1、太陽(yáng)能利用與建筑一體化構(gòu)想 簡(jiǎn)介：本文分析了目前太陽(yáng)能利用中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，指出太陽(yáng)能與建筑的一體化勢(shì)在必行，提出了太陽(yáng)能利用與建筑一體化的新構(gòu)想，對(duì)幾種常用的太陽(yáng)能利用與建筑一體化的實(shí)施方式進(jìn)行了分析比較，希望對(duì)太陽(yáng)能的利用和建筑的節(jié)能有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵字：太陽(yáng)能，建筑，一體化 1 太陽(yáng)能利用的現(xiàn)狀我國(guó)有著豐富的太陽(yáng)能資源，每年獲得的太陽(yáng)能約為3.61022J，相當(dāng)于1.2萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值1。約占全國(guó)國(guó)土面積的2/3的地區(qū)年平均輻射總量在33408400MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)在超過(guò)2200h，相當(dāng)于110280kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值2。我國(guó)從70年代就開始了太陽(yáng)能利用方面的研究，經(jīng)過(guò)30年來(lái)

2、的不懈努力，現(xiàn)已在太陽(yáng)能利用和推廣方面已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，尤其在太陽(yáng)能熱水器方面取得了一大批科研成果。但我國(guó)的太陽(yáng)能利用技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大的差距，例如我國(guó)目前對(duì)太陽(yáng)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(guó)在太陽(yáng)能技術(shù)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、可操作性等方面都有很多值得進(jìn)一步研究的地方。2 太陽(yáng)能利用所面臨的問(wèn)題2.1 體制方面的問(wèn)題在我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)體制下，絕大多數(shù)建筑的建設(shè)者、使用者和管理者是三者分離的，經(jīng)濟(jì)上沒(méi)有直接的利害關(guān)系。管理者認(rèn)為建筑業(yè)目前的當(dāng)務(wù)之急是解決群眾住房問(wèn)題，如果籌集大量的資金去搞建筑節(jié)能，就會(huì)少建一些房屋，

3、這與我國(guó)的目前現(xiàn)狀而言是不適合；建筑的建設(shè)者認(rèn)為用最少的投資建成盡可能多的建筑面積而節(jié)能會(huì)增加成本與售價(jià)進(jìn)而影響銷售，并且節(jié)能是政府的事情與開發(fā)商無(wú)關(guān)，因而置節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)于不顧1；使用者認(rèn)為進(jìn)行建筑節(jié)能會(huì)花去很多的資金況且節(jié)能最終能否帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益還有待驗(yàn)證。2.2 技術(shù)方面的問(wèn)題就目前而言，全玻璃制真空管的太陽(yáng)能集熱裝置占據(jù)著主導(dǎo)地位，成本較低且技術(shù)成熟，但當(dāng)其與建筑物進(jìn)行一體化的有機(jī)結(jié)合卻存在著一系列的問(wèn)題，例如承壓運(yùn)行問(wèn)題、運(yùn)行安全問(wèn)題、密封可靠問(wèn)題、結(jié)垢清理問(wèn)題等等3；而采用金屬制流道的集熱裝置并采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，雖然很好的解決了這些問(wèn)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(diǎn)。 2.3 建筑行業(yè)和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)界之間的問(wèn)題建筑行業(yè)和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)界之間缺乏相互配合，建筑行業(yè)過(guò)去基本沒(méi)有參與過(guò)太陽(yáng)能利用與建筑一體化的設(shè)計(jì)與施工，存在對(duì)太陽(yáng)能利用的原理、設(shè)計(jì)方法不夠了解，缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)其節(jié)能意義認(rèn)識(shí)不足等缺陷，沒(méi)有按照利用太陽(yáng)能的原理和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成建筑的土建時(shí)就沒(méi)有裝置適當(dāng)?shù)念A(yù)埋件，給太陽(yáng)能裝置的安裝造成了一定的障礙，并在安裝時(shí)可能損害建筑結(jié)構(gòu)和增加建筑負(fù)荷；太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)界只考慮太陽(yáng)能設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能，沒(méi)有考慮將太陽(yáng)能設(shè)備如何作為建筑物的有機(jī)組成部分與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不能與建筑結(jié)構(gòu)從整體性上相協(xié)調(diào)，外觀與造型難以適應(yīng)現(xiàn)代建筑的要求。以上這些都為

5、太陽(yáng)能利用和與建筑一體化在我國(guó)城市建筑中的發(fā)展帶來(lái)的一定困難。但本文認(rèn)為我國(guó)可以參考美國(guó)太陽(yáng)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(guó)國(guó)家節(jié)能政策法，鼓勵(lì)新能源利用同時(shí)在經(jīng)濟(jì)和政策上也采取有效措施解決了這些問(wèn)題，加快利用太陽(yáng)能等可再生能源的發(fā)展。3 太陽(yáng)能利用與建筑一體化勢(shì)在必行我國(guó)的建筑行業(yè)過(guò)去只著重于建筑的功能、需求和立面效果，卻往往忽視了對(duì)清潔能源的利用，缺乏在能源使用過(guò)程中對(duì)消除各種污染的意識(shí)。過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間里，安裝太陽(yáng)能利用設(shè)備沒(méi)有同建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，使得太陽(yáng)能集熱設(shè)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(wú)章的無(wú)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(jué)污染。這個(gè)問(wèn)題應(yīng)成為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)界和建設(shè)行業(yè)應(yīng)該共同研究討論的一個(gè)大問(wèn)題，建筑如何與太陽(yáng)能設(shè)備很好的結(jié)合起來(lái)也已成為擺在我們眼前的事實(shí)。太陽(yáng)能利用技術(shù)與建筑一體化的設(shè)計(jì)就是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵所在，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)界應(yīng)著力于開發(fā)和生產(chǎn)那些有利于與建筑進(jìn)行一體化的模塊化太陽(yáng)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(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)開始階段就把太陽(yáng)能設(shè)備作為建筑中的一個(gè)不可缺少的構(gòu)件來(lái)考慮，使建筑美學(xué)與太陽(yáng)能技術(shù)完美結(jié)合，共同創(chuàng)造新型的太陽(yáng)能一體化建筑。4 太陽(yáng)能利用與建筑一體化構(gòu)想的提出：一體化的設(shè)計(jì)思想是由美國(guó)太陽(yáng)能協(xié)會(huì)創(chuàng)始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡導(dǎo)的，其主

7、體思想是將能把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)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(yáng)能收集裝置，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用與建筑的一體化，并通過(guò)所產(chǎn)生的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)室內(nèi)的用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的采暖、照明、制冷等。這種一體化方案僅僅是通過(guò)綜合考慮建筑構(gòu)件和太陽(yáng)能設(shè)備的協(xié)調(diào)使其做到構(gòu)造合理。但這種一體化方案存在對(duì)太陽(yáng)能收集途徑單一、利用率低下、浪費(fèi)嚴(yán)重等方面的缺點(diǎn)，例如：目前的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化使得能量在轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)倪^(guò)程中增加了損失，使得太陽(yáng)能的利用率更為低下。所以本文并不完全贊同此項(xiàng)一體化方案，本文的看法是應(yīng)當(dāng)綜合考

8、慮建筑造型與太陽(yáng)能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，采取被動(dòng)式與主動(dòng)式相結(jié)合，多途徑多層次的太陽(yáng)能多元化收集與利用方式。5 太陽(yáng)能利用與建筑一體化的新構(gòu)想：考慮到建筑在設(shè)計(jì)上要有利于收集利用太陽(yáng)能，同時(shí)兼顧建筑的美觀性、實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，本文提出如下的太陽(yáng)能利用與建筑一體化的新構(gòu)想：在建筑物的南向及東西兩向等接受太陽(yáng)能較好的外表面墻體護(hù)圍結(jié)構(gòu)上采用與太陽(yáng)墻、光伏組件的一體化設(shè)計(jì)；在建筑物的北向等接受太陽(yáng)能較少的外表面墻體護(hù)圍結(jié)構(gòu)上采用保溫墻體設(shè)計(jì)；在建筑的頂部采用建筑造型構(gòu)件與太陽(yáng)能熱泵低溫集熱技術(shù)相結(jié)合的手法，把金屬流道的太陽(yáng)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(diào)的顏色安插在建筑頂部預(yù)先留

9、有空位和預(yù)埋好相應(yīng)管道的構(gòu)件中；在建筑的供熱、制冷及供應(yīng)熱水方面采用分體式太陽(yáng)能熱泵吸收式中央空調(diào)系統(tǒng)，從而在提供生活用熱水的同時(shí)兼顧空調(diào)采暖和制冷；以太陽(yáng)能為主，燃?xì)饣螂娏檩o的集中供能方式。這樣以來(lái)就實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)式與主動(dòng)式相結(jié)合，多途徑多層次的太陽(yáng)能多元化收集與利用。6 太陽(yáng)能利用與建筑一體化的實(shí)施方式6.1 太陽(yáng)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(yáng)能較好的墻面上采用主動(dòng)式與被動(dòng)式相結(jié)合，集發(fā)電、采暖、通風(fēng)與建筑護(hù)圍結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的太陽(yáng)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(nèi)受熱，在風(fēng)機(jī)的動(dòng)力作用下空腔內(nèi)的

10、熱空氣從墻體的頂部通過(guò)風(fēng)道進(jìn)入空調(diào)的新風(fēng)系統(tǒng)或者直接排出室外6。與傳統(tǒng)的墻面相比太陽(yáng)能設(shè)備取代了傳統(tǒng)的護(hù)圍結(jié)構(gòu)，照射在墻面上的太陽(yáng)能不但被有效的利用起來(lái)而且顯著改善了護(hù)圍結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能。光電幕墻對(duì)太陽(yáng)光的反射率約為15%，光電幕墻的光電轉(zhuǎn)化率在1735%之間；在冬季被光電幕墻浪費(fèi)的那部分太陽(yáng)能又被集熱板吸收用于空調(diào)機(jī)組新風(fēng)的預(yù)加熱，使新風(fēng)空氣預(yù)熱到30左右，熱效率在50%-60%之間，相當(dāng)于每平方米能產(chǎn)生多于500W的熱量，同時(shí)使通過(guò)墻體向外界擴(kuò)散的熱量隨管道內(nèi)的熱空氣重新進(jìn)入空調(diào)的新風(fēng)系統(tǒng)，降低了墻體與室外空氣的熱交換；在夏季，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，被加熱的熱空氣在自然對(duì)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(guò)墻體的傳熱進(jìn)入室內(nèi)，減少了空調(diào)的負(fù)荷，另一方面空氣在空腔內(nèi)的流通降低了光電幕墻的溫度，能使光電幕墻的光電轉(zhuǎn)換率提升10%。這樣以來(lái)從經(jīng)濟(jì)上分析這種采用復(fù)合的太陽(yáng)能采集技術(shù)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(yáng)墻原理示意圖圖2 附于鋼結(jié)構(gòu)或磚體結(jié)構(gòu)示意圖6.2 光伏組件與市政供電系統(tǒng)并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電能通過(guò)逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再由控制器對(duì)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)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(nèi)的用電負(fù)載，另一方面白天日照充足時(shí)在滿足建筑自身用電負(fù)荷的同時(shí)把多余的電能進(jìn)行并網(wǎng)向市政

12、電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行供電，而當(dāng)晚上或陰天時(shí)所發(fā)的電能不能滿足建筑自身負(fù)載需要時(shí)，控制器又并網(wǎng)市政供電系統(tǒng)，保證用戶的正常用電。這樣在白天的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)電量充足且電價(jià)較高的時(shí)候并網(wǎng)市政電網(wǎng)把多余的電能向外供電出售電能，而在晚上太陽(yáng)能發(fā)電裝置不能發(fā)電且電價(jià)較低的時(shí)候又從市政電網(wǎng)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(shì)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(chǔ)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(shí)段在滿足建筑自身用電的同時(shí)能向市政電網(wǎng)供應(yīng)電能在一定程度上緩解電力緊張，況且這時(shí)的電價(jià)比較高而在夜間用電低峰時(shí)段電價(jià)相對(duì)較低又從市政電網(wǎng)獲取電能這樣就能更

13、好的降低建筑的運(yùn)行成本，使初期投資回收速度進(jìn)一步提高。 6.3 太陽(yáng)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(gòu)件與太陽(yáng)能熱泵低溫集熱技術(shù)相結(jié)合的手法，在設(shè)計(jì)上一方面使建筑的正立面結(jié)構(gòu)看上去富有建筑的藝術(shù)性和現(xiàn)代性，另一方面使安插在建筑構(gòu)造構(gòu)件中的集熱裝置模塊可以很好的吸收太陽(yáng)輻射能。然后把金屬流道的太陽(yáng)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(diào)的顏色安插在建筑頂部預(yù)先留有空位和預(yù)埋好相應(yīng)管道的構(gòu)件中。采用太陽(yáng)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(yáng)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(shí)候依然能夠進(jìn)行太陽(yáng)能低溫集熱。

14、應(yīng)用這種太陽(yáng)能集熱裝置做成直接蒸發(fā)式太陽(yáng)能熱泵機(jī)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(dòng)工質(zhì)熱媒，使其加熱到1030左右并迅速汽化，通過(guò)熱泵機(jī)組壓縮機(jī)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(dá)到60以上，作為采暖熱源和作為熱水直接供應(yīng)給用戶7或是向吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。太陽(yáng)能熱泵吸收式中央空調(diào)系統(tǒng)冬天向建筑供暖時(shí)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(shí)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(yáng)

15、能轉(zhuǎn)化為電能再用電能驅(qū)動(dòng)中央空調(diào)和熱水器節(jié)能效果更為顯著。6.4 太陽(yáng)能一體化設(shè)計(jì)中與之相配合的建筑保溫設(shè)計(jì)在建筑的北向墻體和受日照較少的墻體上采用輕質(zhì)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(jié)構(gòu)的建筑中采用較薄的基層墻體而達(dá)到較好的隔熱保溫作用同時(shí)有效降低了建筑成本和減輕建筑負(fù)荷。玻璃門窗建議使用其外側(cè)經(jīng)過(guò)鍍膜處理且與護(hù)圍結(jié)構(gòu)顏色相適宜的Low- E中空玻璃，因其具有極佳的熱學(xué)、隔聲、防結(jié)霜、不結(jié)露與密封等性能。白天在阻擋來(lái)自室外的有害輻射的同時(shí)并不影響窗體的透光率；夜晚和陰雨天氣,來(lái)自室內(nèi)物體的熱輻射約有50%以上被其反射回室內(nèi)8。這樣就使整個(gè)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(shí)現(xiàn)了建筑物的單向熱傳導(dǎo)性，降低了建筑內(nèi)熱能或冷能的流失，減少了建筑的整體能耗。 圖3 太陽(yáng)能墻體與光伏組件的結(jié)合圖4 保溫墻體示意圖7 遠(yuǎn)景與展望:太陽(yáng)能作為一種取之不盡的新型環(huán)保能源已成為世界各國(guó)世界上能源研究工作中的一個(gè)重要課題。并且在建筑領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)并利用在熱水、采暖、照明、制冷、電力等多個(gè)方面。如：太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱泵空調(diào)等。太陽(yáng)能光熱光伏利用與建筑一體化不斷完善，采用太陽(yáng)能利用與建筑一體化設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能建筑將來(lái)必定成為我國(guó)今后幾年里建筑業(yè)發(fā)展的主流方向，并從一些試點(diǎn)工程迅速的向全國(guó)進(jìn)行普及，太陽(yáng)能建筑的大規(guī)模出現(xiàn)已經(jīng)成為一種時(shí)代的必

17、然。我國(guó)太陽(yáng)能一體化建筑在正常發(fā)展和生態(tài)驅(qū)動(dòng)發(fā)展兩種發(fā)展模式下，2010年左右其顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益將會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，屆時(shí)太陽(yáng)能利用量占社會(huì)總能耗的比例將不斷的提高，CO2及氮?dú)浠衔锏呐欧艑⒋蠓鶞p少。預(yù)計(jì)2020年的太陽(yáng)能利用量在社會(huì)總能源供給中達(dá)到4.7%，減少CO2及氮?dú)浠衔锱欧?020TtC/yr9。8 參考文獻(xiàn)：1 高輝、何泉.太陽(yáng)能利用與建筑一體化設(shè)計(jì)，華中建筑 ，2004（1）：71742 王宏志 、王潤(rùn)強(qiáng).太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用，機(jī)械給排水，38413 齊心.解決太陽(yáng)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(guó)太陽(yáng)能熱利用考察及思考，世界建筑 .2003（8）：83855 趙春江、王恒龍.太陽(yáng)能一體化集熱器的研制與應(yīng)用.太陽(yáng)能 2004（4）2830