太阳能建筑发展研究探析

徐 伟 王 雪

内蒙古科技大学土木工程学院

0 引言

我国每年能耗约占全世界的1/3,其中有45%是建筑能耗[1]，产生17%的CO2排放[2]。建筑是人之生存根本，随着二次城镇化时代的到来，人口逐渐向中心城市转移，建筑的需求量加大，建筑能耗随之增长。为减轻能源负担，建筑势必要完成由能源消耗者到生产者的角色转换。随着太阳能等节能技术的发展，建筑能耗降低有了新路径。太阳能资源因具有分布广泛，辐射量大，清洁可再生的特点，将太阳能技术与建筑有效结合是当今社会降低建筑能耗的重要手段。本文从太阳能技术发展及应用展开叙述，阐明太阳能建筑发展意义及未来行业发展方向。

1 太阳能建筑优缺点

太阳能资源清洁、安全、丰富，近年来太阳能利用技术愈发成熟，作为实现低能耗建筑、零能耗建筑可靠的技术手段之一，其主要提供建筑以电能和热能。目前，我国建筑总耗电1.4万亿kWh，若能替代建筑总能耗的10%，可节省煤炭4 000万t[3]，减少燃煤发电产生的有害气体排放。可见若大力推广太阳能建筑的建设，可节省大量的一次性能源，且利用太阳能建筑产生的能量是绿色、清洁的，取之不尽、用之不竭的。

1.1 太阳能建筑优势

1.1.1 不占用土地资源

安装在房顶或建筑立面的太阳能设备不占用土地资源，又能与建筑外形通过统一设计完美契合，起到装饰美化作用，尤其是在集合住宅建筑中,可以避免个体使用者“各自为营”的状况，达到建筑技术与建筑艺术相辅相成的效果。

1.1.2 减少环境污染

太阳能建筑在产能过程中是基本无污染的，仅在太阳能设备生产和回收时对环境产生不利影响，相对于煤炭等一次能源使用时排放出大量的CO2、SO2等大气污染物，其具有良好的环境效益。

1.1.3 减缓电网压力

建筑采暖、空调以及通风系统耗能约占建筑能耗的50%[4]，太阳能建筑吸收太阳能转化为电能、热能，可直接用于采暖、空调系统，节省了传统电力冬夏季在取暖消暑上的消耗。我国在夏季是用电高峰期，同时，此季节日照量最大，应用太阳能光伏系统向建筑物提供电力，发电高峰恰与午间用电量高峰大致吻合，能在一定程度上缓冲用电高峰。

1.2 太阳能建筑缺点

1.2.1 间歇性

太阳能技术高度依赖于天气状况，这种状况是间歇性的、不稳定的，与波动的建筑负荷不匹配[5]。除去天气这种不可控的因素之外，地球的自转与公转会影响同一地区在不同季节接受太阳的辐射量，而且一天24 h中对已有建筑的辐射角度和强度都在不断变化，这种变化虽然有规律可循，但却是在一直影响建筑对太阳能资源的捕获量，再加上不可预测的积云量变化，天气变化的影响，它具有不稳定性，存在间歇性。

1.2.2 一体化程度不高

我国相对于其他国家太阳能利用技术研究较晚，太阳能一体化建筑技术还不完善。太阳能一体化建筑最理想的状态应该是集成设计，集成制造，集成安装，具体要求是必须要在设计初期的时候就需要考虑到光伏以及建筑二者的有效结合。目前，我国还是分散式的装置较多，一体化技术大都应用于公共建筑中，还未走入寻常百姓家。

1.2.3 前期造价高

太阳能资源虽然是免费的，但前期成本投入较大，设计安装、运营维护费用高，投资回收期长。目前，太阳能建筑在一定程度上还依赖于政府相关部门的优惠政策和补贴来弥补前期经济性的不足。

2 国内外发展状况对比

在美国，建筑部门能耗几乎占一次能源的40%，消耗约74%的电力。2018年，美国能源信息署（EIA）估计，到2050年，商业建筑部门的用电量预计将增加16%，建筑业的用电量将继续增长[6]。美国作为掌握光伏发展核心技术的国家，太阳能建筑的发展极为迅速，且太阳能与建筑有效结合后用途更加多样化，在生活用水、采暖、制冷、空调等方面均发挥了巨大作用。美国最早探索了太阳能与建筑集成技术的应用，提出了“百万太阳能屋顶计划”，该计划是全球第一个太阳能房顶计划。到2010年在100 万个屋顶或建筑物其它可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。这一计划的实现，使太阳能技术的应用进一步扩大，达到减少温室气体排放，扩展能源选择，创造新的高新技术工作岗位等目的，给美国带来相当可观的环境效益和经济效益[6]。2010年，美国参议院能源委员会又提出了“千万太阳能屋顶提案”，虽被国会否决，但有关太阳能建筑政策越来越完善。而在国际平台上，越来越多的发达国家进入预制装配住宅阶段，太阳能与建筑的深度集成得到系统性的支撑。在规划设计阶段即将太阳能系统融入建筑系统成为一个有机整体，一定程度上真正实现了一体化。

我国太阳能资源丰富，内蒙古、新疆、甘肃、青海和宁夏的风能和光伏发电可开发量为4 700多个三峡水电站的年发电量，开发利用1/60就可以满足全国当前的电力消费需求[7]。仅就光伏建筑举例，据《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，至2020年，中国城市中可应用的光伏建筑一体化面积为17.9亿m2，城市新增光伏建筑应用装机容量在1 000 万kW 以上[8]。中国仅在2019年新增光伏装机30 GW，远超新增装机国家排名第二的美国的9.11 GW。截止到2019 年底，全球光伏累计装机国家，中国以205.493 GW 排名第一，超过美国的62.298 GW 三倍有余。我国现有居住面积超600亿m2，工业厂房面积达200 亿m2，每年新增建筑业面积40 亿m2左右，若允许5%的BAPV改造和5%的BIPV建设，则将节省相当一部分电力。据中国光伏行业协会统计，光伏加建筑项目占分布式光伏项目比重为80%左右，总装机量超过13 GW。太阳能光伏发电设备平均利用时间达1 285 h，光伏发电利用率可达95%以上。随着技术水平的提升，太阳能光伏建筑在未来会被广泛应用。

3 太阳能技术在建筑中的应用

3.1 太阳能光热技术

在古代时期，我们的先人对太阳能辐射到地表的热能利用就已经驾轻就熟了。而如今，不论是在我国幅员辽阔的农村、城镇地区，还是在城市人口密集的老旧小区，都可以看见光热技术应用最广泛的产物——太阳能热水器。太阳能光热转化比光电转化技术更为成熟、应用更广，例如：太阳能热水器，被动式太阳房等。与建筑有效结合且最普遍的应用是太阳能热水系统。随着太阳能热水系统与建筑一体化技术逐渐成熟，该技术也经历了从农村到城市，从零星用户到大面积住宅，从单一热水器到整个热水系统的质变。还可利用光热技术发电，因其技术优势，发电成本较传统发电低，且在无光照时仍可持续发电几个小时。按太阳能辐射量到达地面的多少，可将中国各地划分为五类地区，一类地区年总辐射量可达五类地区的两倍有余，这就造成太阳能热水系统在资源丰富地区的使用效率高但供应成本较低，在建筑设计和制定政策时要因地制宜。

3.2 太阳能光伏发电技术

太阳能光伏供电主要可以用来降低电能的消耗，可以与建筑的电力线路、照明线路等进行综合设计，实现电路的耦合目标[9]。建筑光伏系统主要有两种形式，附加光伏系统和光伏建筑一体化。附加光伏系统是将光伏板直接安装在现有建筑物的屋顶或者建筑物立面，可灵活布置，是既有建筑节能改造的重要手段之一。光伏建筑一体化技术通常将光伏板作为建筑物的一部分构件使用。例如：安装在房顶可作为保温隔热层，既对屋面起到保护作用，又能节约建筑成本；安装在建筑立面可作为玻璃幕墙，经过技术处理可起到发电、装饰、隔音隔热、抗风抗压等作用。其主要技术包括设计一体化，施工一体化，相对于附加光伏系统来说实现难度更高。光伏电池板在投入使用后，可以拥有独立的供电系统，也可以并入其它配电网共同配电，但目前大多光伏建筑都拥有独立的系统，不与外界电网相关联。建筑物可利用光伏技术产生的电能节省一部分传统电能，此部分电能不用经过高压电网传输，随发随用，减少了输电损耗。光伏建筑应用领域并不局限于民用住宅小区，也适用于其它建筑，如车站、机场等交通运输建筑，商场、银行等商业建筑，因其适用度广、适配度高的优点，在未来的城市建筑中会得到普及。

4 未来行业发展方向预测

根据全球太阳能技术中心转移及核心主题演讲，仅2011 年全球太阳能发明专利就已超18 000条，而技术中心由美国-日本-中国逐渐转移，21世纪太阳能建筑发展看我国。要大力发展太阳能资源就不能仅局限于单一的太阳能建筑，更要探索太阳能城市建设，在城市更新、特色小镇、建筑换装、老旧小区改造等方面，探索光伏+城市的发展方向。从城市到乡镇，从太阳能资源丰富的一类地区到资源相对稀少的四类地区，对其进行统筹规划，分区利用，做到因区制宜。我国国土面积广袤，跨纬度较广，气候类型多样，不仅有湿润多雨的热带季风气候，还有终年低温的高原气候，要有针对严寒、寒冷地区的设计，也要有针对夏热冬暖地区的设计，做到因“气”制宜，同时要结合装配式技术、BIM技术等使之适应现代建筑的发展，还要关注到城市公共空间利用问题，结合新能源汽车、移动充电设施、“单体小，总量大”的公交车站、地铁站等城市设施，通过设施与太阳能光伏组件的有机结合，实现城市空间价值的最大化，挖掘公共设施的潜力。

5 结语

太阳能建筑通过太阳能光热技术、光伏电力技术与建筑的有效结合，将供给人们免费、清洁、取之不尽的能源，符合当下全球倡导的可持续发展理念。随着太阳能产业的发展和技术的革新，太阳能建筑的设计和建造越来越普及，也被更多的人认可。