太陽能建筑的應用技術與發展

付靜

【摘 要】本文分析了太陽能建筑的應用背景，介紹了國內外太陽能技術在建筑中應用現狀，并重點介紹了太陽能光熱作用和光電作用在建筑中的應用研究現狀，最后提出了太陽能建筑應用技術的發展方向。

【關鍵詞】太陽能建筑;應用技術;發展方向

中圖分類號： TU18 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0168-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.073

【Abstract】This paper analyses the application background of solar energy buildings， introduces the application status of solar energy technology in buildings at home and abroad， and focuses on the application status of solar photothermal and photoelectric effects in buildings， and finally puts forward the development direction of solar energy building application technology.

【Key words】Development direction; Solar building; Application technology

1 太陽能應用的背景

進入21世紀，人類面臨的最大的生存危機是能源危機。常規能源（石油和煤炭）等礦物燃料，燃燒時產生大量的二氧化碳，嚴重破壞生態環境。而且這些能源的儲備量正在快速地減少。對于新能源的利用和技術的改進已成為各國政府、特別是發達國家的重要戰略國策。

在重多新能源中，由于太陽能具有清潔、無污染、永不枯竭的優點，它的利用不但可以減少對常規能源的消耗，而且可以降低二氧化碳的排放、保護環境，因此在建筑中受到了人們越來越多的關注。經過數十年的研究和開發，太陽能在建筑中的利用已取得顯著成果并轉化為生產力。

2 國內外太陽能建筑的發展現狀

2.1 國外太陽能發展現狀

歐洲在過去的幾十年里，太陽能產業發展較快。2007年歐洲總太陽能產熱量為48TJ，總太陽能發電量為2517GWh.歐洲國家積極推動建筑太陽能技術的發展，主要技術類型有太陽能熱利用技術和太陽能發電技術。歐洲國家的太陽能應用技術水平走在了世界的前列。

美國現在已將光伏板直接嵌入屋頂和外墻，實現了光伏建筑一體化。

亞洲太陽能技術成熟地區主要集中在日韓等經濟條件發達的國家。以日本為例，日本在20世紀90年代初在太陽能光伏發電方面取得了巨大的成功，是世界上光伏發電最大的市場之一。90%的太陽能光伏發電系統為屋頂并網系統。

2.2 國內太陽能建筑的發展現狀

我們國家也大力倡導太陽能與建筑相結合的建筑一體化。全國太陽能熱利用面積已經達到15.2億m2以上，光伏建筑應用也已經達到1376.4MW，一部分已經能替代常規能源，成為我國節約一次性能源使用，減少溫室氣體排放、保護大氣環境的重要技術手段。

3 太陽能在建筑中的應用技術

太陽能在建筑中的應用主要可分為光熱應用、光電作用和光化學應用。但是光化學作用目前應用不多，因此，下面我們分別介紹太陽能的光熱作用和光電作用在建筑上的應用。

3.1 太陽能光熱作用在建筑中的應用

太陽能光熱作用在建筑中的應用按照有無機械動力可分為主動式和被動式兩大類。沒有機械動力稱為被動式建筑，反之則為主動式建筑。

3.1.1 被動式太陽房的采暖方式主要有以下幾種

（1）直接受益式（如圖1所示）：這是太陽能采暖最常見的方法，就是讓太陽光穿過窗戶直接照進來。室內的地面、墻面選用蓄熱能力強的材料，室內的熱量經對流和輻射的方式逐漸地將室內空間加熱。這種太陽能采暖方式最直接、簡單、效率也較高。

（2）集熱墻式（如圖2所示）：集熱墻式就是在玻璃窗的后面建一道重型結構墻，而且在墻外表面涂有吸收率高的涂層，頂部和底部分別開有通風孔。這種形式的太陽房在供熱機理是：太陽光穿過透光材料照射集熱蓄熱墻，墻外表面溫度升高，加熱夾層內的空氣，熱空氣自然上升，流入室內，冷空氣從室內經下面的孔流入夾層，形成自然對流。而且墻體吸收輻射后通過傳導、輻射方式直接向室內傳遞熱量。在夜間需要關閉上下風口，防止逆循環。

（3）附加陽光間式（如圖3所示）：在房屋主體南面附加一個玻璃溫室，讓溫室里的熱空氣來加熱相鄰的房間，在同時起到減少房間的熱量損失的作用。而且附加陽光間因為有一定的空間，所以有實用功能，可以做為生活空間，養花養草、娛樂休息。

3.1.2 主動式太陽房的采暖方式主要有以下幾種應用：

（1）太陽能熱水器的應用

太陽能熱水器是利用溫室原理，將太陽輻射能轉變為熱能，并向冷水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種系統。太陽能熱水系統由集熱器、蓄熱水箱等相關附件組成。

我國第一臺太陽能熱水器是1958年由北京市建筑設計院研制開發，用于北京天河農場的公共浴室。目前我國國產的太陽能熱水器已經占居了我國的太陽熱水器市場，如：皇明、太陽雨等，還出口國外，質量上已經達到國際先進水平。但是長期以來，太陽能熱水器一直是房屋建成后由用戶購買安裝，而目前高屋建筑校多，很多建筑是無法安裝太陽能熱水器的，因此國家發改委、建設部提出將太陽能熱水器與建筑結合的理念，而且近幾年也取得了一些實質性的進展。如圖4所示，將太陽能集熱系統安裝于陽臺或直立墻面上，與建筑完美結合，解決了高層、多層建筑安裝太陽能熱水。

（2）太陽能供熱系統

近幾年，太陽能供熱系統在國內的應用逐漸增多，國內一些研究單位、高校、企業相繼開展太陽能采暖相關研究工作。目前，研究熱點主要集中在這幾個方面：太陽能采暖系統模型及模擬研究及設計軟件的開發;太陽能采暖的適用性、節能及經濟性的評價與分析;系統優化的研究。

（3）太陽能制冷系統

太陽能制冷主要可以通過光—熱和光—電轉換兩種途徑實現。光—熱轉換制冷是指太陽能通過太陽能集熱器轉化為熱能，根據所得到的不同熱能品位，驅動不同的熱力機械制冷。光—電轉換制冷是指太陽能通過光伏發電轉化為電力，然后通過常規的蒸汽壓縮制冷，半導體熱電制冷或斯特林循環等方式來實現制冷。太陽能制冷技術應用的市場條件目前仍不成熟，處于示范工程階段。

3.2 太陽能光電作用在建筑中的應用

太陽能光伏發電系統就是用太陽能電池作為電源為建筑供電。太陽能電池的特性：在光的照射下，內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光電效應。

單體太陽電池——太陽電池的最基本單元，是產生電壓和電流的基本材料。每個硅電池片的輸出電壓約為0.5V，輸出功率1～3W不等。邊長在2～10厘米之間。

太陽電池組件或稱光伏組件——由于電池片易損壞、電壓低，為了保護電池片和提高工作電壓，出廠前還需要對電池片進行連線焊接和封裝，以組裝成由多個電池片串聯而成的“太陽電池組件”，組件是構成最小實用型功率系統的基本單元。目前，每個太陽電池組件的輸出電壓大約17.5V左右，輸出功率在40W～200W之間不等。

光伏方陣——在光伏發電系統中，將多個太陽電池組件組裝在一起，其功率應滿足系統負載的需要，這樣的發電裝置集合體稱為“光伏方陣”在大型光伏發電站里，為了便于安裝和進行能量處理，可以將規模過大的方陣分成多個較小的“子方陣”。方陣規模可以小至只有一個組件，用于并網的方陣可以大到上十萬個組件。

世界第一塊單晶硅太陽電池是在1954做成的，光電轉換效率僅為6%的，開創了光伏發電的新紀元。現在的多晶硅太陽能電池的轉換效率最高可以達到24%。

我國從1958年起進行光伏器件研究。70年代中后期，自制光伏航標燈、太陽燈塔、氣象及通訊用光伏電源。中國光伏產業現在已經成為世界第一的光伏組件生產國和出口國。預計光伏發電將在本世紀中期為人類提供30%左右的電力，成為重要的戰略替代能源。

4 太陽能建筑應用案例

圖5為2010年第四屆世界太陽城大會主會場—日月壇·微排大廈。該大廈位置在山東德州，號稱“全球最大太陽能辦公大樓”，造型上也挺獨特的，日月這樣一個效果，它最大的亮點就是太陽能的利用。中國就是因為這個公司的存在，中國現在也被認為是太陽能利用最長的國家，這個大樓首創性的實現了太陽能熱水供應，采暖，制冷，光伏并網發電等技術與建筑的完美結合，整體節能88%，遠遠超于國家公共建筑節能50%的標準，每年節約標準煤2640噸、節電660萬度，減少污染物排放8672.4噸。被認為是“全球最大太陽能辦公大樓”，是太陽能綜合利用技術與建筑節能技術結合的典范工程。

4.1 太陽能制冷、采暖、熱水系統

日月壇微排大廈太陽能集熱器的安裝面積為5000平方米，夏季用于吸收式太陽能空調制冷機組用熱，冬季用于采暖。春秋季產生的熱水除滿足生活熱水用熱外，采用跨季節蓄熱的方式蓄存并用于冬季采暖。

4.2 光電遮陽

樓體的立面裝有可調式太陽光電遮陽裝置，通過角度調節，夏季遮陽，冬季透光使光電板一年四季都在最佳角度下運行，提高了轉換率。

5 太陽能建筑的應用技術展望

近年來，我國綠色建筑得到長足發展，隨著綠色建筑理念的進一步普及，各地大力推動綠色建筑的發展，綠色建筑標識評價工作獲得了較大進展。截止到2012年底，全國獲得綠色建筑評價標識的項目742個，總建筑面積達到7584萬平米。

2013年1月1日，國務院辦公廳1號文件轉發的《綠色建筑行動方案》提出，“十三五”期間要完成新建綠色建筑10億平方米，到2015年末，20%的城鎮新建建筑達到綠色建筑標準要求。2013年4月，住房和城鄉建設部公布了《“十三五”綠色建筑和綠色生態城區發展規劃》。《規劃》提出，將引導商業房地產開發項目執行綠色建筑標準，鼓勵房地產開發企業建設綠色住宅小區，2015年起直轄市及東部沿海省市城鎮的新建房地產項目力爭50%以上達到綠色建筑標準。

中國產業調研網發布的2015-2020年中國綠色建筑行業現狀調研分析及發展趨勢研究報告認為：作為耗能大戶之一，中國建筑業任重道遠，發展綠色建筑已成為時代發展的必然趨勢。隨著我國相關標準制定工作的推進，還將會陸續產生綠色醫院、綠色賓館、綠色辦公等細化的專項綠色建筑標識。隨著各級政府推進綠色建筑行業開展而不斷出臺激勵政策，我國綠色建筑會實現更加深入和廣闊的發展。

太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30%以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上;到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發電將占總電力的20%以上;到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80%以上，太陽能發電將占到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。

【參考文獻】

[1]郝國強，李紅波，陳鳴波.光伏建筑一體化（BIPV）并網電站的應用與發展;“上海節能”2006年.

[2]張拓，衣建全 楊小天;太陽能光伏發電在我國建筑設計中的應用現狀及其重要意義;“吉林建筑工程學院學報”Vol.30 No.5.

[3]揚立權，王琪，劉姍姍;太陽能采暖系統應用現狀與發展;“農業與技術”Vol.36 No.01.

[4]肖瀟，李德英;太陽能光伏建筑一體化應用現狀及發展趨勢;“節能”2010年第2期.

[5]徐偉，鄭瑞澄，路賓， 2009，中國太陽能建筑應 用發展研究報告，中國建筑工業出版社，北京.

[6]鄭瑞澄，路賓，李忠，何濤，2012，太陽能供熱 采暖工程應用技術手冊，中國s建筑工業出版社，北京.

[7]國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心（北京）， 北京平谷區農民住宅太陽能供熱采暖系統檢測報告.

[8]王長貴.開發利用新能源和可再生能源的重大意義[J]. 太陽能，2000（4）：6-7.

[9]國家發展和改革委員會. 可再生能源發展“十二五”規劃[Z].2013;

[10]張彧，李小燕.光伏建筑一體化（ BIPV） 的形式及其應用[A].中國建筑學會建筑物理分會城市與建筑遺產保護教育部重點實驗室.2010 年建筑環境科學與技術國際學術會議論文集[C].南京： 東南大學出版社，2010.