太阳能技术在城市建筑中的应用研究

青和勇，安伟，张俊，陈小龙，王庆国，冯干，曹晓飞

（中建四局安装工程有限公司，广州510700）

1 引言

多年来，太阳能领域的发展受限于先天的地理条件与科技水平的发展瓶颈，而今将高层绿色建筑与太阳能光伏板绿色节能技术相结合，并结合西方国家的先进案例，能够为我国太阳能技术在城市建筑中的规模化应用提供借鉴，接下来将据此展开分析。

2 高层建筑立面的太阳能一体化设计

目前，多数城市中的高层建筑采用的太阳能技术主要是太阳能光伏发电技术与太阳能热水技术[1]。太阳能光伏板主要利用半导体电子器件对太阳光的辐射能进行吸收，之后将其转化成电能，这些由太阳能转化而来的电能除了能够为建筑提供制冷采暖、照明等日常所需电能，其剩余的电能资源还可以用于城市公用电网进行并网发电，为我国可持续发展做出贡献[2]。

高层建筑立面的太阳能一体化设计是将太阳能光伏板、太阳能热水集热器以及建筑外部的立面造型设计进行有效结合，在节约土地资源与基建投资的前提下帮助调节室内温度，同时有效降低大型建筑中空调电器设备运行产生的高昂成本[3]。但是太阳能一体化设计在我国尚未进入强制性推广阶段，其应用主要集中在大型城市的高层建筑中，由业主和当地政府自主选择是否进行应用，尚未形成完善的城市光伏发电供电系统。值得庆幸的是，目前已经有研究者从利用太阳辐射能量与原有结构承载力的角度出发深入研究太阳能技术，希望能够在众多实践者与研究者的不懈努力之下开拓出一条符合现代需求的城市建筑太阳能技术发展之路。

3 不同建筑类型中太阳能的规模化利用

3.1 城市居住小区

对于城市居住小区，高层住宅小区之间的相互遮挡为太阳能应用设计增加了难度，而低层住宅小区没有高层良好的垂直面利用优势。目前，低层住宅小区应用太阳能技术的主要方式是在屋顶安装小型太阳能光伏系统。

为了防止因为高层住宅小区相互之间的遮挡而影响光伏系统的运作效率，设计人员应针对日常光照下的建筑阴影进行详细的分析研究，根据阴影遮挡情况进行光伏系统的区分设计，并在建筑立面进行太阳能转换设备的安装。因为低层住宅小区并没有垂直立面优势，因此，进行建筑设计时，需要根据太阳的照射角度对住宅屋顶进行倾斜角度的调整，以此提高低层住宅光伏系统的集成效率。例如，在荷兰阿姆斯特丹的新斯洛滕住宅小区建筑的设计中，设计师在34栋低层住宅与37套公寓式住宅中进行了太阳能光伏系统的集成，为了能够实现照射角度的灵活调整，对面板做了适当调整，能够跟随阳光的照射角度进行变换，总计1.23×104m2的安装面积，充分利用了太阳能，是一次太阳能技术规模化利用的重要示范。

3.2 城市大型公共建筑

城市大型公共建筑指的主要是政府办公建筑、CBD商业综合体、体育赛事举办场馆以及交通枢纽机场与火车站等公共建筑，这些地方常年人员流量大，需要空调设备进行温度调节，因此，需要耗费大量的电能。同时，城市大型公共建筑占地面积较大，为光伏系统的安装提供了有利条件。通常情况下，太阳能光伏系统常与建筑的大跨度建筑顶棚融为一体，或者作为遮阳装置被安装在建筑立面上，从而吸收更多的光能，并转化为电能供室内空调系统使用，具有显著的节能效果。但是，要对此技术进行应用，建筑外立面应有充足的光伏系统安装位置。此外，光伏构件需要具备一定的设计感，以展现城市的风采，成为城市一道亮丽的风景线，这就需要设计者具有较高的综合素质水平，并且能够对当地文化背景有深入的了解。

3.3 城市建筑小品

城市建筑小品遍布城市的各个角落，是人们日常生活中随处可见又不可或缺的一部分，其不仅数量大且分布面积也很广，并且城市建筑小品包括一些需要长期进行供电的小型城市公用设施，例如，候车亭、停车棚以及路灯等。将太阳能技术应用到城市建筑小品中，可以进一步提升城市的供电水平，节约热能供电，并且成为宣传绿色节能的典范。

4 基于城市发展基础下的太阳能规模化利用

4.1 新开发区域

新开发的城市区域需要提前针对上述问题做好预案，在利用太阳能技术之前综合考虑当地的地理环境以及气候条件，且太阳能设备外观设计要充分符合城市建筑风格，保持美观。我国西北部地区地广人稀，太阳能资源丰富，并且其中的许多地区都处在尚未开发或者尚未开发完全的阶段。为了能够在这些区域更好地实现太阳能技术的规模化利用，当地政府应在规划前期做好充分的准备工作，确保能够在当地实现最大化的太阳能资源利用。

在城市空间规划过程中，应严格控制建筑的间距，并且为了确保太阳能的利用效率，设计者应采用低容积率、联排式的布局进行建筑群的平面设计，以减少建筑之间的遮挡，保证太阳能的充分利用，发展当地的能源经济。

4.2 城市原有建筑

由于城市中的既有建筑已经适应了上一阶段城市规划的各项条件，需要在不破坏生产经济秩序的前提下进行太阳能技术的融合，随之而来的是各种制约因素。首先，建筑朝向固定且无法满足充分利用太阳能资源的要求；其次，建筑物的间距也对太阳能技术应用造成了影响；然后，对于不同的建筑，屋顶设计的不同，也会对太阳辐射吸收量造成差异，这也是太阳能技术无法迅速推广的重要原因之一。所以，在针对城市原有建筑进行太阳能规模化和一体化设计时，必须认识到当地的太阳能资源状况，针对城市运作机理进行细致的了解，并且在光伏系统设计过程中要对建筑物之间的遮挡关系进行调整，从而能够在现有条件下，最大化地利用建筑间距以及朝向对光伏系统进行个性化设计与选择性布置，从而确保太阳能技术在城市原有建筑基础上的最优化。

5 结语

太阳能技术在城市建筑中的发展从来都不是一帆风顺的，从国外先进案例中不难看出，他们同样也遭遇到了各种各样的难题，例如，太阳能的规模化利用与建筑之间的融合并没有达到完全理想的效果，其光伏集成度的缺乏，再加上设计方法与经验不足，以及太阳能的利用难度等。对这些问题进行逐一攻破是太阳能技术在城市建筑发展过程中的必经之路。所以，在城市建筑中加装太阳能发电设备时，要针对相关建筑的朝向、间距以及屋顶类型进行综合布置。