1、太陽能利用的現(xiàn)狀
我國有著豐富的太陽能資源，每年獲得的太陽能約為3.6×1022J，相當(dāng)于1.2萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值[1]。約占全國國土面積的2/3的地區(qū)年平均輻射總量在3340～8400MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)在超過2200h，相當(dāng)于110～280kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值[2]。我國從70年代就開始了太陽能利用方面的研究，經(jīng)過30年來的不懈努力，現(xiàn)已在太陽能利用和推廣方面已經(jīng)取得了一定的成績，尤其在太陽能熱水器方面取得了一大批科研成果。但我國的太陽能利用技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距，例如我國目前對太陽能在建筑中有效地利用還是探索階段，不僅利用方式單一并且在與建筑一體化方面顯得尤為落后。因此我國在太陽能技術(shù)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、可操作性等方面都有很多值得進(jìn)一步研究的地方。
2、太陽能利用所面臨的問題
2.1 體制方面的問題
在我國目前的經(jīng)濟(jì)體制下，絕大多數(shù)建筑的建設(shè)者、使用者和管理者是三者分離的，經(jīng)濟(jì)上沒有直接的利害關(guān)系。管理者認(rèn)為建筑業(yè)目前的當(dāng)務(wù)之急是解決群眾住房問題，如果籌集大量的資金去搞建筑節(jié)能，就會少建一些房屋，這與我國的目前現(xiàn)狀而言是不適合；建筑的建設(shè)者認(rèn)為用最少的投資建成盡可能多的建筑面積而節(jié)能會增加成本與售價(jià)進(jìn)而影響銷售，并且節(jié)能是政府的事情與開發(fā)商無關(guān)，因而置節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)于不顧[1]；使用者認(rèn)為進(jìn)行建筑節(jié)能會花去很多的資金況且節(jié)能最終能否帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益還有待驗(yàn)證。
2.2 技術(shù)方面的問題
就目前而言，全玻璃制真空管的太陽能集熱裝置占據(jù)著主導(dǎo)地位，成本較低且技術(shù)成熟，但當(dāng)其與建筑物進(jìn)行一體化的有機(jī)結(jié)合卻存在著一系列的問題，例如承壓運(yùn)行問題、運(yùn)行安全問題、密封可靠問題、結(jié)垢清理問題等等[3]；而采用金屬制流道的集熱裝置并采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，雖然很好的解決了這些問題但又存在成本較高等缺陷。此外還存在著工作性能隨天氣影響較大的缺點(diǎn)。
2.3 建筑行業(yè)和太陽能產(chǎn)業(yè)界之間的問題
建筑行業(yè)和太陽能產(chǎn)業(yè)界之間缺乏相互配合，建筑行業(yè)過去基本沒有參與過太陽能利用與建筑一體化的設(shè)計(jì)與施工，存在對太陽能利用的原理、設(shè)計(jì)方法不夠了解，缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，對其節(jié)能意義認(rèn)識不足等缺陷，沒有按照利用太陽能的原理和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成建筑的土建時(shí)就沒有裝置適當(dāng)?shù)念A(yù)埋件，給太陽能裝置的安裝造成了一定的障礙，并在安裝時(shí)可能損害建筑結(jié)構(gòu)和增加建筑負(fù)荷；太陽能產(chǎn)業(yè)界只考慮太陽能設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能，沒有考慮將太陽能設(shè)備如何作為建筑物的有機(jī)組成部分與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不能與建筑結(jié)構(gòu)從整體性上相協(xié)調(diào)，外觀與造型難以適應(yīng)現(xiàn)代建筑的要求。
以上這些都為太陽能利用和與建筑一體化在我國城市建筑中的發(fā)展帶來的一定困難。但本文認(rèn)為我國可以參考美國《太陽能供暖降溫房屋的建筑條例》和《節(jié)約能源房屋建筑法規(guī)》[4]等制定和完善我國《國家節(jié)能政策法》，鼓勵(lì)新能源利用同時(shí)在經(jīng)濟(jì)和政策上也采取有效措施解決了這些問題，加快利用太陽能等可再生能源的發(fā)展。
3、太陽能利用與建筑一體化勢在必行
我國的建筑行業(yè)過去只著重于建筑的功能、需求和立面效果，卻往往忽視了對清潔能源的利用，缺乏在能源使用過程中對消除各種污染的意識。過去很長時(shí)間里，安裝太陽能利用設(shè)備沒有同建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，使得太陽能集熱設(shè)備的安裝在建筑的外表面及屋頂形成了規(guī)格繁雜、形式各異，雜亂無章的無序狀態(tài)，破壞了建筑樓宇的景觀效果，造成新的建筑視覺污染。這個(gè)問題應(yīng)成為太陽能產(chǎn)業(yè)界和建設(shè)行業(yè)應(yīng)該共同研究討論的一個(gè)大問題，建筑如何與太陽能設(shè)備很好的結(jié)合起來也已成為擺在我們眼前的事實(shí)。
太陽能利用技術(shù)與建筑一體化的設(shè)計(jì)就是解決這些問題的關(guān)鍵所在，太陽能產(chǎn)業(yè)界應(yīng)著力于開發(fā)和生產(chǎn)那些有利于與建筑進(jìn)行一體化的模塊化太陽能建材[5]。而建筑師在這方面更要多作一些努力和探索，做到在建筑設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)開始階段就把太陽能設(shè)備作為建筑中的一個(gè)不可缺少的構(gòu)件來考慮，使建筑美學(xué)與太陽能技術(shù)完美結(jié)合，共同創(chuàng)造新型的太陽能一體化建筑。
4、太陽能利用與建筑一體化構(gòu)想的提出
一體化的設(shè)計(jì)思想是由美國太陽能協(xié)會創(chuàng)始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡導(dǎo)的，其主體思想是將能把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體材料直接鑲嵌在墻壁的外表面和屋頂上，取代在屋頂上安裝笨重的太陽能收集裝置，從而實(shí)現(xiàn)太陽能利用與建筑的一體化，并通過所產(chǎn)生的電能來驅(qū)動室內(nèi)的用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的采暖、照明、制冷等。這種一體化方案僅僅是通過綜合考慮建筑構(gòu)件和太陽能設(shè)備的協(xié)調(diào)使其做到構(gòu)造合理。但這種一體化方案存在對太陽能收集途徑單一、利用率低下、浪費(fèi)嚴(yán)重等方面的缺點(diǎn)，例如：目前的太陽能發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的光電轉(zhuǎn)化率低下，大量的光和熱被白白的流失掉；其次熱-電-熱的能量二次轉(zhuǎn)化使得能量在轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)倪^程中增加了損失，使得太陽能的利用率更為低下。所以本文并不完全贊同此項(xiàng)一體化方案，本文的看法是應(yīng)當(dāng)綜合考慮建筑造型與太陽能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，采取被動式與主動式相結(jié)合，多途徑多層次的太陽能多元化收集與利用方式。
5、太陽能利用與建筑一體化的新構(gòu)想
考慮到建筑在設(shè)計(jì)上要有利于收集利用太陽能，同時(shí)兼顧建筑的美觀性、實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，本文提出如下的太陽能利用與建筑一體化的新構(gòu)想：在建筑物的南向及東西兩向等接受太陽能較好的外表面墻體護(hù)圍結(jié)構(gòu)上采用與太陽墻、光伏組件的一體化設(shè)計(jì)；在建筑物的北向等接受太陽能較少的外表面墻體護(hù)圍結(jié)構(gòu)上采用保溫墻體設(shè)計(jì)；在建筑的頂部采用建筑造型構(gòu)件與太陽能熱泵低溫集熱技術(shù)相結(jié)合的手法，把金屬流道的太陽能熱管模塊化集熱器做成合適的造型，并涂成與建筑頂面顏色相協(xié)調(diào)的顏色安插在建筑頂部預(yù)先留有空位和預(yù)埋好相應(yīng)管道的構(gòu)件中；在建筑的供熱、制冷及供應(yīng)熱水方面采用分體式太陽能熱泵吸收式中央空調(diào)系統(tǒng)，從而在提供生活用熱水的同時(shí)兼顧空調(diào)采暖和制冷；以太陽能為主，燃?xì)饣螂娏檩o的集中供能方式。這樣以來就實(shí)現(xiàn)了被動式與主動式相結(jié)合，多途徑多層次的太陽能多元化收集與利用。
6、太陽能利用與建筑一體化的實(shí)施方式
6.1 太陽墻、光伏組件與建筑墻體一體化
在南向及東西向等接受太陽能較好的墻面上采用主動式與被動式相結(jié)合，集發(fā)電、采暖、通風(fēng)與建筑護(hù)圍結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的太陽能系統(tǒng)。如圖（1）、（2）所示，墻體的最外層是光電幕墻，安裝在多孔的波狀金屬板上，空氣在金屬板下的空腔內(nèi)受熱，在風(fēng)機(jī)的動力作用下空腔內(nèi)的熱空氣從墻體的頂部通過風(fēng)道進(jìn)入空調(diào)的新風(fēng)系統(tǒng)或者直接排出室外[6]。與傳統(tǒng)的墻面相比太陽能設(shè)備取代了傳統(tǒng)的護(hù)圍結(jié)構(gòu)，照射在墻面上的太陽能不但被有效的利用起來而且顯著改善了護(hù)圍結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能。光電幕墻對太陽光的反射率約為15%，光電幕墻的光電轉(zhuǎn)化率在17～35%之間；在冬季被光電幕墻浪費(fèi)的那部分太陽能又被集熱板吸收用于空調(diào)機(jī)組新風(fēng)的預(yù)加熱，使新風(fēng)空氣預(yù)熱到30℃左右，熱效率在50%-60%之間，相當(dāng)于每平方米能產(chǎn)生多于500W的熱量，同時(shí)使通過墻體向外界擴(kuò)散的熱量隨管道內(nèi)的熱空氣重新進(jìn)入空調(diào)的新風(fēng)系統(tǒng)，降低了墻體與室外空氣的熱交換；在夏季，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，被加熱的熱空氣在自然對流的作用下從波狀金屬板與墻體組成空腔的上部流出，一方面使外界的熱量不能直接通過墻體的傳熱進(jìn)入室內(nèi)，減少了空調(diào)的負(fù)荷，另一方面空氣在空腔內(nèi)的流通降低了光電幕墻的溫度，能使光電幕墻的光電轉(zhuǎn)換率提升10%。這樣以來從經(jīng)濟(jì)上分析這種采用復(fù)合的太陽能采集技術(shù)的墻體的初期投資回收速度比單純采用光電板回收速度提高了3-4倍。
圖1 太陽墻原理示意圖 圖2 附于鋼結(jié)構(gòu)或磚體結(jié)構(gòu)示意圖
6.2 光伏組件與市政供電系統(tǒng)并網(wǎng)
太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電能通過逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再由控制器對所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，在白天一方面把整壓整流后的電能送往建筑內(nèi)的用電負(fù)載，另一方面白天日照充足時(shí)在滿足建筑自身用電負(fù)荷的同時(shí)把多余的電能進(jìn)行并網(wǎng)向市政電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行供電，而當(dāng)晚上或陰天時(shí)所發(fā)的電能不能滿足建筑自身負(fù)載需要時(shí)，控制器又并網(wǎng)市政供電系統(tǒng)，保證用戶的正常用電。這樣在白天的太陽能光伏發(fā)電的發(fā)電量充足且電價(jià)較高的時(shí)候并網(wǎng)市政電網(wǎng)把多余的電能向外供電出售電能，而在晚上太陽能發(fā)電裝置不能發(fā)電且電價(jià)較低的時(shí)候又從市政電網(wǎng)中取電買入電能。這樣的光伏一體化墻面較傳統(tǒng)的墻面在節(jié)能上面優(yōu)勢是顯而易見而且比早期的光伏發(fā)電系統(tǒng)減少了多余電能儲存系統(tǒng)有效降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體成本，而且在白天的用電高峰時(shí)段在滿足建筑自身用電的同時(shí)能向市政電網(wǎng)供應(yīng)電能在一定程度上緩解電力緊張，況且這時(shí)的電價(jià)比較高而在夜間用電低峰時(shí)段電價(jià)相對較低又從市政電網(wǎng)獲取電能這樣就能更好的降低建筑的運(yùn)行成本，使初期投資回收速度進(jìn)一步提高。
6.3 太陽能熱泵集熱裝置與建筑屋頂一體化
在建筑的頂部采用建筑造型構(gòu)件與太陽能熱泵低溫集熱技術(shù)相結(jié)合的手法，在設(shè)計(jì)上一方面使建筑的正立面結(jié)構(gòu)看上去富有建筑的藝術(shù)性和現(xiàn)代性，另一方面使安插在建筑構(gòu)造構(gòu)件中的集熱裝置模塊可以很好的吸收太陽輻射能。然后把金屬流道的太陽能熱管模塊化集熱器做成合適的造型，并涂成與建筑頂面顏色相協(xié)調(diào)的顏色安插在建筑頂部預(yù)先留有空位和預(yù)埋好相應(yīng)管道的構(gòu)件中。采用太陽能熱管模塊化集熱器可以較好的承受壓力且密封性較好，既能直接吸收太陽輻射能又能間接吸收室外環(huán)境中的熱能，即使冬季氣溫為-20℃的時(shí)候依然能夠進(jìn)行太陽能低溫集熱。應(yīng)用這種太陽能集熱裝置做成直接蒸發(fā)式太陽能熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，則蒸發(fā)器成為“熱源”，直接作用于蒸發(fā)器中的流動工質(zhì)——熱媒，使其加熱到10～30℃左右并迅速汽化，通過熱泵機(jī)組壓縮機(jī)的壓縮制熱后，在冷凝端與管殼式熱交換器中的水換熱可使冷凝水的溫度達(dá)到60℃以上，作為采暖熱源和作為熱水直接供應(yīng)給用戶[7]或是向吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。太陽能熱泵吸收式中央空調(diào)系統(tǒng)冬天向建筑供暖時(shí)能耗比Cop值約為6，即投入1KWH的電力，可得到約6KWH的熱能；夏天向建筑供冷時(shí)能耗比Cop值約為4，即投入1KWH的電力，可得到約4KWH的熱能，而且系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房，節(jié)省了初期投資，也節(jié)省了建
