太陽能建筑發(fā)展研究探析

徐 偉 王 雪

內蒙古科技大學土木工程學院

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)化時代的到來，人口逐漸向中心城市轉移，建筑的需求量加大，建筑能耗隨之增長。為減輕能源負擔，建筑勢必要完成由能源消耗者到生產(chǎn)者的角色轉換。隨著太陽能等節(jié)能技術的發(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，將太陽能技術與建筑有效結合是當今社會降低建筑能耗的重要手段。本文從太陽能技術發(fā)展及應用展開敘述，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

太陽能資源清潔、安全、豐富，近年來太陽能利用技術愈發(fā)成熟，作為實現(xiàn)低能耗建筑、零能耗建筑可靠的技術手段之一，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。可見若大力推廣太陽能建筑的建設，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備不占用土地資源，又能與建筑外形通過統(tǒng)一設計完美契合，起到裝飾美化作用，尤其是在集合住宅建筑中,可以避免個體使用者“各自為營”的狀況，達到建筑技術與建筑藝術相輔相成的效果。

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，僅在太陽能設備生產(chǎn)和回收時對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，相對于煤炭等一次能源使用時排放出大量的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、空調以及通風系統(tǒng)耗能約占建筑能耗的50%[4]，太陽能建筑吸收太陽能轉化為電能、熱能，可直接用于采暖、空調系統(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，此季節(jié)日照量最大，應用太陽能光伏系統(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

1.2.1 間歇性

太陽能技術高度依賴于天氣狀況，這種狀況是間歇性的、不穩(wěn)定的，與波動的建筑負荷不匹配[5]。除去天氣這種不可控的因素之外，地球的自轉與公轉會影響同一地區(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研究較晚，太陽能一體化建筑技術還不完善。太陽能一體化建筑最理想的狀態(tài)應該是集成設計，集成制造，集成安裝，具體要求是必須要在設計初期的時候就需要考慮到光伏以及建筑二者的有效結合。目前，我國還是分散式的裝置較多，一體化技術大都應用于公共建筑中，還未走入尋常百姓家。

1.2.3 前期造價高

太陽能資源雖然是免費的，但前期成本投入較大，設計安裝、運營維護費用高，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部門的優(yōu)惠政策和補貼來彌補前期經(jīng)濟性的不足。

2 國內外發(fā)展狀況對比

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，到2050年，商業(yè)建筑部門的用電量預計將增加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合后用途更加多樣化，在生活用水、采暖、制冷、空調等方面均發(fā)揮了巨大作用。美國最早探索了太陽能與建筑集成技術的應用，提出了“百萬太陽能屋頂計劃”，該計劃是全球第一個太陽能房頂計劃。到2010年在100 萬個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)。這一計劃的實現(xiàn)，使太陽能技術的應用進一步擴大，達到減少溫室氣體排放，擴展能源選擇，創(chuàng)造新的高新技術工作崗位等目的，給美國帶來相當可觀的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益[6]。2010年，美國參議院能源委員會又提出了“千萬太陽能屋頂提案”，雖被國會否決，但有關太陽能建筑政策越來越完善。而在國際平臺上，越來越多的發(fā)達國家進入預制裝配住宅階段，太陽能與建筑的深度集成得到系統(tǒng)性的支撐。在規(guī)劃設計階段即將太陽能系統(tǒng)融入建筑系統(tǒng)成為一個有機整體，一定程度上真正實現(xiàn)了一體化。

我國太陽能資源豐富，內蒙古、新疆、甘肅、青海和寧夏的風能和光伏發(fā)電可開發(fā)量為4 700多個三峽水電站的年發(fā)電量，開發(fā)利用1/60就可以滿足全國當前的電力消費需求[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用裝機容量在1 000 萬kW 以上[8]。中國僅在2019年新增光伏裝機30 GW，遠超新增裝機國家排名第二的美國的9.11 GW。截止到2019 年底，全球光伏累計裝機國家，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，則將節(jié)省相當一部分電力。據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，光伏加建筑項目占分布式光伏項目比重為80%左右，總裝機量超過13 GW。太陽能光伏發(fā)電設備平均利用時間達1 285 h，光伏發(fā)電利用率可達95%以上。隨著技術水平的提升，太陽能光伏建筑在未來會被廣泛應用。

3 太陽能技術在建筑中的應用

3.1 太陽能光熱技術

在古代時期，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應用最廣泛的產(chǎn)物——太陽能熱水器。太陽能光熱轉化比光電轉化技術更為成熟、應用更廣，例如：太陽能熱水器，被動式太陽房等。與建筑有效結合且最普遍的應用是太陽能熱水系統(tǒng)。隨著太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化技術逐漸成熟，該技術也經(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熱水系統(tǒng)的質變。還可利用光熱技術發(fā)電，因其技術優(yōu)勢，發(fā)電成本較傳統(tǒng)發(fā)電低，且在無光照時仍可持續(xù)發(fā)電幾個小時。按太陽能輻射量到達地面的多少，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成本較低，在建筑設計和制定政策時要因地制宜。

3.2 太陽能光伏發(fā)電技術

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、照明線路等進行綜合設計，實現(xiàn)電路的耦合目標[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通常將光伏板作為建筑物的一部分構件使用。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)過技術處理可起到發(fā)電、裝飾、隔音隔熱、抗風抗壓等作用。其主要技術包括設計一體化，施工一體化，相對于附加光伏系統(tǒng)來說實現(xiàn)難度更高。光伏電池板在投入使用后，可以擁有獨立的供電系統(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立的系統(tǒng)，不與外界電網(wǎng)相關聯(lián)。建筑物可利用光伏技術產(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。光伏建筑應用領域并不局限于民用住宅小區(qū)，也適用于其它建筑，如車站、機場等交通運輸建筑，商場、銀行等商業(yè)建筑，因其適用度廣、適配度高的優(yōu)點，在未來的城市建筑中會得到普及。

4 未來行業(yè)發(fā)展方向預測

根據(jù)全球太陽能技術中心轉移及核心主題演講，僅2011 年全球太陽能發(fā)明專利就已超18 000條，而技術中心由美國-日本-中國逐漸轉移，21世紀太陽能建筑發(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，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氣候，還有終年低溫的高原氣候，要有針對嚴寒、寒冷地區(qū)的設計，也要有針對夏熱冬暖地區(qū)的設計，做到因“氣”制宜，同時要結合裝配式技術、BIM技術等使之適應現(xiàn)代建筑的發(fā)展，還要關注到城市公共空間利用問題，結合新能源汽車、移動充電設施、“單體小，總量大”的公交車站、地鐵站等城市設施，通過設施與太陽能光伏組件的有機結合，實現(xiàn)城市空間價值的最大化，挖掘公共設施的潛力。

5 結語

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