太陽能技術在建筑節能設計中的應用探討

摘 要：太陽能作為清潔的可再生能源，具有巨大的優勢和開發潛力。太陽能與建筑的有機結合會大大降低建筑對傳統能源的消耗，將成為今后建筑節能設計的重要方向。本文介紹了太陽能的兩種應用技術：太陽能光熱技術、太陽能光伏技術。討論了兩種技術在建筑節能設計中的應用形式，闡釋了太陽能光伏與建筑的組合方式，并分析了兩種技術的優缺點。

關鍵詞：太陽能；光熱技術；光伏技術；建筑節能；應用

1 引 言

隨著經濟的快速發展，城市化的加速及人民生活水平的不斷提高，社會對能源的需求不斷增加。而我國正處于快速發展階段，能源消耗巨大且逐年攀升，據統計，2013年全國能源消費總量約為37.6億t標煤，相比2012年增速為3.9%；全社會用電量約5.34萬億kWh，相比2012年增速為7.5%。而在全社會能源消耗總量中，建筑在施工和使用過程中消耗的能源占比巨大，約占全社會總能耗的30%，因此，建筑節能研究具有重要的現實意義。

太陽能作為綠色新能源之一，在我國的資源相當豐富，年總輻射量約在930～2330kWh/m2，多數地區年平均日輻射量在4kWh/m2以上[1]。因此，研究太陽能技術在建筑節能中的應用，對減少建筑物對煤炭、石油、天然氣等傳統能源的消耗和優化我國能源結構，具有重要意義。目前，太陽能在建筑節能設計中的應用主要是通過將太陽能技術和建筑設計相結合，為建筑提供發電、供熱、采暖等能源，降低建筑對傳統能源的消耗，達到節能的目的。太陽能技術主要包括太陽能光熱技術和太陽能光伏技術，本文將分別對其在建筑節能設計中的應用進行探討。

2 太陽能光熱技術在建筑節能中的應用

2.1 太陽能光熱技術的分類

2.1.1 被動式太陽能光熱技術

被動式太陽能光熱技術是指不借助外加媒介，直接利用建筑本身的結構或材質特點，為建筑提供熱能的技術。其實現方式主要有以下兩個方面：一方面是通過合理選取建筑的朝向和地勢以及巧妙的功能分區來調節冬夏季建筑熱量需求；另一方面是通過合理挑選建筑材料，如具有蓄熱能力的地板、墻體、玻璃等，為建筑保溫。

2.1.2 主動式太陽能光熱技術

主動式太陽能光熱技術是指利用外加媒介或技術手段，使太陽能為建筑提供所需能量的技術。其實現方式主要是通過在建筑物中增加額外的設備，如風機、熱水器、太陽能空調等，利用水、空氣等傳輸媒介，將太陽能間接的轉化為建筑所需要的能量，包括：太陽能熱水技術、太陽墻采暖新風技術、太陽熱能空調技術等。

2.2 太陽能光熱技術在建筑節能中的應用形式

2.2.1 建筑太陽能熱水系統

建筑太陽能熱水系統主要是將太陽能熱水器與建筑有機結合，并將太陽能轉化為水的熱能，提供建筑內熱水供應，減少燒水需要的額外能源，達到節能的目的。太陽能熱水器與建筑的結合形式主要分為分離式和集成式。其中分離式指太陽能熱水器與建筑彼此分開，只是將太陽能熱水器放置于建筑上，整個熱水系統的功能構成不涉及建筑物的相關結構。如：陽臺壁掛式真空管太陽能熱水器系統，采用固定螺栓將其與陽臺外側固定；屋頂緊湊式真空管太陽能熱水器系統，將熱水器放置于屋頂并用螺栓固定。分離式熱水器，特別是壁掛式熱水器，由于采用螺栓固定且長期處于外界環境下，容易受風雨等外界環境因素影響，在長期的恒荷載和活荷載作用下，存在著安全問題。因此建筑設計時可以考慮為太陽能設備預留相應的支撐平臺等，一方面便于安裝，另一方面可以防止跌落造成安全等問題。而集成式太陽能熱水系統指將建筑的部分結構設計成熱水器的功能組件，兩者集成到一起，共同組成熱水系統。如：遮陽集成式平板太陽能熱水器，將建筑的遮陽部分用加熱材料做成太陽能熱水器的集熱器，在室外吸收輻射，保溫水箱布置在室內來儲存加熱后的熱水。與分離式熱水系統相比，集成式熱水系統占用面積小，集成度高，安全性較好，但是，也存在著更換、維修困難等缺點。

2.2.2 建筑太陽能供熱及空調系統

建筑太陽能供熱系統通過設置建筑集熱結構，吸收太陽能，維持建筑內部溫度，降低采暖能耗，達到節能的目的[2]。主要包括：設置太陽能集熱地板及建筑集熱墻，在冬季利用墻體和地板吸收太陽能，保持屋內溫度；設置太陽能熱水循環系統，利用太陽能加熱循環水，并利用高溫熱水在建筑內循環供熱，如屋頂池式太陽房，在屋頂設置儲水池，冬季白天利用太陽加熱，晚上利用輻射對流為下面房間供熱。太陽能空調系統是一種兼有供暖、供冷兩種功能的建筑節能手段。供熱功能可以利用太陽能直接加熱空氣，并利用空調系統將加熱空氣送入建筑為其提供熱量[3]。供冷功能主要實現方式有：太陽能吸收式制冷，太陽能吸附式制冷，太陽能噴射制冷。其中，吸收式制冷依賴于吸收式熱泵技術，利用吸收劑的汽化、冷凝過程提供冷量，而太陽能主要用于吸收劑的汽化加熱，其技術相對成熟，而其他技術均處于研發試驗階段。

3 太陽能光伏技術在建筑節能中的應用

太陽能光伏技術是指利用光電效應原理，通過太陽能電池將太陽能直接轉化為電能的技術[4]。與光熱技術相比，光伏技術應用于建筑節能更具靈活性，與建筑的結合形式也更加多樣化。

3.1 太陽能光伏與建筑的結合方式

太陽能光伏與建筑的結合主要有兩種方式：①建筑與太陽能光伏系統結合，將組裝好的光伏組件安裝到屋頂，再與蓄電池、逆變器、控制系統等組成光伏發電系統，建筑物主要起到支撐的作用。②建筑與太陽光伏組件集成，用光伏組件代替建筑構件，如屋頂、窗戶、墻面、遮陽、雨篷等，光伏組件不僅要滿足光伏系統的功能要求同時還要兼顧建筑的基本性能要求。

3.2 太陽能光伏建筑供電

太陽能光伏建筑供電是利用太陽能光伏系統發電，為建筑提供電能，降低建筑電能消耗，達到節能目的。實際應用中，光伏發電系統可分別與建筑用電線路、照明線路、路燈線路耦合，即設置成既可獨立光伏供電又可與電網聯合供電的方式，晴天時為建筑內用電設備、照明等供電，陰天可根據太陽能光伏發電量的多少額外附加外部電能。

3.3 太陽能光伏建筑儲能

太陽能光伏建筑儲能指在太陽能光伏建筑中增加儲能設備，當晴天或用電量小時，將太陽能產生的電能儲存起來，供晚上、陰天等太陽能發電量小或用電量大時使用。目前常用的儲能手段主要有鉛酸電池儲能、鋰離子電池儲能、液流電池儲能等，可根據具體需要配合光伏系統選擇。太陽能光伏建筑設計時，可將墻面、屋頂等建筑表面區域設置成太陽能電池板，將儲能電池等設備放置在建筑的內部，如地下室、車庫等，并利用儲能控制系統、逆變器及輸電網絡等將二者相連。

4 結 語

太陽能作為新一代能源，具有資源豐富、清潔無污染和可再生等優點，是理想的替代能源。太陽能與建筑的有機結合將大大降低建筑對傳統能源的消耗，達到節能減排的目的，將成為今后建筑節能的重要途徑之一。與太陽能光熱技術相比，太陽能光伏技術，由于集成度高、離網發電、儲能方便等技術優勢，將在建筑節能設計應用中發揮越來越重要的作用。但是由于太陽能的能流密度較低，易受地點、氣候、季節等多種因素影響，加之光伏設備前期投資較大、維護成本較高、技術不成熟等缺點，在進行大規模推廣應用前，仍需要進一步研究。

參考文獻

[1]李世祥，成金華.中國能源效率評價及其影響因素分析[J].統計研究.2008，25（10）：18～25.

[2]高微，趙榮飛，劉慶玉等.太陽能技術在建筑節能中的應用.安徽農業科學.2007，35（8）：2368～2369.

[3]任社明.淺析太陽能在建筑節能領域中的應用.價值工程.2010，29（6）：228.

[4]李蔚，吳婧華，張文良.太陽能光伏技術與應用，建筑機電節能，2009，4（3）：9～12.