“十二五”太陽(yáng)能建筑重要成果與展望

■ 鞠曉磊 張磊

國(guó)家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)太陽(yáng)能建筑專業(yè)委員會(huì)

“十二五”太陽(yáng)能建筑重要成果與展望

■ 鞠曉磊 張磊*

國(guó)家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)太陽(yáng)能建筑專業(yè)委員會(huì)

0　引言

太陽(yáng)能是永不枯竭的潔凈能源，太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用是現(xiàn)階段太陽(yáng)能應(yīng)用最具發(fā)展?jié)摿Φ膶?shí)用領(lǐng)域。太陽(yáng)能建筑是以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為載體，將被動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)和主動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的建筑；其建設(shè)原則為“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化”；評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)是“太陽(yáng)能等可再生能源利用在建筑使用能耗中所占的比例”，伴隨著能源緊缺程度的加劇和經(jīng)濟(jì)承受能力的提升，這個(gè)比例值不斷在變化，現(xiàn)階段以30%為宜。

1　我國(guó)太陽(yáng)能建筑的發(fā)展歷程

到目前為止，我國(guó)太陽(yáng)能建筑大致可分為3個(gè)階段：第一階段是20世紀(jì)70年代～90年代，主要是以陽(yáng)光房為代表的被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑；各項(xiàng)主動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)在此階段逐步產(chǎn)業(yè)化。第二階段是20世紀(jì)90年代末～2010年，強(qiáng)調(diào)主動(dòng)太陽(yáng)能系統(tǒng)與建筑一體化結(jié)合；同時(shí)被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑也穩(wěn)步推廣。第三階段是2010年至今，太陽(yáng)能產(chǎn)品升級(jí)成為建筑材料和建筑構(gòu)件，為建筑成為產(chǎn)能建筑奠定了基礎(chǔ)。

1.1我國(guó)早期以陽(yáng)光房為代表的被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

我國(guó)的第1棟被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑建成于1977年，地點(diǎn)在甘肅省民勤縣，是棟南窗直接受益結(jié)合實(shí)體集熱蓄熱墻的組合式太陽(yáng)房。1977～1995年底，通過(guò)國(guó)家“六五”“七五”“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，在引進(jìn)、消化、吸收世界太陽(yáng)能建筑技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)形成了具有中國(guó)特色的包括理論、設(shè)計(jì)、施工、實(shí)驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法在內(nèi)的一整套被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖技術(shù)，建成實(shí)驗(yàn)性被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑約30萬(wàn)m2，幾乎包括了我國(guó)北方絕大部分采暖區(qū)。

圖1　被動(dòng)式太陽(yáng)能學(xué)校

1.2太陽(yáng)能系統(tǒng)與建筑一體化結(jié)合階段

我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)進(jìn)入20世紀(jì)90年代后發(fā)展迅速，太陽(yáng)能熱水器逐步從農(nóng)村走向城市，建筑作為太陽(yáng)能產(chǎn)品在城市中的最佳載體，受到太陽(yáng)能行業(yè)的日益關(guān)注。但由于太陽(yáng)能熱水器大多是房屋建成后才由用戶購(gòu)買安裝的后置部件，這種安裝方式帶來(lái)了破壞建筑原有功能、影響建筑美觀等問(wèn)題，制約了太陽(yáng)能熱水器在建筑上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，我國(guó)在20世紀(jì)后期提出了太陽(yáng)能熱水器/系統(tǒng)與建筑一體化結(jié)合的發(fā)展目標(biāo)，特別制定了“同步規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收、同步投入使用” 的5同步原則。

在此階段，隨著“金太陽(yáng)工程”“光伏建筑集成系統(tǒng)”等項(xiàng)目的開(kāi)展，迅速推動(dòng)太陽(yáng)能光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用，BAPV是此階段的典型應(yīng)用方式；配合著并網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)日益成熟，“十一五”期間，與建筑結(jié)合的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始快速發(fā)展。

在“十一五”期間，通過(guò)以“可再生能源與建筑集成示范工程”為代表的一系列科技攻關(guān)項(xiàng)目，使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的集成應(yīng)用得到了實(shí)質(zhì)性的突破。

在此階段，我國(guó)編制并發(fā)布了GB 50364-2005《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、JGJ 203-2010《民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、GB 50495-2009《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》，初步構(gòu)建了太陽(yáng)能技術(shù)在建筑中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

1.3太陽(yáng)能產(chǎn)品建材化階段

隨著能源危機(jī)的加劇，建筑構(gòu)件產(chǎn)能化逐步提上議事日程。這對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)品提出了新要求，即作為建筑材料和建筑構(gòu)件使用的太陽(yáng)能產(chǎn)品的性能，不僅要滿足原有的集熱/發(fā)電功能要求，同時(shí)要符合所替代的建筑材料和建筑構(gòu)件的建筑圍護(hù)功能要求、結(jié)構(gòu)安全要求、燃燒性能分級(jí)要求；并且應(yīng)易于更換和維修；當(dāng)作為建筑構(gòu)件使用時(shí)，其本體構(gòu)造耐久性應(yīng)符合所替代的建筑構(gòu)件的使用壽命要求。

2　“十二五”期間太陽(yáng)能建筑領(lǐng)域的重要成果

2.1被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

“十二五”提出的加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)，為在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村推廣被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑帶了又一次發(fā)展機(jī)遇。國(guó)家建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 267-2012《被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)規(guī)范》的發(fā)布，從被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收全方面對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)和規(guī)范，為被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的被動(dòng)式采暖、被動(dòng)式降溫、被動(dòng)式除濕等技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，吸納當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研成果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇適宜工程推廣的被動(dòng)技術(shù)形式，完善設(shè)計(jì)參數(shù)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集15J908-4《被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)》，該圖集符合建筑設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣，便于施工單位可以按圖施工，為被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑的正確施工提供了有力保障。

圖2　被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用

圖3　被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用

2.2建筑用光熱構(gòu)件

“十二五”期間，編制建筑行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑用光熱構(gòu)件通用技術(shù)要求》，對(duì)光熱構(gòu)件產(chǎn)品的建筑性能、熱工性能、耐撞擊性能、耐凍性能、荷載性能等方面進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，并明確了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布使太陽(yáng)能光熱產(chǎn)品由單純的集熱構(gòu)件發(fā)展成為具有集熱功能的建筑構(gòu)件，確立了產(chǎn)品體系的框架和通用的技術(shù)要求，從而為整體提升我國(guó)光熱技術(shù)的建筑應(yīng)用水平創(chuàng)造了條件。形成功能型綠色建材可有效拉動(dòng)裝備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變、擴(kuò)大就業(yè)、推進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

目前開(kāi)發(fā)出的建筑用光熱構(gòu)件有4大類，分別是屋面光熱構(gòu)件、墻體光熱構(gòu)件、欄板光熱構(gòu)件、遮陽(yáng)光熱構(gòu)件，均已進(jìn)行工程級(jí)的示范應(yīng)用。

圖4　屋面光熱構(gòu)件

圖5　墻體光熱構(gòu)件

圖6　欄板光熱構(gòu)件

圖7　遮陽(yáng)光熱構(gòu)件

2.3建筑用光伏構(gòu)件

“十二五”期間，在國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)的光伏度電補(bǔ)貼政策激勵(lì)下，以建筑為載體的分布式光伏系統(tǒng)發(fā)展迅速，2015年建筑光伏的裝機(jī)容量達(dá)到6 GW。通過(guò)“國(guó)家863計(jì)劃”“建材型光伏構(gòu)件制造與測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)及裝備”課題的技術(shù)攻關(guān)，提出針對(duì)不同地區(qū)建筑節(jié)能要求、不同類型建筑中各部位的光伏構(gòu)件產(chǎn)品模數(shù)尺寸；分別開(kāi)發(fā)出滿足不同建筑部位安裝性能要求的基于金屬基材、玻璃基材、有機(jī)基材的鋁蜂窩板光伏構(gòu)件、真空玻璃光伏構(gòu)件及FRP板光伏構(gòu)件，使光伏構(gòu)件真正能夠代替部分建筑構(gòu)件作為建筑的一部分，降低光伏建筑總成本，實(shí)現(xiàn)了BIPV技術(shù)和產(chǎn)品的飛躍。

建筑行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑用太陽(yáng)能光伏構(gòu)件通用技術(shù)要求》從光伏構(gòu)件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安全性能、電氣安全性能、檢修維護(hù)要求等方面進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，并明確了相應(yīng)的檢測(cè)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有效地規(guī)范建筑光伏構(gòu)件的生產(chǎn)和檢驗(yàn)，提高了建筑光伏工程質(zhì)量、降低了安全事故發(fā)生，優(yōu)化了產(chǎn)品的使用壽命，推動(dòng)了建筑光伏新技術(shù)新產(chǎn)品的應(yīng)用。

圖8　建材型光伏構(gòu)件產(chǎn)品

圖9　建材型光伏構(gòu)件示范工程

圖10　BIPV工程

3　太陽(yáng)能建筑的發(fā)展方向

世界各國(guó)能源轉(zhuǎn)型的基本趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)由化石能源為主向以可再生能源等低碳能源為主的可持續(xù)能源體系轉(zhuǎn)型。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家能源需求已明顯由石油、煤炭轉(zhuǎn)向可再生能源等低碳能源，如德國(guó)能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略明確提出了“太陽(yáng)能和風(fēng)能決定一切”的積極愿景。最近幾年，德國(guó)、丹麥、歐盟和美國(guó)等率先提出了面向2050年的、以可再生能源為主的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略、目標(biāo)、路徑和措施，可再生能源屆時(shí)占一次能源和電力需求的比重分別達(dá)到50%和80%以上。預(yù)計(jì)到2030年太陽(yáng)能將成為主要能源，2050年成為主導(dǎo)能源之一。

2016年1月，國(guó)家能源局就《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃(征求意見(jiàn)稿)》征求意見(jiàn)，提出到2020年非化石能源占能源消費(fèi)總量比例達(dá)到15%，2030年達(dá)到20%。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委公布的《國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃(2014-2020年)》，到2020年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到1億kW，太陽(yáng)能未來(lái)將有更大的發(fā)展空間。

隨著常規(guī)能源向可再生能源轉(zhuǎn)變、集中供能向分布式供能的轉(zhuǎn)變、傳統(tǒng)供能模式與信息化的結(jié)合，建筑作為太陽(yáng)能應(yīng)用的最佳載體，將會(huì)出現(xiàn)多種太陽(yáng)能建筑的創(chuàng)新應(yīng)用模式，例如：

圖11　可再生能源在建筑能耗所占比例“分母分子圖”

1)太陽(yáng)能綜合供能體系。新型城鎮(zhèn)化是未來(lái)10～20年中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要引擎。在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，需建立以綠色、低碳、安全、可持續(xù)為特征的新型供能體系，即以太陽(yáng)能等可再生能源為主，輔之以其他傳統(tǒng)和商品能源綜合供能，如太陽(yáng)能分布式發(fā)電、太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能采暖及制冷、炊事用能等。

2)正能量建筑。建筑用能占到目前全國(guó)基本用能的33%，而電力的2/3為建筑用電，因此，建筑用能的革命是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變最為重要的部分。未來(lái)太陽(yáng)能建筑的發(fā)展目標(biāo)是正能量建筑，建筑材料成為產(chǎn)能部件，建筑成為分布式產(chǎn)能單位。

3)分布式能源建筑。太陽(yáng)能建筑將從單體建筑工程應(yīng)用向城鎮(zhèn)區(qū)域建筑規(guī)模化應(yīng)用發(fā)展。以建筑光伏系統(tǒng)為例，建筑用戶側(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)將向區(qū)域多點(diǎn)并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，建筑設(shè)備供電系統(tǒng)將向DC/DC直流供電系統(tǒng)發(fā)展，建筑光伏系統(tǒng)將向多能互補(bǔ)區(qū)域建筑能源系統(tǒng)發(fā)展；發(fā)展區(qū)域內(nèi)的智能光伏微電網(wǎng)集群系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多接入點(diǎn)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各建筑單體光伏系統(tǒng)所組成的微型電網(wǎng)內(nèi)的互聯(lián)互通。

4)建筑產(chǎn)能構(gòu)件的規(guī)模化應(yīng)用將推動(dòng)太陽(yáng)能利用設(shè)備的家電化。居民像使用家用電器一樣，便捷購(gòu)買、快速安裝、安全使用太陽(yáng)能利用設(shè)備。另一方面，基于大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)，將非常容易實(shí)現(xiàn)CDM、電網(wǎng)與用戶間交易模式，促進(jìn)太陽(yáng)能分布式利用的全民主體地位與交易模式。

2016-04-11

張磊(1972—)，女，碩士，主要從事太陽(yáng)能熱水技術(shù)研究及太陽(yáng)能建筑推廣。leiz@cadg.cn