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

　　關(guān)鍵詞：光伏電站,被動式,太陽房

　　1、離網(wǎng)型獨立光伏電站建設(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”等國際合作項目建成獨立運行試驗、示范性光伏電站20余座;2002年國家啟動的“送電到鄉(xiāng)”工程，在全國西部7個省的偏遠無電鄉(xiāng)建成獨立運行光伏、風(fēng)光互補電站663座，截至2006年底青海省建成“送電到鄉(xiāng)”工程鄉(xiāng)級獨立光伏、風(fēng)光互補電站112座;2005年啟動的“中德財政合作青海省太陽能電站項目”，于2005年底項目一期建成光伏、光柴互補電站12座，項目二期于2007年底將建成光伏、光柴互補電站40余座;與此同時青海省內(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立光伏電站。青海省到2009年底可建成離網(wǎng)型獨立光伏、風(fēng)光互補、光柴互補電站200余座。

　　2、被動式太陽能機房應(yīng)用

　　光伏電站機房中控制器、逆變器、蓄電池、柴油機等電氣設(shè)備均對工作環(huán)境溫度有相應(yīng)的要求和限定，尤其是蓄電池對工作環(huán)境溫度的要求更加嚴格，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房中的核心部分。青藏高原地區(qū)氣候嚴寒，冬季漫長，同時晝夜溫差較大，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、交通狀況很差，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟相對落后，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，太陽輻射強度大、日照時間長，因此，利用被動式太陽房是實現(xiàn)光伏電站機房采暖的最有效途徑，光伏電站被動式太陽能機房的應(yīng)用可保證電站機房內(nèi)電氣設(shè)備的正常運行并延長其使用壽命，是一種最佳的機房采暖形式。

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

　　2.1光伏電站機房建筑布置

　　為了減少機房供熱負荷應(yīng)減少其外露表面，采用較小的建筑體形系數(shù)。機房應(yīng)包括蓄電池室、控制室、柴油機室、值班室等功能部分，建筑進深應(yīng)控制在4.80m以內(nèi)，進深與層高的比值應(yīng)小于1.60。機房的建筑布置應(yīng)采用大開間、淺進深，且室內(nèi)凈高要適中，從而達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，光伏電站機房方位選擇正南布置，可使機房南立面提早接受太陽輻射，盡快啟動太陽能采暖系統(tǒng)，及時向室內(nèi)提供熱量，從而獲得明顯的采暖效果和最佳節(jié)能收益。

　　光伏電站機房南立面太陽能采暖系統(tǒng)的最低點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房的最小間距，H為南向太陽電池方陣北緣最高點與機房南向吸熱面最低點高差，αs為冬至日中午12時的太陽高度角。

　　2.2光伏電站機房圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　作為節(jié)能建筑，體型系數(shù)應(yīng)嚴加控制且越小越好。光伏電站機房通常采用單體建筑，造型簡單，立面沒有高低錯落，平面也無水平進退，由于建筑面積體量偏小，致使體型系數(shù)較大。因此，光伏電站被動式太陽能采暖機房必須著重加強圍護結(jié)構(gòu)的保溫，以減少機房的熱損失，提高節(jié)能率。圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(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。在加強圍護結(jié)構(gòu)保溫的同時，設(shè)計中減少了北向開窗數(shù)量，加強了南向集熱器的密封措施，做到總體上提高機房的保溫絕熱性能。

　　青海省在“送電到鄉(xiāng)”工程和“中德財政合作青海省太陽能電站項目”中光伏電站被動式太陽能機房的建設(shè)中進行了圍護結(jié)構(gòu)和保溫絕熱構(gòu)造的詳盡和優(yōu)化組合設(shè)計。

　　2.2.1保溫外墻結(jié)構(gòu)。外墻是建筑外圍護的主要耗熱結(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)計還應(yīng)重點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)。屋面是建筑外圍護的另一個主要耗熱部位，同時屋面還肩負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)該對光伏電站被動式太陽能機房的通風(fēng)換氣進行嚴格的控制。

　　2.3光伏電站機房采暖系統(tǒng)選擇

　　青海省已建成光伏電站被動式太陽能機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。

　　光伏電站被動式太陽能采暖機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房的室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，被動式太陽能機房內(nèi)必須具有一定數(shù)量的儲熱體，實現(xiàn)儲存機房白天過量的太陽能滿足維持夜間一定的室溫。為此在機房的開間和進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)置儲熱體于太陽光線的直射范圍。同時應(yīng)加強光伏電站機房的夜間保溫措施。

　　3、測試與分析

　　光伏電站被動式太陽能機房的測試經(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座光伏電站機房進行測試。測試采用YF-500無紙記錄儀進行溫度監(jiān)測，每座機房分別在蓄電池室、控制室、柴油機房、值班室及室外環(huán)境設(shè)置了溫度測試點;每座電站設(shè)置Si-01TCext型太陽能輻射測試儀一臺。測試依據(jù)為《被動式太陽房技術(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，對室內(nèi)、室外環(huán)境、集熱蓄熱墻體通風(fēng)口進行了長期高密的實地、實時溫度監(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度的變化、室內(nèi)溫度在集熱蓄熱墻體作用下的波動情況以及不同天氣情況下集熱蓄熱墻對室內(nèi)溫度的影響。通過對不同形式被動式太陽能采暖機房的分析比較，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合光伏電站的運行維護等因素綜合考慮，提出青藏高原高寒地區(qū)最適宜的光伏電站被動式太陽能機房的圍護結(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式太陽能機房冬季室內(nèi)、室外最大溫差達到了23.4℃;當(dāng)冬季最冷月室外平均溫度為-9.1℃時，光伏電站被動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，蓄電池室最低室溫為-3.5℃。被動式太陽能采暖機房可有效的保證光伏電站系統(tǒng)的正常運行。

　　4、結(jié)論與建議

　　4.1結(jié)論：青藏高原光伏電站機房采用直接受益、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房電氣設(shè)備的工作環(huán)境溫度要求，不同形式的被動式太陽能機房均可取得良好的采暖效果。

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

　　光伏電站被動式太陽能機房室內(nèi)、室外最大溫差達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式太陽能機房的建設(shè)可充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧希夥娬颈粍邮教柲軝C房的建設(shè)應(yīng)本著減少運輸量、降低投資成本為原則。青藏高原地區(qū)已建設(shè)的光伏電站被動式太陽能機房其建設(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)被動式太陽能機房是保證電站設(shè)備正常運行、提高運行效率、延長其使用壽命，實現(xiàn)機房采暖目的的最佳、最有效和最可行的途徑。青藏高原地區(qū)光伏電站機房應(yīng)全面采用被動式太陽能機房形式。

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