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太阳能建筑的发展及研究摘要 太阳能作为一种清洁型能源，在建筑中有效的应用能够大大缩减建筑的能耗并减少建筑采暖等产生的污染，是建筑节能的重要途径之一。本文通过检索相关论文，介绍太阳能建筑的发展研究以及一些新构想。关键词 太阳能 建筑一体化 发展一、引言 1、当前，世界能源的消费结构主要以石油和天然气等高品质能源为主。而我国却是世界上唯一以煤炭为主要消费能源的国家，由于大量消耗煤炭，造成的环境污染问题也比较严重。据测算，人类矿物燃料的消耗量到2030年将达到最高点，之后将逐渐减少，取而代之的只有可再生能源。到21世纪中期，矿物燃料与可再生能源将各占人类能源消耗量的一半左右。而到2100年，太阳能将提供人类能源总需求的60%以上。因此，21世纪是新能源时代，而在新能源中太阳能将成为使用范围最广、用量最大的新能源。所以说，21世纪也是太阳能的世纪。2太阳能的利用方式1)光伏发电:利用光伏电池直接把太阳能转换成电能，经蓄电池贮存或经逆变器转换后并入电网使用。光伏发电与幕墙技术的结合以及光伏与建筑一体化展示了美好的利用前景。2)光热发电:利用高温集热器产生高温蒸汽推动汽轮机发电;利用高塔产生高速气流推动涡轮机发电。3)日光照明:自然采光、导光管和光导纤维照明等。4)太阳能热利用:太阳能热利用分为低温、中温和高温太阳能利用系统，温度范围划分如下:80以下为低温;80350为中温，350以上为高温。其中中、高温系统多用于工业生产和太阳能发电和制冷空调等。建筑领域多采用低温系统，包括太阳热水器、太阳能建筑采暖和太阳能干燥。3、建筑与节能就发达国家而言，建筑能耗占社会总能耗的30%40%。全球每年排出的温室气体总量为220亿t，而其中1/3来自于建筑，建筑节能和利用可再生能源具有重大意义。建筑能耗包括生产性能耗和使用能耗。通常建筑生产性能耗与建筑用材料的生产能耗有关，但它在一定程度上是有限的。而建筑使用能耗是无止境的，其耗能率的大小与设计直接有关。太阳能建筑作为节能建筑的一种特殊形式，具有明显的节能效果，也符合生态建筑和实施可持续发展战略的要求。因此，下面我通过介绍几篇论文来探讨一下太阳能建筑的发展及研究。二、论文介绍（一）、太阳能建筑技术在国内外的发展 王少南 1、太阳能建筑技术在国外的发展（1）太阳能建筑技术在美国的发展 美国在大力开发利用太阳能光热发电、光伏发电，太阳能建材化、太阳能建筑一体化、产品化等方面均处于世界领先水平。早在20世纪80年代中期，美国太阳能热水器的安装面积就已超过1 000万m2，年产值超过10亿美元。1997年，美国实施“百万太阳能屋顶计划”。目标到2010年，要在全国的住宅、学校、商业建筑等屋顶上安装100万套太阳能发电装置，光伏组件累计用量将达到3 025 MW，相当于新建35个燃煤发电厂的电力，每年可减少二氧化碳排放量约351万t，通过大规模的应用，使光伏组件的价格可从1997年的22美分/（kWh）降到2010年的7.7美分/（kWh）。（2）太阳能建筑技术在日本的发展日本是自然资源极其匮乏的经济大国，非常重视太阳能等可再生能源的发展，用新能源替代传统能源是举国上下的共同愿望和追求。国家颁布各种政策和法令全力支持太阳能等新能源的发展。至1993年，包括太阳能在内的新能源消费量约占全日本能源消费总量的3%，规划到2010年，太阳能发电量要达到482万kW（为1999年的23倍）。日本也在积极推行“太阳能房屋计划”。至2003年，全日本约有5万户居民安装了太阳能电池板。到2010年，要求所有新建的房屋都要利用太阳能供电。为鼓励太阳能电池板在居民住宅中应用，1997年2004年，日本政府共投入1 230亿日元的资助金。（3）太阳能建筑技术在欧洲的发展欧共体早在20世纪80年代，就开始在建筑上大规模开发和应用太阳能技术。欧共体也积极推行“太阳能房屋计划”。计划到2010年，将安装50万套太阳能房屋，其中德国10万套。法国国家实用技术研究所最近发明了一种建筑外墙玻璃兼作太阳能热水器的产品，这种一体化产品是一种双层中空玻璃，其中40%面积是透明的，余下的部分被盘旋状的可以通水的铜管及银反射管所覆盖，覆盖物位于玻璃内层。这种双层中空玻璃可以吸收太阳能，并利用它把水加热。对于一个大楼来说，仅仅利用建筑外墙玻璃，就能把热水问题解决，每年可以节省大量的电力和煤气。因此，具有很强的市场竞争力。瑞士科学家发明了一种可利用太阳能发电的住宅用窗玻璃，其发电原理类似植物叶片的光合作用。这种玻璃的结构很象树叶，是夹心式的，含有捕捉光能的涂料及半导体物质。当光线激发涂料层中的电子，经过定向传递，便产生电流。其光电转化率为10%以上，可发电150 W/m2左右，虽与普通太阳能电池差不多，但其成本只有太阳能电池的1/5，因此，有着很好的使用价值和广阔的发展前景。2、太阳能建筑技术在中国的发展我国太阳能建筑技术经近20年的努力，获得了可喜的发展。到2004年底，太阳能热水器年生产能力达到1 350万m2，利用量达到6 500万m2，占全球安装量的60%，居世界首位，并出口30多个国家和地区。太阳能光伏发电约达6.5万kW，解决了700多个乡镇，约300万偏远人口基本用电问题。如西藏已建成近400个县级和乡级太阳能光伏电站，总装机容量达近8 000 kW，成为我国集中型光伏电站最多的省区。近年来，在科研开发、住宅小区大面积推广应用、太阳能建材化、太阳能与建筑一体化设计等方面都取得了骄人的成绩。（二）、太阳能建筑的可操作性探讨 鲍英华 赵龙1、太阳能在建筑中应用现状主动式太阳能建筑是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由热媒将热量送入建筑物内的建筑形式，较常见的主动式利用有太阳能热水器和太阳能热泵采暖系统;被动式太阳能建筑是指太阳能向室内的传递不借助于机械动力，完全由自然的方式，即借助蓄热体的建筑形式进行太阳能转化为热能的能量转换。另外，太阳能发电以及太阳能制冷系统在建筑中也有广泛应用。2、现存的问题 经济性问题： (1)实现太阳能建筑的成本较高，远远超出建设方正常的开发成本，开发方对太阳能节能建筑有一定的认识，但是没有得到政策和经济的支持。 (2)用户自行安装太阳能产品成本高，有节能意识，但没有经济补偿。 (3)太阳能产品的普遍造价较高，且使用年限短，单位成本高。技术性问题： (1) 我国的太阳能核心技术还不够成熟，缺乏太阳能建筑的实施操作经验。 (2) 产品自身的开发还不够完善。例如:全玻璃制真空管的太阳能集热装置成本较低且技术成熟，但与建筑物进行一体化的有机结合时却存在着承压、安全、密封、结垢清理等一系列问题，而采用金属制流道的集热装置以及强制循环系统，虽然很好的解决了这些问题但又存在成本较高的缺陷。 (3) 太阳能装置的安装技术也不够成熟，部分太阳能安装管道内大量存水、管线外露，夜间散热大，造成用水浪费等问题。协调性问题：(1) 太阳能集热设备的安装在建筑的外表面及屋顶形成了规格繁杂、形式各异，杂乱无章的无序状态，破坏了建筑景观效果，与环境无法协调。(2) 己有建筑屋顶采光面积不够，不能满足住户使用要求。太阳能装置对建筑结构和使用功能造成不同程度的破坏，在建筑防水、承重等方面留下隐患，与已建成的建筑无法协调。(3) 建筑物没有按照利用太阳能的原理和方法进行设计，建筑在土建时没有装置适当的预埋件，使得太阳能装置的安装造成了一定的障碍，并在安装时可能损害建筑结构和增加建筑负荷;太阳能产品只考虑设备本身的结构和性能，没有将太阳能设备作为有机组成部分与建筑结构相结合考虑，太阳能装置与新建建筑结构整体不协调。3. 问题的解决 （1）政策的引导与扶持 我国的太阳能推广应从政策上加以引导，一方面形成广大民众对节约能源的重视，提高对太阳能利用的意识;另一方面，可在税收、补给制度等经济方面加以扶持，以解决太阳能建筑在实际操作中所面临的经济性问题。（2）太阳能技术的产业化 太阳能建筑的发展有赖于太阳能技术与建筑设计过程的密切结合，这种结合的前提就是太阳能技术的产业化。只有太阳能产品的生产形成了一定的规模、类型以及品牌，能够像其他的建筑建材产品一样，具备各自的技术特点及特长，形成市场的可选择性，形成相关的产业链，才能够实现太阳能技术与建筑设计的一体化。太阳能技术产业化的发展重点，包括太阳能电池关键技术、百兆瓦级大规模太阳能高温热发电技术等都是未来技术和产业化发展的重点。我国目前太阳级硅的研究开发及工业生产均属空白，太阳级硅完全需要进口，严重阻碍我国光伏工业发展。太阳能建筑方面，我国的太阳能热水器已基本实现产业化，而其他与建筑密切相关的太阳能产品特别是有利于太阳能建筑设计一体化的产品将成为技术产业化发展的重点。（3）建筑设计的一体化 建筑与太阳能技术一体化的主体思想是将能把太阳能转化为电能的半导体材料直接镶嵌在墙壁的外表面和屋顶上，取代在屋顶上安装笨重的太阳能收集装置，从而实现太阳能利用与建筑的一体化，并通过所产生的电能来驱动室内的用电设备实现室内的采暖、照明、制冷等。 一体化的实施是通过太阳墙、光伏组件与建筑墙体的一体化设计，即在接受太阳能较好的墙面上采用主动式与被动式相结合，形成集发电、采暖、通风等功能于一体，并能与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。（三）太阳能建筑的技术途径和发展策略 仲继寿1、太阳能建筑的技术途径太阳能建筑的应用领域包括建筑物的使用功能以及业主对于安全、便利、舒适、健康的环境需求。太阳能建筑的技术途径包括了被动应用、主动应用和综合应用等多种途径。如从保温隔热材料的开发、自然采光通风功能的实现、太阳能光热光伏技术的应用到遮阳、光影和舒适环境的创造，全方位地综合应用太阳能资源。就目前发展最快的太阳能光热利用而言，也将包括低温利用、中温利用和高温利用等多层次能源效率利用形式；而太阳能光伏利用也将在太阳能建筑一体化上表现出更为广阔的发展前景。2、制约太阳能建筑发展的因素尽管国家和行业主管部门已经出台了一系列法规、标准，如节约能源法、民用建筑节能管理规定、不同地区的节能设计标准等，除成本、技术、市场等制约因素外，管理体制过于分散、激励政策体系不健全、全民教育与理念传播不够等都是制约太阳能建筑发展的相关因素。当前，太阳能建筑的理念推广比具体某项技术或产品的推广更加迫切。3、太阳能建筑发展策略太阳能建筑的发展思路在各级政府的政策导向和激励机制的基础上，提高职业培训和公众教育程度，加强产品（系统）检测认证和建筑准入制度，完善规范标准及相关技术规程，发挥从企业到业主等各个层面的积极性，共同推进太阳能建筑的有序健康发展。太阳能建筑的发展策略1）成熟的被动太阳能技术与现代的太阳能光伏光热技术的综合利用；2）保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合；3）传统建筑构造与现代技术和理念的融合；4）建筑的初投资与生命周期内投资的平衡；5）生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透；6）综合考虑区域气候特征、经济发达程度以及建筑特征和人们的生活习惯等相关因素。太阳能建筑的发展目标综合利用太阳能，满足建筑物对于使用功能和环境功能等方面对于能源供应的需求，以降低建筑能耗在社会总能耗中的比例。因此，进一步考虑将太阳能利用与地热能、风能、生物质能以及自然界中的低温热能等复合能源的利用结合起来，并进行系统的优化配置，以满足建筑的能源供应和健康环境的需求，是太阳能建筑发展的最高目标。零排放建筑代表了太阳能综合应用的最高理想。近期研究开发的重点是太阳能热利用产品和系统与建筑一体化。综合确定太阳能建筑发展策略1）气候特征和经济发达程度：西部经济欠发达地区，往往又是太阳能资源丰富的区域。依然应以被动利用太阳能建筑为主，加强集热、蓄热、导热等材料和技术的研发与推广；而对于经济发达的沿海地区，夏季炎热、冬季阴冷，又具有冬季采暖、夏季空调的生活需求和经济能力。因此，应积极扩大综合利用太阳能建筑新技术的投资优势，并成为实施太阳能或水源热泵等采暖空调技术示范建筑的首选地区。2）生活习惯和经济水平：随着我国社会发展和人民生活水平的不断提高，稳定的热水供应逐步成为居民的基本生活需求之一。这是太阳能热水设备及系统与建筑一体化成为太阳能建筑领域发展最快的主要原因。3）建筑特征与政策导向：对于不同的建筑类型和社会功能，在太阳能利用等领域应给予不同的示范导向和税收等激励政策。如，对于公益性建筑采取强制推行太阳能利用的政策；而对于商业性建筑则给予税收等激励政策；对于量大面广的居住建筑则实行税收激励政策、能源投资机制及业主有偿使用相结合的策略。当然这些策略对于既有建筑的改造同样适用。近期可在选择特殊用途建筑、大型公益性建筑及政府办公建筑等进行示范推广和政策引导。4）太阳能建筑技术和体系：编制设计规范、标准及其相关图集，建立产品（系统）检测中心和认证机构，完善施工验收及维护技术规程等，是太阳能利用（如热水供应）列入建筑工程设计环节，并作为一个“专业”纳入建筑工程教育体系的前提。5）理念推广：节能生态的教育、生活方式的改变和理念的传播在太阳能建筑发展中的重要性凸现。教育人们了解常规能源的一般知识、太阳能的优越性以及健康的生活方式，是一项全社会的重要任务，各级政府应给予足够的重视，并予以专项资金支持。6）太阳能建筑应用技术的研究与推广：针对我国的社会发展、技术进步、经济能力、区域气候、生活需求等因素，以太阳能建筑领域中的热水供应为切入点，扩大太阳能热水供应的既有理念优势，倡导“理念先行、示范突破、政策跟进”的原则，推行“标准设计、检测认证、建筑准入”的机制，分阶段逐步推进太阳能建筑在中国的发展，最终达到太阳能建筑的普及和推广。（四）太阳能利用与建筑一体化构想 杨宝坤 张亚平1、太阳能利用与建筑一体化构想的提出：一体化的设计思想是由美国太阳能协会创始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡导的，其主体思想是将能把太阳能转化为电能的半导体材料直接镶嵌在墙壁的外表面和屋顶上，取代在屋顶上安装笨重的太阳能收集装置，从而实现太阳能利用与建筑的一体化，并通过所产生的电能来驱动室内的用电设备实现室内的采暖、照明、制冷等。这种一体化方案仅仅是通过综合考虑建筑构件和太阳能设备的协调使其做到构造合理。但这种一体化方案存在对太阳能收集途径单一、利用率低下、浪费严重等方面的缺点，例如：目前的太阳能发电系统对太阳能的光电转化率低下，大量的光和热被白白的流失掉；其次热-电-热的能量二次转化使得能量在转换和传输的过程中增加了损失，使得太阳能的利用率更为低下。2、 太阳能利用与建筑一体化的新构想：考虑到建筑在设计上要有利于收集利用太阳能，同时兼顾建筑的美观性、实用性与经济性，本文提出如下的太阳能利用与建筑一体化的新构想：在建筑物的南向及东西两向等接受太阳能较好的外表面墙体护围结构上采用与太阳墙、光伏组件的一体化设计；在建筑物的北向等接受太阳能较少的外表面墙体护围结构上采用保温墙体设计；在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中；在建筑的供热、制冷及供应热水方面采用分体式太阳能热泵吸收式中央空调系统，从而在提供生活用热水的同时兼顾空调采暖和制冷；以太阳能为主，燃气或电力为辅的集中供能方式。这样以来就实现了被动式与主动式相结合，多途径多层次的太阳能多元化收集与利用。3、太阳能利用与建筑一体化的实施方式（1）太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化在南向及东西向等接受太阳能较好的墙面上采用主动式与被动式相结合，集发电、采暖、通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。如图（1）、（2）和（3）所示，墙体的最外层是光电幕墙，安装在多孔的波状金属板上，空气在金属板下的空腔内受热，在风机的动力作用下空腔内的热空气从墙体的顶部通过风道进入空调的新风系统或者直接排出室外6。与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的护围结构，照射在墙面上的太阳能不但被有效的利用起来而且显著改善了护围结构的隔热保温性能。光电幕墙对太阳光的反射率约为15%，光电幕墙的光电转化率在1735%之间；在冬季被光电幕墙浪费的那部分太阳能又被集热板吸收用于空调机组新风的预加热，使新风空气预热到30左右，热效率在50%-60%之间，相当于每平方米能产生多于500W的热量，同时使通过墙体向外界扩散的热量随管道内的热空气重新进入空调的新风系统，降低了墙体与室外空气的热交换；在夏季，风机停止运转，被加热的热空气在自然对流的作用下从波状金属板与墙体组成空腔的上部流出，一方面使外界的热量不能直接通过墙体的传热进入室内，减少了空调的负荷，另一方面空气在空腔内的流通降低了光电幕墙的温度，能使光电幕墙的光电转换率提升10%。这样以来从经济上分析这种采用复合的太阳能采集技术的墙体的初期投资回收速度比单纯采用光电板回收速度提高了3-4倍。图1 太阳墙原理示意图图2 附于钢结构或砖体结构示意图（2）光伏组件与市政供电系统并网太阳能发电系统所发的电能通过逆变器把直流电转换为交流电，再由控制器对所发的电能进行调节和控制，在白天一方面把整压整流后的电能送往建筑内的用电负载，另一方面白天日照充足时在满足建筑自身用电负荷的同时把多余的电能进行并网向市政电网系统进行供电，而当晚上或阴天时所发的电能不能满足建筑自身负载需要时，控制器又并网市政供电系统，保证用户的正常用电。这样在白天的太阳能光伏发电的发电量充足且电价较高的时候并网市政电网把多余的电能向外供电出售电能，而在晚上太阳能发电装置不能发电且电价较低的时候又从市政电网中取电买入电能。这样的光伏一体化墙面较传统的墙面在节能上面优势是显而易见而且比早期的光伏发电系统减少了多余电能储存系统有效降低了光伏发电系统的整体成本，而且在白天的用电高峰时段在满足建筑自身用电的同时能向市政电网供应电能在一定程度上缓解电力紧张，况且这时的电价比较高而在夜间用电低峰时段电价相对较低又从市政电网获取电能这样就能更好的降低建筑的运行成本，使初期投资回收速度进一步提高。 （3）太阳能热泵集热装置与建筑屋顶一体化在建筑的顶部采用建筑造型构件与太阳能热泵低温集热技术相结合的手法，在设计上一方面使建筑的正立面结构看上去富有建筑的艺术性和现代性，另一方面使安插在建筑构造构件中的集热装置模块可以很好的吸收太阳辐射能。然后把金属流道的太阳能热管模块化集热器做成合适的造型，并涂成与建筑顶面颜色相协调的颜色安插在建筑顶部预先留有空位和预埋好相应管道的构件中。采用太阳能热管模块化集热器可以较好的承受压力且密封性较好，既能直接吸收太阳辐射能又能间接吸收室外环境中的热能，即使冬季气温为-20的时候依然能够进行太阳能低温集热。应用这种太阳能集热装置做成直接蒸发式太阳能热泵机组的蒸发器，则蒸发器成为“热源”，直接作用于蒸发器中的流动工质热媒，使其加热到1030左右并迅速汽化，通过热泵机组压缩机的压缩制热后，在冷凝端与管壳式热交换器中的水换热可使冷凝水的温度达到60以上，作为采暖热源和作为热水直接供应给用户7或是向吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。太阳能热泵吸收式中央空调系统冬天向建筑供暖时能耗比Cop值约为6，即投入1KWH的电力，可得到约6KWH的热能；夏天向建筑供冷时能耗比Cop值约为4，即投入1KWH的电力，可得到约4KWH的热能，而且系统紧凑，省去了锅炉房，节省了初期投资，也节省了建筑空间。比直接将太阳能转化为电能再用电能驱动中央空调和热水器节能效果更为显著。（4） 太阳能一体化设计中与之相配合的建筑保温设计在建筑的北向墙体和受日照较少的墙体上采用轻质建筑保温墙体，如图（4）所示这样就有效的减少了墙体与外界空气的热交换，并能在框架结构的建筑中采用较薄的基层墙体而达到较好的隔热保温作用同时有效降低