論太陽(yáng)能資源在建筑上的利用

陳 昊

（中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司新能源公司，北京 100001）

論太陽(yáng)能資源在建筑上的利用

陳 昊

（中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司新能源公司，北京 100001）

能源是人類社會(huì)生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)利用可再生能源是確保能源供需平衡、減少環(huán)境污染的先決條件。目前，全球人口已經(jīng)達(dá)到70億，而化石燃料的大量消耗及其產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題引起了世界各國(guó)的高度關(guān)注。本文概述了太陽(yáng)能資源在建筑中的應(yīng)用，提出了建筑利用太陽(yáng)能存在的問(wèn)題，最后分析了如何在建筑中合理應(yīng)用可再生能源。

太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；光伏組件

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速。中東部大部分城市是典型的能源匱乏城市，能源供需缺口大。目前，我國(guó)正處于城市化和新型工業(yè)化快速發(fā)展時(shí)期，建筑能耗呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。十三五規(guī)劃明確指出，加快城市群建設(shè)發(fā)展，優(yōu)化提升東部地區(qū)城市群，建設(shè)京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角世界級(jí)城市群，提升山東半島、海峽西岸城市群開(kāi)放競(jìng)爭(zhēng)水平。城市群的建設(shè)，為我國(guó)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也為能源供應(yīng)帶來(lái)巨大的壓力[1-3]。因此，利用太陽(yáng)能等可再生能源解決建筑的采暖、熱水供應(yīng)、照明等問(wèn)題，對(duì)替代常規(guī)能源，促進(jìn)建筑節(jié)能具有重要意義，其在城市群的建設(shè)中顯得尤為重要與迫切。

1 太陽(yáng)能資源在建筑中的應(yīng)用概述

我國(guó)共有近600億m2建筑，目前城鎮(zhèn)化正處在快速發(fā)展時(shí)期，每年建成的房屋面積近20億m2， 97%以上都是高能耗建筑，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)高耗能建筑面積將達(dá)700億m2。建筑總耗能占社會(huì)總耗能的比重已經(jīng)從20世紀(jì)70年代的10%增加到30%，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)上升到35%[4]。

在建筑高速發(fā)展的同時(shí)，近年來(lái)我國(guó)開(kāi)始大力推廣綠色建筑，而且新能源技術(shù)日趨成熟。我國(guó)越來(lái)越重視可再生能源在建筑中的利用，目前建筑可以利用的太陽(yáng)能技術(shù)主要有：太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能熱水技術(shù)。

2 建筑利用太陽(yáng)能存在的問(wèn)題

雖然現(xiàn)在我國(guó)開(kāi)始大面積推廣綠色建筑，但是我國(guó)綠色建筑以被動(dòng)節(jié)能為主。近年來(lái)，我國(guó)逐步調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低化石能源比重，可再生能源在建筑上已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，但是依然存在一些問(wèn)題。建筑利用太陽(yáng)能的技術(shù)主要還停留在利用比較低端的太陽(yáng)能熱水技術(shù)；利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電也存在很多不合理的情況。另外，我國(guó)新建建筑物增速依然很快，而且建筑能耗增長(zhǎng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中國(guó)能源生產(chǎn)可能增長(zhǎng)的速度。人們不僅要積極提高建筑物的能源使用效率，而且應(yīng)該深入、合理地應(yīng)用太陽(yáng)能技術(shù)。這不僅能夠緩解國(guó)家能源緊缺狀況，還能調(diào)節(jié)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、減少污染、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[5]。因此，建筑節(jié)能是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)、減排溫室氣體的重要措施，符合全球發(fā)展趨勢(shì)。

3 如何在建筑中合理應(yīng)用可再生能源

中國(guó)大部分地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，我國(guó)每年獲得的太陽(yáng)能約為3.6×1022J，相當(dāng)于1.2萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值[5]。約占全國(guó)國(guó)土面積2/3的地區(qū)年平均輻射總量在3 340～8 400 MJ/m2，其年日照時(shí)數(shù)超過(guò)2 200 h，具有利用太陽(yáng)能的良好條件。按照輻射量的多少，可以將我國(guó)劃分為四個(gè)區(qū)域，分別為一類區(qū)（資源豐富區(qū)）、二類區(qū)（資源較豐富區(qū)）、三類區(qū)（資源可利用區(qū)）和四類區(qū)（資源貧乏區(qū)）。太陽(yáng)能資源的利用也可以分為兩類：一是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，即光照在晶體硅上，根據(jù)“光生伏特效應(yīng)”，光能直接轉(zhuǎn)化為電能[3]；二是太陽(yáng)能光熱利用，即直接利用太陽(yáng)能熱輻射，把太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)化為建筑熱水[1]。根據(jù)太陽(yáng)能熱輻射的分布，一類區(qū)和二類區(qū)優(yōu)先考慮在建筑上采用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，或者太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能熱水一體化系統(tǒng)。由于可利用小時(shí)數(shù)有限，一般在1 300 h以下，三類區(qū)優(yōu)先考慮太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，可以在做充分可行性研究的情況下，適當(dāng)在屋面布置太陽(yáng)能光伏組件。在四類區(qū)，由于熱輻射太低，太陽(yáng)能光伏和光熱的可利用小時(shí)數(shù)太低，所以其應(yīng)該避免應(yīng)用成本較高的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，可以適當(dāng)應(yīng)用成本較低的太陽(yáng)能熱水體統(tǒng)。

目前由于政府的政策導(dǎo)向，太陽(yáng)能光伏發(fā)電工程在我國(guó)進(jìn)入飛速發(fā)展期。同樣，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)也在建筑中得到了大量的應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏發(fā)電建筑從一開(kāi)始無(wú)序發(fā)展，慢慢地發(fā)展到現(xiàn)在有條理的發(fā)展。

太陽(yáng)能光伏建筑系統(tǒng)即BMPV（Building Mounted Photovoltaic），可以分為兩類：一是太陽(yáng)能光伏建筑一體化系統(tǒng)，即BIPV（Building Integrated Photovoltaic）；二是安裝在建筑上的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，即BAPV（Building Attached Photovoltaic）。

太陽(yáng)能光伏組件可以安裝在建筑的屋頂處和建筑外墻處。安裝在建筑外墻的太陽(yáng)能光伏組件，由于受到朝向和周邊建筑物遮擋的原因，在通常情況下，發(fā)電效率很低，成本較高。太陽(yáng)能光伏組件更適合安裝在建筑的屋頂上。因此，塔式高層建筑由于屋面面積和建筑外墻比值較小，所以不適合安裝太陽(yáng)能光伏組件；而屋面面積和建筑外墻比值較大的建筑、多層住宅，適合安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。

BIPV即太陽(yáng)能光伏組件可以直接作為建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。BIPV建筑（見(jiàn)圖1、圖2）安裝光伏組件后，在同樣位置不需要安裝其他建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。常見(jiàn)的BIPV組件形式有光伏幕墻、光伏屋面板。

圖1 BIPV建筑

圖2 BIPV建筑

BIPV建筑物能省去光伏系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)和其他維護(hù)材料，節(jié)約了建筑材料，非常符合綠色建筑的理念。BIPV建筑組件和建筑可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，使建筑更為美觀，不讓光伏組件顯得突兀。但是，BIPV建筑存在很多問(wèn)題，最大的問(wèn)題是光伏組件壽命和建筑壽命不統(tǒng)一。光伏組件壽命一般為25年，而建筑壽命一般為50年。所以，在運(yùn)行期的第26年到第50年，光伏組件材料的轉(zhuǎn)換效率、材料的耐久性和組件間的密封性能都是不可控的，如果維修或者更換組件，對(duì)建筑物本體就會(huì)帶來(lái)很大的影響。所以，BIPV建筑不適用于作為住宅類建筑和大型公共建筑的主體建筑維護(hù)材料，其比較實(shí)用于一些門式鋼架廠房的屋頂、一些大型停車場(chǎng)的屋頂?shù)葘?duì)使用年限和耐久性等要求不是很高的建筑，還可應(yīng)用到一些非主要建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)件上，如雨棚、遮陽(yáng)篷等。

BAPV是二次安裝在建筑上的相對(duì)獨(dú)立的光伏組件。BAPV相對(duì)于BIPV浪費(fèi)組件支架材料。BAPV建筑的整體美觀性不如BAPV，但是對(duì)BAPV建筑光伏組件維護(hù)和更換完全不影響建筑本身。所以，BAPV更適合用在多層住宅建筑和屋頂面積較大的大型公共建筑上。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑利用可再生能源的普遍化，已經(jīng)是一種不可逆轉(zhuǎn)的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。在利用可再生能源時(shí)，人們應(yīng)該注意其合理性?？稍偕茉捶趾芏喾N，建筑也分很多種，不是所有建筑都適合利用各種可再生能源。因此，針對(duì)不同的地區(qū)和不同種類的建筑，人們必須選擇合適的可再生能源。

（1）在太陽(yáng)能資源一、二類區(qū)，屋面面積較大的大型公共建筑和多層住宅適合采用BAPV太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；（2）在太陽(yáng)能資源一、二類區(qū)，輕鋼廠房或者倉(cāng)庫(kù)適合采用BIPV太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)；（3）在太陽(yáng)能資源三類區(qū)，屋面面積較大的大型公共建筑和多層住宅適合采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，如果需太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，那么做充分可行性研究，論證后如果可以采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，那么應(yīng)采用BAPV太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)；（4）在太陽(yáng)能資源三類區(qū)，輕鋼廠房或者倉(cāng)庫(kù)適合采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，如果需太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，那么做充分可行性研究，論證后如果可以采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，建議優(yōu)先采用BIPV太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

1 鄭瑞澄.民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

2 任永平，董利科.太陽(yáng)能光伏與建筑一體化研究[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010，（2）：34-36.

3 呂慧萍.光伏建筑一體化的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思考[J].浙江建筑，2010，27（6）：50-52.

4 李 芳，沈 輝，許家瑞.光伏建筑一體化的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電源技術(shù)，2007，31（8）：659-662.

5 沈 輝，曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

Discussion on the Utilization of Solar Energy Resources in Architecture

Chen Hao
（China Huadian Engineering Co., Ltd., New Energy Company，Beijing 100001, China)

Energy is the material basis for the survival and development of human society.The development and utilization of renewable energy is a prerequisite for ensuring the balance of energy supply and demand and reducing environmental pollution.At present, the global population has reached 7 billion, while the large consumption of fossil fuels and the resulting environmental pollution has aroused great concern around the world.This paper summarizes the application of solar energy resources in the construction, puts forward the problems of building solar energy, and finally analyzes how to apply renewable energy reasonably in the building.

solar energy; photovoltaic power generation; photovoltaic modules

TU201.5

A

1008-9500(2017)10-0110-03

2017-08-12

陳昊（1987-），男，吉林省吉林市人，工程師，從事新能源發(fā)電工程設(shè)計(jì)工作。