可再生能源在建筑设计中的利用探微

郑野

摘 要：在建筑高速发展的同时， 近年来我国开始大力推广绿色建筑， 而且新能源技术日趋成熟。我国越来越重视可再生能源在建筑中的利用， 目前建筑可以利用的太阳能技术主要有：太阳能发电技术和太阳能热水技术。本文根据笔者工作实践，以太阳能资源为例，对可再生能源在建筑设计中的利用进行了分析和探讨。

关键词：可再生；能源；建筑设计；太阳能

1 前言

近年来，我国经济发展非常迅速，对能源的需求量巨大，很多城市也逐渐成为典型的能源匮乏城市， 能源供需缺口大。目前， 我国正处于城市化和新型工业化快速发展时期， 建筑能耗呈现快速增长态势。十三五规划明确指出， 加快城市群建设发展， 优化提升东部地区城市群， 建设京津冀、长三角、珠三角世界级城市群， 提升山东半岛、海峡西岸城市群开放竞争水平。城市群的建设， 为我国带来了前所未有的发展机遇， 同时也为能源供应带来巨大的压力[1-3]。因此， 利用太阳能等可再生能源解决建筑的采暖、热水供应、照明等问题， 对替代常规能源， 促进建筑节能具有重要意义， 其在城市群的建设中显得尤为重要与迫切。

2 太阳能资源在建筑中的应用概述

我国共有近600亿平米建筑， 目前城镇化正处在快速发展时期， 每年建成的房屋面积近20亿平米 97%以上都是高能耗建筑， 预计到2020年， 全国高耗能建筑面积将达700亿平米。建筑总耗能占社会总耗能的比重已经从20世纪70年代的10%增加到30%， 预计未来会上升到35%[4]。

3 建筑利用太阳能存在的问题

虽然现在我国开始大面积推广绿色建筑， 但是我国绿色建筑以被动节能为主。近年来， 我国逐步调整能源结构， 降低化石能源比重， 可再生能源在建筑上已经开始应用， 但是依然存在一些问题。建筑利用太阳能的技术主要还停留在利用比较低端的太阳能热水技术；利用太阳能光伏发电也存在很多不合理的情况。另外， 我國新建建筑物增速依然很快， 而且建筑能耗增长的速度远远超过中国能源生产可能增长的速度。人们不仅要积极提高建筑物的能源使用效率， 而且应该深入、合理地应用太阳能技术。这不仅能够缓解国家能源紧缺状况， 还能调节我国的能源结构、保护环境、减少污染、促进国民经济发展[5]。因此， 建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、减排温室气体的重要措施， 符合全球发展趋势。

4 如何在建筑中合理应用可再生能源

中国大部分地区太阳能资源丰富， 我国每年获得的太阳能约为3.6×10J， 相当于1.2万亿t标准煤的热值[5]。约占全国国土面积2/3的地区年平均辐射总量在3 340～8 400 MJ/m， 其年日照时数超过2 200 h， 具有利用太阳能的良好条件。按照辐射量的多少， 可以将我国划分为四个区域， 分别为一类区 （资源丰富区） 、二类区 （资源较丰富区） 、三类区 （资源可利用区） 和四类区 （资源贫乏区） 。太阳能资源的利用也可以分为两类：一是太阳能光伏发电， 即光照在晶体硅上， 根据“光生伏特效应”， 光能直接转化为电能[3]；二是太阳能光热利用， 即直接利用太阳能热辐射， 把太阳能热能转化为建筑热水[1]。根据太阳能热辐射的分布， 一类区和二类区优先考虑在建筑上采用太阳能发电系统， 或者太阳能发电和太阳能热水一体化系统。由于可利用小时数有限， 一般在1 300 h以下， 三类区优先考虑太阳能热水系统， 可以在做充分可行性研究的情况下， 适当在屋面布置太阳能光伏组件。在四类区， 由于热辐射太低， 太阳能光伏和光热的可利用小时数太低， 所以其应该避免应用成本较高的太阳能光伏系统， 可以适当应用成本较低的太阳能热水体统。

目前由于政府的政策导向， 太阳能光伏发电工程在我国进入飞速发展期。同样， 太阳能光伏发电技术也在建筑中得到了大量的应用。太阳能光伏发电建筑从一开始无序发展， 慢慢地发展到现在有条理的发展。

太阳能光伏建筑系统即BMPV （Building Mounted Photovoltaic） ， 可以分为两类：一是太阳能光伏建筑一体化系统， 即BIPV （Building Integrated Photovoltaic） ；二是安装在建筑上的太阳能光伏发电系统， 即BAPV （Building Attached Photovoltaic） 。

太阳能光伏组件可以安装在建筑的屋顶处和建筑外墙处。安装在建筑外墙的太阳能光伏组件， 由于受到朝向和周边建筑物遮挡的原因， 在通常情况下， 发电效率很低， 成本较高。太阳能光伏组件更适合安装在建筑的屋顶上。因此， 塔式高层建筑由于屋面面积和建筑外墙比值较小， 所以不适合安装太阳能光伏组件；而屋面面积和建筑外墙比值较大的建筑、多层住宅， 适合安装太阳能光伏系统。

BIPV即太阳能光伏组件可以直接作为建筑外维护结构构件。BIPV建筑安装光伏组件后， 在同样位置不需要安装其他建筑维护结构构件。常见的BIPV组件形式有光伏幕墙、光伏屋面板。BIPV建筑物能省去光伏系统的支撑结构和其他维护材料， 节约了建筑材料， 非常符合绿色建筑的理念。BIPV建筑组件和建筑可以统一协调设计， 使建筑更为美观， 不让光伏组件显得突兀。但是， BIPV建筑存在很多问题， 最大的问题是光伏组件寿命和建筑寿命不统一。光伏组件寿命一般为25年， 而建筑寿命一般为50年。所以， 在运行期的第26年到第50年， 光伏组件材料的转换效率、材料的耐久性和组件间的密封性能都是不可控的， 如果维修或者更换组件， 对建筑物本体就会带来很大的影响。所以， BIPV建筑不适用于作为住宅类建筑和大型公共建筑的主体建筑维护材料， 其比较实用于一些门式钢架厂房的屋顶、一些大型停车场的屋顶等对使用年限和耐久性等要求不是很高的建筑， 还可应用到一些非主要建筑维护结构件上， 如雨棚、遮阳篷等。

BAPV是二次安装在建筑上的相对独立的光伏组件。BAPV相对于BIPV浪费组件支架材料。BAPV建筑的整体美观性不如BAPV， 但是对BAPV建筑光伏组件维护和更换完全不影响建筑本身。所以， BAPV更适合用在多层住宅建筑和屋顶面积较大的大型公共建筑上。

5 结语

建筑利用可再生能源的普遍化， 已经是一种不可逆转的社会发展趋势。在利用可再生能源时， 人们应该注意其合理性。可再生能源分很多种， 建筑也分很多种， 不是所有建筑都适合利用各种可再生能源。因此， 针对不同的地区和不同种类的建筑， 人们必须选择合适的可再生能源。

（1）在太阳能资源一、二类区， 屋面面积较大的大型公共建筑和多层住宅适合采用BAPV太阳能发电系统和太阳能热水系统； （2）在太阳能资源一、二类区， 轻钢厂房或者仓库适合采用BIPV太阳发电系统； （3）在太阳能资源三类区， 屋面面积较大的大型公共建筑和多层住宅适合采用太阳能热水系统， 如果需太阳能光伏系统， 那么做充分可行性研究， 论证后如果可以采用太阳能光伏发电系统， 那么应采用BAPV太阳能发电系统； （4）在太阳能资源三类区， 轻钢厂房或者仓库适合采用太阳能热水系统， 如果需太阳能光伏系统， 那么做充分可行性研究， 论证后如果可以采用太阳能光伏发电系统， 建议优先采用BIPV太阳能发电系统。

参考文献：

[1] 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2] 任永平，董利科.太阳能光伏与建筑一体化研究[J].新材料产业，2010（2）：34～36.

[3] 吕慧萍.光伏建筑一体化的特点和设计思考[J].浙江建筑，2010（6）：50～52.

[4] 李芳，沈辉，许家瑞.光伏建筑一体化的现状与发展[J].电源技术，2007（8）：659～662.

[5] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2008.