太阳能建筑的发展及研究

太阳能建筑的发展及研究[摘要]太阳能作为一种清洁型能源，在建筑中有效的应用能够大大缩减建筑的能耗并减少建筑采暖等产生的污染，是建筑节能的重要途径之一。本文通过检索相关论文，介绍太阳能建筑的发展研究以及一些新构想。[关键词]太阳能建筑一体化发展一、引言1、当前，世界能源的消费结构主要以石油和天然气等高品质能源为主。而我国却是世界上唯一以煤炭为主要消费能源的国家，由于大量消耗煤炭，造成的环境污染问题也比较严重。据测算，人类矿物燃料的消耗量到2030年将达到最高点，之后将逐渐减少，取而代之的只有可再生能源。到21世纪中期，矿物燃料与可再生能源将各占人类能源消耗量的一半左右。而到2100年，太阳能将提供人类能源总需求的60%以上。因此，21世纪是新能源时代，而在新能源中太阳能将成为使用范围最广、用量最大的新能源。所以说，21世纪也是太阳能的世纪。2太阳能的利用方式1)光伏发电:利用光伏电池直接把太阳能转换成电能，经蓄电池贮存或经逆变器转换后并入电网使用。光伏发电与幕墙技术的结合以及光伏与建筑一体化展示了美好的利用前景。2)光热发电:利用高温集热器产生高温蒸汽推动汽轮机发电;利用高塔产生高速气流推动涡轮机发电。3)日光照明:自然采光、导光管和光导纤维照明等。4)太阳能热利用:太阳能热利用分为低温、中温和高温太阳能利用系统，温度范围划分如下:80℃以下为低温;80℃～350℃为中温，350℃以上为高温。其中中、高温系统多用于工业生产和太阳能发电和制冷空调等。建筑领域多采用低温系统，包括太阳热水器、太阳能建筑采暖和太阳能干燥。3、建筑与节能就发达国家而言，建筑能耗占社会总能耗的30%～40%。全球每年排出的温室气体总量为220亿t，而其中1/3来自于建筑，建筑节能和利用可再生能源具有重大意义。建筑能耗包括生产性能耗和使用能耗。通常建筑生产性能耗与建筑用材料的生产能耗有关，但它在一定程度上是有限的。而建筑使用能耗是无止境的，其耗能率的大小与设计直接有关。太阳能建筑作为节能建筑的一种特殊形式，具有明显的节能效果，也符合生态建筑和实施可持续发展战略的要求。因此，下面我通过介绍几篇论文来探讨一下太阳能建筑的发展及研究。二、论文介绍（一）、《太阳能建筑技术在国内外的发展》王少南1、太阳能建筑技术在国外的发展（1）太阳能建筑技术在美国的发展美国在大力开发利用太阳能光热发电、光伏发电，太阳能建材化、太阳能建筑一体化、产品化等方面均处于世界领先水平。早在20世纪80年代中期，美国太阳能热水器的安装面积就已超过1000万m2，年产值超过10亿美元。1997年，美国实施“百万太阳能屋顶计划”。目标到2010年，要在全国的住宅、学校、商业建筑等屋顶上安装100万套太阳能发电装置，光伏组件累计用量将达到3025MW，相当于新建3～5个燃煤发电厂的电力，每年可减少二氧化碳排放量约351万t，通过大规模的应用，使光伏组件的价格可从1997年的22美分/（kW·h）降到2010年的7.7美分/（kW·h）。（2）太阳能建筑技术在日本的发展日本是自然资源极其匮乏的经济大国，非常重视太阳能等可再生能源的发展，用新能源替代传统能源是举国上下的共同愿望和追求。国家颁布各种政策和法令全力支持太阳能等新能源的发展。至1993年，包括太阳能在内的新能源消费量约占全日本能源消费总量的3%，规划到2010年，太阳能发电量要达到482万kW（为1999年的23倍）。日本也在积极推行“太阳能房屋计划”。至2003年，全日本约有5万户居民安装了太阳能电池板。到2010年，要求所有新建的房屋都要利用太阳能供电。为鼓励太阳能电池板在居民住宅中应用，1997年~2004年，日本政府共投入1230亿日元的资助金。（3）太阳能建筑技术在欧洲的发展欧共体早在20世纪80年代，就开始在建筑上大规模开发和应用太阳能技术。欧共体也积极推行“太阳能房屋计划”。计划到2010年，将安装50万套太阳能房屋，其中德国10万套。法国国家实用技术研究所最近发明了一种建筑外墙玻璃兼作太阳能热水器的产品，这种一体化产品是一种双层中空玻璃，其中40%面积是透明的，余下的部分被盘旋状的可以通水的铜管及银反射管所覆盖，覆盖物位于玻璃内层。这种双层中空玻璃可以吸收太阳能，并利用它把水加热。对于一个大楼来说，仅仅利用建筑外墙玻璃，就能把热水问题解决，每年可以节省大量的电力和煤气。因此，具有很强的市场竞争力。瑞士科学家发明了一种可利用太阳能发电的住宅用窗玻璃，其发电原理类似植物叶片的光合作用。这种玻璃的结构很象树叶，是夹心式的，含有捕捉光能的涂料及半导体物质。当光线激发涂料层中的电子，经过定向传递，便产生电流。其光电转化率为10%以上，可发电150W/m2左右，虽与普通太阳能电池差不多，但其成本只有太阳能电池的1/5，因此，有着很好的使用价值和广阔的发展前景。2、太阳能建筑技术在中国的发展我国太阳能建筑技术经近20年的努力，获得了可喜的发展。到2004年底，太阳能热水器年生产能力达到1350万m2，利用量达到6500万m2，占全球安装量的60%，居世界首位，并出口30多个国家和地区。太阳能光伏发电约达6.5万kW，解决了700多个乡镇，约300万偏远人口基本用电问题。如西藏已建成近400个县级和乡级太阳能光伏电站，总装机容量达近8000kW，成为我国集中型光伏电站最多的省区。近年来，在科研开发、住宅小区大面积推广应用、太阳能建材化、太阳能与建筑一体化设计等方面都取得了骄人的成绩。（二）、《太阳能建筑的可操作性探讨》鲍英华赵龙1、太阳能在建筑中应用现状主动式太阳能建筑是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由热媒将热量送入建筑物内的建筑形式，较常见的主动式利用有太阳能热水器和太阳能热泵采暖系统;被动式太阳能建筑是指太阳能向室内的传递不借助于机械动力，完全由自然的方式，即借助蓄热体的建筑形式进行太阳能转化为热能的能量转换。另外，太阳能发电以及太阳能制冷系统在建筑中也有广泛应用。2、现存的问题经济性问题：(1)实现太阳能建筑的成本较高，远远超出建设方正常的开发成本，开发方对太阳能节能建筑有一定的认识，但是没有得到政策和经济的支持。(2)用户自行安装太阳能产品成本高，有节能意识，但没有经济补偿。(3)太阳能产品的普遍造价较高，且使用年限短，单位成本高。技术性问题：(1)我国的太阳能核心技术还不够成熟，缺乏太阳能建筑的实施操作经验。(2)产品自身的开发还不够完善。例如:全玻璃制真空管的太阳能集热装置成本较低且技术成熟，但与建筑物进行一体化的有机结合时却存在着承压、安全、密封、结垢清理等一系列问题，而采用金属制流道的集热装置以及强制循环系统，虽然很好的解决了这些问题但又存在成本较高的缺陷。(3)太阳能装置的安装技术也不够成熟，部分太阳能安装管道内大量存水、管线外露，夜间散热大，造成用水浪费等问题。协调性问题：(1)太阳能集热设备的安装在建筑的外表面及屋顶形成了规格繁杂、形式各异，杂乱无章的无序状态，破坏了建筑景观效果，与环境无法协调。(2)己有建筑屋顶采光面积不够，不能满足住户使用要求。太阳能装置对建筑结构和使用功能造成不同程度的破坏，在建筑防水、承重等方面留下隐患，与已建成的建筑无法协调。(3)建筑物没有按照利用太阳能的原理和方法进行设计，建筑在土建时没有装置适当的预埋件，使得太阳能装置的安装造成了一定的障碍，并在安装时可能损害建筑结构和增加建筑负荷;太阳能产品只考虑设备本身的结构和性能，没有将太阳能设备作为有机组成部分与建筑结构相结合考虑，太阳能装置与新建建筑结构整体不协调。3.问题的解决（1）政策的引导与扶持我国的太阳能推广应从政策上加以引导，一方面形成广大民众对节约能源的重视，提高对太阳能利用的意识;另一方面，可在税收、补给制度等经济方面加以扶持，以解决太阳能建筑在实际操作中所面临的经济性问题。（2）太阳能技术的产业化太阳能建筑的发展有赖于太阳能技术与建筑设计过程的密切结合，这种结合的前提就是太阳能技术的产业化。只有太阳能产品的生产形成了一定的规模、类型以及品牌，能够像其他的建筑建材产品一样，具备各自的技术特点及特长，形成市场的可选择性，形成相关的产业链，才能够实现太阳能技术与建筑设计的一体化。太阳能技术产业化的发展重点，包括太阳能电池关键技术、百兆瓦级大规模太阳能高温热发电技术等都是未来技术和产业化发展的重点。我国目前太阳级硅的研究开发及工业生产均属空白，太阳级硅完全需要进口，严重阻碍我国光伏工业发展。太阳能建筑方面，我国的太阳能热水器已基本实现产业化，而其他与建筑密切相关的太阳能产品特别是有利于太阳能建筑设计一体化的产品将成为技术产业化发展的重点。（3）建筑设计的一体化建筑与太阳能技术一体化的主体思想是将能把太阳能转化为电能的半导体材料直接镶嵌在墙壁的外表面和屋顶上，取代在屋顶上安装笨重的太阳能收集装置，从而实现太阳能利用与建筑的一体化，并通过所产生的电能来驱动室内的用电设备实现室内的采暖、照明、制冷等。一体化的实施是通过太阳墙、光伏组件与建筑墙体的一体化设计，即在接受太阳能较好的墙面上采用主动式与被动式相结合，形成集发电、采暖、通风等功能于一体，并能与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。（三）《太阳能建筑的技术途径和发展策略》仲继寿1、太阳能建筑的技术途径太阳能建筑的应用领域包括建筑物的使用功能以及业主对于安全、便利、舒适、健康的环境需求。太阳能建筑的技术途径包括了被动应用、主动应用和综合应用等多种途径。如从保温隔热材料的开发、自然采光通风功能的实现、太阳能光热光伏技术的应用到遮阳、光影和舒适环境的创造，全方位地综合应用太阳能资源。就目前发展最快的太阳能光热利用而言，也将包括低温利用、中温利用和高温利用等多层次能源效率利用形式；而太阳能光伏利用也将在太阳能建筑一体化上表现出更为广阔的发展前景。2、制约太阳能建筑发展的因素尽管国家和行业主管部门已经出台了一系列法规、标准，如节约能源法、民用建筑节能管理规定、不同地区的节能设计标准等，除成本、技术、市场等制约因素外，管理体制过于分散、激励政策体系不健全、全民教育与理念传播不够等都是制约太阳能建筑发展的相关因素。当前，太阳能建筑的理念推广比具体某项技术或产品的推广更加迫切。3、太阳能建筑发展策略①太阳能建筑的发展思路在各级政府的政策导向和激励机制的基础上，提高职业培训和公众教育程度，加强产品（系统）检测认证和建筑准入制度，完善规范标准及相关技术规程，发挥从企业到业主等各个层面的积极性，共同推进太阳能建筑的有序健康发展。②太阳能建筑的发展策略1）成熟的被动太阳能技术与现代的太阳能光伏光热技术的综合利用；2）保温隔热的围护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合；3）传统建筑构造与现代技术和理念的融合；4）建筑的初投资与生命周期内投资的平衡；5）生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透；6）综合考虑区域气候特征、经济发达程度以及建筑特征和人们的生活习惯等相关因素。③太阳能建筑的发展目标综合利用太阳能，满足建筑物对于使用功能和环境功能等方面对于能源供应的需求，以降低建筑能耗在社会总能耗中的比例。因此，进一步考虑将太阳能利用与地热能、风能、生物质能以及自然界中的低温热能等复合能源的利用结合起来，并进行系统的优化配置，以满足建筑的能源供应和健康环境的需求，是太阳能建筑发展的最高目标。零排放建筑代表了太阳能综合应用的最高理想。近期研究开发的重点是太阳能热利用产品和系统与建筑一体化。④综合确定太阳能建筑发展策略1）气候特征和经济发达程度：西部经济欠发达地区，往往又是太阳能资源丰富的区域。依然应以被动利用太阳能建筑为主，加强集热、蓄热、导热等材料和技术的研发与推广；而对于经济发达的沿海地区，夏季炎热、冬季阴冷，又具有冬季采暖、夏季空调的生活需求和经济能力。因此，应积极扩大综合利用太阳能建筑新技术的投资优势，并成为实施太阳能或水源热泵等采暖空调技术示范建筑的首选地区。2）生活习惯和经济水平：随着我国社会发展和人民生活水平的不断提高，稳定的热水供应逐步成为居民的基本生活需求之一。这是太阳能热水设备及系