論太陽能在建筑上的應用

劉旺

摘要：太陽能建筑相較于其他建筑而言，具有能源資源豐富、清潔安全低能耗、設計新穎外觀獨特的優(yōu)勢，介紹了太陽能建筑的優(yōu)勢和特點及太陽能的利用方式和實例，分析了太陽能建筑設計存在的問題，研究提出了相應的改進措施。

關鍵詞：太陽能建筑； 優(yōu)勢特點； 存在的問題； 利用方式

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.094

1太陽能在建筑中利用的特點

面對當前能源危機，將太陽能與建筑有機結合，在建筑設計中將成為一個新的亮點。太陽能應用于建筑具有以下幾方面的特點：①資源豐富。我國各地的太陽能輻射總量為3340～8400MJ/m2，與同維度的其他國家相比，除四川盆地外，絕大多數(shù)地區(qū)都有非常充足的太陽能資源，太陽能在我國有巨大的開發(fā)應用潛能。②清潔安全。太陽能、水能、風能、生物質能等可再生能源也常被歸為清潔能源。太陽能有著有“干凈能源”和“安全能源”之稱。③新穎設計，外觀獨特。太陽能可以與房屋建筑統(tǒng)一規(guī)劃、設計與施工，與建筑融為一體，使其成為建筑的有機組成部分，充分發(fā)揮太陽能的環(huán)保節(jié)能作用。在建筑進行規(guī)劃設計時，要綜合考慮建筑所處的地理緯度和氣候特點，太陽能系統(tǒng)的不同類型、技術要求、建筑造型、平面功能、構造節(jié)點等因素，做到既滿足建筑造型的美觀，又滿足建筑的使用功能。

2太陽能在建筑中的利用方式

太陽能在建筑中的熱水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)都有利用，且利用方式各具特色。

2.1太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)是由太陽能集熱元件、蓄熱容器、控制系統(tǒng)及完善的管道保溫、防腐部分等組合而成的。在太陽能照射下，使太陽能的光能轉化為熱能，輔助電力和燃料能源，穩(wěn)定地提供熱水供人們使用。根據(jù)加熱循環(huán)方式太陽能在建筑設計中的熱水系統(tǒng)主要有自然循環(huán)式、強制循環(huán)式。①自然循環(huán)式：是運用太陽輻射產(chǎn)生的密度差引發(fā)水流的自然流動因其不需要循環(huán)水，維護簡單，利用廣泛。②強制循環(huán)式：是通過設定溫度值，然后根據(jù)控制溫度值的高低，利用循環(huán)水泵來強制循環(huán)太陽能熱水。

2.2太陽能采暖系統(tǒng)

太陽能采暖系統(tǒng)按采暖的方式不同可分為主動式采暖系統(tǒng)、被動式采暖系統(tǒng)。①主動式太陽能采暖：主動式太陽能建筑主要由太陽能集熱器、管道、熱交換器、儲熱罐以及散熱器等組成。這種太陽能建筑的集熱、供熱系統(tǒng)常設計成集中式。其優(yōu)點是可以使建筑室內保持穩(wěn)定、舒適的溫度。②被動式太陽能采暖：

是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理分布、內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結構構造的恰當選擇，使其在冬季能集取、保持、儲存、分布太陽能，從而解決建筑物的采暖問題。按照傳熱過程的區(qū)別，被動式太陽能分為兩類即直接受益和間接受益。①直接受益類型：指太陽能輻射能直接穿過建筑透光面進入室內。在直接受益方式中，房屋本身成了一個包括太陽能集熱器、蓄熱器和分配器的集合體。這種采暖方式對于僅在白天使用的辦公室、學校教室、圖書館和小商鋪等比較適用。②被動受益類型：指太陽能通過一個接受部件或稱作太陽能集熱器，這種接受部件實際上市建筑組成的一部分或在屋面或在墻面，而太陽能輻射能在接受部件中轉換成熱能再經(jīng)由送熱方式對建筑采暖。

2.3太陽能光伏系統(tǒng)

建筑光伏系統(tǒng)，是光伏發(fā)電應用的一個新概念，就是指太陽能光伏發(fā)電陣列安裝在建筑的采光外面來提供電力。這種系統(tǒng)有諸多優(yōu)點，如有效利用建筑外表面、無須額外用地或者加建其他設施、節(jié)約外飾材料。緩解電力需求、降低夏季空調負荷、改善室內環(huán)境溫度等。太陽能光伏系統(tǒng)按接入公共電網(wǎng)的方式可分為獨立運行系統(tǒng)和并網(wǎng)運行系統(tǒng)兩種類型。

3太陽能技術在建筑上應用實例

3.1采用太陽能光伏系統(tǒng)的建筑

北京凈雅大酒店工程項目為多媒體光伏幕墻，白天建筑接收太陽輻射，在利用光伏組件調節(jié)室內采光和得熱的同時，將多余的輻射能量通過光——電轉化技術變?yōu)殡娔?；夜間將白天接收的太陽輻射能通過電——光轉化技術變?yōu)楣饽?。該幕墻的特點是能源自給自足，最大限度地節(jié)約了能源。

3.2采用太陽能熱水系統(tǒng)的建筑

某軍區(qū)在北京的建筑采用太陽能熱水系統(tǒng)（圖2、 圖3）。其中平板集熱器采用全銅材料，吸熱涂層采用藍色鍍膜、黑烙技術，每平方集熱板可代替150kg燃煤，相當147度電量，每平方集熱水量80kg左右50℃以上，采用雙循環(huán)、不易結垢，可排污，不會爆管，不怕冰雹，外蓋采用鋼化玻璃保護層，可承壓，屬于金屬管之間焊接，使用壽命30年以上。平板太陽能集熱器其吸熱元件為金屬吸熱板（一般銅或鋁）吸熱板表面為太陽選擇性吸收涂層；吸熱板中間為介質流道，一塊集熱器由幾塊吸熱板和上、下集熱管焊接組成，金屬外框和背部保溫材料，上面為高透光率的玻璃。

3.3采用太陽能采暖系統(tǒng)的建筑

北京平谷區(qū)農(nóng)村住宅太陽能與建筑一體化采暖熱水系統(tǒng)工程（圖4是），該項目總建筑面積9.916萬，示范面積9.416萬，總投資1.55億元，本項目利用太陽能系統(tǒng)供給居民采暖和生活熱水。每套系統(tǒng)形式均為強制循環(huán)直接式系統(tǒng)，水箱均放在室內設備間，集熱器均為平板型太陽能集熱器，集熱器面積、水箱容積根據(jù)每棟建筑的建筑面積進行配比，集熱器安裝在南面坡屋面上。

4太陽能建筑設計存在的問題

（1）主動式太陽能采暖建筑的太陽能熱水系統(tǒng)在住宅建筑中主要存在以下問題：

①由于陽光照射到地面的熱量首地域、季節(jié)、晝夜及天氣陰晴云雨的影響，并且太陽能熱水系統(tǒng)的日常運行及換季、維護方面也存在一些問題。從而對廣泛地推廣、應用太陽能造成一定影響。

②由于此類太陽能熱水器有采光和外觀設計的要求，安裝時要注意的位置和朝向，同時也要注意防風、防雷等問題，因此與城市的景觀融為一體存在一定的度。endprint

③目前城市的建筑由于用地緊張而趨向高層化，對于高層住宅因屋面的面積限制，基本上不可能擺下足夠的熱水。上屋頂檢查、維修較困難。

④裝在屋頂上的太陽能熱水器存在著連接管道長、熱損失大、管道內冷水浪費等缺陷。

⑤有些因太陽能的安裝，也會破壞建筑的防水層，造成漏水現(xiàn)象。

⑥冬季氣溫低熱水器和管道系統(tǒng)的防凍問題，在北方嚴寒地區(qū)太陽能地區(qū)太陽能系統(tǒng)還只能在春夏秋三季使用。

太陽能熱泵采暖系統(tǒng)在住宅建筑中主要存在的問題：

①在夜晚和雨雪天氣里，該系統(tǒng)無法提供熱能來源，導致系統(tǒng)無法工作。此時就需要配置大功率的輔助供熱裝置，如電加熱。這樣系統(tǒng)就要增容，能耗升高，故投資成本增大。

②在溫度低于0℃時，空氣源熱泵會結霜，從而影響系統(tǒng)正常工作。太陽能地板輻射采暖增加了地板的厚度，使房間的凈高減小，增加了建筑結構的荷載。

③智能化控制有待提高，該系統(tǒng)的應用應與建筑設計的美觀性相結合。

（2）被動式太陽房最基本的工作機理是所謂“溫室效應”。按采集太陽能的方式區(qū)分，被動式太陽房可以分為：直接受益式、集熱儲熱墻式、附加陽光間式、屋頂池式等。直接受益式應用的缺點是：對建筑設計的方向有要求南面窗戶的面積需要大一點，還需要配置保溫窗簾，還需要安裝遮陽板，影響美觀。集熱儲熱墻式應用的缺點是：需要使用深色的墻面，對建筑的外觀設計有局限性。附加陽光間式應用的缺點是：對民房的條件有要求：民房向陽面前要有2～2.5m的空地，且至門窗上沿沒有遮擋物，冬季陽光能較好的照射到陽光間；對房屋門窗能開關，且密封性能較好，其它部位保溫性較好，否則效果會受到影響。

5針對上述問題，提出如下改進措施

（1）利用電、煤氣等其它能源輔助加熱裝置，解決間斷或換季不利因素對太陽能應用予以把關；

（2）采用分體式熱水器解決熱損失大、管道內冷水浪費等缺陷，合理與建筑有效結合，滿足集熱板的安裝問題。

（3）規(guī)劃部門要在規(guī)劃條件、設計方案審查、規(guī)劃核實等環(huán)節(jié)對太陽能應用予以把關；建設部門應對未應用太陽能熱水系統(tǒng)的工程，嚴格實施專家論證制度，并加強對太陽能熱水系統(tǒng)應用的指導和工程質量監(jiān)督；房產(chǎn)部門要規(guī)范太陽能熱水系統(tǒng)的維護管理。工程建設各方要切實將太陽能熱水系統(tǒng)作為建設工程的一部分納入管理，密切配合，把推廣應用太陽能熱水系統(tǒng)的要求落在實處。新建的小區(qū)需要建筑師、開發(fā)商在設計階段就將太陽能技術考慮到建筑技術中去，應將太陽能熱水系統(tǒng)作為一個整體與建筑同步設計、同步施工、同步驗收、交付使用和維護管理。住宅太陽能熱水系統(tǒng)工程造價應當列入房屋銷售價格，不宜單獨另行收費。這樣可以避免建筑竣工后各自在屋頂安裝太陽能熱水器，使太陽能熱水器與建筑外觀不能協(xié)調一致，不能與建筑融為一體。利用太陽能設施完全取代或部分取代或部分取代屋頂覆蓋層，對斜屋頂用鑲嵌式?？梢詼p少成本，提高效益，造福于廣大居民。

（4）完善太陽能熱水系統(tǒng)維護保修制度。相關單位進行維修施工時，應遵守物業(yè)管理區(qū)域內的規(guī)章制度。

（5）加大研發(fā)力度，研發(fā)出性能優(yōu)越，款式優(yōu)美，價格適中的產(chǎn)品，能與城市景觀融為一體，滿足消費者需求。

6結束語

新能源的開發(fā)與利用仍然作為我國節(jié)能減排、保護環(huán)境的一項重要任務。太陽能的發(fā)展也起了至關重要的作用，太陽能建筑具有顯著的優(yōu)勢及特點，具有良好的發(fā)展前景，而它在建筑方面的合理利用也為太陽能的發(fā)展起到了示范性作用，也為太陽能在其他領域的應用提供參考。固然，太陽能在建筑方面所取得的巨大成就我們不容忽視，但我們不應止步不前，尚且太陽能在建筑上的利用仍存在一些問題，只有不斷地發(fā)現(xiàn)與探索，才能改進其缺點，進一步對其設計進行優(yōu)化。我們更應深入學習研究，不斷的完善太陽能在建筑領域的應用，這樣才能夠最大限度合理充分的利用太陽能，降低能源消耗，促進可再生能源發(fā)展，真正做到建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。節(jié)約能源、保護環(huán)境，我們任重道遠，通過不斷地學習與探究，為建筑太陽能的發(fā)展貢獻自己的一份綿薄之力。

參考文獻

[1]劉建坡.節(jié)水節(jié)能技術在建筑給排水工程中的應用[J].中華民居旬刑，2011，（7）.

[2]高明遠，岳秀萍.建筑給水排水工程學[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002，1214.

[3]應敏，張偉.綠色智能建筑技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]徐偉，鄭瑞澄，路賓.中國太陽能建筑應用發(fā)展研究報告[R].中國太陽能建筑應用發(fā)展研究報告課題組，2009.endprint