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1、太陽能利用與建筑一體化構想 簡介：本文分析了目前太陽能利用中出現(xiàn)的一些問題，指出太陽能與建筑的一體化勢在必行，提出了太陽能利用與建筑一體化的新構想，對幾種常用的太陽能利用與建筑一體化的實施方式進行了分析比較，希望對太陽能的利用和建筑的節(jié)能有一定的參考價值。 關鍵字：太陽能，建筑，一體化 1 太陽能利用的現(xiàn)狀我國有著豐富的太陽能資源，每年獲得的太陽能約為3.61022J，相當于1.2萬噸標準煤的熱值1。約占全國國土面積的2/3的地區(qū)年平均輻射總量在33408400MJ/m2，年日照時數(shù)在超過2200h，相當于110280kg標準煤的熱值2。我國從70年代就開始了太陽能利用方面的研究，經過30年來2、的不懈努力，現(xiàn)已在太陽能利用和推廣方面已經取得了一定的成績，尤其在太陽能熱水器方面取得了一大批科研成果。但我國的太陽能利用技術與發(fā)達國家相比還存在很大的差距，例如我國目前對太陽能在建筑中有效地利用還是探索階段，不僅利用方式單一并且在與建筑一體化方面顯得尤為落后。因此我國在太陽能技術的實用性、經濟性、先進性、可操作性等方面都有很多值得進一步研究的地方。2 太陽能利用所面臨的問題2.1 體制方面的問題在我國目前的經濟體制下，絕大多數(shù)建筑的建設者、使用者和管理者是三者分離的，經濟上沒有直接的利害關系。管理者認為建筑業(yè)目前的當務之急是解決群眾住房問題，如果籌集大量的資金去搞建筑節(jié)能，就會少建一些房屋，3、這與我國的目前現(xiàn)狀而言是不適合；建筑的建設者認為用最少的投資建成盡可能多的建筑面積而節(jié)能會增加成本與售價進而影響銷售，并且節(jié)能是政府的事情與開發(fā)商無關，因而置節(jié)能標準于不顧1；使用者認為進行建筑節(jié)能會花去很多的資金況且節(jié)能最終能否帶來良好的經濟效益還有待驗證。2.2 技術方面的問題就目前而言，全玻璃制真空管的太陽能集熱裝置占據著主導地位，成本較低且技術成熟，但當其與建筑物進行一體化的有機結合卻存在著一系列的問題，例如承壓運行問題、運行安全問題、密封可靠問題、結垢清理問題等等3；而采用金屬制流道的集熱裝置并采用強制循環(huán)系統(tǒng)，雖然很好的解決了這些問題但又存在成本較高等缺陷。此外還存在著工作性能隨天4、氣影響較大的缺點。 2.3 建筑行業(yè)和太陽能產業(yè)界之間的問題建筑行業(yè)和太陽能產業(yè)界之間缺乏相互配合，建筑行業(yè)過去基本沒有參與過太陽能利用與建筑一體化的設計與施工，存在對太陽能利用的原理、設計方法不夠了解，缺乏必要的基礎設計參數(shù)，對其節(jié)能意義認識不足等缺陷，沒有按照利用太陽能的原理和方法進行設計，造成建筑的土建時就沒有裝置適當?shù)念A埋件，給太陽能裝置的安裝造成了一定的障礙，并在安裝時可能損害建筑結構和增加建筑負荷；太陽能產業(yè)界只考慮太陽能設備的結構和性能，沒有考慮將太陽能設備如何作為建筑物的有機組成部分與建筑結構相結合，不能與建筑結構從整體性上相協(xié)調，外觀與造型難以適應現(xiàn)代建筑的要求。以上這些都為5、太陽能利用和與建筑一體化在我國城市建筑中的發(fā)展帶來的一定困難。但本文認為我國可以參考美國太陽能供暖降溫房屋的建筑條例和節(jié)約能源房屋建筑法規(guī)4等制定和完善我國國家節(jié)能政策法，鼓勵新能源利用同時在經濟和政策上也采取有效措施解決了這些問題，加快利用太陽能等可再生能源的發(fā)展。3 太陽能利用與建筑一體化勢在必行我國的建筑行業(yè)過去只著重于建筑的功能、需求和立面效果，卻往往忽視了對清潔能源的利用，缺乏在能源使用過程中對消除各種污染的意識。過去很長時間里，安裝太陽能利用設備沒有同建筑設計進行有機地結合，使得太陽能集熱設備的安裝在建筑的外表面及屋頂形成了規(guī)格繁雜、形式各異，雜亂無章的無序狀態(tài)，破壞了建筑樓宇的景6、觀效果，造成新的建筑視覺污染。這個問題應成為太陽能產業(yè)界和建設行業(yè)應該共同研究討論的一個大問題，建筑如何與太陽能設備很好的結合起來也已成為擺在我們眼前的事實。太陽能利用技術與建筑一體化的設計就是解決這些問題的關鍵所在，太陽能產業(yè)界應著力于開發(fā)和生產那些有利于與建筑進行一體化的模塊化太陽能建材5。而建筑師在這方面更要多作一些努力和探索，做到在建筑設計方案的設計開始階段就把太陽能設備作為建筑中的一個不可缺少的構件來考慮，使建筑美學與太陽能技術完美結合，共同創(chuàng)造新型的太陽能一體化建筑。4 太陽能利用與建筑一體化構想的提出：一體化的設計思想是由美國太陽能協(xié)會創(chuàng)始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡導的，其主7、體思想是將能把太陽能轉化為電能的半導體材料直接鑲嵌在墻壁的外表面和屋頂上，取代在屋頂上安裝笨重的太陽能收集裝置，從而實現(xiàn)太陽能利用與建筑的一體化，并通過所產生的電能來驅動室內的用電設備實現(xiàn)室內的采暖、照明、制冷等。這種一體化方案僅僅是通過綜合考慮建筑構件和太陽能設備的協(xié)調使其做到構造合理。但這種一體化方案存在對太陽能收集途徑單一、利用率低下、浪費嚴重等方面的缺點，例如：目前的太陽能發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的光電轉化率低下，大量的光和熱被白白的流失掉；其次熱-電-熱的能量二次轉化使得能量在轉換和傳輸?shù)倪^程中增加了損失，使得太陽能的利用率更為低下。所以本文并不完全贊同此項一體化方案，本文的看法是應當綜合考8、慮建筑造型與太陽能技術的有機結合，采取被動式與主動式相結合，多途徑多層次的太陽能多元化收集與利用方式。5 太陽能利用與建筑一體化的新構想：考慮到建筑在設計上要有利于收集利用太陽能，同時兼顧建筑的美觀性、實用性與經濟性，本文提出如下的太陽能利用與建筑一體化的新構想：在建筑物的南向及東西兩向等接受太陽能較好的外表面墻體護圍結構上采用與太陽墻、光伏組件的一體化設計；在建筑物的北向等接受太陽能較少的外表面墻體護圍結構上采用保溫墻體設計；在建筑的頂部采用建筑造型構件與太陽能熱泵低溫集熱技術相結合的手法，把金屬流道的太陽能熱管模塊化集熱器做成合適的造型，并涂成與建筑頂面顏色相協(xié)調的顏色安插在建筑頂部預先留9、有空位和預埋好相應管道的構件中；在建筑的供熱、制冷及供應熱水方面采用分體式太陽能熱泵吸收式中央空調系統(tǒng)，從而在提供生活用熱水的同時兼顧空調采暖和制冷；以太陽能為主，燃氣或電力為輔的集中供能方式。這樣以來就實現(xiàn)了被動式與主動式相結合，多途徑多層次的太陽能多元化收集與利用。6 太陽能利用與建筑一體化的實施方式6.1 太陽墻、光伏組件與建筑墻體一體化在南向及東西向等接受太陽能較好的墻面上采用主動式與被動式相結合，集發(fā)電、采暖、通風與建筑護圍結構有機結合的太陽能系統(tǒng)。如圖（1）、（2）和（3）所示，墻體的最外層是光電幕墻，安裝在多孔的波狀金屬板上，空氣在金屬板下的空腔內受熱，在風機的動力作用下空腔內的10、熱空氣從墻體的頂部通過風道進入空調的新風系統(tǒng)或者直接排出室外6。與傳統(tǒng)的墻面相比太陽能設備取代了傳統(tǒng)的護圍結構，照射在墻面上的太陽能不但被有效的利用起來而且顯著改善了護圍結構的隔熱保溫性能。光電幕墻對太陽光的反射率約為15%，光電幕墻的光電轉化率在1735%之間；在冬季被光電幕墻浪費的那部分太陽能又被集熱板吸收用于空調機組新風的預加熱，使新風空氣預熱到30左右，熱效率在50%-60%之間，相當于每平方米能產生多于500W的熱量，同時使通過墻體向外界擴散的熱量隨管道內的熱空氣重新進入空調的新風系統(tǒng)，降低了墻體與室外空氣的熱交換；在夏季，風機停止運轉，被加熱的熱空氣在自然對流的作用下從波狀金屬板與11、墻體組成空腔的上部流出，一方面使外界的熱量不能直接通過墻體的傳熱進入室內，減少了空調的負荷，另一方面空氣在空腔內的流通降低了光電幕墻的溫度，能使光電幕墻的光電轉換率提升10%。這樣以來從經濟上分析這種采用復合的太陽能采集技術的墻體的初期投資回收速度比單純采用光電板回收速度提高了3-4倍。 圖1 太陽墻原理示意圖圖2 附于鋼結構或磚體結構示意圖6.2 光伏組件與市政供電系統(tǒng)并網太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電能通過逆變器把直流電轉換為交流電，再由控制器對所發(fā)的電能進行調節(jié)和控制，在白天一方面把整壓整流后的電能送往建筑內的用電負載，另一方面白天日照充足時在滿足建筑自身用電負荷的同時把多余的電能進行并網向市政12、電網系統(tǒng)進行供電，而當晚上或陰天時所發(fā)的電能不能滿足建筑自身負載需要時，控制器又并網市政供電系統(tǒng)，保證用戶的正常用電。這樣在白天的太陽能光伏發(fā)電的發(fā)電量充足且電價較高的時候并網市政電網把多余的電能向外供電出售電能，而在晚上太陽能發(fā)電裝置不能發(fā)電且電價較低的時候又從市政電網中取電買入電能。這樣的光伏一體化墻面較傳統(tǒng)的墻面在節(jié)能上面優(yōu)勢是顯而易見而且比早期的光伏發(fā)電系統(tǒng)減少了多余電能儲存系統(tǒng)有效降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體成本，而且在白天的用電高峰時段在滿足建筑自身用電的同時能向市政電網供應電能在一定程度上緩解電力緊張，況且這時的電價比較高而在夜間用電低峰時段電價相對較低又從市政電網獲取電能這樣就能更13、好的降低建筑的運行成本，使初期投資回收速度進一步提高。 6.3 太陽能熱泵集熱裝置與建筑屋頂一體化在建筑的頂部采用建筑造型構件與太陽能熱泵低溫集熱技術相結合的手法，在設計上一方面使建筑的正立面結構看上去富有建筑的藝術性和現(xiàn)代性，另一方面使安插在建筑構造構件中的集熱裝置模塊可以很好的吸收太陽輻射能。然后把金屬流道的太陽能熱管模塊化集熱器做成合適的造型，并涂成與建筑頂面顏色相協(xié)調的顏色安插在建筑頂部預先留有空位和預埋好相應管道的構件中。采用太陽能熱管模塊化集熱器可以較好的承受壓力且密封性較好，既能直接吸收太陽輻射能又能間接吸收室外環(huán)境中的熱能，即使冬季氣溫為-20的時候依然能夠進行太陽能低溫集熱。14、應用這種太陽能集熱裝置做成直接蒸發(fā)式太陽能熱泵機組的蒸發(fā)器，則蒸發(fā)器成為“熱源”，直接作用于蒸發(fā)器中的流動工質熱媒，使其加熱到1030左右并迅速汽化，通過熱泵機組壓縮機的壓縮制熱后，在冷凝端與管殼式熱交換器中的水換熱可使冷凝水的溫度達到60以上，作為采暖熱源和作為熱水直接供應給用戶7或是向吸收式制冷機提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。太陽能熱泵吸收式中央空調系統(tǒng)冬天向建筑供暖時能耗比Cop值約為6，即投入1KWH的電力，可得到約6KWH的熱能；夏天向建筑供冷時能耗比Cop值約為4，即投入1KWH的電力，可得到約4KWH的熱能，而且系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房，節(jié)省了初期投資，也節(jié)省了建筑空間。比直接將太陽15、能轉化為電能再用電能驅動中央空調和熱水器節(jié)能效果更為顯著。6.4 太陽能一體化設計中與之相配合的建筑保溫設計在建筑的北向墻體和受日照較少的墻體上采用輕質建筑保溫墻體，如圖（4）所示這樣就有效的減少了墻體與外界空氣的熱交換，并能在框架結構的建筑中采用較薄的基層墻體而達到較好的隔熱保溫作用同時有效降低了建筑成本和減輕建筑負荷。玻璃門窗建議使用其外側經過鍍膜處理且與護圍結構顏色相適宜的Low- E中空玻璃，因其具有極佳的熱學、隔聲、防結霜、不結露與密封等性能。白天在阻擋來自室外的有害輻射的同時并不影響窗體的透光率；夜晚和陰雨天氣,來自室內物體的熱輻射約有50%以上被其反射回室內8。這樣就使整個建筑呈16、現(xiàn)一種類似于“暖水保溫瓶”的現(xiàn)象，在一定程度上實現(xiàn)了建筑物的單向熱傳導性，降低了建筑內熱能或冷能的流失，減少了建筑的整體能耗。 圖3 太陽能墻體與光伏組件的結合圖4 保溫墻體示意圖7 遠景與展望:太陽能作為一種取之不盡的新型環(huán)保能源已成為世界各國世界上能源研究工作中的一個重要課題。并且在建筑領域已經開發(fā)并利用在熱水、采暖、照明、制冷、電力等多個方面。如：太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱泵空調等。太陽能光熱光伏利用與建筑一體化不斷完善，采用太陽能利用與建筑一體化設計的太陽能建筑將來必定成為我國今后幾年里建筑業(yè)發(fā)展的主流方向，并從一些試點工程迅速的向全國進行普及，太陽能建筑的大規(guī)模出現(xiàn)已經成為一種時代的必17、然。我國太陽能一體化建筑在正常發(fā)展和生態(tài)驅動發(fā)展兩種發(fā)展模式下，2010年左右其顯著的經濟和社會效益將會逐漸顯現(xiàn)出來，屆時太陽能利用量占社會總能耗的比例將不斷的提高，CO2及氮氫化合物的排放將大幅減少。預計2020年的太陽能利用量在社會總能源供給中達到4.7%，減少CO2及氮氫化合物排放1020TtC/yr9。8 參考文獻：1 高輝、何泉.太陽能利用與建筑一體化設計，華中建筑 ，2004（1）：71742 王宏志 、王潤強.太陽能熱水器系統(tǒng)在建筑中的應用，機械給排水，38413 齊心.解決太陽能與建筑一體化的良好方案，現(xiàn)代建筑 .2003（1）24254楊維菊.美國太陽能熱利用考察及思考，世界建筑 .2003（8）：83855 趙春江、王恒龍.太陽能一體化集熱器的研制與應用.太陽能 2004（4）2830