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勢，介紹了太陽能建筑的優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，絕大多數地區都有非常充足的太陽能資源，太陽能在我國有巨大的開發應用潛能。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一規劃、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，充分發揮太陽能的環保節能作用。在建筑進行規劃設計時，要綜合考慮建筑所處的地理緯度和氣候特點，太陽能系統的不同類型、技術要求、建筑造型、平面功能、構造節點等因素，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、采暖系統、光伏系統都有利用，且利用方式各具特色。

2.1太陽能熱水系統

太陽能熱水系統是由太陽能集熱元件、蓄熱容器、控制系統及完善的管道保溫、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，穩定地提供熱水供人們使用。根據加熱循環方式太陽能在建筑設計中的熱水系統主要有自然循環式、強制循環式。①自然循環式：是運用太陽輻射產生的密度差引發水流的自然流動因其不需要循環水，維護簡單，利用廣泛。②強制循環式：是通過設定溫度值，然后根據控制溫度值的高低，利用循環水泵來強制循環太陽能熱水。

2.2太陽能采暖系統

太陽能采暖系統按采暖的方式不同可分為主動式采暖系統、被動式采暖系統。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、供熱系統常設計成集中式。其優點是可以使建筑室內保持穩定、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由送熱方式對建筑采暖。

2.3太陽能光伏系統

建筑光伏系統，是光伏發電應用的一個新概念，就是指太陽能光伏發電陣列安裝在建筑的采光外面來提供電力。這種系統有諸多優點，如有效利用建筑外表面、無須額外用地或者加建其他設施、節約外飾材料。緩解電力需求、降低夏季空調負荷、改善室內環境溫度等。太陽能光伏系統按接入公共電網的方式可分為獨立運行系統和并網運行系統兩種類型。

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——電轉化技術變為電能；夜間將白天接收的太陽輻射能通過電——光轉化技術變為光能。該幕墻的特點是能源自給自足，最大限度地節約了能源。

3.2采用太陽能熱水系統的建筑

某軍區在北京的建筑采用太陽能熱水系統（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、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的建筑

北京平谷區農村住宅太陽能與建筑一體化采暖熱水系統工程（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供給居民采暖和生活熱水。每套系統形式均為強制循環直接式系統，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、晝夜及天氣陰晴云雨的影響，并且太陽能熱水系統的日常運行及換季、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，造成漏水現象。

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

太陽能熱泵采暖系統在住宅建筑中主要存在的問題：

①在夜晚和雨雪天氣里，該系統無法提供熱能來源，導致系統無法工作。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）規劃部門要在規劃條件、設計方案審查、規劃核實等環節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的工程，嚴格實施專家論證制度，并加強對太陽能熱水系統應用的指導和工程質量監督；房產部門要規范太陽能熱水系統的維護管理。工程建設各方要切實將太陽能熱水系統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的要求落在實處。新建的小區需要建筑師、開發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。可以減少成本，提高效益，造福于廣大居民。

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

（5）加大研發力度，研發出性能優越，款式優美，價格適中的產品，能與城市景觀融為一體，滿足消費者需求。

6結束語

新能源的開發與利用仍然作為我國節能減排、保護環境的一項重要任務。太陽能的發展也起了至關重要的作用，太陽能建筑具有顯著的優勢及特點，具有良好的發展前景，而它在建筑方面的合理利用也為太陽能的發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，只有不斷地發現與探索，才能改進其缺點，進一步對其設計進行優化。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，促進可再生能源發展，真正做到建設資源節約型、環境友好型社會。節約能源、保護環境，我們任重道遠，通過不斷地學習與探究，為建筑太陽能的發展貢獻自己的一份綿薄之力。

參考文獻

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