论太阳能在建筑上的应用

刘旺

摘要：太阳能建筑相较于其他建筑而言，具有能源资源丰富、清洁安全低能耗、设计新颖外观独特的优势，介绍了太阳能建筑的优势和特点及太阳能的利用方式和实例，分析了太阳能建筑设计存在的问题，研究提出了相应的改进措施。

关键词：太阳能建筑； 优势特点； 存在的问题； 利用方式

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.094

1太阳能在建筑中利用的特点

面对当前能源危机，将太阳能与建筑有机结合，在建筑设计中将成为一个新的亮点。太阳能应用于建筑具有以下几方面的特点：①资源丰富。我国各地的太阳能辐射总量为3340～8400MJ/m2，与同维度的其他国家相比，除四川盆地外，绝大多数地区都有非常充足的太阳能资源，太阳能在我国有巨大的开发应用潜能。②清洁安全。太阳能、水能、风能、生物质能等可再生能源也常被归为清洁能源。太阳能有着有“干净能源”和“安全能源”之称。③新颖设计，外观独特。太阳能可以与房屋建筑统一规划、设计与施工，与建筑融为一体，使其成为建筑的有机组成部分，充分发挥太阳能的环保节能作用。在建筑进行规划设计时，要综合考虑建筑所处的地理纬度和气候特点，太阳能系统的不同类型、技术要求、建筑造型、平面功能、构造节点等因素，做到既满足建筑造型的美观，又满足建筑的使用功能。

2太阳能在建筑中的利用方式

太阳能在建筑中的热水系统、采暖系统、光伏系统都有利用，且利用方式各具特色。

2.1太阳能热水系统

太阳能热水系统是由太阳能集热元件、蓄热容器、控制系统及完善的管道保温、防腐部分等组合而成的。在太阳能照射下，使太阳能的光能转化为热能，辅助电力和燃料能源，稳定地提供热水供人们使用。根据加热循环方式太阳能在建筑设计中的热水系统主要有自然循环式、强制循环式。①自然循环式：是运用太阳辐射产生的密度差引发水流的自然流动因其不需要循环水，维护简单，利用广泛。②强制循环式：是通过设定温度值，然后根据控制温度值的高低，利用循环水泵来强制循环太阳能热水。

2.2太阳能采暖系统

太阳能采暖系统按采暖的方式不同可分为主动式采暖系统、被动式采暖系统。①主动式太阳能采暖：主动式太阳能建筑主要由太阳能集热器、管道、热交换器、储热罐以及散热器等组成。这种太阳能建筑的集热、供热系统常设计成集中式。其优点是可以使建筑室内保持稳定、舒适的温度。②被动式太阳能采暖：

是通过建筑朝向和周围环境的合理分布、内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使其在冬季能集取、保持、储存、分布太阳能，从而解决建筑物的采暖问题。按照传热过程的区别，被动式太阳能分为两类即直接受益和间接受益。①直接受益类型：指太阳能辐射能直接穿过建筑透光面进入室内。在直接受益方式中，房屋本身成了一个包括太阳能集热器、蓄热器和分配器的集合体。这种采暖方式对于仅在白天使用的办公室、学校教室、图书馆和小商铺等比较适用。②被动受益类型：指太阳能通过一个接受部件或称作太阳能集热器，这种接受部件实际上市建筑组成的一部分或在屋面或在墙面，而太阳能辐射能在接受部件中转换成热能再经由送热方式对建筑采暖。

2.3太阳能光伏系统

建筑光伏系统，是光伏发电应用的一个新概念，就是指太阳能光伏发电阵列安装在建筑的采光外面来提供电力。这种系统有诸多优点，如有效利用建筑外表面、无须额外用地或者加建其他设施、节约外饰材料。缓解电力需求、降低夏季空调负荷、改善室内环境温度等。太阳能光伏系统按接入公共电网的方式可分为独立运行系统和并网运行系统两种类型。

3太阳能技术在建筑上应用实例

3.1采用太阳能光伏系统的建筑

北京净雅大酒店工程项目为多媒体光伏幕墙，白天建筑接收太阳辐射，在利用光伏组件调节室内采光和得热的同时，将多余的辐射能量通过光——电转化技术变为电能；夜间将白天接收的太阳辐射能通过电——光转化技术变为光能。该幕墙的特点是能源自给自足，最大限度地节约了能源。

3.2采用太阳能热水系统的建筑

某军区在北京的建筑采用太阳能热水系统（图2、 图3）。其中平板集热器采用全铜材料，吸热涂层采用蓝色镀膜、黑烙技术，每平方集热板可代替150kg燃煤，相当147度电量，每平方集热水量80kg左右50℃以上，采用双循环、不易结垢，可排污，不会爆管，不怕冰雹，外盖采用钢化玻璃保护层，可承压，属于金属管之间焊接，使用寿命30年以上。平板太阳能集热器其吸热元件为金属吸热板（一般铜或铝）吸热板表面为太阳选择性吸收涂层；吸热板中间为介质流道，一块集热器由几块吸热板和上、下集热管焊接组成，金属外框和背部保温材料，上面为高透光率的玻璃。

3.3采用太阳能采暖系统的建筑

北京平谷区农村住宅太阳能与建筑一体化采暖热水系统工程（图4是），该项目总建筑面积9.916万，示范面积9.416万，总投资1.55亿元，本项目利用太阳能系统供给居民采暖和生活热水。每套系统形式均为强制循环直接式系统，水箱均放在室内设备间，集热器均为平板型太阳能集热器，集热器面积、水箱容积根据每栋建筑的建筑面积进行配比，集热器安装在南面坡屋面上。

4太阳能建筑设计存在的问题

（1）主动式太阳能采暖建筑的太阳能热水系统在住宅建筑中主要存在以下问题：

①由于阳光照射到地面的热量首地域、季节、昼夜及天气阴晴云雨的影响，并且太阳能热水系统的日常运行及换季、维护方面也存在一些问题。从而对广泛地推广、应用太阳能造成一定影响。

②由于此类太阳能热水器有采光和外观设计的要求，安装时要注意的位置和朝向，同时也要注意防风、防雷等问题，因此與城市的景观融为一体存在一定的度。endprint

③目前城市的建筑由于用地紧张而趋向高层化，对于高层住宅因屋面的面积限制，基本上不可能摆下足够的热水。上屋顶检查、维修较困难。

④装在屋顶上的太阳能热水器存在着连接管道长、热损失大、管道内冷水浪费等缺陷。

⑤有些因太阳能的安装，也会破坏建筑的防水层，造成漏水现象。

⑥冬季气温低热水器和管道系统的防冻问题，在北方严寒地区太阳能地区太阳能系统还只能在春夏秋三季使用。

太阳能热泵采暖系统在住宅建筑中主要存在的问题：

①在夜晚和雨雪天气里，该系统无法提供热能来源，导致系统无法工作。此时就需要配置大功率的辅助供热装置，如电加热。这样系统就要增容，能耗升高，故投资成本增大。

②在温度低于0℃时，空气源热泵会结霜，从而影响系统正常工作。太阳能地板辐射采暖增加了地板的厚度，使房间的净高减小，增加了建筑结构的荷载。

③智能化控制有待提高，该系统的应用应与建筑设计的美观性相结合。

（2）被动式太阳房最基本的工作机理是所谓“温室效应”。按采集太阳能的方式区分，被动式太阳房可以分为：直接受益式、集热储热墙式、附加阳光间式、屋顶池式等。直接受益式应用的缺点是：对建筑设计的方向有要求南面窗户的面积需要大一点，还需要配置保温窗帘，还需要安装遮阳板，影响美观。集热储热墙式应用的缺点是：需要使用深色的墙面，对建筑的外观设计有局限性。附加阳光间式应用的缺点是：对民房的条件有要求：民房向阳面前要有2～2.5m的空地，且至门窗上沿没有遮挡物，冬季阳光能较好的照射到阳光间；对房屋门窗能开关，且密封性能较好，其它部位保温性较好，否则效果会受到影响。

5针对上述问题，提出如下改进措施

（1）利用电、煤气等其它能源辅助加热装置，解决间断或换季不利因素对太阳能应用予以把关；

（2）采用分体式热水器解决热损失大、管道内冷水浪费等缺陷，合理与建筑有效结合，满足集热板的安装问题。

（3）规划部门要在规划条件、设计方案审查、规划核实等环节对太阳能应用予以把关；建设部门应对未应用太阳能热水系统的工程，严格实施专家论证制度，并加强对太阳能热水系统应用的指导和工程质量监督；房产部门要规范太阳能热水系统的维护管理。工程建设各方要切实将太阳能热水系统作为建设工程的一部分纳入管理，密切配合，把推广应用太阳能热水系统的要求落在实处。新建的小区需要建筑师、开发商在设计阶段就将太阳能技术考虑到建筑技术中去，应将太阳能热水系统作为一个整体与建筑同步设计、同步施工、同步验收、交付使用和维护管理。住宅太阳能热水系统工程造价应当列入房屋销售价格，不宜单独另行收费。这样可以避免建筑竣工后各自在屋顶安装太阳能热水器，使太阳能热水器与建筑外观不能协调一致，不能与建筑融为一体。利用太阳能设施完全取代或部分取代或部分取代屋顶覆盖层，对斜屋顶用镶嵌式。可以减少成本，提高效益，造福于广大居民。

（4）完善太阳能热水系统维护保修制度。相关单位进行维修施工时，应遵守物业管理区域内的规章制度。

（5）加大研发力度，研发出性能优越，款式优美，价格适中的产品，能与城市景观融为一体，满足消费者需求。

6结束语

新能源的开发与利用仍然作为我国节能减排、保护环境的一项重要任务。太阳能的发展也起了至关重要的作用，太阳能建筑具有显著的优势及特点，具有良好的发展前景，而它在建筑方面的合理利用也为太阳能的发展起到了示范性作用，也为太阳能在其他领域的应用提供参考。固然，太阳能在建筑方面所取得的巨大成就我们不容忽视，但我们不应止步不前，尚且太阳能在建筑上的利用仍存在一些问题，只有不断地发现与探索，才能改进其缺点，进一步对其设计进行优化。我们更应深入学习研究，不断的完善太阳能在建筑领域的应用，这样才能够最大限度合理充分的利用太阳能，降低能源消耗，促进可再生能源发展，真正做到建设资源节约型、环境友好型社会。节约能源、保护环境，我们任重道远，通过不断地学习与探究，为建筑太阳能的发展贡献自己的一份绵薄之力。

参考文献

[1]刘建坡.节水节能技术在建筑给排水工程中的应用[J].中华民居旬刑，2011，（7）.

[2]高明远，岳秀萍.建筑给水排水工程学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002，1214.

[3]应敏，张伟.绿色智能建筑技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]徐伟，郑瑞澄，路宾.中国太阳能建筑应用发展研究报告[R].中国太阳能建筑应用发展研究報告课题组，2009.endprint