)約束條件，能耗水平需較現(xiàn)行2016年標(biāo)準(zhǔn)降低65%至75%以上。“不得不承認(rèn)，我國在節(jié)能減排方面的舉措還是強(qiáng)有力的。”湖南大學(xué)副教授劉忠兵告訴《中國科學(xué)報(bào)》，該政策的實(shí)施將對推動(dòng)建筑節(jié)能減排、提升建筑室內(nèi)環(huán)境水平、調(diào)整建筑能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級起到重要作用。記者查閱資料發(fā)現(xiàn)，從1986年至2016年，我國建筑節(jié)能經(jīng)歷了“三步走”，即建筑節(jié)能比例逐漸達(dá)到30%、50%、65%。目前，65%的節(jié)能目標(biāo)已基本普及，部分省、市已經(jīng)全面實(shí)行建筑節(jié)能75%的目標(biāo)。超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級表現(xiàn)形式。

當(dāng)前，我國建筑領(lǐng)域已經(jīng)開始了相關(guān)探索，例如清華大學(xué)設(shè)計(jì)的示范性超低能耗建筑、南京綠色燈塔等。劉忠兵表示，這些超低排放的綠色建筑不僅有利于節(jié)能減排，同時(shí)也有利于優(yōu)化整個(gè)社會的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展等。張泠分析認(rèn)為，未來超低能耗建筑技術(shù)將廣泛應(yīng)用于單體建筑、民用建筑、公共建筑、多層建筑和高層建筑領(lǐng)域，最終共同構(gòu)建一個(gè)節(jié)能環(huán)保可持續(xù)的世界。相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時(shí)候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。