1、太阳能建筑一体化的最新进展摘要“太阳能与建筑一体化”己成为我国建筑节能技术领域的重要议题。本篇文章对现阶段国内外太阳能建筑一体化的发展状况做了简单介绍，并对太阳能建筑的分类与组成，太阳能建筑的能量获取技术进行了概要说明。最后着重对最新发展的太阳能热泵技术应用于建筑进行了详细说明，同时阐述了我对太阳能建筑一体化的一些认识。关键词：太阳能建筑一体化 国内外现状 分类与组成 太阳能热泵技术引言人类从星星之火可以燎原的远古洪荒，走到今天科技为主要生产力瞬息万变的新时代，能源是永恒的主题，它是人类生存与发展的重要基础，经济的发展依赖于能源的发展。尤其当今能源问题已经成为全世界共同关注的问题，随着化石能源
2、的逐渐枯竭，自然环境的恶化，人们越来越重视太阳能、风能、生物质能、地热能等新能源的利用。建筑从建材生产、建筑施工直到建筑物的使用无时不在消耗着能源，有关数据表明，我国建筑采暖、空调、通风、照明的能耗占全国总能耗的30%左右。另外，建筑在二氧化碳排放总量中，几乎占到了50%，这一比例远远高于运输和工业领域，对环境造成了极大影响。加上我国建筑业迅速发展，急需在建筑领域开发利用新能源。新能源建筑及其技术的研究将成为建筑界永恒的课题，成为我国建筑节能发展的方向，也是我国生态环境得到改善，社会、经济全面协调发展的必由之路在建筑中主要利用太阳能、风能、生物质能、地热能等新能源代替常规能源，直接与间接或被动
3、、地热能建筑以及综合性新能源建筑等。而世界上最大的、可供利用的再生能源莫过于太阳能，所以将太阳能应用于建筑一体化将会有很大的发展利用空间。所 谓 太 阳 能 与 建 筑 一 体 化 是 将 太 阳 能 利 用 设 施 与 建筑 有 机 结 合 ， 利 用 太 阳 能 集 热 器 替 代 屋 顶 覆 盖 层 或 替 代 屋 顶 保 温 层 ， 既 消 除了 太 阳 能 对 建 筑 物 形 象 的 影 响 ， 又 避 免 了 重 复 投 资 ， 降 低 了 成 本 。 太 阳 能 与建 筑 一 体 化 是 未 来 太 阳 能 技 术 发 展 的 方 向 。 太阳能建筑一体化的与主动地为建筑物提供采
4、暖、热水、空调、照明、通风、动力等一系列功能，以满足（或部分满足）人们生活和生产需要的建筑可称为新能源建筑。太阳能建筑一体化国内外发展现况国内发展现状及国家政策性的导向在前不久于昆明召开的亚太太阳能建筑系统技术研究应用研讨会上，来自印度、韩国、泰国、菲律宾等国及中国部分省份的科研人士，围绕太阳能与建筑一体化展开讨论。有关负责人在研讨会上表示，太阳能作为取之不尽的新能源，是现在和未来能源开发利用的重点，而建筑业一直都是耗能大户。“在能源危机和环境污染的双重压力下，为适应对人居环境的可持续发展，顺应世界低碳经济发展趋势，发展太阳能建筑一体化无疑是建筑业与科技有机结合、实现节能降耗的一种积极的解决方
5、案和发展方向。”中国作为太阳能产业大国，正加快推进太阳能建筑一体化建设。2006 年以来，随着中国可再生能源法施行，太阳能在建筑中的应用逐渐走上法制化、规范化道路。全国先后确定4 批共计363 个可再生资源建筑应用示范推广项目，进一步推进可再生资源特别是太阳能在建筑中的规模化应用。目前，中国正积极致力于从被动式太阳房技术和产品向主动式太阳能建筑、太阳能光伏与建筑一体化等方面的工作。此外，中国与亚太地区国家都有着丰富的太阳能资源，加强区域合作、推进技术共享和转移，大力发展太阳能建筑一体化技术和产品，是各国促进建筑节能降耗、发展低碳经济、实现经济社会可持续发展的共同选择。 我国太阳能资源十分丰富，
6、有着相当广阔的开发利用前景。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。目前，我国太阳能利用集热面积居世界第一。工业、交通、建筑是我国消耗能源最多的3 个领域。据粗略估计，建筑能耗占我国总能耗的27%。在建筑能耗中，空调、供暖和热水占75%。此外，我国正处于城市化进程之中，每年有1 500 万人进城，城乡新建房屋建筑面积近20 亿m2。因此，我国建筑领域存在着巨大的节能空间。一边是数量富、成本低廉的太阳能资源，一边是亟待降低的建筑领域能耗，太阳能技术与建相结合被专家称为“天仙配”，在建筑节能已成为我国节能战略必然选择的今天，太阳能与建筑一体化推广势在必行。国外发
7、展概况美国太阳能建筑的发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的科学研究、优化设计，还是太阳能应用材料、太阳能房屋相关部件结构的产品开发应用，以及真正形成商业运作的房地产开发，美国均处于世界领先地位，并在国内形成了完整的太阳能建筑产业化体系。美国是全球能量消耗最大的国家，国会先后通过了“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”和“节约能源房屋建筑法规”等鼓励新能源利用的法律法规。在经济上也采取有效措施，不仅在太阳能利用科学研究方面投入大量经费，而且由国会通过一项对太阳能系统买方减税的优惠办法。因此，美国太阳能建筑的发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的科学研究、优化设计，还是太阳能应用材料、太阳能房屋相关部件结构的
8、产品开发应用，以及真正形成商业运作的房地产开发，美国均处于世界领先地位，并在国内形成了完整的太阳能建筑产业化体系。美国于20 世纪80 年代初就由新墨西哥洲的洛斯阿拉莫斯科学实验室编制出版了被动式太阳房设计手册。此外，美国还出版了许多被动式太阳房建筑图集，既有成功的设计实例介绍，也有对太阳房原理、构造的详细说明。比较著名的示范建筑有：位于新墨西哥州圣塔菲的圣塔菲太阳房；位于新泽西州普林斯顿的凯尔布住宅；位于加利福尼亚州阿塔斯卡德洛的阿塔斯卡德洛住宅，位于新墨西哥州科拉尔斯的贝尔住宅；以及位于新墨西哥州科拉尔斯的戴维斯住宅。这些建筑采用壁炉或电散热器作辅助热源，但太阳能供暖率均在75%以上，有的
9、已达到100%，例如位于加利福尼亚州阿塔斯卡德洛的阿塔斯卡德洛住宅。为了减少能耗，降低污染、调整能源结构，实现环境保护的可持续发展，美国对太阳能作了积极的探索，其中“百万太阳能屋顶计划”就是规模最大、涉及部分最多、已实现的项目计划。这一计划的实施，到2010 年在100 万个屋顶或建筑物其他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，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。到2010 年末，百万屋顶计划已生产相当于2- 3 个燃煤发电厂的电力
10、，不仅满足建筑物自身的电力需求，而且有的地方已经在出售由太阳能所产生的电力。作为全球第二大经济体，日本是世界上主要能源消耗大国，而且其能源严重依赖进口。但是近年来日本节能技术使能源利用效率大幅提高，新能源开发利用出现倍增趋势。日本在主动式太阳能房的研究应用领域也处于世界领先。1974 年日本通产省制定了“阳光计划”，并按此计划建造出了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，如矢崎实验太阳房。而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直发展很快，并已应用于很多大型建筑物上。在太阳能利用领域，日本居民光伏屋顶系统到2010 年底，总计安装482 万千瓦。在日本，普通的居住小区对节能十分重视，太阳能利用相当普遍
11、。对居住小区的节能工作由日本建设省颁布建筑规范做了明确的规定。在建筑物的保暖节能方面，规范中对建筑物的围墙结构、分层厚度及选用保温材料等均作出具体的规定。在节电方面，日本居住小区中比较普遍地应用太阳能。通过屋顶吸光板高效率地采集太阳能，通过自身的太阳能电池自动控制系统，根据室内房间需要，自动地向室内输入热（冷）风同时可以供应热水。居住小区的太阳能利用不仅可以节省电能，还可以改善、保护和优化环境，是一种新的绿色能源，也是小区建设中符合可持续性发展节能的一个方向，因此备受日本政府的重视。德国十分重视太阳能在建筑上的利用，建筑设计师在设计中将建筑物设计成曲尺型，主要房间都朝南，屋顶和窗户采用透明的保
12、温材料吸收太阳能。德国建筑学家设计制造成功一种向日葵式的太阳能旋转房屋。它装有如同雷达一样的红外线跟踪器，只要天一亮，房屋的自动控制马达就开始启动，使房屋迎着太阳缓慢转动，始终与太阳保持最佳角度，使阳光最大限度地照进屋内。夜间，房屋又在不知不觉中慢慢复位。这种建筑能够充分利用太阳能，保证房屋的日常供热和用电，又能将光能和热能储存起来，供阴雨天和夜晚使用。法国国家实用技术研究所最近发明了一种建筑外墙玻璃，可以同时起到太阳能热水器的作用这一研究成果非常适合目前法国提倡的建筑节能要求。法国政府通过改善房屋结构和利用自然能源，达到节省电能和保护环境的目的。利用太阳能加热热水是法国政府重点支持的建筑节能
13、技术之一。此外，英国、澳大利亚等发达国家也拥有当先进的太阳能建筑应用技术。最后值得一提的是近几年来在发达国家处于领先水平的“零能耗房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、环保，它代表了21 世纪太阳能建筑的发展趋势。由于许多国家的政府（如美国、德国）都制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20%的计划，相信这种“零能耗房屋”将会有良好的发展前景。太阳能一体化建筑的分类与组成太阳能建筑可分为被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑。被动式太阳能建筑是直接利用太阳能量充分为建筑空间集热、采光、通风等。主动式太阳能建筑是间接利用太阳能量，通过设备进行光伏发电
14、为建筑空间照明、采暖、通风、制冷，提供太阳能热水及太阳能空调等。建筑获取的技术，按照获取方式可分为直接获取技术、间接获取技术和混合式技术。无论利用哪种技术，都有5个基本要素：采光面或收集器、热吸收装置、蓄热材料、输送系统和控制装置。图1 被动式太阳能利用的5种基本要素Fig.1 The five elements of using passive solar energy建筑中太阳能的获取技术 （一）直接获取技术利用南向大面积窗户，冬季白天使大量阳光透入，夜间则用专用的保温窗帘或保温板遮挡窗口。室内地面需要用蓄热能力强的材料，如砖、石或混凝土等做成。需要根据采暖计算所需蓄热材料的面积和厚度，窗
15、户、高侧窗和天窗成为日光进入的直接途径，这个特性需要考虑到太阳能作为热源时阳光的易变性(特别是多云天气时)和玻璃窗的热稳定性。在寒冷时段的气候条件下可以将窗户开在南向，让光线直射，并有蓄热储备，其热阻等于或大于双层玻璃，为了尽量减少热桥效应和冷风渗透，必须慎重考虑接缝处构造和窗框材料，采用常规设施采暖的地方，热控制设施应该放置于窗的外侧,这对窗户而言是有利的能量平衡条件。（二）间接获取技术通过集热蓄热墙、双层呼吸式玻璃幕墙、使用透明隔热材料的墙体等将热量传入室内。其中集热蓄热墙有太阳能透射墙和水墙两种类型。白天在蓄热墙的玻璃面一侧吸热，利用厚墙体的传热时间滞后，在夜间从室内一侧表面散热。为了加
16、快早晨室温升高，在墙体的上部和下部设有进出的风口。白天墙体外表面吸收太阳的辐射热后通过导热将热量传至内表面，向室内散发；在玻璃与蓄热墙间的空气被蓄热墙体外表面加热后，热空气通过墙体上风口送入室内，室内冷空气则通过下风口进入空气间层，形成向室内连续送热风的对流循环；夜间则关闭上、下通风口，停止工作。（三）混合式技术通过附加阳光间式、蓄热屋顶式和对流环路式等方式获取太阳能。附加阳光间即在主体房间南侧附设与之相连的阳光间。阳光间不但有很大的窗口，而且其地面也做成蓄热体，夜间用保温窗。将阳光间与主体房间隔开。为防止阳光间夏季过热，在窗上方应有可调节的排气孔和遮阳设备。蓄热屋顶式又称屋顶池式，兼有冬季采
17、暖和夏季降温的双重功能，屋顶主要由作为蓄热体的装满水的密封袋和在其下的金属薄板顶棚既定不可移动的保温盖板组成。对流环路式，指借助冷空气自身所形成的热压差来实现热量从集热器(如太真空集热管)到主体房间的循环流动，一般是指利用附加在南向的空气集热器向房间供热。主动式太阳能建筑技术是指利用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、蓄存及输配太阳能并让建筑获取的技术及太阳能设施、设备与建筑一体化技术。主要利用太阳能提供热水、室内采暖、对通风空气进行预热、室内降温(较为少见)以及除湿(与干燥剂合用)等。太阳墙采暖新风技术是近年来采用的一种新型的主动式太阳能建筑技术，太阳墙系统由集热和气流输送两部分系统
18、组成，房间是蓄热器。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距由计算决定，一般在200 mm 左右，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于传输空腔内的空气。图2 太阳墙工作原理示意图Fig.2 The work schematic diagram of sun wall目前随着太阳能热水器和太阳能光伏电板的广泛使用，太阳能设施、设备与建筑一体化技术成为了热点问题，这些装置与建筑构造以及最佳集热角度一起考虑(见图3)，不仅可以获得最佳集热效果，使建筑立面造型更加美观，同时又与建筑完美结合构成了独
19、特的建筑风格造型，具有观赏性。太阳能建筑一体化的一种新技术应用热泵技术热泵技术就是能有效地降低常规能源能耗, 提高其(主要指电能) 利用率的建筑节能新技术, 是便于在太阳能建筑一体化的实施中综合利用太阳能、地热能、风能 等绿色能源及其复合系统, 全面解决建筑物供热、采暖、制冷空调等能耗问题的建筑节能新技术。“太阳能供热制冷技术开发与示范” 中的太阳能供热制冷技术， 实际上就包含热泵技术。因它的运用还有利于废热余热的回收利用, 减少大气污染和CO的排放,所以, 热泵技术是符合环境保护要求的可持续发展的节能新技术。热泵的原理与节能特性热泵的构造、原理与制冷装置相同, 它们都是在一定的能量补偿条件下
20、将低温位热源的热量送到高温位的热源中去, 所依据的热力学原理完全相同, 但因其使用目的不同, 它们工作的温度范围也不同而己。如图1 所示, 制冷装置是消耗了电能从被冷却物体处取出热量并维持这个低温源来实现供冷, 而热泵则是消耗电能, 将低温位(环境) 的热量连同压缩机工作消耗的机械功转换成的热量一起送到高温位热源来实现供。制热冷机工作时的下限温度是制冷温度(或被冷却物体的温度) T d , 上限是自然环境(空气, 水等) 的温度TT 几; 而热泵工作的下限温度是自然环境(水, 空气等) 的温度T而上限温度是供热要求温度, 即制热温度T , 且T g T。热泵技术与建筑节能建筑能耗主要是以采暖和
21、空调为主, 要减少建筑能耗在国家总能耗中所占的比例, 就是要尽可能地利用大自然中蕴藏着的低温热能太阳能、风能地热能等可再生能源和节能热泵技术, 替代常规能源一电能和炭、石油等矿物能, 满足建筑物的采暖和空调要求。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。热泵技术使机组在夏季以制冷机模式运行, 副产品是热水, 可兼顾沐浴和其他生活用热水; 在冬季以热泵供热的模式运行, 所产60 左右热水可供沐浴用, 也可作为采暖空调的热源。若热泵机组在夏季也以热泵供热的模式运行, 除产60 左右热水可供沐浴用之外, 还可得到较冷空气或近冰点的冷水, 作为空调制冷的冷源。这样一机多用, 灵活方便
22、, 一套系统可以代替原来的电锅炉和制冷机两套装置。而且系统紧凑, 省去了锅炉房和冷却塔, 节省了初投资, 也节省了建筑空间。所以, 根据不同地区的建筑在不同季节的不同要求, 因地制宜地综合利用太阳能、地热能和周围环境中的低温热能等可再生能源, 采用少量电能这种清洁能源驱动压缩机工作, 为建筑物供热和空调制冷。既满足了建筑能耗的要求, 又避免了供暖和空调造成的大气污染问题。所以, 热泵技术是符合环保要求的可持续发展的节能新技术。太阳能热泵技术太阳能热泵即是将空气热源改为太阳能热源, 利用热泵直接收集或间接利用太阳能的装置, 根据太阳能利用的方式可分为直接蒸发式太阳能热泵和采取太阳能制取的热水作为
23、低温热源的水源热泵，直接蒸发式太阳能热泵是将热泵机组的蒸发器做成太阳集热器, 则蒸发器也就成为“热源” , 太阳集热器源源不断地收集到太阳辐射能的低温热能约 1 至 30 , 它直接作用于蒸发器中流动的工质一热媒, 使其迅速蒸发汽化, 通过热泵机组压缩机的作用, 在冷凝端可使冷凝水的温度达到 60 左右, 作为采暖的热源和供热水之用。这种系统由于集热温度低,即使一层普通玻璃盖板的涂有黑漆的集热器, 集热效率也可达70 %左右甚至不用玻璃亦可以, 集热板涂成与建筑屋顶协调的其它颜色也可以(不一定涂成黑色), 所以, 比太阳热水器更能适应建筑美学的要求, 且集热成本很低。太阳集热器(即热泵的蒸发器
24、) 可以做成建筑物的一个零部件, 南向放置在建筑的坡屋面上; 亦可以挂在室外墙壁上或阳台、过道等空气流通处; 不一定象太阳集热器那样非要南向放置。因为热泵机组可以直接收集太阳能, 亦可通过环境气温来间接地吸收太阳能(环境气温与太阳辐射强度是密切相关的 )冷凝器可以是放在水箱里的热交换器, 起到加热水的作用。采取太阳能制取的热水作为低温热源的水源热泵。这种情况实际上系指热泵与太阳热水器的复合装置, 采用单纯太阳能供热, 由于太阳能受昼夜、气候影响的间断性, 尤其是阴天, 利用太阳能直接采暖是很困难的。如果采用太阳能热水与水源热泵的复合装置系统时。它不仅可以提高供热介质的温度, 再设有储热水箱(起
25、蓄热器作用)还可延长采暖时间(在夜间或阴雨天没有太阳直接辐射能时都能采暖)使热泵运行工况趋于稳定。太阳能热泵既能够提供生活用热水, 又能兼顾采暖和制冷空调, 可以是整体式的, 亦可以是分体式的, 形式多样, 安装灵活。便于在太阳能建筑一体化上的安装和太阳能在建筑上的综合利用。主要参考文献：【1】 任乃鑫,蒋文杰 解析新能源建筑及其技术(沈阳建筑大学建筑与规划学院，沈阳110168) 【2】 庄宇(1),张秀丽(2) 国外太阳能建筑发展现状（辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000 2、阜新市四合镇人民政府,辽宁阜新123000）【3】 李军凯（1）,范亚云（2）热泵技术在太阳能建筑一体化中的应用与研究(l云南省太阳能协会; 2 云南师范大学太阳能研究所昆明, 6 5 0 09 2)【4】党生翠 太阳建筑一体化前景广阔 （经济日报）【5】文月 “热水+热能”升级太阳能建筑一体化应用（中国建设报/2011 年/9 月/26 日/第007 版新型能源）
