“十二五”太陽能建筑重要成果與展望

■ 鞠曉磊 張磊

國家住宅與居住環境工程技術研究中心中國可再生能源學會太陽能建筑專業委員會

“十二五”太陽能建筑重要成果與展望

■ 鞠曉磊 張磊*

國家住宅與居住環境工程技術研究中心中國可再生能源學會太陽能建筑專業委員會

0　引言

太陽能是永不枯竭的潔凈能源，太陽能在建筑中的應用是現階段太陽能應用最具發展潛力的實用領域。太陽能建筑是以建筑圍護結構為載體，將被動太陽能技術和主動太陽能技術結合應用的建筑；其建設原則為“被動優先、主動優化”；評價的核心指標是“太陽能等可再生能源利用在建筑使用能耗中所占的比例”，伴隨著能源緊缺程度的加劇和經濟承受能力的提升，這個比例值不斷在變化，現階段以30%為宜。

1　我國太陽能建筑的發展歷程

到目前為止，我國太陽能建筑大致可分為3個階段：第一階段是20世紀70年代～90年代，主要是以陽光房為代表的被動式太陽能建筑；各項主動太陽能技術在此階段逐步產業化。第二階段是20世紀90年代末～2010年，強調主動太陽能系統與建筑一體化結合；同時被動式太陽能建筑也穩步推廣。第三階段是2010年至今，太陽能產品升級成為建筑材料和建筑構件，為建筑成為產能建筑奠定了基礎。

1.1我國早期以陽光房為代表的被動式太陽能建筑

我國的第1棟被動式太陽能建筑建成于1977年，地點在甘肅省民勤縣，是棟南窗直接受益結合實體集熱蓄熱墻的組合式太陽房。1977～1995年底，通過國家“六五”“七五”“八五”科技攻關項目，在引進、消化、吸收世界太陽能建筑技術的基礎上，我國形成了具有中國特色的包括理論、設計、施工、實驗及評價方法在內的一整套被動式太陽能采暖技術，建成實驗性被動式太陽能建筑約30萬m2，幾乎包括了我國北方絕大部分采暖區。

圖1　被動式太陽能學校

1.2太陽能系統與建筑一體化結合階段

我國太陽能熱水器產業進入20世紀90年代后發展迅速，太陽能熱水器逐步從農村走向城市，建筑作為太陽能產品在城市中的最佳載體，受到太陽能行業的日益關注。但由于太陽能熱水器大多是房屋建成后才由用戶購買安裝的后置部件，這種安裝方式帶來了破壞建筑原有功能、影響建筑美觀等問題，制約了太陽能熱水器在建筑上的進一步推廣應用。因此，我國在20世紀后期提出了太陽能熱水器/系統與建筑一體化結合的發展目標，特別制定了“同步規劃、同步設計、同步施工、同步驗收、同步投入使用” 的5同步原則。

在此階段，隨著“金太陽工程”“光伏建筑集成系統”等項目的開展，迅速推動太陽能光伏技術在建筑中的應用，BAPV是此階段的典型應用方式；配合著并網系統技術日益成熟，“十一五”期間，與建筑結合的太陽能光伏發電系統開始快速發展。

在“十一五”期間，通過以“可再生能源與建筑集成示范工程”為代表的一系列科技攻關項目，使太陽能熱水系統、太陽能光伏發電系統在建筑中的集成應用得到了實質性的突破。

在此階段，我國編制并發布了GB 50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》、JGJ 203-2010《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》、GB 50495-2009《太陽能供熱采暖工程技術規范》，初步構建了太陽能技術在建筑中應用的標準化體系。

1.3太陽能產品建材化階段

隨著能源危機的加劇，建筑構件產能化逐步提上議事日程。這對太陽能產品提出了新要求，即作為建筑材料和建筑構件使用的太陽能產品的性能，不僅要滿足原有的集熱/發電功能要求，同時要符合所替代的建筑材料和建筑構件的建筑圍護功能要求、結構安全要求、燃燒性能分級要求；并且應易于更換和維修；當作為建筑構件使用時，其本體構造耐久性應符合所替代的建筑構件的使用壽命要求。

2　“十二五”期間太陽能建筑領域的重要成果

2.1被動式太陽能建筑

“十二五”提出的加快社會主義新農村建設，為在鄉鎮、農村推廣被動式太陽能建筑帶了又一次發展機遇。國家建筑行業標準JGJ/T 267-2012《被動式太陽能建筑技術規范》的發布，從被動式太陽能建筑設計、施工、驗收全方面對其進行指導和規范，為被動式太陽能建筑技術的大規模推廣應用奠定了堅實的技術基礎。同時，對現有的被動式采暖、被動式降溫、被動式除濕等技術進行總結，吸納當前國內外相關科研成果及工程實踐經驗，選擇適宜工程推廣的被動技術形式，完善設計參數，簡化設計方法，編制國家標準圖集15J908-4《被動式太陽能建筑設計》，該圖集符合建筑設計人員的設計習慣，便于施工單位可以按圖施工，為被動式太陽能建筑的正確施工提供了有力保障。

圖2　被動式太陽能建筑在嚴寒地區的應用

圖3　被動式太陽能建筑在夏熱冬冷地區的應用

2.2建筑用光熱構件

“十二五”期間，編制建筑行業產品標準《建筑用光熱構件通用技術要求》，對光熱構件產品的建筑性能、熱工性能、耐撞擊性能、耐凍性能、荷載性能等方面進行了詳細的規定，并明確了相應的實驗方法和檢驗規則。該標準的發布使太陽能光熱產品由單純的集熱構件發展成為具有集熱功能的建筑構件，確立了產品體系的框架和通用的技術要求，從而為整體提升我國光熱技術的建筑應用水平創造了條件。形成功能型綠色建材可有效拉動裝備制造等相關產業的發展，對調整產業結構、促進經濟增長方式轉變、擴大就業、推進經濟和社會的可持續發展意義重大。

目前開發出的建筑用光熱構件有4大類，分別是屋面光熱構件、墻體光熱構件、欄板光熱構件、遮陽光熱構件，均已進行工程級的示范應用。

圖4　屋面光熱構件

圖5　墻體光熱構件

圖6　欄板光熱構件

圖7　遮陽光熱構件

2.3建筑用光伏構件

“十二五”期間，在國家陸續出臺的光伏度電補貼政策激勵下，以建筑為載體的分布式光伏系統發展迅速，2015年建筑光伏的裝機容量達到6 GW。通過“國家863計劃”“建材型光伏構件制造與測試關鍵技術及裝備”課題的技術攻關，提出針對不同地區建筑節能要求、不同類型建筑中各部位的光伏構件產品模數尺寸；分別開發出滿足不同建筑部位安裝性能要求的基于金屬基材、玻璃基材、有機基材的鋁蜂窩板光伏構件、真空玻璃光伏構件及FRP板光伏構件，使光伏構件真正能夠代替部分建筑構件作為建筑的一部分，降低光伏建筑總成本，實現了BIPV技術和產品的飛躍。

建筑行業產品標準《建筑用太陽能光伏構件通用技術要求》從光伏構件產品的結構安全性能、電氣安全性能、檢修維護要求等方面進行詳細的規定，并明確了相應的檢測方法和檢驗規則。該標準的發布有效地規范建筑光伏構件的生產和檢驗，提高了建筑光伏工程質量、降低了安全事故發生，優化了產品的使用壽命，推動了建筑光伏新技術新產品的應用。

圖8　建材型光伏構件產品

圖9　建材型光伏構件示范工程

圖10　BIPV工程

3　太陽能建筑的發展方向

世界各國能源轉型的基本趨勢是實現由化石能源為主向以可再生能源等低碳能源為主的可持續能源體系轉型。目前，發達國家能源需求已明顯由石油、煤炭轉向可再生能源等低碳能源，如德國能源轉型戰略明確提出了“太陽能和風能決定一切”的積極愿景。最近幾年，德國、丹麥、歐盟和美國等率先提出了面向2050年的、以可再生能源為主的能源轉型發展戰略、目標、路徑和措施，可再生能源屆時占一次能源和電力需求的比重分別達到50%和80%以上。預計到2030年太陽能將成為主要能源，2050年成為主導能源之一。

2016年1月，國家能源局就《可再生能源“十三五”發展規劃(征求意見稿)》征求意見，提出到2020年非化石能源占能源消費總量比例達到15%，2030年達到20%。根據國家發改委公布的《國家應對氣候變化規劃(2014-2020年)》，到2020年太陽能發電裝機容量將達到1億kW，太陽能未來將有更大的發展空間。

隨著常規能源向可再生能源轉變、集中供能向分布式供能的轉變、傳統供能模式與信息化的結合，建筑作為太陽能應用的最佳載體，將會出現多種太陽能建筑的創新應用模式，例如：

圖11　可再生能源在建筑能耗所占比例“分母分子圖”

1)太陽能綜合供能體系。新型城鎮化是未來10～20年中國經濟增長的重要引擎。在新型城鎮化建設過程中，需建立以綠色、低碳、安全、可持續為特征的新型供能體系，即以太陽能等可再生能源為主，輔之以其他傳統和商品能源綜合供能，如太陽能分布式發電、太陽能熱水、太陽能采暖及制冷、炊事用能等。

2)正能量建筑。建筑用能占到目前全國基本用能的33%，而電力的2/3為建筑用電，因此，建筑用能的革命是能源結構轉變最為重要的部分。未來太陽能建筑的發展目標是正能量建筑，建筑材料成為產能部件，建筑成為分布式產能單位。

3)分布式能源建筑。太陽能建筑將從單體建筑工程應用向城鎮區域建筑規模化應用發展。以建筑光伏系統為例，建筑用戶側并網系統將向區域多點并網系統發展，建筑設備供電系統將向DC/DC直流供電系統發展，建筑光伏系統將向多能互補區域建筑能源系統發展；發展區域內的智能光伏微電網集群系統，實現區域內多接入點并網，實現各建筑單體光伏系統所組成的微型電網內的互聯互通。

4)建筑產能構件的規模化應用將推動太陽能利用設備的家電化。居民像使用家用電器一樣，便捷購買、快速安裝、安全使用太陽能利用設備。另一方面，基于大數據和云平臺，將非常容易實現CDM、電網與用戶間交易模式，促進太陽能分布式利用的全民主體地位與交易模式。

2016-04-11

張磊(1972—)，女，碩士，主要從事太陽能熱水技術研究及太陽能建筑推廣。leiz@cadg.cn