[科普中国]-太阳能与建筑一体化

简介

目前，在国际上，建筑能耗已占社会总能耗的40%。建筑能耗的能源动力主要来自于煤炭、石油、天然气等化石能源。降低建筑能耗已成为当今能源、环境、建筑领域的热门话题。人们皆在不断研发各种保温材料来加强建筑物的保温隔热性能，但这毕竟没有从源头处缓解能源危机。而太阳能作为可再生清洁能源，可替代部分化石能源，应用于建筑中。太阳能和建筑一体化形成的太阳能建筑是一种全新的无燃料、无污染的绿色建筑。因此，发展太阳能建筑、降低建筑能耗不仅意味着节约能源，保护环境，而且是我国在建筑领域实施可持续发展战略的重要方式。2

发展历程随着人们对太阳能资源认识的深入和技术的提升，太阳能建筑经历了3个发展历程:

第一阶段为被动式太阳能建筑，它是完全通过建筑物一部分实体(墙体、地面)的结构、朝向、布置以及相关材料的应用作为集热器和贮热器，利用传热介质(空气、水)对流分配热能的系统;

第二阶段为主动式太阳能建筑，它是使用机械电力装置收集并贮存太阳能，由集热器、蓄热器、循环管路、水泵动力系统和自动控制系统组成;

现阶段为太阳能电池式建筑，它是利用太阳能电池等光电转换设备提供建筑所需的采暖、空调、热水、照明等各种能源。2

太阳能与建筑一体化技术的特点1. 把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，取代了传统太阳能的结构所造成的对建筑的外观形象的影响；

2. 利用太阳能设施完全取代或部分取代屋顶覆盖层，可减少成本，提高效益；

3. 可用于平屋顶或斜屋顶，一般对平屋顶而言用覆盖式，对斜屋顶用镶嵌式；11

太阳能与建筑一体化应用技术适用对象1 、适用于城建较严格，要求安装规范、美观、不损害市容市貌的单位、集体、小区等。

2 、适用于在建筑设计之处，就将太阳能作为建筑的一部分考虑在内，与建筑一同设计。

3 、适用于各种形式的建筑，例如：住宅小区、高层楼群、别墅等等。

4 、单台集体购买统一安装，该种形式主要适合于新建住宅小区和旧房改造。1

太阳能与建筑一体化技术现状一直以来，太阳能等可再生能源在建筑技术上的完美应用都是企业梦寐以来的追求，太阳能与建筑结合创造的低能耗高舒适度的健康居住环境，不仅让住户家庭生活得更自然更环保，而且能节能能减污，对实现社会可持续发展具有重大意义。在人类面临生存环境破坏日益严重和能源危机的今天，如何开发利用环保节能的住宅配套部品就成了一个焦点话题。太阳能——作为一种免费、清洁的能源，在住宅建筑中的利用，将关系到可持续发展的战略，可谓意义深远。经过数年的研究和开发，太阳能的利用已取得显著成果并转化为生产力。在我国，太阳能热水器在全行业中现已拥有企业超过千家，推广应用范围也在不断扩大。而太阳能与建筑的结合，也在住宅建设中越发呈现出其不可替代的地位，并成为住宅建设中的一个最新亮点。3

早在1999年召开的世界太阳能大会上就有专家认为，当代世界太阳能科技发展有两大基本趋势，一是光电与光热结合；二是太阳能与建筑的结合。太阳能源建筑系统是绿色能源和新建筑理念的两大革命的交汇点，专家们公认，太阳能是未来人类最适合，最安全，最理想的替代能源。目前太阳能利用转化率约为10%—12%，太阳能的开发利用潜力十分巨大，据报载，目前，世界各国都在设施自己的“阳光计划”，如去年德国政府就宣布推行“十万屋顶”计划，即在建筑顶部大规模地铺设太阳能发电装置，既节省电力又利于环保。在欧洲的能源消费中，约有1/2用于建筑的建设和运行，而交通运输耗能只占能源消费的1/4，因此建筑物利用太阳能成为各发达国家政府极力倡导的事业，太阳能利用设施与建筑的结合自然是人们所关注的问题，主要是太阳能的光伏利用与建筑的结合上。3

太阳能与建筑一体化有他独特的特点：一是把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，取代了传统太阳能的结构所造成影响；二是利用太阳能设施完全取代或部分取代屋顶覆盖层，可减少成本，提高效益，三是可用于平屋顶和斜屋顶，一般对平屋顶而言用覆盖式，对斜屋顶用镶嵌式，四是该技术属于一项综合性技术，涉及太阳能利用，建筑，流体分布等多种技术领域。另外，在云南昆明还建成了一个平屋顶结构的太阳能与建筑一体化温水游泳馆，该游泳馆屋顶面积约700平方米，屋顶结构为轻钢网架结构，屋顶覆盖层完全由特别的太阳能平板集热器代替。这是我国第一个在平屋顶上实现太阳能与建筑一体化的实验性工程。联合国能源机构最近的调查报告显示，太阳能与建筑一体化将成为21世纪的市场热点，成为21世纪建筑节能市场的亮点。3

太阳能与建筑一体化的三大待解问题太阳能与建筑一体化，就是将太阳能的光热利用与建筑有机融合，实现与建筑的同步设计、同步施工、同步验收、同步后期管理，使其成为建筑的有机组成部分，从而降低建筑能耗，达到节能环保的目的。作为清洁能源，太阳能与建筑一体化给了人们很多希望与憧憬，但现实是太阳能的推广却受到了很多阻碍，实施起来还面临着一些尚未解决的问题。

技术瓶颈进阶太阳能利用在我国比较广泛，但在与建筑一体化方面，还存在着很多的技术瓶颈。

我国太阳能领域中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的，是家用太阳能热水器(系统)。但即便是太阳能热水器，在与建筑一体化的时候也存在着技术瓶颈。

广东五星太阳能股份有限公司董事长胡广良告诉记者：“我国太阳能热水器已经20年不变样。我们炒作了很多概念在里面，但太阳能光热利用的核心技术没有往前发展。目前我国太阳能热水器市场上有85%是使用真空管的，由于真空管承压有限，因而只能用在低层建筑上。”

上海世博园中运用了很多太阳能与建筑的一体化设计。在众多太阳能技术中，最吸引人眼球的恐怕要数未来馆玻璃幕墙上所安装的薄膜太阳能电池板了。这种电池板是个“隐身好手”，厚度仅几微米，能半透光，乍一看，很难相信这块“玻璃”还能发电。不过，目前这种薄膜太阳能电池板的能量光电转化率还很低，仅为5%以下。如果作为商业应用，那么它的建造成本与利用价值将不成正比。

另据介绍，目前我国对于“太阳能建筑”的准确定义还处在研究阶段，太阳能建筑的技术和体系也不健全。没有完整的编制设计规范、标准及相关图集，也没有建立产品(系统)的检测中心和认证机构，更没有完善的施工验收及维护技术规程等等。但这些都是太阳能利用列入建筑工程设计环节并作为一个“专业”纳入建筑体系的前提。这些太阳能与建筑一体化技术上的不足与空白，需要逐一去解决。4

利益纠结阻碍应该说，太阳能与建筑一体化尚处在起步阶段，除了技术上的问题之外，涉及一体化的各方，也因为商业利益而成为了一体化的阻碍。

一位房地产开发商说，若让开发商愿意发展太阳能建筑，就要让他们既“种树”又能享受“树荫的清凉”。他进一步解释说，建造太阳能一体化建筑，开发成本必然增加，如果建筑的售价不变，则意味着开发商要自己承担这部分费用;如果建筑的售价提高，则会带来潜在的市场风险。这种单方面投资的模式使开发商对太阳能一体化建筑热情不高。

一位太阳能制造企业的负责人还告诉记者，太阳能与建筑一体化肯定是件好事，但目前很多太阳能企业也不愿意与房地产开发商进行合作。首先，开发商会将产品的利润压到最低，因为这样可以降低他们的建造成本，从而降低建筑的销售价格。但对于太阳能企业来说，利润率降低不说，维修成本也会增加。现在太阳能热水器主要在城镇、农村销售，其实这些地方的维修成本比较低，因为交通不会堵塞，人工也便宜。但在城市，一个维修工恐怕一天也就能上门修两户。还有，现在在大城市12层以下的建筑很少，真正能和太阳能热水器结合的建筑并不多，所以与开发商合作，对于太阳能企业利润的增长没有太大的帮助。4

政策助力缺乏在太阳能热利用领域，热水器的技术是最成熟的。但不少城市小区不让安装太阳能热水器，理由是楼顶承重可能超出设计负荷，也可能会破坏原有的防水层，还会影响小区的整体美观等等。事实上，如果采用太阳能与建筑一体化设计，这些问题也就迎刃而解，比如把整面墙设计成吸热板，不仅加大了采光面积，而且也很美观。4

太阳能与建筑一体化形式太阳能热水器与建筑物一体化，就形式上来讲有分户式和集体式两种。

分户式是统一设计、统一布局、统一安装，单家独户分开使用，由住户自己进行个体管理。分户式在使用管理上比较方便，减少了用户之间的争执。但由于房屋面积的局限，影响了这一形式的推广。并因该形式水箱裸露、排列不齐等，很难达到与建筑的完美结合。

集体式是将太阳能集热器串联起来，利用热虹吸原理或强制循环的办法逐步将水升温，用一个或多个保温大水箱将热水储存起来，分别供应给用户。集体式与分户式相比，占地少、投资小、水温和水压平衡、维修率低，能更好地与建筑融为一体，并且还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率，是太阳能热水器与建筑物一体化的发展方向。5

太阳能与建筑一体化应用实例太阳能低能耗小住宅建筑设计

实现低能耗建筑的设计途径主要包括两个方面，即能源的开源与节流。开源是指开发利用可再生新能源，节流是指提高供暖、空调系统效率和提高建筑外围护结构性能，减少建筑热损失。太阳能建筑同时具备上述两个特点：首先太阳能属对环境无污染的可再生能源；其次由于太阳能的低密度也要求建筑有着较高品质的围护性能和恰当的体形、朝向和空间布局。

小住宅建筑屋顶面积、南向墙面积与室内使用面积比值较大。结合恰当的建筑体形设计和外围护结构性能设计，经测算，在太阳能资源丰富地区的晴好天气下，可以建造出完全依靠太阳能满足采暖和生活用热水的低能耗建筑甚至零能耗建筑。6

北京市平谷区将军关新村新农村改造项目

北京市平谷区将军关新村新农村改造项目是平谷区委、区政府提高农民收入和改变农村现状、保护当地自然环境、改变农民居住生活条件的一项重要措施，使改造后的新农村成为体现北方山村自然特色的、农民户户增收的新型民俗休闲旅游度假村。项目以减排温室气体和节能、经济适用为目的，尽可能利用太阳能等可再生能源，解决民居冬季供暖和全年生活热水问题，并要求能源设备与建筑结合，与环境相协调。

示范建筑为两层南北朝向双坡屋顶民宅，采暖建筑面积约140 m2，层高3 m，屋面坡度30°，240 mm砖墙，6 cm聚苯板外墙外保温，外贴防火板。该项目作为农村利用太阳能热水系统供暖、节能型建筑示范小区，同时被列入北京市科技计划课题项目。

本项目利用太阳能与建筑一体化技术，通过太阳能应用技术与建筑的有机结合，利用太阳能热循环系统实现了农村冬季供暖和常年供应生活热水，相同的采暖面积比集中供暖费用低廉，同时常年供应热水提高了居民生活的质量，具有节能、经济、洁净的特点。7

太阳能与建筑一体化推广前景一边是数量丰富、成本低廉的太阳能资源，一边是亟待降低的建筑领域能耗，太阳能技术与建筑相结合被专家称为“天仙配”，在建筑节能已成为我国节能战略必然选择的今天，太阳能与建筑一体化推广势在必行。

我国太阳能资源十分丰富，有着相当广阔的推广利用前景。太阳能年日照时数超过2200小时以上的地区约占国土面积的三分之二以上。目前，我国太阳能利用集热面积居世界第一。

同时，工业、交通、建筑是目前我国消耗能源最多的三个领域。据粗略估计，建筑能耗占我国总能耗的27%。在建筑能耗中，空调、供暖和热水占75%。此外，我国正处于城市化进程之中，每年有1500万人进城，城乡新建房屋建筑面积近20亿平方米。因为浪费严重，建筑领域有着巨大的节能空间。

但是，因为太阳能利用和建筑设计、开发缺乏协调，不少城市的物业部门明令小区内禁止安装太阳能热水器。要加大太阳能和建筑一体化推广力度，需要建筑师、开发商在设计阶段就将太阳能技术考虑到建筑的设计过程中去，避免居民在建筑竣工后各自在楼顶安装太阳能热水器，使太阳能和建筑融为一体。8