新型光伏热电墙技术

太阳的光线出现在生活中的每一个地方，人们的生活已经离不开太阳，太阳能不仅为植物生长提供光源，而且也能为人类提供能源，现在的光伏发电就是很大程度上利用了太阳能。今年冬天，华中科技大学环境学院罗勇强博士像往常一样撕下贴在门上的水电费单，打开手机缴纳费用。“冬季要支付暖气费，夏季空调耗电量大，电费也比较高昂。为了住得舒服，实在太不容易了!”他希望，有朝一日，建筑房屋拥有自己的“思想”，不依靠这些制冷、供暖设置就能够自动化地调节温度，从而大大减少建筑供电的能耗。

幸运的是，他的梦想在不久的将来就会实现。多年来，罗勇强专攻于建筑领域的节能研究。近日他所在的团队研发了一套可根据需求智能调节温度的零能耗新型光伏热电墙体系统，相关成果发表于《应用能源》。“在全球变暖亟须节能减排的大趋势下，发展近零能耗乃至零能耗建筑是必然选择。”罗勇强说。给建筑“穿衣服”能够住在冬暖夏凉的房子里，是每位居民的梦想，而决定温度的关键在于墙体的设计。“就像人冬天怕冷要穿棉袄、夏天穿得清凉一样，建筑也不例外。”论文第一作者罗勇强向《中国科学报》打了一个形象的比喻。通常而言，建筑设计师会根据不同地域特点设计墙体的厚度。

比如，北方地区气候寒冷，建筑墙体就会设计得偏厚实，以提高保温效果。南方地区则相反，为了排出热量，墙体就会设计得更加轻薄。不过，建筑一旦建成之后，其墙体的热性能就会固定，很难根据一年四季的气候情况而随机变化，难以满足人们的居住需求。“夏天室外炎热，热量透过墙体传到室内导致同步炎热，所以我们需要打开空调把室内热量排出。而到了冬天，室内的热量又会源源不断地从墙体向外流失，所以我们需要打开供暖设施补充损失的热量。”他介绍，为了居住舒适，建筑内部往往配有制冷供热设施，而这会造成大量的能耗。有没有一种办法能让建筑可以自行根据外界温度添加或脱掉“衣服”?罗勇强陷入了沉思。

芯片也有“两面派”为了常年保持室内舒适的温度，罗勇强团队设计了一款光伏热电耦合蓄电池的墙体系统。热电系统的运作基于一种轻薄且小巧的半导体芯片，其依靠光伏电池低压直流电驱动。当直流电输入此半导体芯片时，系统可发挥“两面派”的特质。通俗来说，到了夏天，安装在墙体里的芯片朝向室内的一面制冷，背面制热。到了冬天，将电流方向逆转，则可实现室内制热的效果。通往成功的道路是曲折的。很快，罗勇强就面临着一个不可避免的难题——由于该系统依靠光伏充电，所以晚上没有太阳，墙体就无法工作。有没有办法可以解决?他将目光投向了蓄电池。“其实白天的时候，太阳能发的电是绰绰有余的。

比如夏天，用于冷却墙体的电力非常充足，为何不能把多余的电量储存起来?这样，白天我只需采用光伏产生的一小部分电力用于冷却墙体，多余的电先让蓄电池帮忙‘保管一下’。在晚上没有太阳的时候，我再把电从蓄电池里面取出来，输送给热电芯片。最终通过控制算法，让芯片在夏天帮我们冷却墙体，在冬天的晚上继续加热墙体，实现‘一年四季一天24小时’的墙体热流控制。”罗勇强表示，如此一来，无论夏天、冬天还是白天、晚上，都能将墙体控制在适宜的温度内。“而且，如果能够让墙体温度和室内温度保持一致，就不会出现热传递和热损失。”为此，他建立了热电墙体的点热源二维解析传热模型、复合墙体状态空间模型、光伏电池模型以及蓄电池动态充放电模型，利用光伏热电墙体实验台验证了模型的准确性，通过控制算法实现了墙体内表面温度夏季始终不高于室内温度、冬季始终不低于室内温度，并且该系统完全由可再生能源驱动，不消耗电网电力。

有望降低建筑供电能耗系统完成后，该团队很快将其投入测试。结果表明，建筑墙体可保持恒定的设置温度，全年均能顺利运行。随后，团队又通过模拟计算考察系统在北京、武汉、厦门等十多个不同地区城市的可行性，发现该系统对不同的气候区都具有适应性。“这就意味着建筑墙体全年只要穿这么一件‘衣服’就行了。”罗勇强说。论文通讯作者之一、湖南大学教授张泠告诉《中国科学报》，此套系统不仅为传统墙体的热性能增加了灵活性，最大的作用还在于降低了建筑供电的能耗。“很多大型建筑都配有中央空调进行调温，但是墙体如果安装了我们的光伏热电系统，就可以大大减少空调的耗能，最终实现建筑的近零能耗乃至零能耗。”

她说，目前该系统已申请了国家发明专利，并出售给建筑公司使用。建筑节能迈向“近零能耗”时代近些年，我国政府在推进节能技术、可再生能源技术、绿色建筑等方面采取了相应的措施，对节能减排的重视不言而喻。9月1日，住房和城乡建设部发布了我国首部建筑节能引领性国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019(以下简称《标准》)。至此，“近零能耗建筑”概念置于聚光灯下。根据《标准》，近零能耗建筑需要适应气候特征和场地条件，通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适室内环境。

此外，在冬季(夏季)要满足室内温度≥20摄氏度(≤26摄氏度)、室内相对湿度≥30%(≤60%)的室内环境参数约束条件，能耗水平需较现行2016年标准降低65%至75%以上。“不得不承认，我国在节能减排方面的举措还是强有力的。”湖南大学副教授刘忠兵告诉《中国科学报》，该政策的实施将对推动建筑节能减排、提升建筑室内环境水平、调整建筑能源消费结构、促进建筑节能产业转型升级起到重要作用。记者查阅资料发现，从1986年至2016年，我国建筑节能经历了“三步走”，即建筑节能比例逐渐达到30%、50%、65%。目前，65%的节能目标已基本普及，部分省、市已经全面实行建筑节能75%的目标。超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式。

当前，我国建筑领域已经开始了相关探索，例如清华大学设计的示范性超低能耗建筑、南京绿色灯塔等。刘忠兵表示，这些超低排放的绿色建筑不仅有利于节能减排，同时也有利于优化整个社会的能源消费结构、促进相关产业的经济发展等。张泠分析认为，未来超低能耗建筑技术将广泛应用于单体建筑、民用建筑、公共建筑、多层建筑和高层建筑领域，最终共同构建一个节能环保可持续的世界。相信再过几年到几十年，当人类利用太阳能的技术很成熟的时候，这样就有了无穷尽的能源供给社会的使用，再当下就需要研究者更加努力研究新技术。