可再生能源在建筑設計中的利用探微

鄭野

摘 要：在建筑高速發展的同時， 近年來我國開始大力推廣綠色建筑， 而且新能源技術日趨成熟。我國越來越重視可再生能源在建筑中的利用， 目前建筑可以利用的太陽能技術主要有：太陽能發電技術和太陽能熱水技術。本文根據筆者工作實踐，以太陽能資源為例，對可再生能源在建筑設計中的利用進行了分析和探討。

關鍵詞：可再生；能源；建筑設計；太陽能

1 前言

近年來，我國經濟發展非常迅速，對能源的需求量巨大，很多城市也逐漸成為典型的能源匱乏城市， 能源供需缺口大。目前， 我國正處于城市化和新型工業化快速發展時期， 建筑能耗呈現快速增長態勢。十三五規劃明確指出， 加快城市群建設發展， 優化提升東部地區城市群， 建設京津冀、長三角、珠三角世界級城市群， 提升山東半島、海峽西岸城市群開放競爭水平。城市群的建設， 為我國帶來了前所未有的發展機遇， 同時也為能源供應帶來巨大的壓力[1-3]。因此， 利用太陽能等可再生能源解決建筑的采暖、熱水供應、照明等問題， 對替代常規能源， 促進建筑節能具有重要意義， 其在城市群的建設中顯得尤為重要與迫切。

2 太陽能資源在建筑中的應用概述

我國共有近600億平米建筑， 目前城鎮化正處在快速發展時期， 每年建成的房屋面積近20億平米 97%以上都是高能耗建筑， 預計到2020年， 全國高耗能建筑面積將達700億平米。建筑總耗能占社會總耗能的比重已經從20世紀70年代的10%增加到30%， 預計未來會上升到35%[4]。

3 建筑利用太陽能存在的問題

雖然現在我國開始大面積推廣綠色建筑， 但是我國綠色建筑以被動節能為主。近年來， 我國逐步調整能源結構， 降低化石能源比重， 可再生能源在建筑上已經開始應用， 但是依然存在一些問題。建筑利用太陽能的技術主要還停留在利用比較低端的太陽能熱水技術；利用太陽能光伏發電也存在很多不合理的情況。另外， 我國新建建筑物增速依然很快， 而且建筑能耗增長的速度遠遠超過中國能源生產可能增長的速度。人們不僅要積極提高建筑物的能源使用效率， 而且應該深入、合理地應用太陽能技術。這不僅能夠緩解國家能源緊缺狀況， 還能調節我國的能源結構、保護環境、減少污染、促進國民經濟發展[5]。因此， 建筑節能是貫徹可持續發展戰略、實現國家節能規劃目標、減排溫室氣體的重要措施， 符合全球發展趨勢。

4 如何在建筑中合理應用可再生能源

中國大部分地區太陽能資源豐富， 我國每年獲得的太陽能約為3.6×10J， 相當于1.2萬億t標準煤的熱值[5]。約占全國國土面積2/3的地區年平均輻射總量在3 340～8 400 MJ/m， 其年日照時數超過2 200 h， 具有利用太陽能的良好條件。按照輻射量的多少， 可以將我國劃分為四個區域， 分別為一類區 （資源豐富區） 、二類區 （資源較豐富區） 、三類區 （資源可利用區） 和四類區 （資源貧乏區） 。太陽能資源的利用也可以分為兩類：一是太陽能光伏發電， 即光照在晶體硅上， 根據“光生伏特效應”， 光能直接轉化為電能[3]；二是太陽能光熱利用， 即直接利用太陽能熱輻射， 把太陽能熱能轉化為建筑熱水[1]。根據太陽能熱輻射的分布， 一類區和二類區優先考慮在建筑上采用太陽能發電系統， 或者太陽能發電和太陽能熱水一體化系統。由于可利用小時數有限， 一般在1 300 h以下， 三類區優先考慮太陽能熱水系統， 可以在做充分可行性研究的情況下， 適當在屋面布置太陽能光伏組件。在四類區， 由于熱輻射太低， 太陽能光伏和光熱的可利用小時數太低， 所以其應該避免應用成本較高的太陽能光伏系統， 可以適當應用成本較低的太陽能熱水體統。

目前由于政府的政策導向， 太陽能光伏發電工程在我國進入飛速發展期。同樣， 太陽能光伏發電技術也在建筑中得到了大量的應用。太陽能光伏發電建筑從一開始無序發展， 慢慢地發展到現在有條理的發展。

太陽能光伏建筑系統即BMPV （Building Mounted Photovoltaic） ， 可以分為兩類：一是太陽能光伏建筑一體化系統， 即BIPV （Building Integrated Photovoltaic） ；二是安裝在建筑上的太陽能光伏發電系統， 即BAPV （Building Attached Photovoltaic） 。

太陽能光伏組件可以安裝在建筑的屋頂處和建筑外墻處。安裝在建筑外墻的太陽能光伏組件， 由于受到朝向和周邊建筑物遮擋的原因， 在通常情況下， 發電效率很低， 成本較高。太陽能光伏組件更適合安裝在建筑的屋頂上。因此， 塔式高層建筑由于屋面面積和建筑外墻比值較小， 所以不適合安裝太陽能光伏組件；而屋面面積和建筑外墻比值較大的建筑、多層住宅， 適合安裝太陽能光伏系統。

BIPV即太陽能光伏組件可以直接作為建筑外維護結構構件。BIPV建筑安裝光伏組件后， 在同樣位置不需要安裝其他建筑維護結構構件。常見的BIPV組件形式有光伏幕墻、光伏屋面板。BIPV建筑物能省去光伏系統的支撐結構和其他維護材料， 節約了建筑材料， 非常符合綠色建筑的理念。BIPV建筑組件和建筑可以統一協調設計， 使建筑更為美觀， 不讓光伏組件顯得突兀。但是， BIPV建筑存在很多問題， 最大的問題是光伏組件壽命和建筑壽命不統一。光伏組件壽命一般為25年， 而建筑壽命一般為50年。所以， 在運行期的第26年到第50年， 光伏組件材料的轉換效率、材料的耐久性和組件間的密封性能都是不可控的， 如果維修或者更換組件， 對建筑物本體就會帶來很大的影響。所以， BIPV建筑不適用于作為住宅類建筑和大型公共建筑的主體建筑維護材料， 其比較實用于一些門式鋼架廠房的屋頂、一些大型停車場的屋頂等對使用年限和耐久性等要求不是很高的建筑， 還可應用到一些非主要建筑維護結構件上， 如雨棚、遮陽篷等。

BAPV是二次安裝在建筑上的相對獨立的光伏組件。BAPV相對于BIPV浪費組件支架材料。BAPV建筑的整體美觀性不如BAPV， 但是對BAPV建筑光伏組件維護和更換完全不影響建筑本身。所以， BAPV更適合用在多層住宅建筑和屋頂面積較大的大型公共建筑上。

5 結語

建筑利用可再生能源的普遍化， 已經是一種不可逆轉的社會發展趨勢。在利用可再生能源時， 人們應該注意其合理性。可再生能源分很多種， 建筑也分很多種， 不是所有建筑都適合利用各種可再生能源。因此， 針對不同的地區和不同種類的建筑， 人們必須選擇合適的可再生能源。

（1）在太陽能資源一、二類區， 屋面面積較大的大型公共建筑和多層住宅適合采用BAPV太陽能發電系統和太陽能熱水系統； （2）在太陽能資源一、二類區， 輕鋼廠房或者倉庫適合采用BIPV太陽發電系統； （3）在太陽能資源三類區， 屋面面積較大的大型公共建筑和多層住宅適合采用太陽能熱水系統， 如果需太陽能光伏系統， 那么做充分可行性研究， 論證后如果可以采用太陽能光伏發電系統， 那么應采用BAPV太陽能發電系統； （4）在太陽能資源三類區， 輕鋼廠房或者倉庫適合采用太陽能熱水系統， 如果需太陽能光伏系統， 那么做充分可行性研究， 論證后如果可以采用太陽能光伏發電系統， 建議優先采用BIPV太陽能發電系統。

參考文獻：

[1] 鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2] 任永平，董利科.太陽能光伏與建筑一體化研究[J].新材料產業，2010（2）：34～36.

[3] 呂慧萍.光伏建筑一體化的特點和設計思考[J].浙江建筑，2010（6）：50～52.

[4] 李芳，沈輝，許家瑞.光伏建筑一體化的現狀與發展[J].電源技術，2007（8）：659～662.

[5] 沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社，2008.