徐 偉 王 雪

內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

我國每年能耗約占全世界的1/3,其中有45%是建筑能耗[1]，產(chǎn)生17%的CO2排放[2]。建筑是人之生存根本，隨著二次城鎮(zhèn)化時(shí)代的到來，人口逐漸向中心城市轉(zhuǎn)移，建筑的需求量加大，建筑能耗隨之增長。為減輕能源負(fù)擔(dān)，建筑勢必要完成由能源消耗者到生產(chǎn)者的角色轉(zhuǎn)換。隨著太陽能等節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，建筑能耗降低有了新路徑。太陽能資源因具有分布廣泛，輻射量大，清潔可再生的特點(diǎn)，將太陽能技術(shù)與建筑有效結(jié)合是當(dāng)今社會(huì)降低建筑能耗的重要手段。本文從太陽能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用展開敘述，闡明太陽能建筑發(fā)展意義及未來行業(yè)發(fā)展方向。

1 太陽能建筑優(yōu)缺點(diǎn)

太陽能資源清潔、安全、豐富，近年來太陽能利用技術(shù)愈發(fā)成熟，作為實(shí)現(xiàn)低能耗建筑、零能耗建筑可靠的技術(shù)手段之一，其主要提供建筑以電能和熱能。目前，我國建筑總耗電1.4萬億kWh，若能替代建筑總能耗的10%，可節(jié)省煤炭4 000萬t[3]，減少燃煤發(fā)電產(chǎn)生的有害氣體排放?？梢娙舸罅ν茝V太陽能建筑的建設(shè)，可節(jié)省大量的一次性能源，且利用太陽能建筑產(chǎn)生的能量是綠色、清潔的，取之不盡、用之不竭的。

1.1 太陽能建筑優(yōu)勢

1.1.1 不占用土地資源

安裝在房頂或建筑立面的太陽能設(shè)備不占用土地資源，又能與建筑外形通過統(tǒng)一設(shè)計(jì)完美契合，起到裝飾美化作用，尤其是在集合住宅建筑中,可以避免個(gè)體使用者“各自為營”的狀況，達(dá)到建筑技術(shù)與建筑藝術(shù)相輔相成的效果。

1.1.2 減少環(huán)境污染

太陽能建筑在產(chǎn)能過程中是基本無污染的，僅在太陽能設(shè)備生產(chǎn)和回收時(shí)對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，相對于煤炭等一次能源使用時(shí)排放出大量的CO2、SO2等大氣污染物，其具有良好的環(huán)境效益。

1.1.3 減緩電網(wǎng)壓力

建筑采暖、空調(diào)以及通風(fēng)系統(tǒng)耗能約占建筑能耗的50%[4]，太陽能建筑吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能、熱能，可直接用于采暖、空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)省了傳統(tǒng)電力冬夏季在取暖消暑上的消耗。我國在夏季是用電高峰期，同時(shí)，此季節(jié)日照量最大，應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)向建筑物提供電力，發(fā)電高峰恰與午間用電量高峰大致吻合，能在一定程度上緩沖用電高峰。

1.2 太陽能建筑缺點(diǎn)

1.2.1 間歇性

太陽能技術(shù)高度依賴于天氣狀況，這種狀況是間歇性的、不穩(wěn)定的，與波動(dòng)的建筑負(fù)荷不匹配[5]。除去天氣這種不可控的因素之外，地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)會(huì)影響同一地區(qū)在不同季節(jié)接受太陽的輻射量，而且一天24 h中對已有建筑的輻射角度和強(qiáng)度都在不斷變化，這種變化雖然有規(guī)律可循，但卻是在一直影響建筑對太陽能資源的捕獲量，再加上不可預(yù)測的積云量變化，天氣變化的影響，它具有不穩(wěn)定性，存在間歇性。

1.2.2 一體化程度不高

我國相對于其他國家太陽能利用技術(shù)研究較晚，太陽能一體化建筑技術(shù)還不完善。太陽能一體化建筑最理想的狀態(tài)應(yīng)該是集成設(shè)計(jì)，集成制造，集成安裝，具體要求是必須要在設(shè)計(jì)初期的時(shí)候就需要考慮到光伏以及建筑二者的有效結(jié)合。目前，我國還是分散式的裝置較多，一體化技術(shù)大都應(yīng)用于公共建筑中，還未走入尋常百姓家。

1.2.3 前期造價(jià)高

太陽能資源雖然是免費(fèi)的，但前期成本投入較大，設(shè)計(jì)安裝、運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用高，投資回收期長。目前，太陽能建筑在一定程度上還依賴于政府相關(guān)部門的優(yōu)惠政策和補(bǔ)貼來彌補(bǔ)前期經(jīng)濟(jì)性的不足。

2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r對比

在美國，建筑部門能耗幾乎占一次能源的40%，消耗約74%的電力。2018年，美國能源信息署（EIA）估計(jì)，到2050年，商業(yè)建筑部門的用電量預(yù)計(jì)將增加16%，建筑業(yè)的用電量將繼續(xù)增長[6]。美國作為掌握光伏發(fā)展核心技術(shù)的國家，太陽能建筑的發(fā)展極為迅速，且太陽能與建筑有效結(jié)合后用途更加多樣化，在生活用水、采暖、制冷、空調(diào)等方面均發(fā)揮了巨大作用。美國最早探索了太陽能與建筑集成技術(shù)的應(yīng)用，提出了“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，該計(jì)劃是全球第一個(gè)太陽能房頂計(jì)劃。到2010年在100 萬個(gè)屋頂或建筑物其它可能的部位安裝太陽能系統(tǒng)，包括太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能空氣集熱系統(tǒng)。這一計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，使太陽能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，達(dá)到減少溫室氣體排放，擴(kuò)展能源選擇，創(chuàng)造新的高新技術(shù)工作崗位等目的，給美國帶來相當(dāng)可觀的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[6]。2010年，美國參議院能源委員會(huì)又提出了“千萬太陽能屋頂提案”，雖被國會(huì)否決，但有關(guān)太陽能建筑政策越來越完善。而在國際平臺(tái)上，越來越多的發(fā)達(dá)國家進(jìn)入預(yù)制裝配住宅階段，太陽能與建筑的深度集成得到系統(tǒng)性的支撐。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段即將太陽能系統(tǒng)融入建筑系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)整體，一定程度上真正實(shí)現(xiàn)了一體化。

我國太陽能資源豐富，內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、青海和寧夏的風(fēng)能和光伏發(fā)電可開發(fā)量為4 700多個(gè)三峽水電站的年發(fā)電量，開發(fā)利用1/60就可以滿足全國當(dāng)前的電力消費(fèi)需求[7]。僅就光伏建筑舉例，據(jù)《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，至2020年，中國城市中可應(yīng)用的光伏建筑一體化面積為17.9億m2，城市新增光伏建筑應(yīng)用裝機(jī)容量在1 000 萬kW 以上[8]。中國僅在2019年新增光伏裝機(jī)30 GW，遠(yuǎn)超新增裝機(jī)國家排名第二的美國的9.11 GW。截止到2019 年底，全球光伏累計(jì)裝機(jī)國家，中國以205.493 GW 排名第一，超過美國的62.298 GW 三倍有余。我國現(xiàn)有居住面積超600億m2，工業(yè)廠房面積達(dá)200 億m2，每年新增建筑業(yè)面積40 億m2左右，若允許5%的BAPV改造和5%的BIPV建設(shè)，則將節(jié)省相當(dāng)一部分電力。據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，光伏加建筑項(xiàng)目占分布式光伏項(xiàng)目比重為80%左右，總裝機(jī)量超過13 GW。太陽能光伏發(fā)電設(shè)備平均利用時(shí)間達(dá)1 285 h，光伏發(fā)電利用率可達(dá)95%以上。隨著技術(shù)水平的提升，太陽能光伏建筑在未來會(huì)被廣泛應(yīng)用。

3 太陽能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

3.1 太陽能光熱技術(shù)

在古代時(shí)期，我們的先人對太陽能輻射到地表的熱能利用就已經(jīng)駕輕就熟了。而如今，不論是在我國幅員遼闊的農(nóng)村、城鎮(zhèn)地區(qū)，還是在城市人口密集的老舊小區(qū)，都可以看見光熱技術(shù)應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)物——太陽能熱水器。太陽能光熱轉(zhuǎn)化比光電轉(zhuǎn)化技術(shù)更為成熟、應(yīng)用更廣，例如：太陽能熱水器，被動(dòng)式太陽房等。與建筑有效結(jié)合且最普遍的應(yīng)用是太陽能熱水系統(tǒng)。隨著太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)逐漸成熟，該技術(shù)也經(jīng)歷了從農(nóng)村到城市，從零星用戶到大面積住宅，從單一熱水器到整個(gè)熱水系統(tǒng)的質(zhì)變。還可利用光熱技術(shù)發(fā)電，因其技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)電成本較傳統(tǒng)發(fā)電低，且在無光照時(shí)仍可持續(xù)發(fā)電幾個(gè)小時(shí)。按太陽能輻射量到達(dá)地面的多少，可將中國各地劃分為五類地區(qū)，一類地區(qū)年總輻射量可達(dá)五類地區(qū)的兩倍有余，這就造成太陽能熱水系統(tǒng)在資源豐富地區(qū)的使用效率高但供應(yīng)成本較低，在建筑設(shè)計(jì)和制定政策時(shí)要因地制宜。

3.2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

太陽能光伏供電主要可以用來降低電能的消耗，可以與建筑的電力線路、照明線路等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電路的耦合目標(biāo)[9]。建筑光伏系統(tǒng)主要有兩種形式，附加光伏系統(tǒng)和光伏建筑一體化。附加光伏系統(tǒng)是將光伏板直接安裝在現(xiàn)有建筑物的屋頂或者建筑物立面，可靈活布置，是既有建筑節(jié)能改造的重要手段之一。光伏建筑一體化技術(shù)通常將光伏板作為建筑物的一部分構(gòu)件使用。例如：安裝在房頂可作為保溫隔熱層，既對屋面起到保護(hù)作用，又能節(jié)約建筑成本；安裝在建筑立面可作為玻璃幕墻，經(jīng)過技術(shù)處理可起到發(fā)電、裝飾、隔音隔熱、抗風(fēng)抗壓等作用。其主要技術(shù)包括設(shè)計(jì)一體化，施工一體化，相對于附加光伏系統(tǒng)來說實(shí)現(xiàn)難度更高。光伏電池板在投入使用后，可以擁有獨(dú)立的供電系統(tǒng)，也可以并入其它配電網(wǎng)共同配電，但目前大多光伏建筑都擁有獨(dú)立的系統(tǒng)，不與外界電網(wǎng)相關(guān)聯(lián)。建筑物可利用光伏技術(shù)產(chǎn)生的電能節(jié)省一部分傳統(tǒng)電能，此部分電能不用經(jīng)過高壓電網(wǎng)傳輸，隨發(fā)隨用，減少了輸電損耗。光伏建筑應(yīng)用領(lǐng)域并不局限于民用住宅小區(qū)，也適用于其它建筑，如車站、機(jī)場等交通運(yùn)輸建筑，商場、銀行等商業(yè)建筑，因其適用度廣、適配度高的優(yōu)點(diǎn)，在未來的城市建筑中會(huì)得到普及。

4 未來行業(yè)發(fā)展方向預(yù)測

根據(jù)全球太陽能技術(shù)中心轉(zhuǎn)移及核心主題演講，僅2011 年全球太陽能發(fā)明專利就已超18 000條，而技術(shù)中心由美國-日本-中國逐漸轉(zhuǎn)移，21世紀(jì)太陽能建筑發(fā)展看我國。要大力發(fā)展太陽能資源就不能僅局限于單一的太陽能建筑，更要探索太陽能城市建設(shè)，在城市更新、特色小鎮(zhèn)、建筑換裝、老舊小區(qū)改造等方面，探索光伏+城市的發(fā)展方向。從城市到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，從太陽能資源豐富的一類地區(qū)到資源相對稀少的四類地區(qū)，對其進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，分區(qū)利用，做到因區(qū)制宜。我國國土面積廣袤，跨緯度較廣，氣候類型多樣，不僅有濕潤多雨的熱帶季風(fēng)氣候，還有終年低溫的高原氣候，要有針對嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的設(shè)計(jì)，也要有針對夏熱冬暖地區(qū)的設(shè)計(jì)，做到因“氣”制宜，同時(shí)要結(jié)合裝配式技術(shù)、BIM技術(shù)等使之適應(yīng)現(xiàn)代建筑的發(fā)展，還要關(guān)注到城市公共空間利用問題，結(jié)合新能源汽車、移動(dòng)充電設(shè)施、“單體小，總量大”的公交車站、地鐵站等城市設(shè)施，通過設(shè)施與太陽能光伏組件的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)城市空間價(jià)值的最大化，挖掘公共設(shè)施的潛力。

5 結(jié)語

太陽能建筑通過太陽能光熱技術(shù)、光伏電力技術(shù)與建筑的有效結(jié)合，將供給人們免費(fèi)、清潔、取之不盡的能源，符合當(dāng)下全球倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的革新，太陽能建筑的設(shè)計(jì)和建造越來越普及，也被更多的人認(rèn)可。