【重磅】淺析中國太陽能建筑應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

建筑節(jié)能是當(dāng)今全世界建筑界共同面對的重要技術(shù)領(lǐng)域，也是緩解全球能源短缺和改善環(huán)境質(zhì)量的有效發(fā)展途徑。我國能源消費(fèi)全球排名一直居高不下，龐大的能源需求導(dǎo)致了我國能源供需的矛盾，能源安全問題日益突出。因此，發(fā)展可再生能源對于我國保證能源供應(yīng)和環(huán)境的改善都具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1、建筑節(jié)能

建筑節(jié)能的重要理念就是在現(xiàn)有的建筑技術(shù)條件下，盡可能的利用自然能量來達(dá)到環(huán)境的健康和熱舒適需要，也就是要做到合理地最大限度利用自然能源和高效率地最小限度利用人工能源。我國是全球最大發(fā)展中國家，能源消耗量位居全球第二，而其中建筑能耗約為全國總能耗的12%，建筑能耗主要是指采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、照明、家用電器、炊事、電梯等方面的能耗。隨著我國的經(jīng)濟(jì)騰飛和氣候變暖，再加之我國的地理位置與氣候特點(diǎn)以及人民生活水平的不斷提高，這一比例還在持續(xù)升高。在我國，建筑節(jié)能已占據(jù)節(jié)能領(lǐng)域的“半壁江山”。根據(jù)近半個世紀(jì)以來能源界的探索和實(shí)踐，當(dāng)前普遍認(rèn)為建筑節(jié)能是各種節(jié)能形式中最直觀、最有效且發(fā)展?jié)摿薮蟮墓?jié)能形式，它對于緩解當(dāng)前緊張的能源問題，平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源保護(hù)之間的關(guān)系有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1.1、太陽能建筑應(yīng)用

長期以來，世界能源主要以石油、煤炭等礦物燃料為主。礦物燃料屬于不可再生資源，近年來其儲量不斷減少，而且當(dāng)?shù)V物燃料再使用的過程當(dāng)中，會產(chǎn)生大量的二氧化碳，這也是造成全球變暖一個重要原因之一。再建筑能耗中，暖通空調(diào)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)所占的比例接近60%。太陽能作為無污染且用之不竭的可再生資源，有著普遍、無害、巨大、長久的特點(diǎn)，再建筑節(jié)能應(yīng)用中得到了廣泛關(guān)注和研究，并已經(jīng)得到了快速的發(fā)展。太陽能在建筑中的應(yīng)用包括整體式、平板式、分體式(陽臺壁掛)太陽能熱水器、太陽能中央熱水器、陽臺欄板太陽能熱水器、太陽能集熱系統(tǒng)、太陽能采暖系統(tǒng)、光熱光電一體化等太陽能產(chǎn)品。

1.2、太陽能利用與建筑節(jié)能

太陽能建筑一體化是全球建筑發(fā)展的主流趨勢，它并不是太陽能與建筑的簡單相加，而是真正讓太陽能成為建筑的一部分。現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)提倡綠色節(jié)能理念，就是以推動建筑節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)保型建材企業(yè)的市場化運(yùn)用為建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以就低能耗、低排放為目標(biāo)進(jìn)行建設(shè)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是提高可再生資源的利用率。采用節(jié)能型的建筑技術(shù)、設(shè)備、材料等，提高保溫隔熱性能和采暖供熱、空調(diào)制冷效率都是當(dāng)今節(jié)能型建筑的主要研究和解決對象。因此，大力支持和發(fā)展利用可再生資源顯得尤為重要。

2、太陽能建筑應(yīng)用技術(shù)及現(xiàn)狀

2.1、被動式太陽房

被動式住房是指將自然通風(fēng)、自然采光、太陽能輻射，和室內(nèi)非供暖熱源得熱等各種被動式節(jié)能手段，與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)高效節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，建造而成的低能耗房屋建筑。這種建筑在顯著提高室內(nèi)環(huán)境舒適性的同時，可大幅度減少建筑使用能耗，最大限度地降低對主動式機(jī)械采暖和制冷系統(tǒng)的依賴。相比傳統(tǒng)建筑，被動式住房節(jié)能可達(dá)85%以上。被動式住房優(yōu)越的節(jié)能和“零排放”性能，與我國政府大力提倡的“節(jié)能減排”政策高度契合。近幾年來在國家宏觀政策的指引下，在住建部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心的促進(jìn)下，在各級政府和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的支持鼓勵下，許多地區(qū)的廠區(qū)辦公樓建設(shè)中都開始采用“被動式房屋”技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。

2.1.1、被動式太陽房的分類及技術(shù)要點(diǎn)

被動式太陽房的種類很多，其主要分為兩大類，即直接受益和間接受益。直接受益和間接受益類型的被動式太陽房又可分為以下四種：

①直接受益式：這是讓太陽光通過透光材料直接進(jìn)入室內(nèi)的采暖形式，是太陽能采暖中和普通房差別最小的一種。冬天陽光透過南向玻璃窗照射到房屋的地面墻壁和家具上，使之吸收太陽光熱后升溫。所吸收的一部分太陽光熱直接儲存在能夠緩慢釋放熱量的蓄熱體內(nèi)，另外一部分則通過對流或輻射的形式在房屋空間內(nèi)傳遞，使房屋內(nèi)部空間始終處于恒溫狀態(tài)(如圖1所示)。這種太陽房的南窗面積很大，為了避免窗扇不嚴(yán)密而損失大量光熱能源，首先窗扇必須有良好的密封性能。另外，建議裝配一套保溫窗簾，以降低熱損。

圖1 直接受益式

②蓄熱墻式：蓄熱墻式太陽能建筑設(shè)計(jì)理念：太陽光從南面的大面積玻璃窗照進(jìn)屋內(nèi)，在南向安裝垂直集熱蓄熱墻來收集太陽光熱，然后將其通過傳導(dǎo)、輻射或?qū)α鞯男问絺鬏斨廖輧?nèi)(詳見圖2)。室內(nèi)使用能吸收太陽光熱的深色桌椅。目前市面上常見的集熱蓄熱墻主要有水墻式的、實(shí)體式的、花格式的、相變材料的以及快速集熱的。

圖2 蓄熱墻式

③附加陽光間式：陽光間附建在建筑南側(cè)，它采用透光材料作為墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)。陽光間和房屋之間的公共墻上設(shè)門、窗等孔洞結(jié)構(gòu)。陽光間得到陽光照射被加熱，其內(nèi)部溫度始終比室外溫度高。因此，白天可以通過陽光間向房間內(nèi)供給熱能，夜晚也可以作為緩沖區(qū)，防止房間內(nèi)損失大量熱能。

④貯熱屋頂式：主要利用屋頂構(gòu)造進(jìn)行集熱蓄熱。其中有一種是利用裝滿水的密封塑料袋作為儲熱體，裝在頂棚上，可以用保溫蓋板覆蓋在塑料袋上面，防止熱量損失。冬季白天晴天時，敞開保溫板，使儲熱水袋吸收并儲存太陽光熱，然后通過對流、輻射的方式傳至屋內(nèi)。夜間則關(guān)閉保溫板，避免屋內(nèi)的熱量向外散失。夏季室內(nèi)溫度偏高，白天必須關(guān)閉保溫蓋板，防止室外高溫的空氣和陽光向房內(nèi)傳導(dǎo)，可以用涼水袋吸收下面房間的熱量來降溫;夜晚則要敞開保溫蓋板，使水袋冷卻。保溫蓋板還可根據(jù)房間溫度、水袋內(nèi)水溫和太陽輻照度，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)啟閉。此種方式適用于冬季不屬寒冷，但夏季較為炎熱的地區(qū)。

2.1.2、存在的問題及解決辦法

被動式太陽房的推廣及利用已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展歷程，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但是仍舊存在很多問題和不足。我們國家目前就被動式太陽房發(fā)展中存在的主要問題有：

①未形成統(tǒng)一化生產(chǎn)。被動式太陽房集熱構(gòu)件在生產(chǎn)組裝的過程中，仍未能有效執(zhí)行工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；@樣的集中統(tǒng)一生產(chǎn)方式，這是影響太陽能建筑推廣的主要原因之一。積極鼓勵房地產(chǎn)開發(fā)商企業(yè)設(shè)計(jì)并安裝太陽能應(yīng)用設(shè)施，在此基礎(chǔ)上還要加強(qiáng)太陽房集熱構(gòu)件產(chǎn)品知識培訓(xùn)，提高生產(chǎn)企業(yè)的積極性，鼓勵并引導(dǎo)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)對集熱構(gòu)件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；纳a(chǎn)。

②建筑材料有待進(jìn)一步開發(fā)。我們國家目前對新型建筑材料的研究和發(fā)展一定程度上制約了太陽房的發(fā)展和推廣?，F(xiàn)在在我們國家的建材市場上很少能夠看得到適合太陽能建筑的透光、保溫、儲熱等性能高價格低的建筑材料。鼓勵企業(yè)加強(qiáng)太陽能建筑應(yīng)用的自主創(chuàng)新，積極開發(fā)太陽房的新型建材，爭取做到“就地取材”、“因地制宜”，充分利用當(dāng)?shù)氐馁Y源。所以今后還需進(jìn)一步加大自主開發(fā)此類材料的措施和力度。

③施工及質(zhì)量問題。太陽能建筑在施工上較普通建筑而言要復(fù)雜得多，其施工質(zhì)量的好壞直接影響到它的集熱效果，所以其成本和造價都較高，一定程度上影響了它的推廣和利用。太陽房的施工需要執(zhí)行普通建筑有關(guān)的施工規(guī)范之外，還要嚴(yán)格按照太陽房的特殊要求進(jìn)行施工。并且太陽房的驗(yàn)收還因按照《被動式太陽房熱工技術(shù)條件和測試方法》(GB/T15405-2006)。

2.2、太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產(chǎn)種的熱水使用。太陽能熱水系統(tǒng)是由集熱管、儲水箱、循環(huán)管道、及支架等相關(guān)零配件組成。

2.2.1、太陽能熱水系統(tǒng)的分類

①太陽能熱水器按照實(shí)際用途，可分為小容量供家庭使用的太陽能熱水器，通常被稱之為家用太陽能熱水器，以及供大型住宅、酒店和浴室等建筑集中使用的大容量的太陽能熱水器。這兩者之間沒有根本的區(qū)別，只是前者水容量比較少，按照國家相關(guān)規(guī)定，儲熱水箱水容量600L以下為家用太陽能熱水系統(tǒng)，使用者可直接購買，安裝后即可使用;后者是需考慮用戶對水溫水量以及在對建筑物的實(shí)際情況進(jìn)行了解后，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后開始安裝，并且要在驗(yàn)收通過之后才能交付使用，總體來說，各項(xiàng)程序要比家庭用太陽能熱水器復(fù)雜。

②太陽能熱水器按照水箱和集熱器的關(guān)系可分為緊湊式系統(tǒng)和分離式系統(tǒng)。緊湊式太陽能熱水器就是將真空玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循環(huán)，使得水箱中的水溫升高，這是市場最常規(guī)的太陽能熱水器;分體式熱水器是將集熱器與水箱分開，可大大增加太陽能熱水器容量，不采用落水式工作方式，擴(kuò)大了使用范圍。

③太陽能熱水器按照供水范圍又可分為集中供熱水和局部供熱水。其中集中供熱水主要是指為單幢建筑或幾幢建筑提供熱水。局部供熱水是指為建筑物內(nèi)某一局部單元或單個用戶供熱水的形式。

2.2.2、存在的問題及解決辦法

太陽能熱水系統(tǒng)在各地的發(fā)展還不平衡，大部分地區(qū)對太陽能熱水系統(tǒng)使用、施工以及安裝都存在不同的認(rèn)識，比如各個地區(qū)對高層住宅使用太陽能熱水系統(tǒng)的規(guī)定規(guī)范不同;各地對太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)層面上的問題等都還與相當(dāng)多的問題有待解決。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生又諸多方面的因素。

原因之一，管理層面上的問題。各個地區(qū)因?yàn)闂l件相差較大，且不同地區(qū)的政府對于太陽能的認(rèn)識水平也存在差異，所以政府的法律或相關(guān)的規(guī)定要求不一，導(dǎo)致各地區(qū)關(guān)于太陽能的規(guī)定和應(yīng)用范圍也有很大的不同。比如江蘇、山東省規(guī)定新建住宅12層以下必須應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)，12層以上則不強(qiáng)制要求使用太陽能熱水系統(tǒng)。而上海市規(guī)定是6層。還有，作為建筑設(shè)計(jì)主體的各專業(yè)建筑設(shè)計(jì)元，過去基本上沒有介入太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對太陽能集熱系統(tǒng)缺乏了解，沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)可供參考，后期技術(shù)也就得不到保證。這樣一來就大大增加了成本和難度，在目前市場條件下就會缺乏動力。

原因之二，技術(shù)層面上的問題。目前高層住宅的太陽能熱水系統(tǒng)還未形成建筑一體化的規(guī)模，技術(shù)尚待進(jìn)一步開發(fā)。高層建筑中供水的水壓高、壓力差值大以及用水的峰值變化不規(guī)律等特點(diǎn)都會直接導(dǎo)致集中式太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)生熱量分布不均勻、設(shè)備短路等問題。而且在高層建筑群中安裝太陽能，因?yàn)椴晒饷娣e的區(qū)域有限，可以安裝熱水系統(tǒng)的位置有限，在其安裝上無法完全考慮南向采光提供從而提高太陽能所能接受的日照，再加之有的高層建筑屋面造型或其他原因，也會導(dǎo)致集熱器無法正常安裝。

原因之三，地產(chǎn)開發(fā)商必須承擔(dān)太陽能熱水系統(tǒng)的前期投資，前期成本較大，如果建造的太陽能建筑房屋沒有銷路，就會嚴(yán)重磋商地產(chǎn)開發(fā)商的積極性。

鑒于此，要在國內(nèi)普及太陽能建筑，必須發(fā)動整個太陽能產(chǎn)業(yè)與建筑業(yè)傾力合作，充分發(fā)揮二者的技術(shù)優(yōu)勢，盡量依靠優(yōu)化設(shè)計(jì)降低建筑成本，讓二者“雙贏”。譬如，太陽能產(chǎn)業(yè)首先要根據(jù)太陽能節(jié)能建筑設(shè)計(jì)要求不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。建筑界則需要發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，不斷優(yōu)化太陽能建筑結(jié)構(gòu)，以確保建筑結(jié)構(gòu)與太陽能設(shè)備更加契合。另外，政府也需要努力引導(dǎo)和激勵企業(yè)相互協(xié)作，互利互惠。隨著人民生活水平的不斷提高，具有24小時供熱功能的商品住宅逐漸增多，太陽能熱水系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。如果能大力開發(fā)“綠色建筑”，一方面能夠減少物管部門的日常開支，另一方面也能為房屋帶來新的賣點(diǎn)，對政府、企業(yè)和用戶都由益處。

2.3、太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電近些年來發(fā)展很快，同時也在可再生能源領(lǐng)域當(dāng)中最具經(jīng)濟(jì)潛力。太陽能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012千瓦小時，相當(dāng)于世界上能耗的40倍。從美國貝爾實(shí)驗(yàn)室第一塊結(jié)晶體硅太陽電池的產(chǎn)生，到現(xiàn)在國防、民用的大量應(yīng)用，近幾年國際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，世界上已經(jīng)建成了多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.3.1、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照與電網(wǎng)的連接方式，可分為離網(wǎng)光伏發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

①離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不與公共的電網(wǎng)相連接而獨(dú)立供電的這種形式被稱為離網(wǎng)光伏發(fā)電。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電池區(qū)以及一些特殊場所，如為較為偏僻的農(nóng)村、海島、高原或者沙漠等提供照明、電視、廣播等基本生活用電，為通信站、航標(biāo)、輸油輸氣管氣象站、邊防哨所等特殊場所提供電源。

②并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。與公共電網(wǎng)共同連接并承擔(dān)供電任務(wù)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能電池方陣、并網(wǎng)逆流器組成。并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電的階段，成為電力工業(yè)組成部分的重要發(fā)展方向，是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。

2.3.2、存在的問題及解決措施

目前，我國在并網(wǎng)光伏建筑的應(yīng)用存在以下問題，有待解決。

①建筑光伏設(shè)計(jì)能力存在諸多不足。最理想的建筑光伏是集成設(shè)計(jì)、集成制造、集成安裝，這就要求在建筑設(shè)計(jì)之初考慮光伏與建筑相結(jié)合。我國建筑光伏集成設(shè)計(jì)能力較弱，經(jīng)驗(yàn)累計(jì)也不充分，建筑設(shè)計(jì)、光伏技術(shù)人員用積極學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，加強(qiáng)國內(nèi)合作，提高光伏建筑一體化的的設(shè)計(jì)能力對于現(xiàn)有建筑因地制宜的地開展光伏系統(tǒng)地應(yīng)用，市場潛力十分巨大。通過國家地相關(guān)激勵政策，業(yè)主應(yīng)積極同建筑設(shè)計(jì)單位、光伏系統(tǒng)營銷單位共同開發(fā)各類高性價比地建筑光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

②建筑光伏人才隊(duì)伍尚未成型。截止至2013年底，我國建筑光伏地安裝總量僅26MWp左右，設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行維護(hù)產(chǎn)業(yè)隊(duì)伍尚未完全成型，人才培養(yǎng)體系也不完善?，F(xiàn)必須繼續(xù)加大發(fā)展力度，迅速擴(kuò)建和完善我國建筑光伏人才地培養(yǎng)體系。

③并網(wǎng)光伏關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)力量薄弱。并網(wǎng)光伏中專用逆變器是并網(wǎng)光伏地關(guān)鍵設(shè)備。相比較而言，國內(nèi)光伏發(fā)電專用逆變器地研究起步較晚，研究難度大大增加。我國已經(jīng)開發(fā)一些小型的光伏逆變器，對直接和高壓網(wǎng)并網(wǎng)的逆變器的研究還需加大科研力度。

3、總結(jié)

隨著環(huán)境問題的日益凸顯和經(jīng)濟(jì)發(fā)展向更可持續(xù)的路徑轉(zhuǎn)向，我國政府開始以更積極和強(qiáng)力的姿態(tài)介入綠色建筑領(lǐng)域。同時在霧霾不斷的今天，生活和辦公場所是否健康、舒適、綠色、環(huán)保，得到了全社會的普遍關(guān)注。隨著對環(huán)境保護(hù)的不斷重視，越來越多的現(xiàn)代企業(yè)將“綠色建筑”作為辦公、生產(chǎn)場所選擇和建設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f，綠色建筑已經(jīng)越來越成為工、商業(yè)設(shè)施發(fā)展的大勢所趨。太陽能建筑設(shè)計(jì)需要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和建筑形式，盡量使太陽能融入建筑形式中。另外，所選取的太陽能設(shè)備也應(yīng)該符合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和建筑設(shè)計(jì)要求，以確保所設(shè)計(jì)的太陽能建筑能夠真正發(fā)揮節(jié)能效用。