陜北地區實施太陽能建筑一體化可行性研究

龍云濤 楊紅霞 侯張林 王 喆 高文忠

(延安大學建筑工程學院，陜西延安 716000)

0 引言

21世紀，隨著全球人口的急劇增長和經濟的高速發展，人類將面臨石油、糧食和環境三大危機。治理環境污染、發展綠色經濟，積極探索新能源，大力發展水能、風能、太陽能、地熱能、生物能等可再生能源，已成為全球共同面臨的課題。建筑作為第一用能大戶(能耗一般占40%左右)，將太陽能高效、合理地應用在建筑中，建造太陽能建筑也就成為節能減排的一種重要途徑。

1 太陽能建筑一體化概念

所謂太陽能建筑一體化是指將太陽能利用設施與建筑進行有機的結合，利用太陽能集熱器替代屋頂覆蓋層或替代屋頂保溫層，巧妙的將太陽能系統的各個部件融入建筑之中，統一施工，使太陽能系統成為建筑不可分割的一部分。既消除了太陽能對建筑物立面的影響，又減少了重復投資，降低了建筑成本［1］。

2 太陽能建筑一體化國內外現狀和發展趨勢

美國作為一個發達國家，早在1941年麻省理工學院就建立了第一批太陽能建筑并取得專利。隨后為了減少能耗，降低污染，在建筑物可能的部位(屋頂、陽臺、墻壁等)安裝太陽能系統，包括太陽能光伏發電系統、太陽能熱水系統和太陽能空氣集熱系統，給美國帶來相當可觀的環境效益和經濟效益。到2010年，百萬屋頂計劃將生產相當于2個～3個燃煤發電廠的電力，不僅滿足自身的電力需求，而且有的地方已經在出售由太陽能所產生的電力。

歐洲大部分地區，太陽能被公認為是一種極好的替代能源，人們對和建筑物相結合的太陽能裝置和光伏裝置興趣越來越大。丹麥Toftlund的Brundtland中心是一座2 000 m2的辦公和展覽大樓，它有一套先進的日光照明系統，其中包括裝在外窗上的改變光線方向的百葉窗，反光天花板，中央閣樓朝南的透光窗，還裝有光伏組件。德國科學家還設計制造成功一種向日葵式的旋轉房屋。它裝有如同雷達一樣的紅外線跟蹤器，只要天一亮，房屋上的馬達就開始啟動，使房屋迎著太陽緩慢轉動，始終與太陽保持最佳角度，使陽光最大限度地照進屋內。夜間，房屋又在不知不覺中慢慢復位。這種房屋能夠充分利用太陽能，保證房屋的日常供熱和用電，又能將光能儲存起來，供陰雨天和夜晚使用。

我國的第一幢被動式太陽房建成于1977年，地點在甘肅省民勤縣，是一棟南窗直接受益結合實體集熱蓄熱墻的組合式太陽房。在20世紀80年代初，又通過國際合作項目，如中德新能源村、聯合國開發署支持的甘肅太陽能采暖降溫研究基地的建立使太陽房得到進一步發展。在“六五”“七五”“八五”，包括到“十一五”期間，國家科技攻關計劃中都列入了太陽能項目，取得了一系列成效。

當前，我國被動式太陽房已進入規模普及階段。由群體太陽能向太陽能住宅小區、太陽村、太陽城發展。特別是常規能源相對缺乏、經濟相對落后、環境污染比較嚴重的西部地區，發展速度更為迅速，有的地區年平均遞增率達15%。各地還制定了包括推廣太陽能的陽光計劃，如投資額達4.28億元的蘭州市“陽光計劃”，甘肅省臨夏市建成了占地9.8 hm2、面積9.2萬m2的太陽能小區，以及西藏計劃投資900萬元資助新建太陽房27萬m2等大型工程項目。

總之，太陽能相對其他可再生能源來說，太陽能具有一些特有的優勢，更利于與建筑結合，因而大力發展太陽能是我國乃至全世界發展可再生能源、實現能源管理的重要方向。

3 陜北地區太陽能建筑一體化現狀

3.1 陜北地區居民住宅狀況

改革開放以來，我國城鄉建設發展迅速，建筑面積不斷擴大，陜北地區城鄉建設發展迅速，各縣市一幢幢高樓拔地而起，鄉鎮、農村也蓋起了一排排小平房或兩三層的小洋樓，陜北人的居住條件發生了巨大變化。但是，經過近幾年的運營也暴露出一些問題，城里的樓房大部分仍然采用傳統的燃煤熱水鍋爐對流式散熱器系統供暖，采暖能耗大，效率低，費用高，環境污染嚴重;鄉鎮、農村由于居住分散，建筑規模小，住戶要求差異大，基本不能實現集中供暖，各家各戶自行解決取暖問題，經濟條件好的住戶安裝了土暖氣，一般家庭就只在家里生個小煤爐，建筑采暖能耗大、熱環境質量差，而且傳統的火爐、土暖采暖方式，能源利用率低，一般火爐熱效率只有15%～25%，土暖的終端利用率也只有25%［2］。

另外，據我們調查，城里集中供暖的小區由于費用較高，居民拖欠取暖費的現象屢屢可見，各小區都存在“釘子戶”;自行安裝了土暖氣的住戶在剛開始使用的一兩年內還可以，但隨著時間的推移，鍋爐、散熱器的各種問題隨之出現，維修費用較高，加之近幾年煤炭價格暴漲，大部分居民的土暖氣都成了擺設，步入小煤爐的隊伍;一間二三十平方米的房間僅靠使用小煤爐采暖，在陜北地區根本無法滿足室內采暖的要求。加之目前農民建房一般只顧外表和成本，看見城里人不住窯洞住磚房了，自己也不住窯洞蓋磚房，手頭有些錢就自己找個工匠、買些磚、樓板就開始蓋房，根本不知道在陜北地區240厚磚墻作為外墻還要加保溫、屋頂在樓板層上也要加保溫層等才能滿足保溫隔熱要求，蓋好住進去后才發現新房還不如自己原來的窯洞住著舒適，夏天里面像個蒸籠，冬天冷的水缸都結冰。

3.2 陜北地區的地理條件

陜北位于陜西北部，其南部是黃土高原，北部是毛烏素沙漠，西北高，東南低，位于東經105°29'～111°15'、北緯 31°42'～39°35'之間［3］，總面積達92 521.4 km2，包括陜西省的榆林市和延安市。

延安市位于陜北南部，是陜北的中心城市。東隔黃河，與山西省相望;西以子午嶺為界和甘肅省接壤;北靠榆林地區;南接我省渭南，銅川，咸陽三市。地理位置為東經107°41'～110°31'，北緯35°21'～ 37°31'之間，南北直線距離 239.12 km，東西間距257.85 km。總面積為3.7萬km2，以黃土高原丘陵溝壑地形為主，平均海拔 1 000 m［2］。

榆林市位于陜北的最北部，地理坐標為東經107°28'～111°15'，北緯 36°57'～ 39°34'［4］，近年來迅速發展為北部的中心城市。地處陜甘寧蒙晉五省(區)接壤地帶。東臨黃河與山西相望，西連寧夏、甘肅，北鄰內蒙鄂爾多斯市，南接延安市。1轄區11縣222個鄉鎮，總人口353萬，總面積43 578 km2。地貌大體以長城為界，北部為風沙草灘區，南部為黃土丘陵溝壑區，分別占總面積的42%，58%，海拔1 000 m～1 500 m。

3.3 陜北地區的氣候及太陽能資源狀況

陜北地區屬于暖溫帶半干旱大陸季風氣候，其中延安地區四季分明、日照充足、晝夜溫差大、年均無霜期170 d，年均氣溫7.7℃～10.6℃，年均日照數2 300 h～2 700 h，年均降水量500 mm左右，屬內陸干旱半干旱氣候;榆林地區氣候屬暖溫帶半干旱大陸季風氣候，年平均氣溫10℃，年平均降雨量400 mm左右。

在全國范圍內，陜西北部屬于太陽能第Ⅲ類可利用區，是太陽能運用適宜氣候區［5］。

就省內而言，陜西省具有豐富的太陽能資源，全省太陽能年總輻射量為4 410 MJ/m2～5 400 MJ/m2，按資源豐富程度可以劃分為3個區，即:Ⅰ區為太陽能資源豐富區(年太陽能總輻射量為5 040 MJ/m2～5 430 MJ/m2，全年日照時數為2 600 h～2 900 h)，主要包括陜北北部和渭北東部地區;Ⅱ區為太陽能資源較豐富區(年太陽能總輻射量為4 500 MJ/m2～5 040 MJ/m2，全年日照時數為2 100 h～2 600 h)，主要包括陜北南部、關中地區;Ⅲ區為太陽能資源一般區(年太陽能總輻射量為4 100 MJ/m2～4 500 MJ/m2，全年日照時數為1 664 h～2 100 h)，主要包括陜南漢中和安康大部［6］。

陜北北部(包括:府谷、神木、榆林、橫山、靖邊、定邊、佳縣、米脂、吳堡)年總輻射量為5 040 MJ/m2～5 400 MJ/m2，年日照時數2 600 h～2 900 h，是陜西省太陽能資源最豐富的地區。

根據中國氣象局提供的太陽輻射數據，陜北地區平均日照時間為4 h～7.2 h，6月～8月較高，日平均日照時間為7 h左右，冬季為4 h左右，年平均氣溫在7℃～11℃，最冷月1月平均氣溫－10℃～－4℃，最熱月7月平均氣溫21℃～25℃。全年日平均時間波動不大，太陽輻射量也波動不大，所以陜北地區適合發展太陽能建筑。

4 陜北地區實施太陽能建筑一體化的可行性

根據陜北地區自然條件和國內外太陽能建筑的應用情況分析，在陜北地區實施太陽能建筑，不僅可以節約傳統能源、土地，而且可以保護環境、改善建筑功能、順應建筑工業化和住宅產業化方向，這完全符合經濟可持續發展戰略的要求。

在陜北地區，將太陽能合理地與建筑外墻、屋面有機結合，即把太陽能取暖、供熱、光伏發電等技術和建筑節能技術結合，實現太陽能建筑一體化，可提高建筑物的居住舒適度。

5 陜北地區實施太陽能建筑一體化發展方向分析

實施太陽能建筑一體化應將現代建筑設計、施工技術與當地傳統建筑形式、構造做法和施工工藝結合起來，形成既有現代氣息又不失地方特色的太陽能建筑。在陜北地區實施太陽能建筑一體化可從以下幾個方向發展:

1)以現代建筑設計理論為依據，結合當地氣象資料合理選擇朝向、布置周圍環境，使其冬季盡量多得到日照，夏季利用周圍的山體、建筑、樹木進行遮陽，避免或盡量少受太陽直射。

2)以傳統窯洞尺寸為基礎，結合力學、結構、抗震等專業知識，考慮陜北氣候特征，合理確定出現代窯洞經濟、適用的結構尺寸和構造做法(如窯背覆土厚度)等，設計、建造出“安全、適用、經濟、美觀、節能”的現代窯洞。

3)按照現代建筑設計理論，對窯洞室內空間進行合理功能分區，巧妙處理內部空間，處理好主次和冷暖區域的劃分與連接，如將次要的、非采暖房間布置在北面和東西兩側，將主要采暖房間緊靠集熱表面和儲熱體布置。

4)在建筑物南向設置足夠數量的集熱表面，如設置集熱墻、陽光間等實現太陽能的集取、保持、儲存、分布，解決好窯洞冬季的采暖，同時處理好其夏季遮陽問題，使得“窯洞”這一陜北特色的建筑得以續存。

［1］李佩璇.淺談太陽能建筑一體化在福建的應用［J］.福建建設科技，2009(4)：21.

［2］白葉飛.太陽能在內蒙古民用建筑中的應用［D］.呼和浩特：內蒙古工業大學，2006.

［3］宋青青.中國中學教書百科全書地理卷［M］.沈陽：沈陽出版社，1990.

［4］吳林榮.陜北榆林地區太陽能資源空間分布特征及資源潛力評估［J］.水土保持通報，2013(2)：45.

［5］張 磊.被動式太陽能建筑技術規范［S］.中國建筑設計研究院國家住宅與居住環境工程技術研究中心，2012.

［6］肖 斌.陜西省太陽能資源的開發利用［J］.西北水電，2011(5)：96.