太陽(yáng)能的發(fā)展及對(duì)節(jié)能建筑的影響

王薇 王彪

摘 要：隨著“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”基本國(guó)策的提出，建筑節(jié)能被逐漸提上章程。太陽(yáng)能作為最普遍、最貼近人們?nèi)粘Ｉ畹墓?jié)能手段，慢慢從小眾走向大眾。由于傳統(tǒng)資源的消費(fèi)方式在人們心中已經(jīng)根深蒂固，太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)這一概念，從提出到發(fā)展至今日，經(jīng)歷了跌宕起伏的過(guò)程。當(dāng)今太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)逐漸完善，本身系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能的利用率轉(zhuǎn)換率隨著技術(shù)的成熟有很大的提升，人們對(duì)于傳統(tǒng)能源的消費(fèi)方式，也隨著能源告急，慢慢轉(zhuǎn)向新興能源。由于人類的衣食住行所帶來(lái)的能源消耗巨大，建筑作為人類居住、生活的主要場(chǎng)所，建筑節(jié)能逐漸被重視。建筑和太陽(yáng)能的有機(jī)結(jié)合，是當(dāng)今建筑節(jié)能的主要手段。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)能源；太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)；建筑節(jié)能

傳統(tǒng)化石燃料是人類生活的關(guān)鍵能源基礎(chǔ)，推動(dòng)了人類的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和人口的快速增長(zhǎng)，對(duì)于傳統(tǒng)化石燃料的需求越來(lái)越高。過(guò)度的開采，粗獷式消費(fèi)帶來(lái)的問(wèn)題接踵而至：過(guò)度開采導(dǎo)致資源儲(chǔ)量告急，化石燃料的使用導(dǎo)致人居環(huán)境惡化，地震、海嘯的發(fā)生等問(wèn)題，都是大自然向粗獷發(fā)展方式亮起的紅燈。發(fā)達(dá)國(guó)家可以通過(guò)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、建設(shè)可再生能源的發(fā)生站來(lái)降低傳統(tǒng)化石燃料的應(yīng)用。發(fā)展中國(guó)家由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的種種落后，導(dǎo)致只能通過(guò)增加化石資源的開采和消耗來(lái)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這也是全球能源消耗增長(zhǎng)的主要原因。中國(guó)地大物博，傳統(tǒng)化石燃料的探明儲(chǔ)量雖較可觀，但是人均占有量均不到世界平均水平。中國(guó)傳統(tǒng)能源告急的情況，并非危言聳聽。在浪費(fèi)資源的行為發(fā)生前，應(yīng)時(shí)刻提醒自己，中國(guó)各項(xiàng)資源的人均占有量，都低于世界平均水平，甚至與我們生活緊密相關(guān)的石油、天然氣的人均占有量?jī)H為世界人均占有量的1/15。近幾年國(guó)家也將“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”作為基本國(guó)策提出，綠色節(jié)能建筑也逐漸被人們熟知。

建筑、工業(yè)、交通是能源消耗的三大領(lǐng)域。建筑施工和建筑材料的成本制作所占的建筑能耗比重很小，建筑能耗主要集中在照明、采暖、制冷、家用電器、熱水、烹調(diào)等方面。日常生活所消耗的能源，占建筑能耗的大部分比重。因此日常的節(jié)能和變換能源消費(fèi)方式，是建筑節(jié)能的主要手段。雖說(shuō)建筑能耗占總能耗的比例越高，人民生活水平越高，但是我們需要的是健康的能源消耗方式，而不是盲目的使用，“粗放式”地提高生活水平而不計(jì)后果地使用。對(duì)傳統(tǒng)能源消費(fèi)方式的轉(zhuǎn)變是節(jié)約建筑能耗的一部分，對(duì)可再生能源的利用也是節(jié)約傳統(tǒng)能源消耗的重要手段。

太陽(yáng)能是萬(wàn)物生長(zhǎng)的原動(dòng)力，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基石，從古至今。現(xiàn)代對(duì)于太陽(yáng)能主要是使用太陽(yáng)能系統(tǒng)或裝置對(duì)太陽(yáng)能展開收集、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換等一系列步驟，供給人類生活所需的電能、熱能。人們常見(jiàn)的太陽(yáng)能利用形式為太陽(yáng)能熱水器（圖1）。太陽(yáng)能熱水器相較于傳統(tǒng)電熱水器、燃?xì)鉄崴饔忻黠@的節(jié)能效果，且使用壽命較長(zhǎng)，質(zhì)量過(guò)關(guān)的太陽(yáng)能熱水器使用壽命長(zhǎng)達(dá)十年以上。但是太陽(yáng)能熱水器自身的局限性，使其難以得到大規(guī)模推廣。中國(guó)南方多陰雨天氣，加上夏天熱水需求較小，冬天熱水需求較大，導(dǎo)致冬天常出現(xiàn)熱水供應(yīng)不足的情況。再者，太陽(yáng)能熱水器的使用受樓層限制。住在中低層的用戶，常常需要放掉超過(guò)10m管道的冷水，如果冷水不能妥善使用，也直接導(dǎo)致了水資源的浪費(fèi)。此外，太陽(yáng)能熱水器價(jià)格高于其他傳統(tǒng)能源熱水器。

由于太陽(yáng)能發(fā)展相較于傳統(tǒng)能源所帶來(lái)的電能、熱能的收益較模糊，投資與收益步驟較為復(fù)雜，所以會(huì)有很多不可控因素阻礙太陽(yáng)能的發(fā)展。在當(dāng)下利益和未來(lái)可持續(xù)發(fā)展兩者之間，還是立竿見(jiàn)影的利益較為誘人。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束十幾年后，曾有過(guò)一段時(shí)間的太陽(yáng)能熱潮，熱潮持續(xù)一段時(shí)間，開始消退，是因?yàn)橹袞|發(fā)現(xiàn)了大量廉價(jià)石油。在人們既有思維中，太陽(yáng)能仿佛是傳統(tǒng)能源的備胎，隨著傳統(tǒng)能源價(jià)格的增長(zhǎng)，水漲船高。如果傳統(tǒng)能源的價(jià)格降低，太陽(yáng)能則會(huì)被冷落。這種不健康的消費(fèi)思維，應(yīng)該隨著傳統(tǒng)能源危機(jī)，逐漸改變。

隨著探索的深入和技術(shù)的完善，太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)也日趨完善。材料的改變，使得太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率大大改善。在建筑方面，通過(guò)改變建筑局部構(gòu)造和太陽(yáng)能吸收轉(zhuǎn)換材料的引入，是建筑節(jié)能發(fā)展的重要一步。特朗勃墻（圖2）是將太陽(yáng)能的運(yùn)用引入建筑的典型例子，它是利用建筑結(jié)構(gòu)和特殊材料將太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行收集的構(gòu)造。特朗勃墻可以有效降低傳統(tǒng)能源的消耗。通過(guò)熱壓通風(fēng)、室內(nèi)外換氣、墻體儲(chǔ)熱導(dǎo)熱等手段，在冬夏兩季給使用者以舒適的室內(nèi)溫度，室內(nèi)外空氣的交換，也能給使用者提供更加健康的生活環(huán)境。隨著探索的深入，特朗博墻也一步步被完善。百葉窗型特朗博墻則是用特殊材質(zhì)可逆轉(zhuǎn)百葉窗代替?zhèn)鹘y(tǒng)特朗博墻的太陽(yáng)能吸收材料。夏季百葉窗向陽(yáng)面為高反射涂層，將太陽(yáng)能反射，不進(jìn)入室內(nèi)，以保證室內(nèi)溫度事宜。冬季百葉窗逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)作，向陽(yáng)面轉(zhuǎn)變?yōu)闉楦呶胀繉?，可以吸收大量太?yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。方便、經(jīng)濟(jì)地改善了特朗博墻，使得性能得以最大化體現(xiàn)。1m2特朗勃墻的安裝成本為1600元，與1m2的玻璃幕墻800元相比，成本雖高出一倍之多，但是1m2特朗勃墻在冬日每天可為建筑節(jié)省3.9元的傳統(tǒng)能源消耗。帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益和生態(tài)收益可謂是可觀。隨著對(duì)特朗勃墻重視程度的提高，國(guó)內(nèi)外專家也做了很多將太陽(yáng)能光電技術(shù)和太陽(yáng)能光熱技術(shù)與特朗勃墻相結(jié)合的嘗試，將太陽(yáng)能資源最大化利用。隨著科技的進(jìn)步，特朗勃墻的造價(jià)也逐漸降低。而且它對(duì)于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量這一方面，相較于傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)更加節(jié)能。

為了刺激建筑節(jié)能的有效落實(shí)，國(guó)家和地方政府也對(duì)此做出了相關(guān)的規(guī)定。如2014年鄭州市人民政府辦公廳發(fā)文《鄭州市人民政府關(guān)于加快發(fā)展綠色建筑的意見(jiàn)》（鄭政文〔2013〕20號(hào)）中提到：自2014年12月30日起，全市（包括鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)、鄭東新區(qū)、鄭州高新區(qū)、鄭州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和各縣、市、區(qū)）范圍內(nèi)單體建筑面積超過(guò)2萬(wàn)平方米的機(jī)場(chǎng)、車站、賓館、飯店、商場(chǎng)、寫字樓等大型公共建筑，新立項(xiàng)政府投資的學(xué)校、醫(yī)院、博物館、科技館、體育館等建筑，保障性住房應(yīng)按綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理，其中政府投資的公益性建筑必須達(dá)到二星級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)（含二星級(jí)）。不僅如此，現(xiàn)在很多新型小區(qū)也響應(yīng)了政府號(hào)召，把太陽(yáng)能光伏光熱板融入到每層圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。這樣避免了上文中提到的由于輸水管道過(guò)長(zhǎng)，中低層用戶很難快速、節(jié)約地使用熱水情況的發(fā)生。太陽(yáng)能光伏板也能供給用戶每日所需的部分電量。加入了光伏光熱電板的小區(qū)，也可以以此作為營(yíng)銷手段，刺激消費(fèi)。我們要做的是，從設(shè)計(jì)的最初階段，就將太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)融入到建筑設(shè)計(jì)中。這樣不僅可以規(guī)避后期改造帶來(lái)的附加經(jīng)濟(jì)，也可以避免建筑外立面由于太陽(yáng)能系統(tǒng)的附加，影響美感情況的發(fā)生。太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)與建筑的融合，不是一個(gè)系統(tǒng)與另一個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單堆疊的過(guò)程。建筑朝向如何在不影響使用功能的前提下，更好地迎合太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)；建筑結(jié)構(gòu)在加入了太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)，應(yīng)該做出怎樣的調(diào)整；如何平衡太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)和建筑外立面美感等問(wèn)題，都是需要建筑師和太陽(yáng)能技術(shù)專家反復(fù)溝通才可以趨于完善。

現(xiàn)階段建筑美學(xué)與太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)的矛盾依然存在，兩者之間的平衡點(diǎn)依然在探索階段。太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)完成建筑電力、供熱、熱水、供冷等節(jié)能工作，需要占用建筑向陽(yáng)立面百分之七十（圖3），甚至更多的面積來(lái)安裝集熱板。因此為了保證美觀和節(jié)能系統(tǒng)工作的順利進(jìn)行，外立面、門窗顏色樣式的選擇，需要與太陽(yáng)能節(jié)能系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，尋求一個(gè)折中的點(diǎn)。這是一個(gè)方面，另一個(gè)方面是太陽(yáng)能集熱器本身外觀、形態(tài)能否在不影響功能效率的前提下，得到改善也非常重要。Anderson，T.N.等人將不同顏色的材料引入太陽(yáng)能集熱器中，改善了集熱器的外觀，使得其與建筑外立面的美感沖突得以緩和，但是集熱效果與傳統(tǒng)選擇性涂層太陽(yáng)能集熱器相比略遜一籌。如何才能“魚和熊掌兼得”，對(duì)于建筑師而言，既是機(jī)會(huì)，也是挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于志.多種太陽(yáng)能新技術(shù)在示范建筑中的應(yīng)用研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[2]鄒苒.綠色建筑規(guī)?；茝V困境的經(jīng)濟(jì)分析[D].山東大學(xué)，2017.

[3]《鄭州市人民政府關(guān)于加快發(fā)展綠色建筑的意見(jiàn)》（鄭政文〔2013〕20號(hào)）.

[4]蒲清平.城市居住建筑能耗影響因素與預(yù)測(cè)模型構(gòu)建研究[D].重慶大學(xué)，2012.

[5]黃志燁.不確定條件下既有建筑節(jié)能改造項(xiàng)目投資決策研究[J].城市發(fā)展研究，2015，（01）：4-8.

作者簡(jiǎn)介：

王薇，河南工業(yè)大學(xué)，教授。

王彪，河南工業(yè)大學(xué)，研究生。