建筑节能领域中的太阳能技术

摘要：在一次性能源日益枯竭的今天，太阳能的应用已经成为国家关注的重点。作为能源消耗的大户，建筑节能技术的发展势在必行，建筑和太阳能技术的结合就为建筑节能技术的发展开辟了一个崭新的途径。

关键词：建筑；节能；一体化；太阳能

中图分类号： TU201.5文献标识码：A

太阳能技术在建筑节能领域中的应用主要的通过太阳能和建筑的一体化的方式实现的。太阳能一体化建筑是当前太阳能利用的发展方向，我们可以利用太阳能的光伏发电技术为建筑物供电，也可以利用太阳能为建筑物提供生活用热水，同时也可以满足夏季空调和冬季采暖的需要。建筑和太阳能技术相结合，不仅节能减排，而且自然环保，可以提供高舒适度却又是低能耗的健康居住环境，符合社会可持续发展的需要，最重要的是，作为一种免费清洁的能源，太阳能具有取之不尽用之不竭的可贵特点，在煤炭、石油、天然气等一次性能源日益枯竭的今天，全球各国都日益重视对太阳能的利用，世界上不少国家都投入巨资研发太阳能技术，经过多年的攻关，已经在太阳能技术方面得到长足的进展，不少太阳能技术已经应用在建筑领域。特别是在日照时间长、阳光充足、空气洁净度高的地区，如果又缺乏电力、煤炭、石油、天然气等其他能源，采用太阳能发电、供暖、制冷尤为有利，也更为现实。太阳能是一种绿色、环保而且能量巨大的一次能源，利用太阳能能真正节约常规能源消耗，减少二氧化碳等有害气体排放的，因此太阳能被广泛应用于人们的日常生产、生活当中。太阳能的利用主要分为光电利用和光热利用两大部分，而太阳能的热利用是目前开发技术最成熟，生产成本最低廉，应用领域最广泛的一种太阳能应用方式。目前，我国太阳能光热利用，无论是年产量，还是保有量都已经排在世界首位，并且还在以每年20%--30%的增长速度不断发展。受很多技术瓶颈的限制，目前太阳能技术在建筑领域的应用还存在投资大，回收年限长等问题。

太阳能在建筑节能领域的核心应用是太阳能建筑一体化技术。太阳能建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合，太阳能设备与建筑同步设计、同步施工、同步验收、同步管理。无论是光热还是光电，都要进过严格详尽的测算，与建筑物的能耗和负载进行匹配。利用太阳能设施代替屋顶覆盖或代替屋顶保温层，可以消除太阳能设施对建筑物形象的影响，又避免了重复投资，降低了建筑成本。

太阳能与建筑一体化技术的特点是把建筑、技术和美学融为一体，把太阳能的利用纳入环境的总体设计，让太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，尽量消除传统太阳能设施的外形结构对建筑的外观形象的影响。太阳能与建筑一体化应用技术可以在建筑设计之初，就将太阳能设施作为建筑的一部分考虑在内，与建筑一同设计，适用于住宅小区、高层楼群、别墅等等各种形式的建筑，如果单台或集体购买再统一安装，可以应用在新建住宅小区和旧房改造。技术上，一般对平屋顶采用覆盖式结构，对斜屋顶采用镶嵌式结构，利用太阳能设施完全取代或部分取代屋顶覆盖层，可减少整个建筑的成本，提高经济效益。太阳能设施与建筑屋顶相结合的方式是目前太阳能与建筑结构相结合应用最广泛的安装形式，不过随着技术的进步，除了屋顶的安装形式以外，太阳能设施还可以与建筑立面的其他结构有机结合，这就是太阳能设施的壁挂式安装方式，这种新型安装形式主要分集中分户式整体壁挂形式和与各种幕墙结构相结合的形式，有效避免了以前的只有屋顶用户可以利用太阳能设施或整个建筑的顶部都无法安装太阳能设施的尴尬局面。

我国太阳能建筑一体化的前景十分广阔，太阳能年日照时数超过 2 200 h 以上的地区约占国土面积的 2/3 以上，我国太阳能资源十分丰富 有着相当广阔的开发利用前景。建筑能耗占我国总能耗的27%左右 ，而在建筑能耗中，空调、供暖和热水占 75%左右。因此，我国建筑领域存在着巨大的节能空间。

建筑节能领域中的太阳能光伏技术

光伏建筑一体化主要是光伏发电系统通过光伏组件用于建筑屋顶（光电屋顶）、墙面（光电幕墙）、遮阳（光电遮阳板）来获取电能的一种方式，其中核心要求是建筑的一体化设计、一体化制造、一体化安装，相关辅助技术包括了低能耗、低成本、优质、绿色的建筑材料的技术。

太阳能光伏发电系统主要是由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、逆变器等设备组成，其各部分设备的作用是：（1）太阳能电池方阵：太阳电池方阵由太阳电池组合板和方阵支架组成。单个太阳电池的电压一般比较低,通常都要把它们串、并联构成有实用价值的太阳电池板,作为一个应用单元,然后根据供电要求,再由多个应用单元的串、并联组成太阳能电池方阵。太阳能电池板的材料目前主要是多晶硅、单晶硅以及非晶硅。太阳能电池板在有光照情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累，形成光电效应，在光电效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,它是能量转换的器件。(2)蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。在太阳能并网发电系统中,也有部分系统不加蓄电池组。（3）控制器：可以对电能进行调节和控制的装置。(4)逆变器:是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的直流电转换成交流电的设备，是光伏并网发电系统的关键部件。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,当负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。逆变器按不同的运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

所以，简单地说，太阳能光伏技术的原理是用安装在建筑物上光伏组件产生直流电源，通过接线盒与逆变器连接，将直流转换成交流，给建筑物负载供电或给建筑物以外其他负荷供电。光伏建筑一体化的发电主要有两种方式，一种是独立的供电系统，即所发电能直接用于建筑物内部分负载，过剩时采取蓄电池储存。该系统分为独立光伏系统、并网光伏系统及混合光伏系统。带有蓄电池的可以独立运行的PV系统是独立光伏系统。并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网馈送电力的光伏发电系统。从技术和市场的角度来看，并网光伏发电系统更有优越性，所以建筑光伏系统的趋势是正在或即将从独立发电系统转向并网发电系统。混合光伏系统是独立发电+并网发电，所以又被称为防灾型光伏系统。

尽管光伏发电系统的最大优势就是能量来源的纯净，二氧化碳的0排放会使得建筑的电力来源极为环保，但运用光伏系统一体化的建筑的初始成本必定高于不使用该系统的建筑，传统的能源系统可能最初比较便宜，不过因为较高的经常性燃料费，长期消耗的费用自然会更高。在光伏发电系统被采用作为建筑的部件，它的经济费用和利益可以被使用者和电力公司分担。对于建筑的拥有者而言，安装和运行系统发电的额外费用可以不必购买电费，甚至可以在电量剩余时，把剩余电量卖给电力公司。因此合理可行的经济性评估自然会成为建筑拥有者下定决心使用该系统的动力。上海世博园中运用了很多太阳能与建筑的一体化设计，未来馆玻璃幕墙上所安装的薄膜太阳能电池板，这种薄膜太阳能电池板的能量光电转化率还很低，仅为5%以下，显然，如果作为商业应用，那么它的建造成本与利用价值将不成正比。国外部分发达国家从20世纪90年代初就开始大力发展太阳能光伏建筑一体化(BIPV)应用研究,但其在我国尚处于起步发展阶段.但我国在这方面的发展非常快速。2009年5月21日,财政部与住房和城乡建设部联合出台的，正式启动了我国的"太阳能屋顶计划".正是因为光伏与建筑系统结合的多种形式及光伏建筑一体化的诸多优点，我们完全可以相信光伏建筑一体化是未来光伏应用中最重要的领域之一,在突破相关技术瓶颈后，其发展前景十分广阔,具有巨大的市场潜力.

建筑节能领域中的太阳能热能技术

建筑节能领域中的太阳能热能技术主要是指太阳能热水技术。1767年瑞士科学家贺瑞斯发明了第一台太阳能集热器，1891年，美国马里兰州的肯普发明了世界上第一台闷晒式太阳热水器，目前，我国太阳能利用集热面积已经居世界第一。太阳能热水器是利用温室原理，将太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种装置。它是由集热器，储热水箱，循环水泵，管道，支架，控制系统及相关附件组成。集热器就是能吸收太阳辐射并向载热工质传递热量的一种装置，是太阳能热水器的关键部件，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。 集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。

太阳能热水系统以太阳能为主要能源，减少了一次性能源的大量消耗，减少了有害气体的排放，也保护了环境不受污染。优先利用来自太阳的免费能源，同时使用部分辅助加热设备，满足用户全年使用生活热水的需求。太阳能热水系统系统衍生出多种结合形式，有太阳能与电辅助结合的，有太阳能与燃气锅炉结合的，还有太阳能与地源热泵等其他节能环保型设备相结合的。尽管用户在投资太阳能设备的一次性投资可能比较大，但通过太阳能与辅助能源相结合系统的使用，用户会明显地感受到这种系统的运行成本非常低，能耗费用远远低于利用常规能源供热的设备。使用数年，用户就可以测算出通过节约常规能耗的费用，与常规供热设备相比，就已经收回太阳能系统的初始投资了，而以后的使用基本上是免费的

建筑节能领域中的其他太阳能技术

建筑节能领域中的其他太阳能技术主要有太阳能供暖技术，太阳能-空气源热泵组合热水供热技术以及太阳能制冷技术。

太阳能供暖技术是太阳供暖系统是太阳热水系统的进一步发展，以太阳能集热器作为能源，替代或部分替代以电力、煤、天然气、石油等作为能源的锅炉。太阳能集热器获取太阳辐射能而转化的热量，通过散热系统送至室内进行采暖；过剩热量储存在储热水箱中内。当太阳能集热器收集的热量小于供暖负荷时，由储存的热量来补充；若储存的热量不足时，由备用的辅助热源提供。采用低温热水地板辐射采暖系统，地板采暖的供水温度一般在60℃以下，特别适合于热源温度低的形式。

太阳能-空气源热泵组合热水供热技术的推出是由于太阳能热水系统具有不连续性和受气象条件的影响大等缺点，太阳能热水供应系统也越来越多的采用原来主要用于采暖空调领域的热泵设备作为辅助热源。技术结合的方式有两种：一种是直接以空气源热泵作为太阳能系统的辅助加热设备；另一种是利用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵的蒸发器的太阳能热泵系统，区别在于后者太阳能利用率更高，但具有不连续，仍然需要其他辅助热源。

太阳能制冷是指利用太阳辐射为驱动力获得制冷效应的能量转换过程，包括有太阳能吸收式制冷、太阳能除湿式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能蒸气喷射式制冷、太阳能热机驱动压缩式制冷以及太阳能光伏制冷等。太阳能单效溴冷机是目前应用最多的太阳能制冷方式，它的构成是：太阳能热水器+热驱动单效制冷剂+控制系统。其技术可实现全年热水+冬季采暖+夏季空调功效，在当前市场上的有较强的竞争力。

结语：建筑节能领域中的太阳能技术的发展日新月异，太阳能与建筑一体化，就是将太阳能的光热利用技术和建筑有机融合，使其成为建筑的有机组成部分，从而降低建筑能耗，达到节能环保的目的。作为新型的清洁能源的利用，太阳能与建筑一体化给了人们很多希望和前景，但现实是太阳能的推广受技术和经济方面的限制受到了很多阻碍，尽管如此，受一次性能源存储量的限制，我们必须寻求其他途径来解决我国的能源问题，利用取之不尽，用之不竭，清洁免费的太阳能是最好的选择。就目前情况而言，我国太阳能建筑的技术和体系没有健全，连完整的设计规范、标准及相关图集也没有编制，也没有建立产品(系统)的检测中心和认证机构，更没有完善的施工验收及维护技术规程。需要我们逐步解决太阳能与建筑一体化技术上的不足与空白。

【参考文献】：

[1]王斯成. 我国光伏发电有关问题研究. 中国能源,2007

[2]高辉.太阳能建筑 建筑设计新领域.建设科技，2006

[3] 罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术.化学工业出版社，2005