太陽能建筑一體化技術村鎮(zhèn)建筑應用調(diào)查研究

同濟大學 李崢嶸 李 星 李 鵬

0 前言

隨著建設社會主義新農(nóng)村進程的推進與村鎮(zhèn)居民收入水平的提高（圖1），村鎮(zhèn)建筑面積逐年增加，居民居住、生活和消費習慣也在發(fā)生著改變，由此導致能源供應模式和消費水平進入新的歷史階段。村鎮(zhèn)建筑商品能源供應量增加（圖2），用能經(jīng)濟成本與社會成本對能源、資源和環(huán)境必將產(chǎn)生巨大的影響。如果傳統(tǒng)商品能源的消耗可以被太陽能等可再生能源部分替代，則可在一定程度上緩解現(xiàn)階段能源緊張的局面。而太陽能建筑一體化技術在城市居住建筑中應用較多，在村鎮(zhèn)建筑中應用還處于起步階段。為此，作者在上海市、山東省和福建省的村鎮(zhèn)隨機選擇住戶走訪調(diào)研，對村鎮(zhèn)居民用能現(xiàn)狀與太陽能利用狀態(tài)進行分析，為新農(nóng)村規(guī)劃建設和太陽能建筑一體化技術推廣應用提供參考。

1 建筑概況與用能現(xiàn)狀分析

在山東、上海、福建三個省份的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟水平和當?shù)刭Y源直接影響了村鎮(zhèn)居民的居住條件、用能方式和生活熱水的使用。從經(jīng)濟不發(fā)達到較發(fā)達，村鎮(zhèn)居民的建筑形式在逐漸改變，住宅面積在逐漸擴大，用能方式也由煤炭、秸稈向較為方便清潔的燃氣、電能和太陽能轉(zhuǎn)變，用能開支也相對增加。

經(jīng)濟水平較為落后的地區(qū)，村鎮(zhèn)居民仍住在建造時間較早的老宅中（圖3），居住較為分散，房屋多為自行設計和組織施工，平面布置大多照搬或模仿，造型單調(diào)，院落布置凌亂。而且，人均建筑面積較小，家用電器種類較少，生活用能以煤炭和秸稈為主、燃氣和電能為輔，熱水使用較少，年用電和用水費用較低。有些村落由于地理位置偏僻，引用自來水費用高，仍自打井水作為生活用水，政府對用水安全的監(jiān)管、宣傳力度不夠，農(nóng)民用水安全意識較為淡薄，井遮蓋設施簡陋，經(jīng)常有生活垃圾飄到井中，水質(zhì)得不到保障，同時也是對自然資源的浪費。

經(jīng)濟水平較發(fā)達的地區(qū)，村鎮(zhèn)居民大部分住進了新宅（圖4）。新宅以集中住宅小區(qū)為主，在建造之前有詳細的規(guī)劃和設計，不僅注重住宅的方便實用性，還考慮住宅與自然的和諧及文化內(nèi)涵，院落布置較為規(guī)整，人均建筑面積較大，家用電器種類較為齊全。遮陽通風措施、雙層玻璃、鍍膜玻璃等建筑節(jié)能技術也有一定范圍的使用。用能以方便潔凈的燃氣、電能和太陽能為主，用能結構中商品能比例較高，生活熱水除用于洗澡還用于日常洗刷。年用能、用電、用水開支較高。

在福建省的一些村落，當?shù)厮Y源較為豐富，在村鎮(zhèn)政府的指引下，建造了一些小型水力發(fā)電站（圖5），因而當?shù)仉妰r較低，村鎮(zhèn)居民使用電能較多，這在一定程度上影響當?shù)鼐用裼媚芙Y構和用能開支。

2 太陽能熱水系統(tǒng)使用現(xiàn)狀分析

表1 太陽能熱水系統(tǒng)使用統(tǒng)計表

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前村鎮(zhèn)居民使用的太陽能熱水器主要為平板式、真空管式和悶曬式三種（表1所示）。悶曬式太陽能熱水器（圖6）主要是一個黑色塑料制成的長方形水袋或水桶，一般放置在屋頂或者雨篷等陽光充足的地方。早晨的時候人工把水灌入，在夏季日照比較充足的情況下，經(jīng)過一天的悶曬，晚上水溫一般能達到50°C左右，適當兌些涼水即可滿足一家人洗澡所需。悶曬式太陽能熱水器價格在15-50元不等，便宜而使用方便，對水質(zhì)要求不高，在村鎮(zhèn)居民中受到普遍歡迎。但這種熱水器只能在6-10月使用，容易受到天氣變化影響，保溫效果差，熱損失較大。部分居民在使用太陽能熱水器之后，洗澡次數(shù)變多、時間變長，這也在一定程度上改善了村鎮(zhèn)居民的生活衛(wèi)生習慣，提升了生活質(zhì)量。

太陽能熱水器的使用，不僅滿足村鎮(zhèn)居民洗澡熱水的生活需要，還解決日常洗刷等生活用熱水的難題。隨著煤炭、石油、天然氣傳統(tǒng)能源價格的持續(xù)走高，村鎮(zhèn)居民能源消耗成本不斷加大，增加的生活成本難以消化。使用太陽能熱水器得到健康、廉價的熱水，不僅改善村鎮(zhèn)居民的生活質(zhì)量，也降低能源消耗成本，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)效益，這對提升生活質(zhì)量、改善村容村貌、促進鄉(xiāng)村文明都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

然而，由于村鎮(zhèn)居民收入水平較低，選擇的太陽能熱水器以當?shù)匦」S產(chǎn)品為主，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證。大部分太陽能熱水器只滿足春夏秋三季使用要求或者僅能在夏季使用，只有少部分滿足全年使用要求。在不能滿足使用要求的冬季，大部分村鎮(zhèn)居民選擇到公共浴室，或自己在家燒熱水，洗澡次數(shù)大大減少。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，太陽能熱水器安裝隨意，由此導致故障率高，有近70%使用太陽能的居民維修過，基本每年維修一次，每次維修費用幾十元到幾百元不等。這在一定程度上影響了太陽能熱水器在村鎮(zhèn)建筑中的推廣發(fā)展。此外，村鎮(zhèn)建筑中太陽能熱水器只是建筑完工后購買的附屬產(chǎn)品，布置雜亂無序，嚴重影響建筑的整體美觀與村鎮(zhèn)風貌。因此，村鎮(zhèn)建筑中推廣太陽能建筑一體化技術具有美學與實用的雙重價值。

3 太陽能建筑一體化技術在村鎮(zhèn)建筑中推廣應用前景分析

3.1 太陽能建筑一體化技術在村鎮(zhèn)建筑中應用優(yōu)勢

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，村鎮(zhèn)居民已經(jīng)不再僅滿足于吃得飽、住得下、穿得暖的基本生存需求層次，而是有著更高更美的精神文化需求。隨著國家新農(nóng)村建設進程的實施，部分村鎮(zhèn)采取集中建房形式，在建房之前統(tǒng)一規(guī)劃、設計，糅合了傳統(tǒng)民居的內(nèi)涵和現(xiàn)代生活的理念，在房屋建造初期將選址、布局、朝向、圍護結隔熱與保溫、太陽能熱水器安裝等建筑節(jié)能理念融合到住房建造過程中，將住房實用性與舒適性提升到新的高度。

太陽能建筑一體化技術不是將太陽能熱水器和建筑進行簡單的相加，而是通過建筑的建造技術與太陽能的利用技術的集成，整合出一個嶄新的現(xiàn)代節(jié)能建筑。建筑在最初規(guī)劃設計的時候，將太陽能系統(tǒng)所包含的所有內(nèi)容作為建筑不可或缺的設計元素加以考慮，“因地制宜”巧妙地將太陽能系統(tǒng)的各個部件融入到建筑設計的相關專業(yè)內(nèi)容中，同步規(guī)劃設計、同步施工安裝、同步驗收、同步后期管理，使太陽能系統(tǒng)成為建筑組成不可分割的一部分，不是建筑的附加構件，與建筑外觀和諧一致。

村鎮(zhèn)建筑在長期的發(fā)展過程中積淀傳承地域文化，與城市建筑相比具有獨特的風貌和景觀。與城市高層高密度建筑相比，村鎮(zhèn)建筑在太陽能建筑一體化技術使用方面具有獨特的優(yōu)勢：

1）規(guī)劃優(yōu)勢：傳統(tǒng)村鎮(zhèn)建筑大多數(shù)為獨門獨院的單層建筑，院落稀疏?，F(xiàn)代新農(nóng)村建筑統(tǒng)一規(guī)劃，以連體別墅和低層建筑為主，一般都是坐北朝南布置，日照間距較大，屋頂采光面積充足，不存在建筑遮擋的困擾，具有足夠的可利用空間，不必考慮太陽能建筑南立面整合的問題，技術難度相對較低；

2）環(huán)境優(yōu)勢：村鎮(zhèn)地區(qū)以農(nóng)業(yè)和產(chǎn)品粗加工為經(jīng)濟支柱，污染源相對較少，灰塵粒子密度較小，太陽光線透射率高，大氣透明度較高，有利于太陽能的利用。

3.2 太陽能建筑一體化技術推廣應用效益

1）經(jīng)濟效益

我國現(xiàn)在有72135萬[4]人口居住在農(nóng)村和小城鎮(zhèn)，按照60%的家庭安裝太陽能、每人每日用60°C熱水60L[5]、自來水全年平均溫度按照15°C進行估算，每天大約因生活熱水需要耗能

Q=72135 ×104×60 ×1 ×4.2 ×（60-15）KJ=8.18×109MJ

這些耗能60%由太陽能熱水器提供，則每天節(jié)約標準煤

m=Q ×60%/qnet=8.18×109×60%/29306=1.675×105t

2）環(huán)境效益

按照上述太陽能建筑一體化技術在村鎮(zhèn)建筑中推廣比例，每天可減少排放二氧化碳3.13×105t、二氧化硫888t和氮氧化物1015t。

隨著村鎮(zhèn)建筑面積和商品能源消耗量增加，城市能源供應模式不可能解決村鎮(zhèn)的能源和環(huán)境問題。太陽能建筑一體化技術的使用，考慮能源消費的地域特色同時促進村鎮(zhèn)能源消費結構的轉(zhuǎn)變，是建設生態(tài)村鎮(zhèn)和降低碳排放量的有效技術措施。

3)社會效益

新農(nóng)村建設中的太陽能建筑一體化整合設計應該是通過建筑內(nèi)外空間的各種生態(tài)因素在建筑生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部有秩序地循環(huán)轉(zhuǎn)換，達到生產(chǎn)、生活的高度統(tǒng)一和自然融合、共生的過程：

（1）自然一體化與建筑的愉悅：太陽能熱水系統(tǒng)的顏色與建筑材料協(xié)調(diào)一致，工程細節(jié)巧妙處理，太陽能熱水系統(tǒng)形成建筑的設計元素與邏輯單元，成為接觸建筑的閃亮之筆，技術整合之后新農(nóng)村建筑更具吸引力；

（2）引領節(jié)能生活：村鎮(zhèn)居民的收入增加導致商品能源的消費量上升，因此推進太陽能建筑一體化技術會促使建筑全生命周期內(nèi)材料數(shù)量達到最低水平、碳排放量盡可能降低，減少村鎮(zhèn)商品能源的消費，喚起村鎮(zhèn)居民的節(jié)能降耗意識。

3.3 村鎮(zhèn)建筑中推廣太陽能建筑一體化技術存在的困難

作為一種清潔的新能源，太陽能具有環(huán)保、安全、使用費用低的特點，然而太陽能建筑一體化技術在村鎮(zhèn)建筑中推廣發(fā)展存在著一定程度的困難。

1）建筑結構

傳統(tǒng)村鎮(zhèn)建筑屋頂材料以石棉瓦、青瓦、木板等材料為主，屋頂結構承重強度較差，安裝太陽能需要采取加固措施，增加安裝成本，不利于技術的推廣。在新村鎮(zhèn)建筑規(guī)劃建設中，屋頂材料一般采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆或水泥預制板，承重強度較高，安裝條件較好。

2）水源問題

由于城鄉(xiāng)發(fā)展二元結構的存在，我國村鎮(zhèn)用水的保障優(yōu)先性低于城市和工業(yè)用水。近年來，雖然許多村鎮(zhèn)家庭開始用上了自來水，但這種自來水多半自制自用，或自建水池存放，或直接引自山泉水，用水器具質(zhì)量差和供水效率低，處理設施簡陋，缺乏必要的衛(wèi)生防護措施，水質(zhì)安全得不到保證，水垢問題嚴重，村鎮(zhèn)居民用水安全隱患重重。在一些地理位置較為偏僻的地區(qū)，村鎮(zhèn)居民用水仍自打井作為生產(chǎn)生活用水，更是對對自然資源的浪費。

水質(zhì)問題嚴重影響太陽能集熱器的效率，容易導致集熱器出現(xiàn)故障。因此需要根據(jù)當?shù)靥厥馑|(zhì)情況和水垢狀況，加設太陽能專用除垢劑進行除垢循環(huán)，這又增加使用成本，影響技術的推廣。

系統(tǒng)掌握權威、客觀、準確的地理國情信息，是制定和實施國家發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃、優(yōu)化國土空間開發(fā)格局和各類資源配置的重要依據(jù)。地理國情普查作為建國以來首次對地理空間要素的完整調(diào)查，其內(nèi)容涵蓋了社會發(fā)展和資源環(huán)境的方方面面，其普查統(tǒng)計分析就是將地理國情普查要素與經(jīng)濟社會信息相融合，科學揭示社會、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的空間分布規(guī)律，準確判斷發(fā)展趨勢，這對于服務科學決策、加強科學管理具有重要意義。

3）產(chǎn)品質(zhì)量

目前太陽能熱水器的使用壽命約為15年，而普通居住建筑的使用壽命約為50-70年。也就是說，在建筑的使用周期內(nèi)，太陽能熱水器要更換三到五次。這與村鎮(zhèn)居民的傳統(tǒng)消費觀念相沖突。村鎮(zhèn)建筑中太陽能集熱器一般布置于建筑物向陽坡屋面或平屋頂上，因此對建筑一體化的太陽能集熱器的壽命要求較長，故障率要低。這就要求太陽能集熱器生產(chǎn)廠家改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長太陽能集熱器的使用壽命。

4）政策問題

近年來我國農(nóng)村能源建設有了重大進展，但總體上農(nóng)村能源建設投入不足，除戶用沼氣、農(nóng)村電力建設外，其他農(nóng)村能源建設沒有得到國家財政支持，一定程度上制約了農(nóng)村太陽能的推廣利用。我國部分城市強制新建建筑使用太陽能建筑一體化技術，也只是一些地方政策，沒有宏觀政策支持，在村鎮(zhèn)建筑中更沒有優(yōu)惠政策推廣太陽能建筑一體化技術。這在一定程度上影響了村鎮(zhèn)建筑太陽能建筑一體化技術的推廣使用。

太陽能光熱建筑一體化技術稅收激勵政策有效、易行，其直接受益者是太陽能光熱設備的生產(chǎn)和銷售企業(yè)，最終的受益者是用戶和整個市場及整個社會。因此，有必要出臺在村鎮(zhèn)建筑中太陽能建筑一體化使用的優(yōu)惠政策。

4 結論

1）經(jīng)濟水平直接影響村鎮(zhèn)居民的建筑形式、住宅面積、用能方式和用能開支。

2）經(jīng)濟水平的高低影響家用熱水器類型的選擇、熱水使用量和使用時間。村鎮(zhèn)居民使用太陽能熱水器解決了洗澡和日常洗刷的熱水需要，但存在可用時間短、故障率高等問題。

3）村鎮(zhèn)建筑在長期的發(fā)展過程中積淀傳承地域文化，具有獨特的風貌和景觀。太陽能建筑一體化技術在村鎮(zhèn)建筑中推廣具有城市建筑難以超越的優(yōu)勢，由此帶來良好的經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)效益，但在建筑結構、水質(zhì)問題、產(chǎn)品質(zhì)量和政策支持方面存在困難。

隨著新農(nóng)村建設的進行，太陽能建筑一體化技術在村鎮(zhèn)建筑中的推廣發(fā)展，在優(yōu)化能源使用結構的同時，對村鎮(zhèn)建筑耗能、商品能源供應系統(tǒng)以及生態(tài)環(huán)境都將會產(chǎn)生深遠的影響。

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中華人民共和國2009年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報.十一人口、人民生活和社會保障

[2]中國統(tǒng)計年鑒2009.6-13人均生活能源消費量

[3]孫治安等.中國可能太陽總輻射的氣候計算及其分布特性[J].太陽能學報，1988，9（1）

[4]中國統(tǒng)計年鑒2009.3-1人口數(shù)及構成

[5]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術手冊[M].化學工業(yè)出版社，2005，10

[6]黃海耀.LCA法比較太陽能熱水器和燃煤鍋爐系統(tǒng)的環(huán)境效益[D].天津：天津大學環(huán)境科學與工程學院，2004.1