太陽能建筑的發(fā)展與實踐

太陽能建筑在中國已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展。最初的太陽能建筑為我國五六十年代的太陽房，主要采用被動技術(shù)，通過被動設(shè)計滿足人們的基本需求。現(xiàn)在，太陽能技術(shù)除被動技術(shù)外，還發(fā)展了主動技術(shù)，這主要表現(xiàn)在太陽能光熱利用和太陽能光電利用兩個方面。光熱利用主要是用于采暖和制冷，根據(jù)利用溫度的高低分為高溫利用、中溫利用和低溫利用。工程供熱主要是太陽能高溫利用，日常的生活熱水供應(yīng)主要是低溫利用。太陽能光電技術(shù)主要是利用單晶硅或多晶硅將光能轉(zhuǎn)化為電能，一般用于航天飛機、空間站或邊遠地區(qū)。太陽能建筑的光電利用，主要是用來實現(xiàn)太陽能照明。

　　太陽能光熱技術(shù)在中國的應(yīng)用非常廣泛，具有良好的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化基礎(chǔ)。而太陽能光電技術(shù)，由于其較高的成本，還未像光熱那么普及。下面按照時間和技術(shù)的更新將太陽能建筑劃分為3個階段，并結(jié)合實例加以介紹。第一代太陽能建筑建于2002年，已運行3年多，總體運行很好，我們從中積累了大量數(shù)據(jù)；第二代為超級節(jié)能示范樓，2005年建成，用于接待VIP客人的客房，大量應(yīng)用了太陽能和其它新能源；第三代太陽能建筑剛剛起步，在建中的皇明太陽能新總部大樓可以視為這一代的代表。

　　一、第一代太陽能建筑—初具雛形

　　2002年在山東德州的皇明科技園區(qū)，矗立起一棟棟外形獨特的太陽能建筑，這是中國現(xiàn)代太陽能建筑發(fā)展的雛形。也正是從這里開始，太陽能從單純的生活熱水利用逐步發(fā)展成為綠色生態(tài)建筑中重要的組成部分。

　　太陽能的有效利用需要與系統(tǒng)的建筑節(jié)能設(shè)計、先進的建筑節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品等優(yōu)化組合，才能實現(xiàn)建筑耗能的結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高利用太陽能的保證率，為住宅提供采暖、制冷和生活用水，營造低能耗、高舒適、健康的居住環(huán)境，實現(xiàn)可再生能源的高效利用。在一個四面透風(fēng)的建筑中利用太陽能是毫無意義的。

　　太陽能熱水系統(tǒng)在這代建筑中處于核心地位，通過在房屋的屋面和立面安裝排放整齊的太陽能集熱器，為建筑提供熱水和采暖。在這代建筑中，還采用了太陽能遮陽、太陽能除濕空調(diào)以及太陽能游泳池等技術(shù)。其中，太陽能涼亭，太陽能水幕噴泉和太陽能墻等產(chǎn)品，由于同時具備了美觀性與藝術(shù)性，收到了節(jié)能與美觀的雙重效果。

　　太陽能墻可以使一整面墻吸收太陽熱能，從而形成一個巨大的吸熱器，成為冬季重要的熱源。太陽墻由西山墻上大量的真空管組成，夏季將熱量送到假山下的鵝卵石進行蓄熱，冬季再將這些熱能送入室內(nèi)進行采暖。

　　太陽能涼亭兼具功能性和藝術(shù)性，既可以生產(chǎn)熱水又可以產(chǎn)生電能，夏季還可以納涼休閑，三位功能一體化。

　　二、第二代太陽能建筑—綜合利用

　　在第一代太陽能建筑的基礎(chǔ)上，第二代太陽能建筑在設(shè)計上提出了：天地結(jié)合互補，開源節(jié)流并重的理念。所謂天與地的結(jié)合就是既應(yīng)用天上的太陽能，同時也應(yīng)用地下的地熱能，即土壤源。通過綜合使用可再生能源，減少傳統(tǒng)能源的消耗。開源指的是盡量利用太陽能等可再生能源，節(jié)流就是做好建筑的維護結(jié)構(gòu)，最大限度地減少建筑能量的負荷。

　　這代建筑的能源供給來自于三個方面：太陽能光熱系統(tǒng)、太陽能光電系統(tǒng)和地源熱泵輔助系統(tǒng)。其中太陽能光熱系統(tǒng)提供生活熱水和采暖，太陽能光伏發(fā)電用于生活用電和設(shè)備用能，當其不足時，系統(tǒng)將自動切換至城市電網(wǎng)。

　　在外墻保溫措施方面，通過利用曲板屋頂夏季防曬、合理的防熱橋設(shè)計、外卷簾遮陽系統(tǒng)、屋面外墻隔熱等措施，使建筑具有極好的保溫隔熱能力，這使太陽能供暖制冷的效率大大提高，其在能耗中所占的比例也大大增加。

　　在這代建筑中，更加注重除太陽能系統(tǒng)外的一些節(jié)能技術(shù)和手段的利用，如太陽能預(yù)處理和置換式新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)利用及建筑智能控制系統(tǒng)的利用。智能控制系統(tǒng)可以保證建筑物不同人群或功能區(qū)對新風(fēng)量和對溫度的不同需要，從而最大限度地滿足使用要求、最高效利用能源；在室外地下埋風(fēng)道，利用土壤中的熱能對新風(fēng)進行冬季預(yù)熱、夏季預(yù)冷處理，并結(jié)合置換式新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)對回風(fēng)中的熱能回收，使送入建筑內(nèi)的新風(fēng)更舒適。

　　皇明公司2004年開始建造的“超級節(jié)能示范樓”就是這代太陽能建筑的代表。該建筑的總建筑節(jié)能率在90%以上。以下為該超級節(jié)能示范樓的一些主要特點及所采用的技術(shù)：

　�。�1）超級外墻/屋面隔熱系統(tǒng)：外墻K<0.3W/m2.K，屋面K<0.2W/m2.K；

　�。�2）外窗隔熱系統(tǒng)：K<1.5W/m2.K；

　�。�3）卷簾外遮陽系統(tǒng)；

　�。�4）低溫輻射地板采暖/制冷系統(tǒng)；

（5）新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)；

　�。�6）綠色照明和光導(dǎo)管技術(shù)；

　�。�7）能量儲存和回收系統(tǒng)；

　�。�8）智能建筑控制系統(tǒng)；

　　另外，此建筑也更加注重了太陽能技術(shù)與建筑藝術(shù)的結(jié)合，不僅在功能上滿足人們的需求，還從建筑美學(xué)的角度迎合了人們的美學(xué)需要。如：太陽能飄板集熱器、跟蹤式光電圓盤系統(tǒng)、遮陽電池板等。

　　集熱管鑲嵌在波浪型的屋頂飄板上，既造型美觀又有實用功能；雙軸自動跟蹤光電圓盤系統(tǒng)具有更高的光電轉(zhuǎn)換功能；具有遮陽功能電池板陣列在夏季具有明顯的遮陽功能，有利于降低夏季室內(nèi)制冷的負荷。

　　三、第三代太陽能建筑——科技創(chuàng)新

　　第三代太陽能建筑在二代的基礎(chǔ)上，加強了對一些關(guān)鍵技術(shù)的突破，如高性能維護結(jié)構(gòu)的使用和先進的蓄能方法等。目前這類建筑在國內(nèi)尚屬起步階段，不少科研機構(gòu)和設(shè)計機構(gòu)正在研究探索。皇明太陽能正在建設(shè)的總部大樓是這一代的代表。

　　該建筑是為2010年在德州舉辦世界太陽城而準備的，建筑面積5萬m2，集熱器的面積為5000m2.目前在世界范圍內(nèi)，這個項目的太陽能利用是最到位的，具體表現(xiàn)在：利用被動技術(shù)，實現(xiàn)主體建筑的自然通風(fēng)和采光；良好的外維護結(jié)構(gòu)，使采暖和制冷的負荷控制在每平方米30W；高效節(jié)能的熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，節(jié)能效率達到65%～70%；能源梯級利用。利用地板采暖或制冷的回水，為空氣進行預(yù)熱處理。在實現(xiàn)可再生能源利用的最大化方面主要表現(xiàn)在：生活熱水和游泳館的利用達到100%；采暖達到60%～70%；太陽能與吸收式熱泵相結(jié)合進行制冷，達到40%.從各方面的數(shù)據(jù)來看，都達到了很高的水平。

　　在設(shè)計過程中，應(yīng)用了國際上流行的“能量平衡三重法”作為指導(dǎo)原則，即：盡量減少建筑能源需求；盡量提升可再生能源提供率以及盡量提高傳統(tǒng)能源使用效率。此方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同國家和地區(qū)的綠色節(jié)能建筑中，并取得了很好的效果。

　　在建筑主體方面，采用了自然通風(fēng)及采光技術(shù)、良好的外圍護結(jié)構(gòu)、高效節(jié)能的熱交換新風(fēng)系統(tǒng)以及能源梯級利用。

　　太陽能的利用上，其在生活熱水的供應(yīng)、太陽能泳池和太陽能采暖系統(tǒng)中都得到了充分的利用，同時將太陽能與吸收式熱泵相結(jié)合實現(xiàn)了制冷的需求。

　　其他節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，該建筑利用太陽能結(jié)合滯水層跨季節(jié)蓄能技術(shù)，實現(xiàn)了太陽能春、夏、秋季的跨季節(jié)蓄能，達到四季用能平衡，實現(xiàn)太陽能等可再生能源利用率的最大化。滯水層系統(tǒng)是利用沙、砂礫熱容量大，穩(wěn)定性好的特點，用地下水進行跨季節(jié)蓄能的一項新技術(shù)。通過在滯水層設(shè)置蓄能井（冷井和熱井）、室內(nèi)終端設(shè)備和太陽能收集器儲存能量。這樣，從每年4月份到10月份，就可以把冬天貯存的冷量由冷井中提取出來，直接供給建筑物的制冷空調(diào)使用，同時把太陽能收集器所獲得的熱量注入到熱井中，從11月份到第二年的3月份，把夏天貯存在熱井中的熱能提出來，直接作為建筑物內(nèi)采暖使用，把供暖回水經(jīng)過風(fēng)冷后注入到冷井中。系統(tǒng)就這樣循環(huán)運行。利用該技術(shù)直接提供制冷和供暖，提供率可達30% 。

　　在圍護結(jié)構(gòu)上，建筑采用了高效節(jié)能的溫屏玻璃，具有隔熱，隔音和防霜露三大特點。

　　另外，在該建筑中也應(yīng)用了新的被稱之為BIPV的光電結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品是我們國內(nèi)自行開發(fā)生產(chǎn)出來的一種新產(chǎn)品。歸納其特點如下：

　　特色“美”——彰顯建筑與環(huán)境之美。光伏與建筑一體化的突破性技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)與建筑的完美結(jié)合，可用于制作窗戶、瓦等建筑用品，既可作為窗戶采光用，又可用于發(fā)電，實用與環(huán)保一舉兩得，還可根據(jù)需要透過一定比例的光線，能夠刻上各種標識及圖案，讓建筑更美；

　　“大”突破——可制造全玻璃幕墻的“光伏大廈”。最大功率躍升至600W，可以將組件做到更大的尺寸，使透明電池組件大規(guī)模應(yīng)用于高層建筑物成為可能，鍍膜、焊接、封邊3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)均為自有知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)；

　　“高”性能——超一流的技術(shù)指標。按國際標準設(shè)計，并經(jīng)過充分的試驗論證，確保組件的高質(zhì)量、高性能，采用優(yōu)質(zhì)單晶硅太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高、機械強度高，能經(jīng)受運輸、安裝和使用過程中的沖擊、震動和其他應(yīng)力，并具有優(yōu)良的防腐、防風(fēng)、防水和防雹能力。

　　第三代太陽能建筑的發(fā)展已經(jīng)擴展到不局限于利用太陽能，而是從建筑的各個方面出發(fā)，實現(xiàn)開源節(jié)流，降低建筑的能耗、提高可再生能源的利用（不局限于太陽能，包括利用風(fēng)能、地熱能、生物質(zhì)能等），向著真正的綠色建筑邁進。

　　我們有理由相信，隨著該領(lǐng)域研究的不斷發(fā)展，節(jié)能方式的不斷完善，太陽能建筑必將會有一個美好的未來，早日實現(xiàn)建造“雙零建筑”（零能耗、零排放）的目標。

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