太陽(yáng)能建筑的應(yīng)用技術(shù)與發(fā)展

付靜

【摘 要】本文分析了太陽(yáng)能建筑的應(yīng)用背景，介紹了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能技術(shù)在建筑中應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了太陽(yáng)能光熱作用和光電作用在建筑中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，最后提出了太陽(yáng)能建筑應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能建筑;應(yīng)用技術(shù);發(fā)展方向

中圖分類號(hào)： TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）08-0168-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.073

【Abstract】This paper analyses the application background of solar energy buildings， introduces the application status of solar energy technology in buildings at home and abroad， and focuses on the application status of solar photothermal and photoelectric effects in buildings， and finally puts forward the development direction of solar energy building application technology.

【Key words】Development direction; Solar building; Application technology

1 太陽(yáng)能應(yīng)用的背景

進(jìn)入21世紀(jì)，人類面臨的最大的生存危機(jī)是能源危機(jī)。常規(guī)能源（石油和煤炭）等礦物燃料，燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化碳，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。而且這些能源的儲(chǔ)備量正在快速地減少。對(duì)于新能源的利用和技術(shù)的改進(jìn)已成為各國(guó)政府、特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的重要戰(zhàn)略國(guó)策。

在重多新能源中，由于太陽(yáng)能具有清潔、無污染、永不枯竭的優(yōu)點(diǎn)，它的利用不但可以減少對(duì)常規(guī)能源的消耗，而且可以降低二氧化碳的排放、保護(hù)環(huán)境，因此在建筑中受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。經(jīng)過數(shù)十年的研究和開發(fā)，太陽(yáng)能在建筑中的利用已取得顯著成果并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

2 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲在過去的幾十年里，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。2007年歐洲總太陽(yáng)能產(chǎn)熱量為48TJ，總太陽(yáng)能發(fā)電量為2517GWh.歐洲國(guó)家積極推動(dòng)建筑太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，主要技術(shù)類型有太陽(yáng)能熱利用技術(shù)和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。歐洲國(guó)家的太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)水平走在了世界的前列。

美國(guó)現(xiàn)在已將光伏板直接嵌入屋頂和外墻，實(shí)現(xiàn)了光伏建筑一體化。

亞洲太陽(yáng)能技術(shù)成熟地區(qū)主要集中在日韓等經(jīng)濟(jì)條件發(fā)達(dá)的國(guó)家。以日本為例，日本在20世紀(jì)90年代初在太陽(yáng)能光伏發(fā)電方面取得了巨大的成功，是世界上光伏發(fā)電最大的市場(chǎng)之一。90%的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為屋頂并網(wǎng)系統(tǒng)。

2.2 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

我們國(guó)家也大力倡導(dǎo)太陽(yáng)能與建筑相結(jié)合的建筑一體化。全國(guó)太陽(yáng)能熱利用面積已經(jīng)達(dá)到15.2億m2以上，光伏建筑應(yīng)用也已經(jīng)達(dá)到1376.4MW，一部分已經(jīng)能替代常規(guī)能源，成為我國(guó)節(jié)約一次性能源使用，減少溫室氣體排放、保護(hù)大氣環(huán)境的重要技術(shù)手段。

3 太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用技術(shù)

太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用主要可分為光熱應(yīng)用、光電作用和光化學(xué)應(yīng)用。但是光化學(xué)作用目前應(yīng)用不多，因此，下面我們分別介紹太陽(yáng)能的光熱作用和光電作用在建筑上的應(yīng)用。

3.1 太陽(yáng)能光熱作用在建筑中的應(yīng)用

太陽(yáng)能光熱作用在建筑中的應(yīng)用按照有無機(jī)械動(dòng)力可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。沒有機(jī)械動(dòng)力稱為被動(dòng)式建筑，反之則為主動(dòng)式建筑。

3.1.1 被動(dòng)式太陽(yáng)房的采暖方式主要有以下幾種

（1）直接受益式（如圖1所示）：這是太陽(yáng)能采暖最常見的方法，就是讓太陽(yáng)光穿過窗戶直接照進(jìn)來。室內(nèi)的地面、墻面選用蓄熱能力強(qiáng)的材料，室內(nèi)的熱量經(jīng)對(duì)流和輻射的方式逐漸地將室內(nèi)空間加熱。這種太陽(yáng)能采暖方式最直接、簡(jiǎn)單、效率也較高。

（2）集熱墻式（如圖2所示）：集熱墻式就是在玻璃窗的后面建一道重型結(jié)構(gòu)墻，而且在墻外表面涂有吸收率高的涂層，頂部和底部分別開有通風(fēng)孔。這種形式的太陽(yáng)房在供熱機(jī)理是：太陽(yáng)光穿過透光材料照射集熱蓄熱墻，墻外表面溫度升高，加熱夾層內(nèi)的空氣，熱空氣自然上升，流入室內(nèi)，冷空氣從室內(nèi)經(jīng)下面的孔流入夾層，形成自然對(duì)流。而且墻體吸收輻射后通過傳導(dǎo)、輻射方式直接向室內(nèi)傳遞熱量。在夜間需要關(guān)閉上下風(fēng)口，防止逆循環(huán)。

（3）附加陽(yáng)光間式（如圖3所示）：在房屋主體南面附加一個(gè)玻璃溫室，讓溫室里的熱空氣來加熱相鄰的房間，在同時(shí)起到減少房間的熱量損失的作用。而且附加陽(yáng)光間因?yàn)橛幸欢ǖ目臻g，所以有實(shí)用功能，可以做為生活空間，養(yǎng)花養(yǎng)草、娛樂休息。

3.1.2 主動(dòng)式太陽(yáng)房的采暖方式主要有以下幾種應(yīng)用：

（1）太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用

太陽(yáng)能熱水器是利用溫室原理，將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向冷水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由集熱器、蓄熱水箱等相關(guān)附件組成。

我國(guó)第一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器是1958年由北京市建筑設(shè)計(jì)院研制開發(fā)，用于北京天河農(nóng)場(chǎng)的公共浴室。目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)的太陽(yáng)能熱水器已經(jīng)占居了我國(guó)的太陽(yáng)熱水器市場(chǎng)，如：皇明、太陽(yáng)雨等，還出口國(guó)外，質(zhì)量上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但是長(zhǎng)期以來，太陽(yáng)能熱水器一直是房屋建成后由用戶購(gòu)買安裝，而目前高屋建筑校多，很多建筑是無法安裝太陽(yáng)能熱水器的，因此國(guó)家發(fā)改委、建設(shè)部提出將太陽(yáng)能熱水器與建筑結(jié)合的理念，而且近幾年也取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。如圖4所示，將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)安裝于陽(yáng)臺(tái)或直立墻面上，與建筑完美結(jié)合，解決了高層、多層建筑安裝太陽(yáng)能熱水。

（2）太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)

近幾年，太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用逐漸增多，國(guó)內(nèi)一些研究單位、高校、企業(yè)相繼開展太陽(yáng)能采暖相關(guān)研究工作。目前，研究熱點(diǎn)主要集中在這幾個(gè)方面：太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)模型及模擬研究及設(shè)計(jì)軟件的開發(fā);太陽(yáng)能采暖的適用性、節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)與分析;系統(tǒng)優(yōu)化的研究。

（3）太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)

太陽(yáng)能制冷主要可以通過光—熱和光—電轉(zhuǎn)換兩種途徑實(shí)現(xiàn)。光—熱轉(zhuǎn)換制冷是指太陽(yáng)能通過太陽(yáng)能集熱器轉(zhuǎn)化為熱能，根據(jù)所得到的不同熱能品位，驅(qū)動(dòng)不同的熱力機(jī)械制冷。光—電轉(zhuǎn)換制冷是指太陽(yáng)能通過光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化為電力，然后通過常規(guī)的蒸汽壓縮制冷，半導(dǎo)體熱電制冷或斯特林循環(huán)等方式來實(shí)現(xiàn)制冷。太陽(yáng)能制冷技術(shù)應(yīng)用的市場(chǎng)條件目前仍不成熟，處于示范工程階段。

3.2 太陽(yáng)能光電作用在建筑中的應(yīng)用

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)就是用太陽(yáng)能電池作為電源為建筑供電。太陽(yáng)能電池的特性：在光的照射下，內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光電效應(yīng)。

單體太陽(yáng)電池——太陽(yáng)電池的最基本單元，是產(chǎn)生電壓和電流的基本材料。每個(gè)硅電池片的輸出電壓約為0.5V，輸出功率1～3W不等。邊長(zhǎng)在2～10厘米之間。

太陽(yáng)電池組件或稱光伏組件——由于電池片易損壞、電壓低，為了保護(hù)電池片和提高工作電壓，出廠前還需要對(duì)電池片進(jìn)行連線焊接和封裝，以組裝成由多個(gè)電池片串聯(lián)而成的“太陽(yáng)電池組件”，組件是構(gòu)成最小實(shí)用型功率系統(tǒng)的基本單元。目前，每個(gè)太陽(yáng)電池組件的輸出電壓大約17.5V左右，輸出功率在40W～200W之間不等。

光伏方陣——在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，將多個(gè)太陽(yáng)電池組件組裝在一起，其功率應(yīng)滿足系統(tǒng)負(fù)載的需要，這樣的發(fā)電裝置集合體稱為“光伏方陣”在大型光伏發(fā)電站里，為了便于安裝和進(jìn)行能量處理，可以將規(guī)模過大的方陣分成多個(gè)較小的“子方陣”。方陣規(guī)模可以小至只有一個(gè)組件，用于并網(wǎng)的方陣可以大到上十萬個(gè)組件。

世界第一塊單晶硅太陽(yáng)電池是在1954做成的，光電轉(zhuǎn)換效率僅為6%的，開創(chuàng)了光伏發(fā)電的新紀(jì)元。現(xiàn)在的多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到24%。

我國(guó)從1958年起進(jìn)行光伏器件研究。70年代中后期，自制光伏航標(biāo)燈、太陽(yáng)燈塔、氣象及通訊用光伏電源。中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)成為世界第一的光伏組件生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)。預(yù)計(jì)光伏發(fā)電將在本世紀(jì)中期為人類提供30%左右的電力，成為重要的戰(zhàn)略替代能源。

4 太陽(yáng)能建筑應(yīng)用案例

圖5為2010年第四屆世界太陽(yáng)城大會(huì)主會(huì)場(chǎng)—日月壇·微排大廈。該大廈位置在山東德州，號(hào)稱“全球最大太陽(yáng)能辦公大樓”，造型上也挺獨(dú)特的，日月這樣一個(gè)效果，它最大的亮點(diǎn)就是太陽(yáng)能的利用。中國(guó)就是因?yàn)檫@個(gè)公司的存在，中國(guó)現(xiàn)在也被認(rèn)為是太陽(yáng)能利用最長(zhǎng)的國(guó)家，這個(gè)大樓首創(chuàng)性的實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水供應(yīng)，采暖，制冷，光伏并網(wǎng)發(fā)電等技術(shù)與建筑的完美結(jié)合，整體節(jié)能88%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于國(guó)家公共建筑節(jié)能50%的標(biāo)準(zhǔn)，每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2640噸、節(jié)電660萬度，減少污染物排放8672.4噸。被認(rèn)為是“全球最大太陽(yáng)能辦公大樓”，是太陽(yáng)能綜合利用技術(shù)與建筑節(jié)能技術(shù)結(jié)合的典范工程。

4.1 太陽(yáng)能制冷、采暖、熱水系統(tǒng)

日月壇微排大廈太陽(yáng)能集熱器的安裝面積為5000平方米，夏季用于吸收式太陽(yáng)能空調(diào)制冷機(jī)組用熱，冬季用于采暖。春秋季產(chǎn)生的熱水除滿足生活熱水用熱外，采用跨季節(jié)蓄熱的方式蓄存并用于冬季采暖。

4.2 光電遮陽(yáng)

樓體的立面裝有可調(diào)式太陽(yáng)光電遮陽(yáng)裝置，通過角度調(diào)節(jié)，夏季遮陽(yáng)，冬季透光使光電板一年四季都在最佳角度下運(yùn)行，提高了轉(zhuǎn)換率。

5 太陽(yáng)能建筑的應(yīng)用技術(shù)展望

近年來，我國(guó)綠色建筑得到長(zhǎng)足發(fā)展，隨著綠色建筑理念的進(jìn)一步普及，各地大力推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展，綠色建筑標(biāo)識(shí)評(píng)價(jià)工作獲得了較大進(jìn)展。截止到2012年底，全國(guó)獲得綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目742個(gè)，總建筑面積達(dá)到7584萬平米。

2013年1月1日，國(guó)務(wù)院辦公廳1號(hào)文件轉(zhuǎn)發(fā)的《綠色建筑行動(dòng)方案》提出，“十三五”期間要完成新建綠色建筑10億平方米，到2015年末，20%的城鎮(zhèn)新建建筑達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。2013年4月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布了《“十三五”綠色建筑和綠色生態(tài)城區(qū)發(fā)展規(guī)劃》。《規(guī)劃》提出，將引導(dǎo)商業(yè)房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)建設(shè)綠色住宅小區(qū)，2015年起直轄市及東部沿海省市城鎮(zhèn)的新建房地產(chǎn)項(xiàng)目力爭(zhēng)50%以上達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2015-2020年中國(guó)綠色建筑行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告認(rèn)為：作為耗能大戶之一，中國(guó)建筑業(yè)任重道遠(yuǎn)，發(fā)展綠色建筑已成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作的推進(jìn)，還將會(huì)陸續(xù)產(chǎn)生綠色醫(yī)院、綠色賓館、綠色辦公等細(xì)化的專項(xiàng)綠色建筑標(biāo)識(shí)。隨著各級(jí)政府推進(jìn)綠色建筑行業(yè)開展而不斷出臺(tái)激勵(lì)政策，我國(guó)綠色建筑會(huì)實(shí)現(xiàn)更加深入和廣闊的發(fā)展。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上;到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。

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