太陽能光熱建筑一體化的應用現(xiàn)狀及展望

李 冰，李 凱，扈 崢

(1.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都 610065;2.中國科學院力學所，北京 100190)

隨著我國經濟的高速發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染成為制約我國經濟社會可持續(xù)發(fā)展的兩個日益突出的問題。開發(fā)利用新能源和可再生能源成為當務之急，也是人類面臨的必然選擇。太陽能具有清潔、可再生、量大等特點，是世界各國發(fā)展新能源的重點之一。

目前我國建筑能耗已占社會總能耗的30%左右，并隨著城市化進程的加快，有繼續(xù)增漲的趨勢。因此，采取合理、有效的技術措施將太陽能利用與建筑有機地結合起來——太陽能光熱建筑一體化，提高熱能利用效率，對緩解我國能源和環(huán)境問題有著重要的意義。

1 太陽能光熱建筑一體化概述

1.1 太陽能光熱利用的技術類型

太陽能光熱的利用在建筑中有十分廣泛的前景。其應用領域包括提供生活熱水、改善室內空氣品質、利用光熱發(fā)電以及通過空調系統(tǒng)改善室內舒適度等。

1.1.1 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水供應系統(tǒng)是目前我國太陽能熱利用最成熟的方法，它把太陽能轉化為熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生產、生活中的使用。太陽能熱水系統(tǒng)是由集熱器、儲水箱及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要靠集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，背陽面溫度低，使管內的水產生溫差，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產生循環(huán)而得到所需的熱水(圖1)。

圖1 熱水系統(tǒng)工作原理

1.1.2 太陽能通風系統(tǒng)

太陽能通風是一種熱壓作用下的自然通風措施。它利用太陽輻射增大進出口空氣的溫差，提供空氣流動的浮升力，達到增加室內通風風量降低室溫的目的。比較典型的太陽能煙囪主要有3 種:Trombe 墻體式、豎直集熱板屋頂式和傾斜集熱板屋頂式。以Trombe 墻體式太陽能煙囪為例(圖2)，其通風量受到諸多因素的影響，如太陽輻射強度、空氣通道寬度、煙囪進出口寬度以及煙囪高度等。

圖2 Trombe 墻體式太陽能通風煙囪結構

1.1.3 太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列拋物或蝶形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結合傳功汽輪發(fā)電的工藝，從而達到發(fā)電的目的。采用光熱發(fā)電技術，避免了昂貴的硅晶光電轉換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉換無法比擬的優(yōu)勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。

1.1.4 太陽能光熱空調系統(tǒng)

在太陽能轉換成熱能后，人們不僅可以利用這部分熱能提供熱水和采暖，而且還可以利用這部分熱能提供制冷空調。首先是將太陽能轉換成熱能(或機械能)，再利用熱能(或機械能)作為外界的補償，使系統(tǒng)達到并維持所需的低溫(圖3)。

圖3 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)原理示意

太陽能制冷空調的優(yōu)點主要是季節(jié)適應性好、環(huán)保、噪聲低、利用率高，同一套太陽能吸收式空調系統(tǒng)可以將夏季制冷、冬季采暖和其他季節(jié)提供熱水3 種功能結合起來，做到一機多用，四季常用，從而可以顯著地提高太陽能系統(tǒng)的利用率和經濟性。

1.2 太陽能光熱建筑一體化的特點

1.2.1 有機統(tǒng)一、美觀協(xié)調

太陽能光熱建筑一體化技術把太陽能的利用納入環(huán)境的總體設計，把建筑、技術和美學融為一體。太陽能設施與建筑工程同步設計、施工，同時投入使用，成為建筑的一部分。并且相互有機結合，取代了傳統(tǒng)太陽能結構對建筑外觀及城市景觀所造成破壞(圖4)。

圖4 傳統(tǒng)屋頂太陽能形式

1.2.2 節(jié)約資源、經濟高效

1．農技推廣工作經驗豐富，熱心園藝技術推廣，熟悉當?shù)貓@藝產業(yè)狀況和園藝科技應用情況，有一定的寫作能力。

將太陽能集熱裝置安裝在建筑的屋頂或南立面上，不需要額外占地，節(jié)省了大量的土地資源;同時，就地發(fā)電上網和供應熱水，不需要另外架設輸電線路和熱水管道，減少大量的經濟支出;太陽能設施還可以完全取代或部分取代屋頂覆蓋層，與傳統(tǒng)太陽能熱水器相比，不僅節(jié)約成本，還能充分利用屋頂面積，提高太陽能利用率。

1.2.3 安全適用、清潔環(huán)保

太陽能光熱建筑一體化不僅能以覆蓋式用于平屋頂，還能以鑲嵌式用于坡屋頂(圖5)。太陽能產品在使用中無污染、無噪聲，不僅可以減少常規(guī)化石能源的使用，節(jié)能環(huán)保，而且使用安全，壽命長，為人們創(chuàng)造一個安全、高舒適性的生活環(huán)境，提高了生活水平。

圖5 太陽能建筑一體化屋頂形式

2 太陽能光熱建筑一體化的應用現(xiàn)狀

2.1 國外應用現(xiàn)狀

利用太陽能加熱水是目前太陽能光熱建筑一體化的最普遍形式，世界各國科學家和工程師經過百年的努力，使太陽能熱水成為當前技術最成熟、經濟上最具競爭力的太陽能光熱利用技術。

根據國際能源組織的“SOLAR HEAT WRLD WIDE 2005”(2007年版)報告，截止2005年底，世界太陽能集熱器總安裝面積已達約1.59×108m2。為進一步擴大太陽能熱水器在建筑中的應用市場，一些國家還制定了相關的法律。如德國和荷蘭政府鼓勵在建筑中應用可再生能源，其投資成本可由政府返還15%～30%;希臘、西班牙的建筑規(guī)范中規(guī)定了太陽能的測試程序和發(fā)放標志證書。各國先進的技術及政策、法規(guī)對太陽能光熱建筑一體化的應用起到了重要作用。

發(fā)達國家技術水平相對先進，因而太陽能光熱利用的領域也較廣且高端。如奧地利、德國、美國、日本等，除了利用太陽能提供家庭熱水和熱水工程以外，分別還用于采暖、空調、工業(yè)用水、泳池加熱等對技術要求比較高的領域。

2.2 國內應用現(xiàn)狀

我國對太陽能光熱技術的利用相對其他國家來說起步較晚，但由于太陽能熱水器行業(yè)技術含量并非很高，再加上國內需求量很龐大，因而我國太陽能熱水器產業(yè)發(fā)展非常迅猛。然而，作為最適宜與建筑結合的可再生能源系統(tǒng)，中國的太陽能光熱利用形式主要還是分戶式的生活熱水裝置。在冬季取暖、夏季制冷上的應用需要進一步開發(fā)。近年來，我國在太陽能建筑一體化應用上不斷探索、推廣，做出了很多成功的工程實踐。

2.2.1 奧運村太陽能熱水系統(tǒng)

該項目在奧運村的樓群屋頂上安裝6000 m2的太陽能集熱器，為世界各地的16800 名運動員提供洗浴熱水，奧運會后能供應2000 余戶居民的生活熱水需求。年可節(jié)省電力500 萬度，減少二氧化碳排放3800 噸(圖6)。

奧運村的太陽能熱水系統(tǒng)，對集熱傳熱、換熱升溫、儲熱殺菌、熱源備份、余熱利用、自動控制等環(huán)節(jié)進行了綜合考慮，系統(tǒng)采用真空直流熱管間接循環(huán)利用太陽能的方式，具有系統(tǒng)獨立、出水溫度穩(wěn)定、便于計量及收費等優(yōu)點。通過歐洲TUV、CE 和美國SRCC等國內外專業(yè)機構的檢測和認證，其工程規(guī)模和技術先進程度達到了國際領先水平。

2.2.2 日月壇·微排大廈

2009年11月建成于山東德州的“日月壇·微排大廈”是全球最大太陽能辦公大樓，總建筑面積達到7.5×104m2(圖7)。全球首創(chuàng)性地實現(xiàn)了太陽能熱水供應、采暖、制冷、光伏并網發(fā)電等技術與建筑的完美結合，建筑節(jié)能70%以上，加上60%采暖、制冷，節(jié)能效率88%，完全符合節(jié)能環(huán)保、人性化、生態(tài)等未來時尚角度的“綠色五星級”建筑標準，是太陽能綜合利用技術與建筑節(jié)能技術結合的典范工程。

圖6 北京奧運村屋頂太陽能熱水系統(tǒng)

圖7 全球最大太陽能辦公大樓“日月壇·微排大廈”

3 對太陽能光熱建筑一體化的展望

我國的太陽能利用處于世界領先地位，太陽能熱水器的生產和應用規(guī)模都是世界最大的。但太陽能光熱系統(tǒng)在室內溫度調節(jié)、通風、發(fā)電等方面的利用技術還有待改進。因此，我們需要進一步擴大太陽能的普及范圍，提高利用水平并發(fā)掘新的應用領域。這也是世界太陽能熱利用的一個重要發(fā)展方向。歐美發(fā)達國家紛紛建造綜合利用太陽能示范建筑，實驗表明，太陽能建筑節(jié)能率75%左右，是一個非常具有發(fā)展前景的領域。

對于城市中利用太陽能光熱系統(tǒng)，一個重要的技術問題就是在滿足太陽能熱利用的基本要求，同時實現(xiàn)建筑基本功能如防水和結構功能等的基礎上，使其和建筑結構完美地結合起來，成為建筑的和諧一體，并盡可能增加建筑的美感，從而增加城市的整體美感。另外，對于如何在已經建成的大量城市建筑上安裝太陽能熱利用系統(tǒng)，需要加以特殊關注。以便采用合理的技術使太陽能光熱建筑一體化成為我國既有建筑節(jié)能改造的一部分。

隨著太陽能利用技術的不斷開發(fā)，人類社會進入了太陽能大量導入的時代。這可以使系統(tǒng)的價格逐漸降低，因此需對城市的建筑設計進行相應的規(guī)劃。在21 世紀的可持續(xù)發(fā)展社會里，太陽能相關技術的發(fā)展有望促進具有建筑文化意味的成熟型社會的形成。

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