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1概述

建筑作為人類日常生活必須的物質載體，每年消耗著大量的能源，在城市化程度高的國家，建筑能耗約占總能耗的30％～40％…。在目前能源Et益短缺的情況下，不斷提高建筑物的能源利用率就顯得十分必要。而在建筑節能中融入新能源發電技術，是實現新建筑技術與生態能源發展的重要途徑。新能源在建筑節能中的應用，較早表現在光伏建筑一體化設計方面。但建筑節能與光伏發電單一的結合形式，使系統所發出的電能質量及可靠性較差。風能、太陽能作為可利用的自然可再生能源，兩者在轉換過程中都受季節、地理和天氣氣候等多種因素制約。但是，兩者的變化趨勢基本相反，如果揚長避短、相互配合，則能發揮出最大的作用。特別是在遠離電網的地區，獨立供電系統成為必需的動力源。同時，在系統中配置必要的儲能設施，結合風能、太陽能的特點，構成風光儲發電系統，能改善系統輸出的電能質量，提高系統供電可靠性。風光儲技術與建筑節能有機結合能充分利用建筑物所在地區的風能和太陽能資源，符合能源可持續發展的需求。其優勢包括以下幾點：①有效減少占地費用，風電機組及光伏組件可在高層建筑上合理配置；②獨立的發配電系統的運行減少了線路傳輸損耗；③應用儲能技術使建筑供電系統成為完全不依賴于公用電網的獨立電源系統在中國的西北、美國明尼蘇達等地區風能資源豐富、Et照充足，特別適合風光儲技術的應用。

2基于風光儲發電技術的節能設計

風光儲發電技術的建筑節能系統主要由風力發電機組、光伏組件、儲能設備、換流控制器及交直流負載等部分組成。其基本工作原理是：風機發出的交流電經整流器整流后，與光伏電池發出的直流電，在控制器的控制下同時或單獨向蓄電池充電，經逆變器將直流電變換為交流電，通過交流配電系統輸送到用戶。控制器控制著兩個系統最大程度地發揮各自的效能，同時又要保證不會對蓄電池過充電，穩定電壓，使系統在恒壓充電狀態下工作。基于風光儲發電技術的建筑節能系統設計主要包括光伏建筑一體化設計、風能建筑一體化設計、儲能建筑一體化設計及換流器設計。

2．1光伏建筑一體化設計

光伏建筑一體化是將太陽能發電(光伏)產品集成或結合到建筑上的技術，其不僅有外圍護結構的功能，同時又能產生電能供建筑使用。光伏建筑一體化一般分為獨立安裝型和建材安裝型兩類。獨立安裝型是指普通太陽能電池板施工時通過特殊的裝配件把太陽電池板同周圍建筑結構體相連。建材安裝型則是指在生產時把太陽能電池片直接封裝在特殊建材內，或做成獨立建材的形式，如屋面瓦單元、幕墻單元、外墻單元等，外表面設計有防雨結構，施工時按模塊方式拼裝，集發電功能與建材功能一體，施工成本低。建材安裝型一般分為4種方式，分別為屋頂一體化、墻面一體化、建筑構件一體化及建筑立面LED一體化。圖1為美國某火車站光電屋面工程，其總面積7060．63m，光電板使用面積為4645．15m，發電峰值功率為250kW；圖2為中國某辦公樓光電幕墻，光伏電池板面積3228．8m，發電功率為161kW。圖1美國某火車站光電屋面圖2中國某辦公樓光電冪墻在光伏建筑一體化設計上應綜合考慮以下因素。

(1)在外觀上，兼顧太陽能的利用及建筑美觀，無論是在屋頂還是在立面墻上，應實現兩者協調與統一。

(2)在墻面的選擇上，首選南立面墻(向陽面)以期最大程度利用太陽能，其次可考慮選擇東南面墻或西南面墻。

(3)在屋頂角度的選擇上，考慮結構穩定性的基礎上，盡可能選擇與當地緯度一致。

(4)在結構上，要妥善解決光伏電池板的安裝問題，確保建筑物的承重、防水等功能不受影響，還要充分考慮光伏電池板抵抗強風、暴雨、冰雹等自然災害的能力。

2．2風能建筑一體化設計

風能與建筑一體化的結合分為直接結合和間接結合兩種形式。間接結合主要指風電機組融于建筑綠地、建筑物附近有較大的空地；直接結合一般指將風電機組直接集成到建筑物中。風能建筑一體化設計主要應考慮如下因素。

(1)分析建筑物所在地區風資源情況，了解風速、風功率密度及主風向等資料，以便確定風電機組布置。

(2)考慮建筑物和風電機組的協調布置，以達到風能的充分利用及建筑物美觀的完美結合。

(3)依據高層建筑風環境特點，風力機通常安裝在風阻較小的屋頂或風力被強化的洞口、夾縫等部位。

(4)建筑物屋頂風力大、環境干擾小，是安裝風力機的最佳位置。風力機應高出屋面一定距離，以避開檐口處的渦流區。建筑物中部開口處，風力被匯聚和強化，產生強勁的“穿堂風”，適宜安裝定向式風力機。由于風能的不穩定性和噪音等問題，很難大規模地應用于一體化設計。但在2007年6月竣工的巴林世貿中心，卻成功地將大型風輪機集成到建筑當中，設計師在建筑物的雙塔之間16、25層和35層處分別設置了1座重達75t的跨越橋梁，3個直徑達29m的水平軸風力發電機組被固定在這3座橋梁之上。每年可為大樓提供10％～15％的電力，即110萬一130萬kW•h，堪稱風能建筑一體化的典范之作(圖3)。圖3巴林世貿中心風能建筑一體化美國邁哈密COR環保大廈則是風能和太陽能與建筑結合的典型案例，見圖4。在這棟大樓上用最新的風力渦輪機、光電板和太陽能熱水器來提供大樓所需的一部分能源；建筑頂部四面墻上安裝多個固定式水平軸風力機；大樓外立面骨骼狀的殼體，不僅是大樓的支撐結構，而且它還有隔熱，遮陽的作用。

2．3儲能建筑一體化設計

儲能技術與建筑一體化的結合也可分為直接結合和間接結合兩種形式，直接結合主要是指在一體化建筑中使用儲能建筑材料，比如相變儲能材料。間接結合一般指在建筑供電系統中配置必要的儲能設備。電能的儲存形式可具體分為機械、電磁、電化學電池三大類型，而近年來電池儲能受到越來越多的關注，其中鋰離子電池是高級電池中一種有廣泛應用潛力的電池。目前，深圳某公司已開發出基于磷酸鐵鋰電池儲能技術的200kW×4h柜式儲能電站和1MW×4h儲能示范站(目前實際投入運行的容量為330kW×4h)，其應用方向定位于削峰填谷和新能源靈活接入。在風光儲建筑一體化設計中融于合適的儲能設備，既能改善電能質量，又能提高供電可靠性，還可以使建筑供電系統成為完全不依賴于公用電網的獨立電源系統。

2．4換流器設計

換流器是風光儲建筑節能系統的核心設備，應具備能量雙向傳遞功能。其基本功能主要包括：①將風電機組整流器、光伏電池組件及儲能電池輸出的直流電轉化為交流電；②在風電機組及光伏電池組件輸出的能量除了供給整個建筑的用電外還有盈余時，換流控制器將直接對儲能電池進行充電；③如果風光儲建筑節能系統與公共電網相連，在風電機組及光伏組件無法輸出能量而儲能電池能量不足時，換流器還可將公共電網的交流電轉換為直流電，以便對儲能電池進行充電。雙向換流器還需配置電池管理系統，該系統主要用于控制電池模塊，保證電池的安全可靠運行。電池管理系統除監視電池運行狀態外，還具有過壓、欠壓、溫度、漏電報警及保護功能，以及過流報警功能等。

2．5對風光儲建筑節能系統的探討

風光儲建筑一體化系統能有效減少建筑對常規能源的消耗，實現建筑節能，提高能源利用率；省去了風電機組和光伏組件的占地、基建等部分的費用；同時減少了遠距離電力輸送的損耗，降低了輸送成本及相應的建設成本；該系統中由于采用了儲能技術使其能基本滿足日常生活中建筑的用電需求。要實現風力發電、太陽能光伏發電及儲能系統與建筑一體化的綜合設計，應綜合考慮如下因素。

(1)分析建筑物所在地區風能資源和太陽能資源情況，選擇合適的風電機組和太陽能電池，實現風能和太陽能利用效能最大化。

(2)對建筑物的所有用電需求進行統計分析，既要了解常規用電需求，又要清楚高可靠性保安電源需求，以便合理選擇風電機組容量、光伏組件容量、儲能電池容量。

(3)合理選擇風光儲容量配比，充分利用風光在時間及地域上的天然互補性以及儲能電池的能量可存儲性，改善整個系統的時間功率輸出曲線，抑制風光儲獨立發電系統接入對電網產生的不利影響。

(4)在建筑設計中，對風電機組、光伏組件、儲能電池、換流器等相關設備必須系統地考慮和合理組織安排，如蓄電池組需要在干燥的環境中使用，且應置放在防潮、通風的地方。

(5)風光儲建筑節能系統綜合一體化設計，從一開始就要求在建筑平面設計、剖面設計、結構選擇以及建筑材料的使用方面融于新能源利用技術的理念，進一步確定建筑能量的獲取方式和建筑能量流線的概念，再結合經濟、造價以及其他生態因素的分析，最終得到多個生態因素最優化的綜合建筑設計方案。建筑節能與風光儲發電技術的結合是個新生事物，還缺乏設計理論和實踐經驗，但將風光儲發電技術應用于建筑節能中，其在新能源利用、環保節能方面的意義是不可置疑的。

為此，在選擇應用技術方案上，還要重視以下問題。

(1)就經濟性而言，考慮當前最先進的技術，風電成本最接近市電，光伏成本次之，儲能成本相對最高；但并不意味風光儲建筑節能系統的經濟效益都會很高。在風能資源和太陽能資源充足，系統設計合理的前提下，經濟效益明顯；反之，可能很低。

(2)風電機組產生的噪聲、震動、安全等及光伏組件光污染問題，可能對建筑物和居民生活構成威脅。因此，選擇低噪聲、低震動的風機及高透光率的光伏組件很有必要。

(3)風能太陽能及儲能設備的利用，對建筑設計提出了新的、復雜的技術和美學要求。為了避免其相互影響，發揮聯合優勢，應使建筑與風光儲建筑節能系統在功能、結構、設備、材料、外觀上融為一體。

3工程應用舉例

美國明尼蘇達州風能資源豐富、太陽能資源較豐富。明尼蘇達州的明尼阿波利斯市在2009年美國環保署公布的節能建筑城市排名第8位。以明尼阿波利斯市某金融中心大樓為例，在考慮該大樓建筑設計方案時，為充分利用當地的太陽能資源，并考慮大樓的用電負荷需求，太陽能電池瓦的容量擬為200kWp。儲能單元的容量以能滿足大樓保安負荷需求為原則，初擬為300kW•h。該金融中心位于市區中心，前后遮擋影響較大，太陽能與建筑的結合可考慮采用太陽能電池瓦。太陽能電池瓦組件的安裝角度受建筑約束小，可以采用最佳傾角安裝。一般而言，光伏組件獲得最大太陽能資源的最佳傾角與當地的緯度相當。據此，大樓屋頂傾角設為45。。按光伏屋頂布置約為50Wp／m的太陽能電池瓦，200kWp的太陽能電池瓦的屋頂利用面積約為4000m。風能發電與建筑結合設計，擬采用風電機組直接集成到建筑物中的方案。綜合考慮屋頂太陽能電池瓦占用面積及3～5倍風輪直徑的機組間距，擬在樓頂設置50kW風電機組6臺。該機組風輪直徑18In，機組重量(不含塔筒)約2t，額定風速13m／s。300kW•h儲能單元電池總數量為520節，型號擬為FV200鐵電池；放電1h，放電功率0．3MW，充電2h，充電功率0．15MW；電池架占地面積(包括過道)約60nl。能量型FV200A鐵電池的額定電壓3．25V，容量200Ah。根據風光儲的容量配比，換流器的容量擬選為500kW，輸出電壓為380V，直流側電壓為380V。據上述設計，太陽能電池瓦及風電機組發出的電能可供大樓的部分負荷需求，300kW•h的儲能單元可滿足電網失電時的保安負荷需求。