摘要：光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房是一種特殊的節(jié)能建筑。光伏電站機(jī)房內(nèi)電氣設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境溫度有一定的要求，蓄電池室是光伏電站機(jī)房的核心部分，其環(huán)境溫度對(duì)蓄電池的充放電性能和效率至關(guān)重要。采用被動(dòng)式太陽能采暖房作為光伏電站機(jī)房是保證電站設(shè)備正常運(yùn)行的最佳選擇。

　　關(guān)鍵詞：光伏電站,被動(dòng)式,太陽房

　　1、離網(wǎng)型獨(dú)立光伏電站建設(shè)

　　青海省地處青藏高原腹地，全省于2002年底前，通過“中澳”、“中日”等國際合作項(xiàng)目建成獨(dú)立運(yùn)行試驗(yàn)、示范性光伏電站20余座;2002年國家啟動(dòng)的“送電到鄉(xiāng)”工程，在全國西部7個(gè)省的偏遠(yuǎn)無電鄉(xiāng)建成獨(dú)立運(yùn)行光伏、風(fēng)光互補(bǔ)電站663座，截至2006年底青海省建成“送電到鄉(xiāng)”工程鄉(xiāng)級(jí)獨(dú)立光伏、風(fēng)光互補(bǔ)電站112座;2005年啟動(dòng)的“中德財(cái)政合作青海省太陽能電站項(xiàng)目”，于2005年底項(xiàng)目一期建成光伏、光柴互補(bǔ)電站12座，項(xiàng)目二期于2007年底將建成光伏、光柴互補(bǔ)電站40余座;與此同時(shí)青海省內(nèi)多渠道建成數(shù)十座氣象站、通訊基站、道班等不同用途的獨(dú)立光伏電站。青海省到2009年底可建成離網(wǎng)型獨(dú)立光伏、風(fēng)光互補(bǔ)、光柴互補(bǔ)電站200余座。

　　2、被動(dòng)式太陽能機(jī)房應(yīng)用

　　光伏電站機(jī)房中控制器、逆變器、蓄電池、柴油機(jī)等電氣設(shè)備均對(duì)工作環(huán)境溫度有相應(yīng)的要求和限定，尤其是蓄電池對(duì)工作環(huán)境溫度的要求更加嚴(yán)格，環(huán)境溫度決定著蓄電池的充放電性能與效率，因此，蓄電池室是光伏電站機(jī)房中的核心部分。青藏高原地區(qū)氣候嚴(yán)寒，冬季漫長，同時(shí)晝夜溫差較大，惡劣的氣候環(huán)境直接影響到了光伏電站機(jī)房內(nèi)電氣設(shè)備的工作環(huán)境溫度;青藏高原地區(qū)所建設(shè)光伏電站地處偏遠(yuǎn)、交通狀況很差，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)相對(duì)落后，常規(guī)能源匱乏，光伏電站無法通過常規(guī)能源解決電站機(jī)房的采暖問題;由于青藏高原具有豐富的太陽能資源，太陽輻射強(qiáng)度大、日照時(shí)間長，因此，利用被動(dòng)式太陽房是實(shí)現(xiàn)光伏電站機(jī)房采暖的最有效途徑，光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房的應(yīng)用可保證電站機(jī)房內(nèi)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行并延長其使用壽命，是一種最佳的機(jī)房采暖形式。

　　光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房是一種特殊的節(jié)能建筑。其設(shè)計(jì)本著盡量多的吸收和儲(chǔ)存太陽能和盡量減少建筑物的耗熱損失為原則。

　　2.1光伏電站機(jī)房建筑布置

　　為了減少機(jī)房供熱負(fù)荷應(yīng)減少其外露表面，采用較小的建筑體形系數(shù)。機(jī)房應(yīng)包括蓄電池室、控制室、柴油機(jī)室、值班室等功能部分，建筑進(jìn)深應(yīng)控制在4.80m以內(nèi)，進(jìn)深與層高的比值應(yīng)小于1.60。機(jī)房的建筑布置應(yīng)采用大開間、淺進(jìn)深，且室內(nèi)凈高要適中，從而達(dá)到在平面布置上獲得滿意的建筑體形和最佳的采暖效果。

　　對(duì)于高寒地區(qū)太陽能建筑而言，良好的朝向非常重要，光伏電站機(jī)房方位選擇正南布置，可使機(jī)房南立面提早接受太陽輻射，盡快啟動(dòng)太陽能采暖系統(tǒng)，及時(shí)向室內(nèi)提供熱量，從而獲得明顯的采暖效果和最佳節(jié)能收益。

　　光伏電站機(jī)房南立面太陽能采暖系統(tǒng)的最低點(diǎn)與其南向太陽電池方陣之間的日照間距應(yīng)保證在冬至日太陽能采暖系統(tǒng)不被遮擋，其最小間距應(yīng)滿足S = H·ctg(αs)要求。式中S為太陽電池方陣與機(jī)房的最小間距，H為南向太陽電池方陣北緣最高點(diǎn)與機(jī)房南向吸熱面最低點(diǎn)高差，αs為冬至日中午12時(shí)的太陽高度角。

　　2.2光伏電站機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　作為節(jié)能建筑，體型系數(shù)應(yīng)嚴(yán)加控制且越小越好。光伏電站機(jī)房通常采用單體建筑，造型簡單，立面沒有高低錯(cuò)落，平面也無水平進(jìn)退，由于建筑面積體量偏小，致使體型系數(shù)較大。因此，光伏電站被動(dòng)式太陽能采暖機(jī)房必須著重加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫，以減少機(jī)房的熱損失，提高節(jié)能率。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮保溫外墻、保溫屋頂、節(jié)能門窗、蓄熱地面、太陽能采暖系統(tǒng)等材料設(shè)備的選型、構(gòu)造做法、施工技術(shù)難度和匹配方式。在加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的同時(shí)，設(shè)計(jì)中減少了北向開窗數(shù)量，加強(qiáng)了南向集熱器的密封措施，做到總體上提高機(jī)房的保溫絕熱性能。

　　青海省在“送電到鄉(xiāng)”工程和“中德財(cái)政合作青海省太陽能電站項(xiàng)目”中光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房的建設(shè)中進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和保溫絕熱構(gòu)造的詳盡和優(yōu)化組合設(shè)計(jì)。

　　2.2.1保溫外墻結(jié)構(gòu)。外墻是建筑外圍護(hù)的主要耗熱結(jié)構(gòu)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑的整體熱性能，外墻設(shè)計(jì)還應(yīng)重點(diǎn)克服和解決熱橋損失。東西北保溫外墻有兩種做法，第一種為夾心保溫墻構(gòu)造,內(nèi)層240磚墻，外層120磚墻，夾層120，內(nèi)填膨脹珍珠(γ<100Kg/m3,λ=0.042W/m·K)，內(nèi)外層磚墻用φ6連接鋼筋拉結(jié)，雙向600mm梅花形布置;第二種做法為夾心聚苯板保溫墻構(gòu)造,內(nèi)層240磚墻，外層120磚墻，中層夾80聚苯乙烯泡沫保溫板(ρ≥20kg/m3)，內(nèi)外層磚墻用φ6連接鋼筋拉結(jié)，雙向600mm梅花形布置;第三種為外墻外保溫構(gòu)造體系,內(nèi)層240磚墻，外層100聚苯乙烯泡沫保溫板(ρ≥20kg/m3)。

　　2.2.2保溫屋頂結(jié)構(gòu)。屋面是建筑外圍護(hù)的另一個(gè)主要耗熱部位，同時(shí)屋面還肩負(fù)著較大的承載和建筑防止雨雪侵襲的作用。混凝土屋面常成為影響較大的熱橋，應(yīng)當(dāng)采用合理構(gòu)造減少熱橋。第一種為采用300mm水泥珍珠巖保溫層平屋頂構(gòu)造;第二種為140mm FSG膨脹珍珠巖保溫板(γ<250Kg/m3,λ=0.066W/m·K)坡屋頂構(gòu)造，復(fù)合PVC吊頂;第三種內(nèi)貼100mm聚苯乙烯泡沫保溫板(ρ≥20kg/m3)現(xiàn)澆混凝土剛性防水坡屋頂構(gòu)造。

　　2.2.3蓄熱地面結(jié)構(gòu)。地面是建筑外圍護(hù)與大地的連接部位，其保溫至關(guān)重要，其耗熱損失占建筑耗熱損失的15%左右，此外地面又是建筑中最有效的蓄熱構(gòu)造，地面的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足蓄熱和保溫雙層功效。第一種為120mm混凝土，350～500mm爐渣保溫層，第二種為100mm混凝土，100mm聚苯乙烯泡沫保溫板(ρ≥20kg/m3)保溫層。

　　2.2.4節(jié)能門窗選擇。門窗是建筑外圍護(hù)保溫最薄弱的部位，但是承擔(dān)建筑通風(fēng)采光功能卻不可少，因此非向陽面的門窗要合理設(shè)計(jì)配置，并盡可能采用最小面積。應(yīng)選用密封性能較好的節(jié)能門窗，外墻門窗應(yīng)加設(shè)夜間保溫裝置，門窗框外圍縫隙加強(qiáng)密封措施。外窗選擇塑鋼、涂層鋼板、鋁塑等中空玻璃窗或斷熱型中空玻璃窗;外門采用木制夾板保溫門和鐵制斷熱保溫防盜門。

　　2.2.5通風(fēng)換氣熱損失的控制。通風(fēng)換氣是改善室內(nèi)舒適狀況的重要途徑，但又是建筑熱損失的主要路徑。在冬季，由室外換入室內(nèi)的潔凈空氣氣溫很低，而排出的污濁空氣卻帶走了熱量。通風(fēng)換氣的熱損失隨著建筑維護(hù)保溫性能的提高占建筑總熱損失的比例也隨之提高。因此應(yīng)該對(duì)光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房的通風(fēng)換氣進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

　　2.3光伏電站機(jī)房采暖系統(tǒng)選擇

　　青海省已建成光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房采用的主要太陽能采暖形式選擇直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式和三種形式相結(jié)合的混合式。

　　光伏電站被動(dòng)式太陽能采暖機(jī)房是依靠南立面透明吸熱構(gòu)件吸取太陽輻射能，因此必須有一定數(shù)量的南立面面積設(shè)置吸熱構(gòu)件方可滿足室內(nèi)采暖需求。被動(dòng)式太陽房的南立面面積與被采暖房間地板面積之比應(yīng)大于0.60。

　　為了保持光伏電站機(jī)房的室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，被動(dòng)式太陽能機(jī)房內(nèi)必須具有一定數(shù)量的儲(chǔ)熱體，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存機(jī)房白天過量的太陽能滿足維持夜間一定的室溫。為此在機(jī)房的開間和進(jìn)深尺寸滿足蓄電池和控制設(shè)備要求前提下，盡可能多的設(shè)置儲(chǔ)熱體于太陽光線的直射范圍。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)光伏電站機(jī)房的夜間保溫措施。

　　3、測試與分析

　　光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房的測試經(jīng)過了長期高密監(jiān)測，根據(jù)不同的氣候條件、建筑構(gòu)造形式選擇了8座光伏電站機(jī)房進(jìn)行測試。測試采用YF-500無紙記錄儀進(jìn)行溫度監(jiān)測，每座機(jī)房分別在蓄電池室、控制室、柴油機(jī)房、值班室及室外環(huán)境設(shè)置了溫度測試點(diǎn);每座電站設(shè)置Si-01TCext型太陽能輻射測試儀一臺(tái)。測試依據(jù)為《被動(dòng)式太陽房技術(shù)條件和熱性能測試方法》。

　　測試在無人居住無輔助熱源的條件下，利用YF-500多通道溫度記錄儀，對(duì)室內(nèi)、室外環(huán)境、集熱蓄熱墻體通風(fēng)口進(jìn)行了長期高密的實(shí)地、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，經(jīng)過測試數(shù)據(jù)的整理，分析了不同形式的被動(dòng)式太陽房的采暖熱性能，采暖期室內(nèi)溫度隨室外氣象條件以及太陽輻射強(qiáng)度的變化、室內(nèi)溫度在集熱蓄熱墻體作用下的波動(dòng)情況以及不同天氣情況下集熱蓄熱墻對(duì)室內(nèi)溫度的影響。通過對(duì)不同形式被動(dòng)式太陽能采暖機(jī)房的分析比較，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合光伏電站的運(yùn)行維護(hù)等因素綜合考慮，提出青藏高原高寒地區(qū)最適宜的光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式和太陽能采暖方式。

　　通過青海省“送電到鄉(xiāng)”和“中德財(cái)政合作青海太陽能電站”已建成光伏電站的測試表明：青藏高原光伏電站機(jī)房采用直接受益、集熱蓄熱墻、附加陽光間等不同方式的被動(dòng)式太陽房均取得了良好的采暖效果。通過數(shù)據(jù)整理分析，不同類型的各種被動(dòng)式太陽能機(jī)房冬季室內(nèi)、室外最大溫差達(dá)到了23.4℃;當(dāng)冬季最冷月室外平均溫度為-9.1℃時(shí)，光伏電站被動(dòng)式太陽房蓄電池室的平均溫度為4.2℃;室外極端氣溫-27.8℃時(shí)，蓄電池室最低室溫為-3.5℃。被動(dòng)式太陽能采暖機(jī)房可有效的保證光伏電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　4、結(jié)論與建議

　　4.1結(jié)論：青藏高原光伏電站機(jī)房采用直接受益、集熱蓄熱墻、附加陽光間集熱方式及三種相結(jié)合的混合集熱方式均可很好的滿足光伏電站機(jī)房電氣設(shè)備的工作環(huán)境溫度要求，不同形式的被動(dòng)式太陽能機(jī)房均可取得良好的采暖效果。

　　被動(dòng)式太陽房在青藏高原光伏電站機(jī)房建設(shè)中具有得天獨(dú)厚的應(yīng)用前景，是保證電站機(jī)房內(nèi)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行并延長其使用壽命的一種最佳機(jī)房采暖形式。

　　光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房室內(nèi)、室外最大溫差達(dá)23.4℃;蓄電池室最冷月平均室溫大于4.2℃，最低室溫大于-4.5℃，完全滿足蓄電池設(shè)備的工作環(huán)境溫度要求。

　　青藏高原光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房的建設(shè)可充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，光伏電站被?dòng)式太陽能機(jī)房的建設(shè)應(yīng)本著減少運(yùn)輸量、降低投資成本為原則。青藏高原地區(qū)已建設(shè)的光伏電站被動(dòng)式太陽能機(jī)房其建設(shè)成本比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)建筑增加投資20%左右。

　　4.2建議：青藏高原利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，光伏電站建設(shè)被動(dòng)式太陽能機(jī)房是保證電站設(shè)備正常運(yùn)行、提高運(yùn)行效率、延長其使用壽命，實(shí)現(xiàn)機(jī)房采暖目的的最佳、最有效和最可行的途徑。青藏高原地區(qū)光伏電站機(jī)房應(yīng)全面采用被動(dòng)式太陽能機(jī)房形式。

　　青藏高原地區(qū)被動(dòng)式太陽能機(jī)房的建設(shè)應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)氐牡胤浇ㄖ牧?，進(jìn)行合理的機(jī)房保溫外墻、保溫屋頂、節(jié)能門窗、蓄熱地面和太陽能采暖系統(tǒng)等細(xì)部構(gòu)造做法設(shè)計(jì)，最大可能的優(yōu)化和提高被動(dòng)式太陽能機(jī)房的經(jīng)濟(jì)效益性能比。