陕北地区实施太阳能建筑一体化可行性研究

龙云涛 杨红霞 侯张林 王 喆 高文忠

(延安大学建筑工程学院，陕西延安 716000)

0 引言

21世纪，随着全球人口的急剧增长和经济的高速发展，人类将面临石油、粮食和环境三大危机。治理环境污染、发展绿色经济，积极探索新能源，大力发展水能、风能、太阳能、地热能、生物能等可再生能源，已成为全球共同面临的课题。建筑作为第一用能大户(能耗一般占40%左右)，将太阳能高效、合理地应用在建筑中，建造太阳能建筑也就成为节能减排的一种重要途径。

1 太阳能建筑一体化概念

所谓太阳能建筑一体化是指将太阳能利用设施与建筑进行有机的结合，利用太阳能集热器替代屋顶覆盖层或替代屋顶保温层，巧妙的将太阳能系统的各个部件融入建筑之中，统一施工，使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分。既消除了太阳能对建筑物立面的影响，又减少了重复投资，降低了建筑成本［1］。

2 太阳能建筑一体化国内外现状和发展趋势

美国作为一个发达国家，早在1941年麻省理工学院就建立了第一批太阳能建筑并取得专利。随后为了减少能耗，降低污染，在建筑物可能的部位(屋顶、阳台、墙壁等)安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统，给美国带来相当可观的环境效益和经济效益。到2010年，百万屋顶计划将生产相当于2个～3个燃煤发电厂的电力，不仅满足自身的电力需求，而且有的地方已经在出售由太阳能所产生的电力。

欧洲大部分地区，太阳能被公认为是一种极好的替代能源，人们对和建筑物相结合的太阳能装置和光伏装置兴趣越来越大。丹麦Toftlund的Brundtland中心是一座2 000 m2的办公和展览大楼，它有一套先进的日光照明系统，其中包括装在外窗上的改变光线方向的百叶窗，反光天花板，中央阁楼朝南的透光窗，还装有光伏组件。德国科学家还设计制造成功一种向日葵式的旋转房屋。它装有如同雷达一样的红外线跟踪器，只要天一亮，房屋上的马达就开始启动，使房屋迎着太阳缓慢转动，始终与太阳保持最佳角度，使阳光最大限度地照进屋内。夜间，房屋又在不知不觉中慢慢复位。这种房屋能够充分利用太阳能，保证房屋的日常供热和用电，又能将光能储存起来，供阴雨天和夜晚使用。

我国的第一幢被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙的组合式太阳房。在20世纪80年代初，又通过国际合作项目，如中德新能源村、联合国开发署支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的建立使太阳房得到进一步发展。在“六五”“七五”“八五”，包括到“十一五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能项目，取得了一系列成效。

当前，我国被动式太阳房已进入规模普及阶段。由群体太阳能向太阳能住宅小区、太阳村、太阳城发展。特别是常规能源相对缺乏、经济相对落后、环境污染比较严重的西部地区，发展速度更为迅速，有的地区年平均递增率达15%。各地还制定了包括推广太阳能的阳光计划，如投资额达4.28亿元的兰州市“阳光计划”，甘肃省临夏市建成了占地9.8 hm2、面积9.2万m2的太阳能小区，以及西藏计划投资900万元资助新建太阳房27万m2等大型工程项目。

总之，太阳能相对其他可再生能源来说，太阳能具有一些特有的优势，更利于与建筑结合，因而大力发展太阳能是我国乃至全世界发展可再生能源、实现能源管理的重要方向。

3 陕北地区太阳能建筑一体化现状

3.1 陕北地区居民住宅状况

改革开放以来，我国城乡建设发展迅速，建筑面积不断扩大，陕北地区城乡建设发展迅速，各县市一幢幢高楼拔地而起，乡镇、农村也盖起了一排排小平房或两三层的小洋楼，陕北人的居住条件发生了巨大变化。但是，经过近几年的运营也暴露出一些问题，城里的楼房大部分仍然采用传统的燃煤热水锅炉对流式散热器系统供暖，采暖能耗大，效率低，费用高，环境污染严重;乡镇、农村由于居住分散，建筑规模小，住户要求差异大，基本不能实现集中供暖，各家各户自行解决取暖问题，经济条件好的住户安装了土暖气，一般家庭就只在家里生个小煤炉，建筑采暖能耗大、热环境质量差，而且传统的火炉、土暖采暖方式，能源利用率低，一般火炉热效率只有15%～25%，土暖的终端利用率也只有25%［2］。

另外，据我们调查，城里集中供暖的小区由于费用较高，居民拖欠取暖费的现象屡屡可见，各小区都存在“钉子户”;自行安装了土暖气的住户在刚开始使用的一两年内还可以，但随着时间的推移，锅炉、散热器的各种问题随之出现，维修费用较高，加之近几年煤炭价格暴涨，大部分居民的土暖气都成了摆设，步入小煤炉的队伍;一间二三十平方米的房间仅靠使用小煤炉采暖，在陕北地区根本无法满足室内采暖的要求。加之目前农民建房一般只顾外表和成本，看见城里人不住窑洞住砖房了，自己也不住窑洞盖砖房，手头有些钱就自己找个工匠、买些砖、楼板就开始盖房，根本不知道在陕北地区240厚砖墙作为外墙还要加保温、屋顶在楼板层上也要加保温层等才能满足保温隔热要求，盖好住进去后才发现新房还不如自己原来的窑洞住着舒适，夏天里面像个蒸笼，冬天冷的水缸都结冰。

3.2 陕北地区的地理条件

陕北位于陕西北部，其南部是黄土高原，北部是毛乌素沙漠，西北高，东南低，位于东经105°29'～111°15'、北纬 31°42'～39°35'之间［3］，总面积达92 521.4 km2，包括陕西省的榆林市和延安市。

延安市位于陕北南部，是陕北的中心城市。东隔黄河，与山西省相望;西以子午岭为界和甘肃省接壤;北靠榆林地区;南接我省渭南，铜川，咸阳三市。地理位置为东经107°41'～110°31'，北纬35°21'～ 37°31'之间，南北直线距离 239.12 km，东西间距257.85 km。总面积为3.7万km2，以黄土高原丘陵沟壑地形为主，平均海拔 1 000 m［2］。

榆林市位于陕北的最北部，地理坐标为东经107°28'～111°15'，北纬 36°57'～ 39°34'［4］，近年来迅速发展为北部的中心城市。地处陕甘宁蒙晋五省(区)接壤地带。东临黄河与山西相望，西连宁夏、甘肃，北邻内蒙鄂尔多斯市，南接延安市。1辖区11县222个乡镇，总人口353万，总面积43 578 km2。地貌大体以长城为界，北部为风沙草滩区，南部为黄土丘陵沟壑区，分别占总面积的42%，58%，海拔1 000 m～1 500 m。

3.3 陕北地区的气候及太阳能资源状况

陕北地区属于暖温带半干旱大陆季风气候，其中延安地区四季分明、日照充足、昼夜温差大、年均无霜期170 d，年均气温7.7℃～10.6℃，年均日照数2 300 h～2 700 h，年均降水量500 mm左右，属内陆干旱半干旱气候;榆林地区气候属暖温带半干旱大陆季风气候，年平均气温10℃，年平均降雨量400 mm左右。

在全国范围内，陕西北部属于太阳能第Ⅲ类可利用区，是太阳能运用适宜气候区［5］。

就省内而言，陕西省具有丰富的太阳能资源，全省太阳能年总辐射量为4 410 MJ/m2～5 400 MJ/m2，按资源丰富程度可以划分为3个区，即:Ⅰ区为太阳能资源丰富区(年太阳能总辐射量为5 040 MJ/m2～5 430 MJ/m2，全年日照时数为2 600 h～2 900 h)，主要包括陕北北部和渭北东部地区;Ⅱ区为太阳能资源较丰富区(年太阳能总辐射量为4 500 MJ/m2～5 040 MJ/m2，全年日照时数为2 100 h～2 600 h)，主要包括陕北南部、关中地区;Ⅲ区为太阳能资源一般区(年太阳能总辐射量为4 100 MJ/m2～4 500 MJ/m2，全年日照时数为1 664 h～2 100 h)，主要包括陕南汉中和安康大部［6］。

陕北北部(包括:府谷、神木、榆林、横山、靖边、定边、佳县、米脂、吴堡)年总辐射量为5 040 MJ/m2～5 400 MJ/m2，年日照时数2 600 h～2 900 h，是陕西省太阳能资源最丰富的地区。

根据中国气象局提供的太阳辐射数据，陕北地区平均日照时间为4 h～7.2 h，6月～8月较高，日平均日照时间为7 h左右，冬季为4 h左右，年平均气温在7℃～11℃，最冷月1月平均气温－10℃～－4℃，最热月7月平均气温21℃～25℃。全年日平均时间波动不大，太阳辐射量也波动不大，所以陕北地区适合发展太阳能建筑。

4 陕北地区实施太阳能建筑一体化的可行性

根据陕北地区自然条件和国内外太阳能建筑的应用情况分析，在陕北地区实施太阳能建筑，不仅可以节约传统能源、土地，而且可以保护环境、改善建筑功能、顺应建筑工业化和住宅产业化方向，这完全符合经济可持续发展战略的要求。

在陕北地区，将太阳能合理地与建筑外墙、屋面有机结合，即把太阳能取暖、供热、光伏发电等技术和建筑节能技术结合，实现太阳能建筑一体化，可提高建筑物的居住舒适度。

5 陕北地区实施太阳能建筑一体化发展方向分析

实施太阳能建筑一体化应将现代建筑设计、施工技术与当地传统建筑形式、构造做法和施工工艺结合起来，形成既有现代气息又不失地方特色的太阳能建筑。在陕北地区实施太阳能建筑一体化可从以下几个方向发展:

1)以现代建筑设计理论为依据，结合当地气象资料合理选择朝向、布置周围环境，使其冬季尽量多得到日照，夏季利用周围的山体、建筑、树木进行遮阳，避免或尽量少受太阳直射。

2)以传统窑洞尺寸为基础，结合力学、结构、抗震等专业知识，考虑陕北气候特征，合理确定出现代窑洞经济、适用的结构尺寸和构造做法(如窑背覆土厚度)等，设计、建造出“安全、适用、经济、美观、节能”的现代窑洞。

3)按照现代建筑设计理论，对窑洞室内空间进行合理功能分区，巧妙处理内部空间，处理好主次和冷暖区域的划分与连接，如将次要的、非采暖房间布置在北面和东西两侧，将主要采暖房间紧靠集热表面和储热体布置。

4)在建筑物南向设置足够数量的集热表面，如设置集热墙、阳光间等实现太阳能的集取、保持、储存、分布，解决好窑洞冬季的采暖，同时处理好其夏季遮阳问题，使得“窑洞”这一陕北特色的建筑得以续存。

［1］李佩璇.浅谈太阳能建筑一体化在福建的应用［J］.福建建设科技，2009(4)：21.

［2］白叶飞.太阳能在内蒙古民用建筑中的应用［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学，2006.

［3］宋青青.中国中学教书百科全书地理卷［M］.沈阳：沈阳出版社，1990.

［4］吴林荣.陕北榆林地区太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估［J］.水土保持通报，2013(2)：45.

［5］张 磊.被动式太阳能建筑技术规范［S］.中国建筑设计研究院国家住宅与居住环境工程技术研究中心，2012.

［6］肖 斌.陕西省太阳能资源的开发利用［J］.西北水电，2011(5)：96.