新能源及其在建筑照明上的应用

高 飞 祝昌汉 林若慈

(1.中国照明学会，北京 100020;2.国家气候中心，北京 100044;3.中国建筑科学研究院，北京 100044)

1 新能源概况

新能源的定义:以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发利用，用取之不尽、用之不竭的可再生能源来不断取代资源有限、对环境有污染的化石能源。它不同于常规化石能源，可以持续发展，对环境无损害，有利于生态的良性循环。

可再生能源的定义:一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类。再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等.它们在自然界可以循环再生，在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能和风能就是属于这种能源。煤炭，石油和天然气等是经过几十亿年形成的，短期是无法恢复的。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成他们的速度要快一百万倍，也就是说几十亿年生成的矿物能源在几个世纪就会消耗掉。

1.1 新能源的特点—太阳能和风能

(1)取之不尽，用之不竭。

(2)就地可取，无需运输。

(3)分布广泛，分散使用。

(4)不污染环境，不破坏生态。

(5)周而复始，可以再生。

新能源在利用上存在两个困难:

①能量密度低，增加受面面积

太阳能在晴天平均能密度为1kW/m2，昼夜平均为0.16kW/m2，其密度也很低，阴天则往往只有1/5左右，故必须装置相当大的受光面积，才能采集到足够的功率。所以不论太阳能还是风能都是一种能量密度极其稀疏的能源，也就是单位面积上所获得的能量小，而且还不能像水那样，可以用水库来控制，积蓄起来，所以给利用带来困难。

②能量不稳定－储能或并网

太阳能和风能对天气和气候非常敏感，所以它是一种随机能源。虽然各地区太阳辐射和风的特性在一较长时间内大致上有一定的统计规律性可循，但是其强度无时无刻都在不断的变化之中，不但各年间有变化，甚至在很短时间内还有无规律的脉动变化。太阳能还有昼夜有规律的变化，这种时大时小的不稳定性也给使用带来了很大的困难。

1.2 能源消费和能源构成

到2007年底，全球能源消费总量160亿吨标煤。化石能源消费总量占88%，见图1。

图1 世界能源消费

无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的常规能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%，见图2。

图2 世界和中国主要常规能源储量预测

1.3 世界能源发展趋势

现在全世界依赖最强的主要传统能源仍集中于第一位的石油，以及分别占第二位及第三位的煤炭和天然气，见图3。世界未来20余年的经济发展，还是无法不高度依赖石油及天然气，因此美国能源信息署在2006年4月的 《国际能源展望》中，预测石油及天然气仍是未来25年增长最快的能源。

根据世界能源委员会 (WEC)和国际应用系统分析研究所 (IIASA)研究报告，2050年可再生能源将占世界能源总消费量的30%以上。

图3 世界能源发展状况

太阳能光伏发电也开始从边远地区走向城市，向并网方向发展 (BIPV)。2006年德国一年就安装了约90万kW的太阳能光伏发电装置，主要是并网的屋顶发电系统和规模化的大型电站。日本、西班牙以及美国等光伏发电发展迅速的国家，均以并网发电为主，见图4。

图4 世界光伏发电技术发展趋势

随着技术进步、转换效率的提高以及市场规模的扩大，到2050年左右，光伏发电的成本会有可能接近现在的风电成本，见图5。

(1)世界能源已步入一个新的变革期。能源作为人类社会生产生活的动力，现代社会的发展与经济的繁荣，与能源的发展变革息息相关.

(2)高新技术成果在能源工业迅速推广应用，使整个能源工业正在由低技术向高技术过渡。

图5 世界可再生能源发电成本下降趋势

(3)能源产品正在向洁净化、精细化、高质量化、多元化方向发展，常规能源的开发、加工、转换、输送和综合利用技术将会出现显著进展和重大突破。

(4)节能新产品和新技术不断涌现。

1.4 新能源的开发与利用

1973年和1979年两次石油危机，导致了世界性的经济危机，人类意识到矿物燃料总会有枯竭的那一天。工业化国家开始节省能源、提高能效并积极寻求替代能源。

人们对气候变化的不断关注，从而意识到能源与环境协调发展的重要性。如果人类不对毫无节制的能源开发消费行为加以控制，环境资源将先于能源资源而枯竭。因此，对能源的利用应该首先限制在环境容量允许的范围之内，否则发展将难以为继。如果人类能源开发利用的模式不尽快改变，其后果将是灾难性的。

(1)各种新能源和可再生能源的开发利用

在各种新能源和可再生能源开发利用中，以太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源的发展研究最为迅速。目前，10万千瓦的光电站，1万千瓦的风力试验场，19万千瓦的地热发电站，24万千瓦的潮汐发电站均已建成。

(2)世界各国新能源战略

美国—新能源法规定:未来5年内政府将为可再生能源项目提供超过30亿美元的资金，到2013年可再生能源要占全部能源的7.5%以上。新能源法提出，到2025年从中东进口石油要减少75%。

欧盟是世界上可再生能源发展最迅速的地区。欧盟制订的能源战略，提出到2050年可再生能源在整个欧盟国家的能源构成中要达到50%。欧洲银行将能源投资额度的50%用于可再生能源的开发利用。

德国大力发展新能源，先是风电，现在是太阳能。到2020年德国20%的电力将来自新能源，而目前只有10%。

日本据日本经济产业省公布的最新数据，计划到2030年，风力、水力、生物质能、地热和太阳能发电将占日本用电量的20%。

1.5 我国进入了积极开发利用可再生能源的新时期

中国国家主席胡锦涛在2009年9月22日联合国气候变化峰会上发言说: “中国从对本国人民和世界人民负责任的高度，将继续坚定不移地为应对气候变化做出切实努力。今后，中国将进一步把应对气候变化纳入经济社会发展规划，并继续采取强有力的措施。”

中国国务院总理温家宝在2009年12月18日哥本哈根气候变化大会庄重宣布: “中国正处在工业化、城镇化快速发展的关键阶段，能源结构以煤为主，降低排放存在特殊困难。但是，我们始终把应对气候变化作为重要战略任务。1990年至2005年，单位国内生产总值二氧化碳排放强度下降46%。在此基础上，我们又提出，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%至45%。”

截至2009年上半年，国内多晶硅项目已建、在建或拟建的超过50个，投资规模将超过1300亿元，产能将超过23万吨。

到2009年底，中国光伏电池产量已经超过4000MW，占全球总产量的40%，居全球首位，而产能达到8000MW。

2009年中国光伏安装量超过过去历年累计安装量，全年装机超过120兆瓦，到2009年底全国光伏累计装机超过300兆瓦，提前完成国家中长期发展规划2010年达到250兆瓦的目标，2009年中国光伏安装量占世界总量的2.51%。

2 新能源和天然光资源

2.1 太阳能资源

为便于太阳能资源的开发和利用，必须对太阳能资源中的总辐射年总量、个月日照时数等一些主要指标进行分析。在天然光照明中的天然光资源与太阳能资源中的太阳辐射关系最为密切。

研究发现，在1990年前后，到达地球表面的日射量的变化趋势，从减少变为增加。大量观测纪录表明，1990年前，陆地表面上的太阳辐射明显减少4%到6%，即所谓的全球变暗。

2.2 太阳辐射与天然光照度

(1)太阳辐射

我国的太阳能资源按太阳辐射年总量可划分为资源最丰富带、资源很丰富带、资源较丰富带和资源一般带四个带 (见表1)。

表1 我国太阳能资源按太阳辐射年总量区划

(2)我国天然光资源的利用

1)全国光气候分区

我国地域广大，天然光资源丰富，为了充分利用天然光资源，取得更多的利用时数， 《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001根据我国30年的气象资料取得的135个站的年平均总照度对全国的光气候进行了分区。按不同照度范围将全国划分为5个区，见图6。

2)天然光利用时数

根据对五个代表城市实测得到的辐射光当量值，从日辐射多年平均值换算出该地的平均总照度值。利用这些资料再计算出各城市的天然光利用时数(见表2)。

表2 室外不同临界照度值时的全年天然光利用时数

室外天然光临界照度是指室内天然光照度等于各级视觉工作室内天然光临界照度时的室外照度值，即室内需开 (关)灯时的室外照度值。室外临界照度是可变的，它的变化影响采光系数的取值，以及开关灯的时间。因为取较高的室外临界照度，意味着采光系数值降低，窗口可开小一些，这样要早一点开灯，晚一点关灯，即延长人工照明使用时间，增加照明费用。反之，如取较低的室外临界照度值，则要求较高的采光系数值，使窗口开大，增加采暖费，但减少照明费用。室外天然光临界照度的取值应根据我国的光气候条件和国民经济发展状况等因素，综合分析而定。从表可看出，当室外临界照度取5000lx时，Ⅲ类区城市的采光可满足每天平均10h工作的需要。

3 天然光在建筑上的应用与节能

3.1 天然光照明利用技术

(1)新材料的发展

1)低辐射镀膜玻璃

天然光是通过透光材料进入室内的，玻璃是建筑门窗和幕墙用量最大的透明材料，而近年来普遍采用的低辐射镀膜玻璃以其独特的优良性能成为各类建筑的首选。低辐射镀膜玻璃除具有控制太阳辐射和阻止热辐射透过玻璃传递的功能，而且还具有良好的采光性能，对波长380～780nm的可见光具有很高的透光率、色调高雅、视野清晰自然，此外它还具有低的反射表面，可有效地控制光污染。

2)导光/遮阳棱镜

导光棱镜系统可高效地引导入射光线，防止窗户的眩光，并可有效地分配室内光线。

如图7～图9中棱镜板的材料为聚甲基丙烯酸甲脂树脂玻璃 (PMMA)，注塑成型，超纯铝 (纯度99.99)超薄金属涂层。

3)透光膜材

近年来PTFE半透明材料和ETFE透明材料在许多大型建筑中都有采用，PVC织物则是一种性价比较高的膜材。

图7 导光/遮阳棱镜面板角度

图8 导光/遮阳棱镜面板

图9 棱镜/玻璃部件结构

ETFE为乙烯四氟乙烯共聚物，属于高分子材料，无色透明。建筑用ETFE薄膜通过高温挤压加工成形，一般厚度为50～300微米，最大的特点是优异的透光性，透明薄膜的透光率高达96%，另一特点是通过添加物或在薄膜表面喷涂图案可以调整透光率。如果用多层ETFE材料叠合使用，能产生极好的隔热作用，同时还可以调节光强度和紫外线的透过率。张拉后的膜面极为光滑且有自洁能力。ETFE膜材不易燃，且在燃烧熔化后会自行熄灭。

国家游泳中心“水立方”在ETFE膜上镀大量的银点 (如图10中打点)，镀银点的密度对膜的光学性能有着重要的影响，随着镀点密度的增加，膜在可见光和整个太阳光波段的透射都随着降低。膜材料组合不同，各区域气枕的光学性能参数有较大的差异。通过改变膜的镀点密度和膜层组合，可以得到不同的透射性能参数，起到遮阳和控光的效果，以适应各区域的使用要求。

除以上材料外，透光材料亚克力板、阳光板在建筑采光中也有大量应用。

4)反光材料

一种复合高分子白色反光薄膜具有极高的反射率，它在整个可见光光谱范围内的反射率高达97%，且各角度的反射性能一致。该种反光薄膜具有独特的亚光外观，具有极强的漫射特性，使反射光线更加均匀自然，目前已成功用于灯具设计和导光管的设计，具有明显的节能效果。由于该种反光薄膜具有良好的反射性能，对于需要获得间接光的各种反光板和室内饰面也是一种提高光强度的理想材料，并可达到节能的目的。

图10 ETFE膜透光率调整

另一种反光材料则是大量采用的高纯铝板，其反射率可达到98%以上，常用的灯具反射器和导光筒都用这种材料。

(2)新型采光形式

1)膜结构

膜结构在其漫长的历史中经历了很多的发展阶段。膜“Membrane”这个词最早源于拉丁文，意思是轻且有张力。随着高分子科学的发展，膜材的性能有了很大提高，带覆层的人造纤维织物更适合铺设在大跨度的屋面上。随着更先进的工艺和技术的发展，这种膜结构建筑形式越来越受到广泛关注。

图11 ETFE膜三维弯曲外墙

图12 ETFE膜与索网

图13 ETFE与百叶窗

PTFE覆层式玻璃织物用于永久性的建筑结构中，PTFE类膜材具有极高的张力、抗紫外线、阻燃、光滑的表面具有极高的反射率，张拉后的膜面很平滑，一般的自然降水就可冲洗净其表面。PTFE类材料的透光率受膜厚的限制，一般为20～30%。平均使用寿命大于30年。各种膜结构见图11～图15。

图14 汉诺威体育场单层ETFE膜结构

图15 PTFE覆膜玻璃纤维

PVC覆层玻璃织物可用于永久的、临时的和可收起的结构中。由于选用了特制的表面处理工艺，这种膜可抵抗恶劣的气候，并有隔紫外线的能力，易清洁、易安装、阻燃。通过在其表面加入各种颜色，膜可呈现出多种色彩。透光率受膜厚的限制，透光率一般为20%。另一类均质的PVC织物可用于半透明/透明的内部结构，透光率分别达到70%和96%，见图16。

2)导光管系统

导光管系统具有节能、环保、舒适的优点，不仅可节约大量的照明用电，进而减少温室气体的排放，而且可提供舒适的自然光线，改善室内光环境。

导光管是一种通过传输通道将光线传导至建筑空间各个部位的装置，导光管系统主要由集光器或发光装置 (大功率HM)，导光管，以及照明器三部分组成，见图17～图19。

3)新型遮阳装置和控光系统

图16 PVC覆层玻璃纤维

图17 被动式集光器

图18 主动式集光器

将天然光引入室内，在充分利用天然光的同时，还要防止直射阳光，减少进入室内的太阳辐射，降低空调能耗，同时还要减少来自太阳和玻璃表面的有害眩光。好的遮阳和控光系统可改善室内光分布、提供高质量的照明条件。遮阳装置和控光系统是建筑设计的重要组成部分，也是有效利用天然光和改善室内光环境重要条件。图20、图21是一种典型的遮阳系统。

图19 导光管装置

图20 微型遮阳格栅

(3)高性能设计计算软件

建筑采光设计计算一直困扰着建筑设计师。目前已有多种建筑采光与日照设计计算软件被开发，这无疑将大大推动建筑采光设计技术的发展。建筑采光计算软件Radiance对天然光的模拟十分强大，计算精度高，先进的表面反射模型可以在复杂的场景内正确地模拟漫反射和镜面反射，基于光能传递算法的漫反射，使它能分析像遮光板之类的间接光学系统。Radiance的目的是预测照度和渲染具有心理真实性的虚拟建筑图，在建筑完成前提高照明设计质量。在这个程序中，加入了互动漫反射计算和类似于光能传递的组件，同时也能处理流行的CAD系统的数据并能在相对较短的时间内完成计算。庞大的“水立方”室内光环境分析计算就是采用该计算软件完成的，并取得了良好的计算结果。

图21 遮阳格栅组件构成

3.2 天然光在新型建筑中的应用

(1)膜结构建筑

膜结构将那些使用传统结构的“五大建材”(玻璃、砖、混凝土、木、金属)无法建成的建筑变成了现实。当半透明或全透明的优美膜结构替代传统建筑形式的时候，我们不得不承认，没有一种其他建筑结构可以不拘于简单的立方体而变化出如此多姿的形态，膜的厚度尽管很薄 (不足1mm)，当这些高张力的膜可以张拉到令人惊讶的程度时，最终张拉面的密度可能仅为1～2kg/m2。

当然这需要精心设计膜的外形和曲率以充分优化结构的荷载。可以说，对于那些轻质透明/半透明的无障碍大跨度设计，膜结构无疑将是极好的选择。

国家体育场顶部采用了PTFE和ETFE两种材料。国家游泳中心“水立方”的建筑围护结构采用了新型的ETFE透明薄膜材料和气枕结构，目的就是要使建筑物内部有良好的采光，给人以透视的室内外联系的感觉。

“水立方”建筑围护结构采用了新型的ETFE充气枕，单层覆盖面积达30万平方米，是世界上面积最大、功能要求最复杂的膜结构工程，见图22～图28。

(2)采用导光管装置的建筑

导光管技术的出现无疑为人们合理利用天然光资源开辟了新的途径，特别是近十几年伴随着导光管技术的快速发展，大量具有可推广性的导光管产品不断涌现，使得导光管在居室、商店、学校、运动场所、厂房等不同空间得到广泛应用，见图29。

长期以来侧窗以其结构形式、清洁维护简单，可为用户提供良好的视野等优势，而一直被作为建筑采光的主要方式。而对于地下空间等难以开窗的建筑空间则更是很难得到应用。特别是对于大进深的空间或者地下、无窗空间采用导光管系统则可为室内创造良好的光环境。图30是北京科技大学体育馆采用的导光管系统。北京科技大学体育馆顶部采用了148个导光管装置，导光管长8米，直径约0.5米，导光管将室外天然光引入到室内均匀分布，取得了较好的照明和节能效果。

图22 国家体育场“鸟巢”和国家游泳中心“水立方”

图23 英国莱切斯特国家宇航科技中心ETFE弯曲外墙

图24 荷兰阿姆斯特丹Villa Arena竞技场内的家具展示厅ETFE屋面

图25 中国广州新白云机场PTFE玻璃纤维膜屋面

图26 慕尼黑国际机场PTFE膜结构与玻璃幕墙拱顶

(3)大型建筑的天然采光

大型建筑，还有一部分称为标志性建筑的大型建筑不仅在大城市随处可见，就连中小城市也发展迅速。特别是那些天然采光利用比较多的大空间建筑，如飞机场、会展中心、体育馆以及工业厂房等，在建筑设计时都在考虑利用天然采光和节能的问题。

图27 沙特迪拜阿拉伯饭店PTFE膜结构

图28 德国的Gottlieb Daimler体育场PVC巨型屋面

图29 导光管装置应用实例

图30 北京科技大学体育馆

对于大空间体育建筑而言，以往一般都是利用高侧窗进行采光，利用天窗采光的体育馆以结合屋盖结构形式进行带状采光的居多。在本次奥运场馆的建设中为了充分利用天然光，营造良好的室内光环境，调节心理状态，有利于赛后综合利用，在屋盖结构部分进行了大胆探索，设计了各种形式的大面积采光天窗，取得了良好效果。如北京老山自行车馆、北京农业大学体育馆和射击馆等。见图31～图34。

图31 北京老山自行车馆

3.3 天然光照明节能分析

天然光照明节能以奥运场馆工程为例进行分析。天然采光这种节能环保的照明方式自然成为一些场馆优先考虑的方案，在设计过程中取得了相关技术和设计方法上的创新，主要采用了导光管系统、膜结构和天然采光三种型式。导光管系统:奥运中心区地下车库、科技大学体育馆、奥运村;膜结构:国家游泳中心;天然采光形式:国家体育馆、中国农业大学体育馆、射击馆、北京大学体育馆、老山自行车馆、北京工业大学体育馆，这些场馆和设施在天然光利用和节能方面均取得了比较好的效果。以下是对“水立方”的节能分析计算结果:

图32 北京农业大学体育馆

图33 北京射击馆

图34 “水立方”比赛大厅采光

水立方与参考建筑的天然光利用时数与用电量如表3所示。

天然采光可利用的时间决定该场所的照明节能。根据各功能区对应的照明标准，确定参考建筑 (与水立方建筑体量和功能相同)与实际建筑全年的天然采光可利用时数，并进行比较和分析。

表3 水立方与参考建筑的天然光利用时数与用电量

经计算，水立方与参考建筑室内各区域的全年照明能耗如表4所示:

表4 水立方与参考建筑各主要功能区全年照明能耗对比

通过计算可以得出以下结论:由于水立方的围护结构采用了ETFE材料，采光水平明显高于参考建筑，就天然光利用情况来看，水立方的各主要采光区域的全年天然光利用时数比参考建筑要高出66%以上，各主要采光区域的照明能耗要比参考建筑低44%～68%，整个水立方建筑的照明能耗要比参考建筑低29.4%。赛后应充分利用天然光，通过将天然采光和人工照明的结合和良好的控制，实现照明节能的最大化。

采用太阳能、风能和地热等绿色能源技术，使奥运场馆绿色能源供应比例达到26%以上。

在奥运主要场馆及设施中大面积采用半导体照明和地源热泵等高效能源利用技术，实现节能60%～70%;

在通往奥运村各条道路上，太阳能半导体照明灯取代了普通路灯，并且可为90%的奥运场馆草坪灯、路灯提供照明，不仅节省了大量的电能，而且还具有防潮、耐震、长寿命、少维护等特点。

智能照明控制系统在减少照明时间和管理费用的同时，能有效节约能源。根据一般办公大楼的运营经验，节能效果能达到40%以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25%～30%。可见在天然采光和照明方面还有巨大的节能潜力。

［1］祝昌汉.气候变化与新能源开发利用报告，2008.1.

［2］林若慈等.A Study and Zoning of the Daylight Climate in China.CIE会议论文，2007.

［3］建筑采光设计标准.GB/T 50033，2001.

［4］丁建明等.奥运工程采光与照明节能技术的应用.智能建筑与城市信息，2008.12.