陜北地區(qū)實(shí)施太陽能建筑一體化可行性研究

龍?jiān)茲?楊紅霞 侯張林 王 喆 高文忠

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安 716000)

0 引言

21世紀(jì)，隨著全球人口的急劇增長和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類將面臨石油、糧食和環(huán)境三大危機(jī)。治理環(huán)境污染、發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，積極探索新能源，大力發(fā)展水能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、生物能等可再生能源，已成為全球共同面臨的課題。建筑作為第一用能大戶(能耗一般占40%左右)，將太陽能高效、合理地應(yīng)用在建筑中，建造太陽能建筑也就成為節(jié)能減排的一種重要途徑。

1 太陽能建筑一體化概念

所謂太陽能建筑一體化是指將太陽能利用設(shè)施與建筑進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，利用太陽能集熱器替代屋頂覆蓋層或替代屋頂保溫層，巧妙的將太陽能系統(tǒng)的各個(gè)部件融入建筑之中，統(tǒng)一施工，使太陽能系統(tǒng)成為建筑不可分割的一部分。既消除了太陽能對(duì)建筑物立面的影響，又減少了重復(fù)投資，降低了建筑成本［1］。

2 太陽能建筑一體化國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

美國作為一個(gè)發(fā)達(dá)國家，早在1941年麻省理工學(xué)院就建立了第一批太陽能建筑并取得專利。隨后為了減少能耗，降低污染，在建筑物可能的部位(屋頂、陽臺(tái)、墻壁等)安裝太陽能系統(tǒng)，包括太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能空氣集熱系統(tǒng)，給美國帶來相當(dāng)可觀的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。到2010年，百萬屋頂計(jì)劃將生產(chǎn)相當(dāng)于2個(gè)～3個(gè)燃煤發(fā)電廠的電力，不僅滿足自身的電力需求，而且有的地方已經(jīng)在出售由太陽能所產(chǎn)生的電力。

歐洲大部分地區(qū)，太陽能被公認(rèn)為是一種極好的替代能源，人們對(duì)和建筑物相結(jié)合的太陽能裝置和光伏裝置興趣越來越大。丹麥Toftlund的Brundtland中心是一座2 000 m2的辦公和展覽大樓，它有一套先進(jìn)的日光照明系統(tǒng)，其中包括裝在外窗上的改變光線方向的百葉窗，反光天花板，中央閣樓朝南的透光窗，還裝有光伏組件。德國科學(xué)家還設(shè)計(jì)制造成功一種向日葵式的旋轉(zhuǎn)房屋。它裝有如同雷達(dá)一樣的紅外線跟蹤器，只要天一亮，房屋上的馬達(dá)就開始啟動(dòng)，使房屋迎著太陽緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，始終與太陽保持最佳角度，使陽光最大限度地照進(jìn)屋內(nèi)。夜間，房屋又在不知不覺中慢慢復(fù)位。這種房屋能夠充分利用太陽能，保證房屋的日常供熱和用電，又能將光能儲(chǔ)存起來，供陰雨天和夜晚使用。

我國的第一幢被動(dòng)式太陽房建成于1977年，地點(diǎn)在甘肅省民勤縣，是一棟南窗直接受益結(jié)合實(shí)體集熱蓄熱墻的組合式太陽房。在20世紀(jì)80年代初，又通過國際合作項(xiàng)目，如中德新能源村、聯(lián)合國開發(fā)署支持的甘肅太陽能采暖降溫研究基地的建立使太陽房得到進(jìn)一步發(fā)展。在“六五”“七五”“八五”，包括到“十一五”期間，國家科技攻關(guān)計(jì)劃中都列入了太陽能項(xiàng)目，取得了一系列成效。

當(dāng)前，我國被動(dòng)式太陽房已進(jìn)入規(guī)模普及階段。由群體太陽能向太陽能住宅小區(qū)、太陽村、太陽城發(fā)展。特別是常規(guī)能源相對(duì)缺乏、經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、環(huán)境污染比較嚴(yán)重的西部地區(qū)，發(fā)展速度更為迅速，有的地區(qū)年平均遞增率達(dá)15%。各地還制定了包括推廣太陽能的陽光計(jì)劃，如投資額達(dá)4.28億元的蘭州市“陽光計(jì)劃”，甘肅省臨夏市建成了占地9.8 hm2、面積9.2萬m2的太陽能小區(qū)，以及西藏計(jì)劃投資900萬元資助新建太陽房27萬m2等大型工程項(xiàng)目。

總之，太陽能相對(duì)其他可再生能源來說，太陽能具有一些特有的優(yōu)勢，更利于與建筑結(jié)合，因而大力發(fā)展太陽能是我國乃至全世界發(fā)展可再生能源、實(shí)現(xiàn)能源管理的重要方向。

3 陜北地區(qū)太陽能建筑一體化現(xiàn)狀

3.1 陜北地區(qū)居民住宅狀況

改革開放以來，我國城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展迅速，建筑面積不斷擴(kuò)大，陜北地區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展迅速，各縣市一幢幢高樓拔地而起，鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村也蓋起了一排排小平房或兩三層的小洋樓，陜北人的居住條件發(fā)生了巨大變化。但是，經(jīng)過近幾年的運(yùn)營也暴露出一些問題，城里的樓房大部分仍然采用傳統(tǒng)的燃煤熱水鍋爐對(duì)流式散熱器系統(tǒng)供暖，采暖能耗大，效率低，費(fèi)用高，環(huán)境污染嚴(yán)重;鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村由于居住分散，建筑規(guī)模小，住戶要求差異大，基本不能實(shí)現(xiàn)集中供暖，各家各戶自行解決取暖問題，經(jīng)濟(jì)條件好的住戶安裝了土暖氣，一般家庭就只在家里生個(gè)小煤爐，建筑采暖能耗大、熱環(huán)境質(zhì)量差，而且傳統(tǒng)的火爐、土暖采暖方式，能源利用率低，一般火爐熱效率只有15%～25%，土暖的終端利用率也只有25%［2］。

另外，據(jù)我們調(diào)查，城里集中供暖的小區(qū)由于費(fèi)用較高，居民拖欠取暖費(fèi)的現(xiàn)象屢屢可見，各小區(qū)都存在“釘子戶”;自行安裝了土暖氣的住戶在剛開始使用的一兩年內(nèi)還可以，但隨著時(shí)間的推移，鍋爐、散熱器的各種問題隨之出現(xiàn)，維修費(fèi)用較高，加之近幾年煤炭價(jià)格暴漲，大部分居民的土暖氣都成了擺設(shè)，步入小煤爐的隊(duì)伍;一間二三十平方米的房間僅靠使用小煤爐采暖，在陜北地區(qū)根本無法滿足室內(nèi)采暖的要求。加之目前農(nóng)民建房一般只顧外表和成本，看見城里人不住窯洞住磚房了，自己也不住窯洞蓋磚房，手頭有些錢就自己找個(gè)工匠、買些磚、樓板就開始蓋房，根本不知道在陜北地區(qū)240厚磚墻作為外墻還要加保溫、屋頂在樓板層上也要加保溫層等才能滿足保溫隔熱要求，蓋好住進(jìn)去后才發(fā)現(xiàn)新房還不如自己原來的窯洞住著舒適，夏天里面像個(gè)蒸籠，冬天冷的水缸都結(jié)冰。

3.2 陜北地區(qū)的地理?xiàng)l件

陜北位于陜西北部，其南部是黃土高原，北部是毛烏素沙漠，西北高，東南低，位于東經(jīng)105°29'～111°15'、北緯 31°42'～39°35'之間［3］，總面積達(dá)92 521.4 km2，包括陜西省的榆林市和延安市。

延安市位于陜北南部，是陜北的中心城市。東隔黃河，與山西省相望;西以子午嶺為界和甘肅省接壤;北靠榆林地區(qū);南接我省渭南，銅川，咸陽三市。地理位置為東經(jīng)107°41'～110°31'，北緯35°21'～ 37°31'之間，南北直線距離 239.12 km，東西間距257.85 km?？偯娣e為3.7萬km2，以黃土高原丘陵溝壑地形為主，平均海拔 1 000 m［2］。

榆林市位于陜北的最北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°28'～111°15'，北緯 36°57'～ 39°34'［4］，近年來迅速發(fā)展為北部的中心城市。地處陜甘寧蒙晉五省(區(qū))接壤地帶。東臨黃河與山西相望，西連寧夏、甘肅，北鄰內(nèi)蒙鄂爾多斯市，南接延安市。1轄區(qū)11縣222個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝?53萬，總面積43 578 km2。地貌大體以長城為界，北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，分別占總面積的42%，58%，海拔1 000 m～1 500 m。

3.3 陜北地區(qū)的氣候及太陽能資源狀況

陜北地區(qū)屬于暖溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候，其中延安地區(qū)四季分明、日照充足、晝夜溫差大、年均無霜期170 d，年均氣溫7.7℃～10.6℃，年均日照數(shù)2 300 h～2 700 h，年均降水量500 mm左右，屬內(nèi)陸干旱半干旱氣候;榆林地區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懠撅L(fēng)氣候，年平均氣溫10℃，年平均降雨量400 mm左右。

在全國范圍內(nèi)，陜西北部屬于太陽能第Ⅲ類可利用區(qū)，是太陽能運(yùn)用適宜氣候區(qū)［5］。

就省內(nèi)而言，陜西省具有豐富的太陽能資源，全省太陽能年總輻射量為4 410 MJ/m2～5 400 MJ/m2，按資源豐富程度可以劃分為3個(gè)區(qū)，即:Ⅰ區(qū)為太陽能資源豐富區(qū)(年太陽能總輻射量為5 040 MJ/m2～5 430 MJ/m2，全年日照時(shí)數(shù)為2 600 h～2 900 h)，主要包括陜北北部和渭北東部地區(qū);Ⅱ區(qū)為太陽能資源較豐富區(qū)(年太陽能總輻射量為4 500 MJ/m2～5 040 MJ/m2，全年日照時(shí)數(shù)為2 100 h～2 600 h)，主要包括陜北南部、關(guān)中地區(qū);Ⅲ區(qū)為太陽能資源一般區(qū)(年太陽能總輻射量為4 100 MJ/m2～4 500 MJ/m2，全年日照時(shí)數(shù)為1 664 h～2 100 h)，主要包括陜南漢中和安康大部［6］。

陜北北部(包括:府谷、神木、榆林、橫山、靖邊、定邊、佳縣、米脂、吳堡)年總輻射量為5 040 MJ/m2～5 400 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)2 600 h～2 900 h，是陜西省太陽能資源最豐富的地區(qū)。

根據(jù)中國氣象局提供的太陽輻射數(shù)據(jù)，陜北地區(qū)平均日照時(shí)間為4 h～7.2 h，6月～8月較高，日平均日照時(shí)間為7 h左右，冬季為4 h左右，年平均氣溫在7℃～11℃，最冷月1月平均氣溫－10℃～－4℃，最熱月7月平均氣溫21℃～25℃。全年日平均時(shí)間波動(dòng)不大，太陽輻射量也波動(dòng)不大，所以陜北地區(qū)適合發(fā)展太陽能建筑。

4 陜北地區(qū)實(shí)施太陽能建筑一體化的可行性

根據(jù)陜北地區(qū)自然條件和國內(nèi)外太陽能建筑的應(yīng)用情況分析，在陜北地區(qū)實(shí)施太陽能建筑，不僅可以節(jié)約傳統(tǒng)能源、土地，而且可以保護(hù)環(huán)境、改善建筑功能、順應(yīng)建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化方向，這完全符合經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

在陜北地區(qū)，將太陽能合理地與建筑外墻、屋面有機(jī)結(jié)合，即把太陽能取暖、供熱、光伏發(fā)電等技術(shù)和建筑節(jié)能技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)太陽能建筑一體化，可提高建筑物的居住舒適度。

5 陜北地區(qū)實(shí)施太陽能建筑一體化發(fā)展方向分析

實(shí)施太陽能建筑一體化應(yīng)將現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)、施工技術(shù)與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑形式、構(gòu)造做法和施工工藝結(jié)合起來，形成既有現(xiàn)代氣息又不失地方特色的太陽能建筑。在陜北地區(qū)實(shí)施太陽能建筑一體化可從以下幾個(gè)方向發(fā)展:

1)以現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料合理選擇朝向、布置周圍環(huán)境，使其冬季盡量多得到日照，夏季利用周圍的山體、建筑、樹木進(jìn)行遮陽，避免或盡量少受太陽直射。

2)以傳統(tǒng)窯洞尺寸為基礎(chǔ)，結(jié)合力學(xué)、結(jié)構(gòu)、抗震等專業(yè)知識(shí)，考慮陜北氣候特征，合理確定出現(xiàn)代窯洞經(jīng)濟(jì)、適用的結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)造做法(如窯背覆土厚度)等，設(shè)計(jì)、建造出“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、節(jié)能”的現(xiàn)代窯洞。

3)按照現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)理論，對(duì)窯洞室內(nèi)空間進(jìn)行合理功能分區(qū)，巧妙處理內(nèi)部空間，處理好主次和冷暖區(qū)域的劃分與連接，如將次要的、非采暖房間布置在北面和東西兩側(cè)，將主要采暖房間緊靠集熱表面和儲(chǔ)熱體布置。

4)在建筑物南向設(shè)置足夠數(shù)量的集熱表面，如設(shè)置集熱墻、陽光間等實(shí)現(xiàn)太陽能的集取、保持、儲(chǔ)存、分布，解決好窯洞冬季的采暖，同時(shí)處理好其夏季遮陽問題，使得“窯洞”這一陜北特色的建筑得以續(xù)存。

［1］李佩璇.淺談太陽能建筑一體化在福建的應(yīng)用［J］.福建建設(shè)科技，2009(4)：21.

［2］白葉飛.太陽能在內(nèi)蒙古民用建筑中的應(yīng)用［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］宋青青.中國中學(xué)教書百科全書地理卷［M］.沈陽：沈陽出版社，1990.

［4］吳林榮.陜北榆林地區(qū)太陽能資源空間分布特征及資源潛力評(píng)估［J］.水土保持通報(bào)，2013(2)：45.

［5］張 磊.被動(dòng)式太陽能建筑技術(shù)規(guī)范［S］.中國建筑設(shè)計(jì)研究院國家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心，2012.

［6］肖 斌.陜西省太陽能資源的開發(fā)利用［J］.西北水電，2011(5)：96.