太陽能建筑一體化技術村鎮建筑應用調查研究

同濟大學 李崢嶸 李 星 李 鵬

0 前言

隨著建設社會主義新農村進程的推進與村鎮居民收入水平的提高（圖1），村鎮建筑面積逐年增加，居民居住、生活和消費習慣也在發生著改變，由此導致能源供應模式和消費水平進入新的歷史階段。村鎮建筑商品能源供應量增加（圖2），用能經濟成本與社會成本對能源、資源和環境必將產生巨大的影響。如果傳統商品能源的消耗可以被太陽能等可再生能源部分替代，則可在一定程度上緩解現階段能源緊張的局面。而太陽能建筑一體化技術在城市居住建筑中應用較多，在村鎮建筑中應用還處于起步階段。為此，作者在上海市、山東省和福建省的村鎮隨機選擇住戶走訪調研，對村鎮居民用能現狀與太陽能利用狀態進行分析，為新農村規劃建設和太陽能建筑一體化技術推廣應用提供參考。

1 建筑概況與用能現狀分析

在山東、上海、福建三個省份的調研中發現，經濟水平和當地資源直接影響了村鎮居民的居住條件、用能方式和生活熱水的使用。從經濟不發達到較發達，村鎮居民的建筑形式在逐漸改變，住宅面積在逐漸擴大，用能方式也由煤炭、秸稈向較為方便清潔的燃氣、電能和太陽能轉變，用能開支也相對增加。

經濟水平較為落后的地區，村鎮居民仍住在建造時間較早的老宅中（圖3），居住較為分散，房屋多為自行設計和組織施工，平面布置大多照搬或模仿，造型單調，院落布置凌亂。而且，人均建筑面積較小，家用電器種類較少，生活用能以煤炭和秸稈為主、燃氣和電能為輔，熱水使用較少，年用電和用水費用較低。有些村落由于地理位置偏僻，引用自來水費用高，仍自打井水作為生活用水，政府對用水安全的監管、宣傳力度不夠，農民用水安全意識較為淡薄，井遮蓋設施簡陋，經常有生活垃圾飄到井中，水質得不到保障，同時也是對自然資源的浪費。

經濟水平較發達的地區，村鎮居民大部分住進了新宅（圖4）。新宅以集中住宅小區為主，在建造之前有詳細的規劃和設計，不僅注重住宅的方便實用性，還考慮住宅與自然的和諧及文化內涵，院落布置較為規整，人均建筑面積較大，家用電器種類較為齊全。遮陽通風措施、雙層玻璃、鍍膜玻璃等建筑節能技術也有一定范圍的使用。用能以方便潔凈的燃氣、電能和太陽能為主，用能結構中商品能比例較高，生活熱水除用于洗澡還用于日常洗刷。年用能、用電、用水開支較高。

在福建省的一些村落，當地水力資源較為豐富，在村鎮政府的指引下，建造了一些小型水力發電站（圖5），因而當地電價較低，村鎮居民使用電能較多，這在一定程度上影響當地居民用能結構和用能開支。

2 太陽能熱水系統使用現狀分析

表1 太陽能熱水系統使用統計表

調研中發現，目前村鎮居民使用的太陽能熱水器主要為平板式、真空管式和悶曬式三種（表1所示）。悶曬式太陽能熱水器（圖6）主要是一個黑色塑料制成的長方形水袋或水桶，一般放置在屋頂或者雨篷等陽光充足的地方。早晨的時候人工把水灌入，在夏季日照比較充足的情況下，經過一天的悶曬，晚上水溫一般能達到50°C左右，適當兌些涼水即可滿足一家人洗澡所需。悶曬式太陽能熱水器價格在15-50元不等，便宜而使用方便，對水質要求不高，在村鎮居民中受到普遍歡迎。但這種熱水器只能在6-10月使用，容易受到天氣變化影響，保溫效果差，熱損失較大。部分居民在使用太陽能熱水器之后，洗澡次數變多、時間變長，這也在一定程度上改善了村鎮居民的生活衛生習慣，提升了生活質量。

太陽能熱水器的使用，不僅滿足村鎮居民洗澡熱水的生活需要，還解決日常洗刷等生活用熱水的難題。隨著煤炭、石油、天然氣傳統能源價格的持續走高，村鎮居民能源消耗成本不斷加大，增加的生活成本難以消化。使用太陽能熱水器得到健康、廉價的熱水，不僅改善村鎮居民的生活質量，也降低能源消耗成本，產生良好的經濟、環境和生態效益，這對提升生活質量、改善村容村貌、促進鄉村文明都具有非常重要的現實意義。

然而，由于村鎮居民收入水平較低，選擇的太陽能熱水器以當地小工廠產品為主，產品質量得不到保證。大部分太陽能熱水器只滿足春夏秋三季使用要求或者僅能在夏季使用，只有少部分滿足全年使用要求。在不能滿足使用要求的冬季，大部分村鎮居民選擇到公共浴室，或自己在家燒熱水，洗澡次數大大減少。在調研中發現，太陽能熱水器安裝隨意，由此導致故障率高，有近70%使用太陽能的居民維修過，基本每年維修一次，每次維修費用幾十元到幾百元不等。這在一定程度上影響了太陽能熱水器在村鎮建筑中的推廣發展。此外，村鎮建筑中太陽能熱水器只是建筑完工后購買的附屬產品，布置雜亂無序，嚴重影響建筑的整體美觀與村鎮風貌。因此，村鎮建筑中推廣太陽能建筑一體化技術具有美學與實用的雙重價值。

3 太陽能建筑一體化技術在村鎮建筑中推廣應用前景分析

3.1 太陽能建筑一體化技術在村鎮建筑中應用優勢

隨著經濟的發展，村鎮居民已經不再僅滿足于吃得飽、住得下、穿得暖的基本生存需求層次，而是有著更高更美的精神文化需求。隨著國家新農村建設進程的實施，部分村鎮采取集中建房形式，在建房之前統一規劃、設計，糅合了傳統民居的內涵和現代生活的理念，在房屋建造初期將選址、布局、朝向、圍護結隔熱與保溫、太陽能熱水器安裝等建筑節能理念融合到住房建造過程中，將住房實用性與舒適性提升到新的高度。

太陽能建筑一體化技術不是將太陽能熱水器和建筑進行簡單的相加，而是通過建筑的建造技術與太陽能的利用技術的集成，整合出一個嶄新的現代節能建筑。建筑在最初規劃設計的時候，將太陽能系統所包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以考慮，“因地制宜”巧妙地將太陽能系統的各個部件融入到建筑設計的相關專業內容中，同步規劃設計、同步施工安裝、同步驗收、同步后期管理，使太陽能系統成為建筑組成不可分割的一部分，不是建筑的附加構件，與建筑外觀和諧一致。

村鎮建筑在長期的發展過程中積淀傳承地域文化，與城市建筑相比具有獨特的風貌和景觀。與城市高層高密度建筑相比，村鎮建筑在太陽能建筑一體化技術使用方面具有獨特的優勢：

1）規劃優勢：傳統村鎮建筑大多數為獨門獨院的單層建筑，院落稀疏?，F代新農村建筑統一規劃，以連體別墅和低層建筑為主，一般都是坐北朝南布置，日照間距較大，屋頂采光面積充足，不存在建筑遮擋的困擾，具有足夠的可利用空間，不必考慮太陽能建筑南立面整合的問題，技術難度相對較低；

2）環境優勢：村鎮地區以農業和產品粗加工為經濟支柱，污染源相對較少，灰塵粒子密度較小，太陽光線透射率高，大氣透明度較高，有利于太陽能的利用。

3.2 太陽能建筑一體化技術推廣應用效益

1）經濟效益

我國現在有72135萬[4]人口居住在農村和小城鎮，按照60%的家庭安裝太陽能、每人每日用60°C熱水60L[5]、自來水全年平均溫度按照15°C進行估算，每天大約因生活熱水需要耗能

Q=72135 ×104×60 ×1 ×4.2 ×（60-15）KJ=8.18×109MJ

這些耗能60%由太陽能熱水器提供，則每天節約標準煤

m=Q ×60%/qnet=8.18×109×60%/29306=1.675×105t

2）環境效益

按照上述太陽能建筑一體化技術在村鎮建筑中推廣比例，每天可減少排放二氧化碳3.13×105t、二氧化硫888t和氮氧化物1015t。

隨著村鎮建筑面積和商品能源消耗量增加，城市能源供應模式不可能解決村鎮的能源和環境問題。太陽能建筑一體化技術的使用，考慮能源消費的地域特色同時促進村鎮能源消費結構的轉變，是建設生態村鎮和降低碳排放量的有效技術措施。

3)社會效益

新農村建設中的太陽能建筑一體化整合設計應該是通過建筑內外空間的各種生態因素在建筑生態系統內部有秩序地循環轉換，達到生產、生活的高度統一和自然融合、共生的過程：

（1）自然一體化與建筑的愉悅：太陽能熱水系統的顏色與建筑材料協調一致，工程細節巧妙處理，太陽能熱水系統形成建筑的設計元素與邏輯單元，成為接觸建筑的閃亮之筆，技術整合之后新農村建筑更具吸引力；

（2）引領節能生活：村鎮居民的收入增加導致商品能源的消費量上升，因此推進太陽能建筑一體化技術會促使建筑全生命周期內材料數量達到最低水平、碳排放量盡可能降低，減少村鎮商品能源的消費，喚起村鎮居民的節能降耗意識。

3.3 村鎮建筑中推廣太陽能建筑一體化技術存在的困難

作為一種清潔的新能源，太陽能具有環保、安全、使用費用低的特點，然而太陽能建筑一體化技術在村鎮建筑中推廣發展存在著一定程度的困難。

1）建筑結構

傳統村鎮建筑屋頂材料以石棉瓦、青瓦、木板等材料為主，屋頂結構承重強度較差，安裝太陽能需要采取加固措施，增加安裝成本，不利于技術的推廣。在新村鎮建筑規劃建設中，屋頂材料一般采用鋼筋混凝土現澆或水泥預制板，承重強度較高，安裝條件較好。

2）水源問題

由于城鄉發展二元結構的存在，我國村鎮用水的保障優先性低于城市和工業用水。近年來，雖然許多村鎮家庭開始用上了自來水，但這種自來水多半自制自用，或自建水池存放，或直接引自山泉水，用水器具質量差和供水效率低，處理設施簡陋，缺乏必要的衛生防護措施，水質安全得不到保證，水垢問題嚴重，村鎮居民用水安全隱患重重。在一些地理位置較為偏僻的地區，村鎮居民用水仍自打井作為生產生活用水，更是對對自然資源的浪費。

水質問題嚴重影響太陽能集熱器的效率，容易導致集熱器出現故障。因此需要根據當地特殊水質情況和水垢狀況，加設太陽能專用除垢劑進行除垢循環，這又增加使用成本，影響技術的推廣。

系統掌握權威、客觀、準確的地理國情信息，是制定和實施國家發展戰略與規劃、優化國土空間開發格局和各類資源配置的重要依據。地理國情普查作為建國以來首次對地理空間要素的完整調查，其內容涵蓋了社會發展和資源環境的方方面面，其普查統計分析就是將地理國情普查要素與經濟社會信息相融合，科學揭示社會、經濟、環境、資源的空間分布規律，準確判斷發展趨勢，這對于服務科學決策、加強科學管理具有重要意義。

3）產品質量

目前太陽能熱水器的使用壽命約為15年，而普通居住建筑的使用壽命約為50-70年。也就是說，在建筑的使用周期內，太陽能熱水器要更換三到五次。這與村鎮居民的傳統消費觀念相沖突。村鎮建筑中太陽能集熱器一般布置于建筑物向陽坡屋面或平屋頂上，因此對建筑一體化的太陽能集熱器的壽命要求較長，故障率要低。這就要求太陽能集熱器生產廠家改進生產工藝，提高產品質量，延長太陽能集熱器的使用壽命。

4）政策問題

近年來我國農村能源建設有了重大進展，但總體上農村能源建設投入不足，除戶用沼氣、農村電力建設外，其他農村能源建設沒有得到國家財政支持，一定程度上制約了農村太陽能的推廣利用。我國部分城市強制新建建筑使用太陽能建筑一體化技術，也只是一些地方政策，沒有宏觀政策支持，在村鎮建筑中更沒有優惠政策推廣太陽能建筑一體化技術。這在一定程度上影響了村鎮建筑太陽能建筑一體化技術的推廣使用。

太陽能光熱建筑一體化技術稅收激勵政策有效、易行，其直接受益者是太陽能光熱設備的生產和銷售企業，最終的受益者是用戶和整個市場及整個社會。因此，有必要出臺在村鎮建筑中太陽能建筑一體化使用的優惠政策。

4 結論

1）經濟水平直接影響村鎮居民的建筑形式、住宅面積、用能方式和用能開支。

2）經濟水平的高低影響家用熱水器類型的選擇、熱水使用量和使用時間。村鎮居民使用太陽能熱水器解決了洗澡和日常洗刷的熱水需要，但存在可用時間短、故障率高等問題。

3）村鎮建筑在長期的發展過程中積淀傳承地域文化，具有獨特的風貌和景觀。太陽能建筑一體化技術在村鎮建筑中推廣具有城市建筑難以超越的優勢，由此帶來良好的經濟、環境和生態效益，但在建筑結構、水質問題、產品質量和政策支持方面存在困難。

隨著新農村建設的進行，太陽能建筑一體化技術在村鎮建筑中的推廣發展，在優化能源使用結構的同時，對村鎮建筑耗能、商品能源供應系統以及生態環境都將會產生深遠的影響。

[1]中華人民共和國國家統計局.中華人民共和國2009年國民經濟和社會發展統計公報.十一人口、人民生活和社會保障

[2]中國統計年鑒2009.6-13人均生活能源消費量

[3]孫治安等.中國可能太陽總輻射的氣候計算及其分布特性[J].太陽能學報，1988，9（1）

[4]中國統計年鑒2009.3-1人口數及構成

[5]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M].化學工業出版社，2005，10

[6]黃海耀.LCA法比較太陽能熱水器和燃煤鍋爐系統的環境效益[D].天津：天津大學環境科學與工程學院，2004.1