太陽能建筑的發展與實踐

太陽能建筑的發展與實踐

太陽能建筑在中國已經歷了幾十年的發展。最初的太陽能建筑為我國五六十年代的太陽房，主要采用被動技術，通過被動設計滿足人們的基本需求�，F在，太陽能技術除被動技術外，還發展了主動技術，這主要表現在太陽能光熱利用和太陽能光電利用兩個方面。光熱利用主要是用于采暖和制冷，根據利用溫度的高低分為高溫利用、中溫利用和低溫利用。工程供熱主要是太陽能高溫利用，日常的生活熱水供應主要是低溫利用。太陽能光電技術主要是利用單晶硅或多晶硅將光能轉化為電能，一般用于航天飛機、空間站或邊遠地區。太陽能建筑的光電利用，主要是用來實現太陽能照明。

　　太陽能光熱技術在中國的應用非常廣泛，具有良好的產業化和商業化基礎。而太陽能光電技術，由于其較高的成本，還未像光熱那么普及。下面按照時間和技術的更新將太陽能建筑劃分為3個階段，并結合實例加以介紹。第一代太陽能建筑建于2002年，已運行3年多，總體運行很好，我們從中積累了大量數據；第二代為超級節能示范樓，2005年建成，用于接待VIP客人的客房，大量應用了太陽能和其它新能源；第三代太陽能建筑剛剛起步，在建中的皇明太陽能新總部大樓可以視為這一代的代表。

　　一、第一代太陽能建筑—初具雛形

　　2002年在山東德州的皇明科技園區，矗立起一棟棟外形獨特的太陽能建筑，這是中國現代太陽能建筑發展的雛形。也正是從這里開始，太陽能從單純的生活熱水利用逐步發展成為綠色生態建筑中重要的組成部分。

　　太陽能的有效利用需要與系統的建筑節能設計、先進的建筑節能技術和節能產品等優化組合，才能實現建筑耗能的結構調整，提高利用太陽能的保證率，為住宅提供采暖、制冷和生活用水，營造低能耗、高舒適、健康的居住環境，實現可再生能源的高效利用。在一個四面透風的建筑中利用太陽能是毫無意義的。

　　太陽能熱水系統在這代建筑中處于核心地位，通過在房屋的屋面和立面安裝排放整齊的太陽能集熱器，為建筑提供熱水和采暖。在這代建筑中，還采用了太陽能遮陽、太陽能除濕空調以及太陽能游泳池等技術。其中，太陽能涼亭，太陽能水幕噴泉和太陽能墻等產品，由于同時具備了美觀性與藝術性，收到了節能與美觀的雙重效果。

　　太陽能墻可以使一整面墻吸收太陽熱能，從而形成一個巨大的吸熱器，成為冬季重要的熱源。太陽墻由西山墻上大量的真空管組成，夏季將熱量送到假山下的鵝卵石進行蓄熱，冬季再將這些熱能送入室內進行采暖。

　　太陽能涼亭兼具功能性和藝術性，既可以生產熱水又可以產生電能，夏季還可以納涼休閑，三位功能一體化。

　　二、第二代太陽能建筑—綜合利用

　　在第一代太陽能建筑的基礎上，第二代太陽能建筑在設計上提出了：天地結合互補，開源節流并重的理念。所謂天與地的結合就是既應用天上的太陽能，同時也應用地下的地熱能，即土壤源。通過綜合使用可再生能源，減少傳統能源的消耗。開源指的是盡量利用太陽能等可再生能源，節流就是做好建筑的維護結構，最大限度地減少建筑能量的負荷。

　　這代建筑的能源供給來自于三個方面：太陽能光熱系統、太陽能光電系統和地源熱泵輔助系統。其中太陽能光熱系統提供生活熱水和采暖，太陽能光伏發電用于生活用電和設備用能，當其不足時，系統將自動切換至城市電網。

　　在外墻保溫措施方面，通過利用曲板屋頂夏季防曬、合理的防熱橋設計、外卷簾遮陽系統、屋面外墻隔熱等措施，使建筑具有極好的保溫隔熱能力，這使太陽能供暖制冷的效率大大提高，其在能耗中所占的比例也大大增加。

　　在這代建筑中，更加注重除太陽能系統外的一些節能技術和手段的利用，如太陽能預處理和置換式新風送風系統利用及建筑智能控制系統的利用。智能控制系統可以保證建筑物不同人群或功能區對新風量和對溫度的不同需要，從而最大限度地滿足使用要求、最高效利用能源；在室外地下埋風道，利用土壤中的熱能對新風進行冬季預熱、夏季預冷處理，并結合置換式新風送風系統對回風中的熱能回收，使送入建筑內的新風更舒適。

　　皇明公司2004年開始建造的“超級節能示范樓”就是這代太陽能建筑的代表。該建筑的總建筑節能率在90%以上。以下為該超級節能示范樓的一些主要特點及所采用的技術：

　�。�1）超級外墻/屋面隔熱系統：外墻K<0.3W/m2.K，屋面K<0.2W/m2.K；

　�。�2）外窗隔熱系統：K<1.5W/m2.K；

　�。�3）卷簾外遮陽系統；

　　（4）低溫輻射地板采暖/制冷系統；

（5）新風預處理系統；

　�。�6）綠色照明和光導管技術；

　�。�7）能量儲存和回收系統；

　　（8）智能建筑控制系統；

　　另外，此建筑也更加注重了太陽能技術與建筑藝術的結合，不僅在功能上滿足人們的需求，還從建筑美學的角度迎合了人們的美學需要。如：太陽能飄板集熱器、跟蹤式光電圓盤系統、遮陽電池板等。

　　集熱管鑲嵌在波浪型的屋頂飄板上，既造型美觀又有實用功能；雙軸自動跟蹤光電圓盤系統具有更高的光電轉換功能；具有遮陽功能電池板陣列在夏季具有明顯的遮陽功能，有利于降低夏季室內制冷的負荷。

　　三、第三代太陽能建筑——科技創新

　　第三代太陽能建筑在二代的基礎上，加強了對一些關鍵技術的突破，如高性能維護結構的使用和先進的蓄能方法等。目前這類建筑在國內尚屬起步階段，不少科研機構和設計機構正在研究探索�；拭魈�陽能正在建設的總部大樓是這一代的代表。

　　該建筑是為2010年在德州舉辦世界太陽城而準備的，建筑面積5萬m2，集熱器的面積為5000m2.目前在世界范圍內，這個項目的太陽能利用是最到位的，具體表現在：利用被動技術，實現主體建筑的自然通風和采光；良好的外維護結構，使采暖和制冷的負荷控制在每平方米30W；高效節能的熱交換新風系統，節能效率達到65%～70%；能源梯級利用。利用地板采暖或制冷的回水，為空氣進行預熱處理。在實現可再生能源利用的最大化方面主要表現在：生活熱水和游泳館的利用達到100%；采暖達到60%～70%；太陽能與吸收式熱泵相結合進行制冷，達到40%.從各方面的數據來看，都達到了很高的水平。

　　在設計過程中，應用了國際上流行的“能量平衡三重法”作為指導原則，即：盡量減少建筑能源需求；盡量提升可再生能源提供率以及盡量提高傳統能源使用效率。此方法已經被廣泛應用于不同國家和地區的綠色節能建筑中，并取得了很好的效果。

　　在建筑主體方面，采用了自然通風及采光技術、良好的外圍護結構、高效節能的熱交換新風系統以及能源梯級利用。

　　太陽能的利用上，其在生活熱水的供應、太陽能泳池和太陽能采暖系統中都得到了充分的利用，同時將太陽能與吸收式熱泵相結合實現了制冷的需求。

　　其他節能技術的應用，該建筑利用太陽能結合滯水層跨季節蓄能技術，實現了太陽能春、夏、秋季的跨季節蓄能，達到四季用能平衡，實現太陽能等可再生能源利用率的最大化。滯水層系統是利用沙、砂礫熱容量大，穩定性好的特點，用地下水進行跨季節蓄能的一項新技術。通過在滯水層設置蓄能井（冷井和熱井）、室內終端設備和太陽能收集器儲存能量。這樣，從每年4月份到10月份，就可以把冬天貯存的冷量由冷井中提取出來，直接供給建筑物的制冷空調使用，同時把太陽能收集器所獲得的熱量注入到熱井中，從11月份到第二年的3月份，把夏天貯存在熱井中的熱能提出來，直接作為建筑物內采暖使用，把供暖回水經過風冷后注入到冷井中。系統就這樣循環運行。利用該技術直接提供制冷和供暖，提供率可達30% 。

　　在圍護結構上，建筑采用了高效節能的溫屏玻璃，具有隔熱，隔音和防霜露三大特點。

　　另外，在該建筑中也應用了新的被稱之為BIPV的光電結構，該產品是我們國內自行開發生產出來的一種新產品。歸納其特點如下：

　　特色“美”——彰顯建筑與環境之美。光伏與建筑一體化的突破性技術，能夠實現與建筑的完美結合，可用于制作窗戶、瓦等建筑用品，既可作為窗戶采光用，又可用于發電，實用與環保一舉兩得，還可根據需要透過一定比例的光線，能夠刻上各種標識及圖案，讓建筑更美；

　　“大”突破——可制造全玻璃幕墻的“光伏大廈”。最大功率躍升至600W，可以將組件做到更大的尺寸，使透明電池組件大規模應用于高層建筑物成為可能，鍍膜、焊接、封邊3個關鍵環節均為自有知識產權的核心技術；

　　“高”性能——超一流的技術指標。按國際標準設計，并經過充分的試驗論證，確保組件的高質量、高性能，采用優質單晶硅太陽電池，轉換效率高、機械強度高，能經受運輸、安裝和使用過程中的沖擊、震動和其他應力，并具有優良的防腐、防風、防水和防雹能力。

　　第三代太陽能建筑的發展已經擴展到不局限于利用太陽能，而是從建筑的各個方面出發，實現開源節流，降低建筑的能耗、提高可再生能源的利用（不局限于太陽能，包括利用風能、地熱能、生物質能等），向著真正的綠色建筑邁進。

　　我們有理由相信，隨著該領域研究的不斷發展，節能方式的不斷完善，太陽能建筑必將會有一個美好的未來，早日實現建造“雙零建筑”（零能耗、零排放）的目標。

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