太阳能建筑一体化技术村镇建筑应用调查研究

2010-08-30同济大学李峥嵘

上海节能 2010年12期

同济大学李峥嵘李星李鹏

0 前言

随着建设社会主义新农村进程的推进与村镇居民收入水平的提高（图1），村镇建筑面积逐年增加，居民居住、生活和消费习惯也在发生着改变，由此导致能源供应模式和消费水平进入新的历史阶段。村镇建筑商品能源供应量增加（图2），用能经济成本与社会成本对能源、资源和环境必将产生巨大的影响。如果传统商品能源的消耗可以被太阳能等可再生能源部分替代，则可在一定程度上缓解现阶段能源紧张的局面。而太阳能建筑一体化技术在城市居住建筑中应用较多，在村镇建筑中应用还处于起步阶段。为此，作者在上海市、山东省和福建省的村镇随机选择住户走访调研，对村镇居民用能现状与太阳能利用状态进行分析，为新农村规划建设和太阳能建筑一体化技术推广应用提供参考。

1 建筑概况与用能现状分析

在山东、上海、福建三个省份的调研中发现，经济水平和当地资源直接影响了村镇居民的居住条件、用能方式和生活热水的使用。从经济不发达到较发达，村镇居民的建筑形式在逐渐改变，住宅面积在逐渐扩大，用能方式也由煤炭、秸秆向较为方便清洁的燃气、电能和太阳能转变，用能开支也相对增加。

经济水平较为落后的地区，村镇居民仍住在建造时间较早的老宅中（图3），居住较为分散，房屋多为自行设计和组织施工，平面布置大多照搬或模仿，造型单调，院落布置凌乱。而且，人均建筑面积较小，家用电器种类较少，生活用能以煤炭和秸秆为主、燃气和电能为辅，热水使用较少，年用电和用水费用较低。有些村落由于地理位置偏僻，引用自来水费用高，仍自打井水作为生活用水，政府对用水安全的监管、宣传力度不够，农民用水安全意识较为淡薄，井遮盖设施简陋，经常有生活垃圾飘到井中，水质得不到保障，同时也是对自然资源的浪费。

经济水平较发达的地区，村镇居民大部分住进了新宅（图4）。新宅以集中住宅小区为主，在建造之前有详细的规划和设计，不仅注重住宅的方便实用性，还考虑住宅与自然的和谐及文化内涵，院落布置较为规整，人均建筑面积较大，家用电器种类较为齐全。遮阳通风措施、双层玻璃、镀膜玻璃等建筑节能技术也有一定范围的使用。用能以方便洁净的燃气、电能和太阳能为主，用能结构中商品能比例较高，生活热水除用于洗澡还用于日常洗刷。年用能、用电、用水开支较高。

在福建省的一些村落，当地水力资源较为丰富，在村镇政府的指引下，建造了一些小型水力发电站（图5），因而当地电价较低，村镇居民使用电能较多，这在一定程度上影响当地居民用能结构和用能开支。

2 太阳能热水系统使用现状分析

表1 太阳能热水系统使用统计表

调研中发现，目前村镇居民使用的太阳能热水器主要为平板式、真空管式和闷晒式三种（表1所示）。闷晒式太阳能热水器（图6）主要是一个黑色塑料制成的长方形水袋或水桶，一般放置在屋顶或者雨篷等阳光充足的地方。早晨的时候人工把水灌入，在夏季日照比较充足的情况下，经过一天的闷晒，晚上水温一般能达到50°C左右，适当兑些凉水即可满足一家人洗澡所需。闷晒式太阳能热水器价格在15-50元不等，便宜而使用方便，对水质要求不高，在村镇居民中受到普遍欢迎。但这种热水器只能在6-10月使用，容易受到天气变化影响，保温效果差，热损失较大。部分居民在使用太阳能热水器之后，洗澡次数变多、时间变长，这也在一定程度上改善了村镇居民的生活卫生习惯，提升了生活质量。

太阳能热水器的使用，不仅满足村镇居民洗澡热水的生活需要，还解决日常洗刷等生活用热水的难题。随着煤炭、石油、天然气传统能源价格的持续走高，村镇居民能源消耗成本不断加大，增加的生活成本难以消化。使用太阳能热水器得到健康、廉价的热水，不仅改善村镇居民的生活质量，也降低能源消耗成本，产生良好的经济、环境和生态效益，这对提升生活质量、改善村容村貌、促进乡村文明都具有非常重要的现实意义。

然而，由于村镇居民收入水平较低，选择的太阳能热水器以当地小工厂产品为主，产品质量得不到保证。大部分太阳能热水器只满足春夏秋三季使用要求或者仅能在夏季使用，只有少部分满足全年使用要求。在不能满足使用要求的冬季，大部分村镇居民选择到公共浴室，或自己在家烧热水，洗澡次数大大减少。在调研中发现，太阳能热水器安装随意，由此导致故障率高，有近70%使用太阳能的居民维修过，基本每年维修一次，每次维修费用几十元到几百元不等。这在一定程度上影响了太阳能热水器在村镇建筑中的推广发展。此外，村镇建筑中太阳能热水器只是建筑完工后购买的附属产品，布置杂乱无序，严重影响建筑的整体美观与村镇风貌。因此，村镇建筑中推广太阳能建筑一体化技术具有美学与实用的双重价值。

3 太阳能建筑一体化技术在村镇建筑中推广应用前景分析

3.1 太阳能建筑一体化技术在村镇建筑中应用优势

随着经济的发展，村镇居民已经不再仅满足于吃得饱、住得下、穿得暖的基本生存需求层次，而是有着更高更美的精神文化需求。随着国家新农村建设进程的实施，部分村镇采取集中建房形式，在建房之前统一规划、设计，糅合了传统民居的内涵和现代生活的理念，在房屋建造初期将选址、布局、朝向、围护结隔热与保温、太阳能热水器安装等建筑节能理念融合到住房建造过程中，将住房实用性与舒适性提升到新的高度。

太阳能建筑一体化技术不是将太阳能热水器和建筑进行简单的相加，而是通过建筑的建造技术与太阳能的利用技术的集成，整合出一个崭新的现代节能建筑。建筑在最初规划设计的时候，将太阳能系统所包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑，“因地制宜”巧妙地将太阳能系统的各个部件融入到建筑设计的相关专业内容中，同步规划设计、同步施工安装、同步验收、同步后期管理，使太阳能系统成为建筑组成不可分割的一部分，不是建筑的附加构件，与建筑外观和谐一致。

村镇建筑在长期的发展过程中积淀传承地域文化，与城市建筑相比具有独特的风貌和景观。与城市高层高密度建筑相比，村镇建筑在太阳能建筑一体化技术使用方面具有独特的优势：

1）规划优势：传统村镇建筑大多数为独门独院的单层建筑，院落稀疏。现代新农村建筑统一规划，以连体别墅和低层建筑为主，一般都是坐北朝南布置，日照间距较大，屋顶采光面积充足，不存在建筑遮挡的困扰，具有足够的可利用空间，不必考虑太阳能建筑南立面整合的问题，技术难度相对较低；

2）环境优势：村镇地区以农业和产品粗加工为经济支柱，污染源相对较少，灰尘粒子密度较小，太阳光线透射率高，大气透明度较高，有利于太阳能的利用。

3.2 太阳能建筑一体化技术推广应用效益

1）经济效益

我国现在有72135万[4]人口居住在农村和小城镇，按照60%的家庭安装太阳能、每人每日用60°C热水60L[5]、自来水全年平均温度按照15°C进行估算，每天大约因生活热水需要耗能

Q=72135 ×104×60 ×1 ×4.2 ×（60-15）KJ=8.18×109MJ

这些耗能60%由太阳能热水器提供，则每天节约标准煤

m=Q ×60%/qnet=8.18×109×60%/29306=1.675×105t

2）环境效益

按照上述太阳能建筑一体化技术在村镇建筑中推广比例，每天可减少排放二氧化碳3.13×105t、二氧化硫888t和氮氧化物1015t。

随着村镇建筑面积和商品能源消耗量增加，城市能源供应模式不可能解决村镇的能源和环境问题。太阳能建筑一体化技术的使用，考虑能源消费的地域特色同时促进村镇能源消费结构的转变，是建设生态村镇和降低碳排放量的有效技术措施。

3)社会效益

新农村建设中的太阳能建筑一体化整合设计应该是通过建筑内外空间的各种生态因素在建筑生态系统内部有秩序地循环转换，达到生产、生活的高度统一和自然融合、共生的过程：

（1）自然一体化与建筑的愉悦：太阳能热水系统的颜色与建筑材料协调一致，工程细节巧妙处理，太阳能热水系统形成建筑的设计元素与逻辑单元，成为接触建筑的闪亮之笔，技术整合之后新农村建筑更具吸引力；

（2）引领节能生活：村镇居民的收入增加导致商品能源的消费量上升，因此推进太阳能建筑一体化技术会促使建筑全生命周期内材料数量达到最低水平、碳排放量尽可能降低，减少村镇商品能源的消费，唤起村镇居民的节能降耗意识。

3.3 村镇建筑中推广太阳能建筑一体化技术存在的困难

作为一种清洁的新能源，太阳能具有环保、安全、使用费用低的特点，然而太阳能建筑一体化技术在村镇建筑中推广发展存在着一定程度的困难。

1）建筑结构

传统村镇建筑屋顶材料以石棉瓦、青瓦、木板等材料为主，屋顶结构承重强度较差，安装太阳能需要采取加固措施，增加安装成本，不利于技术的推广。在新村镇建筑规划建设中，屋顶材料一般采用钢筋混凝土现浇或水泥预制板，承重强度较高，安装条件较好。

2）水源问题

由于城乡发展二元结构的存在，我国村镇用水的保障优先性低于城市和工业用水。近年来，虽然许多村镇家庭开始用上了自来水，但这种自来水多半自制自用，或自建水池存放，或直接引自山泉水，用水器具质量差和供水效率低，处理设施简陋，缺乏必要的卫生防护措施，水质安全得不到保证，水垢问题严重，村镇居民用水安全隐患重重。在一些地理位置较为偏僻的地区，村镇居民用水仍自打井作为生产生活用水，更是对对自然资源的浪费。

水质问题严重影响太阳能集热器的效率，容易导致集热器出现故障。因此需要根据当地特殊水质情况和水垢状况，加设太阳能专用除垢剂进行除垢循环，这又增加使用成本，影响技术的推广。

系统掌握权威、客观、准确的地理国情信息，是制定和实施国家发展战略与规划、优化国土空间开发格局和各类资源配置的重要依据。地理国情普查作为建国以来首次对地理空间要素的完整调查，其内容涵盖了社会发展和资源环境的方方面面，其普查统计分析就是将地理国情普查要素与经济社会信息相融合，科学揭示社会、经济、环境、资源的空间分布规律，准确判断发展趋势，这对于服务科学决策、加强科学管理具有重要意义。

3）产品质量

目前太阳能热水器的使用寿命约为15年，而普通居住建筑的使用寿命约为50-70年。也就是说，在建筑的使用周期内，太阳能热水器要更换三到五次。这与村镇居民的传统消费观念相冲突。村镇建筑中太阳能集热器一般布置于建筑物向阳坡屋面或平屋顶上，因此对建筑一体化的太阳能集热器的寿命要求较长，故障率要低。这就要求太阳能集热器生产厂家改进生产工艺，提高产品质量，延长太阳能集热器的使用寿命。

4）政策问题

近年来我国农村能源建设有了重大进展，但总体上农村能源建设投入不足，除户用沼气、农村电力建设外，其他农村能源建设没有得到国家财政支持，一定程度上制约了农村太阳能的推广利用。我国部分城市强制新建建筑使用太阳能建筑一体化技术，也只是一些地方政策，没有宏观政策支持，在村镇建筑中更没有优惠政策推广太阳能建筑一体化技术。这在一定程度上影响了村镇建筑太阳能建筑一体化技术的推广使用。

太阳能光热建筑一体化技术税收激励政策有效、易行，其直接受益者是太阳能光热设备的生产和销售企业，最终的受益者是用户和整个市场及整个社会。因此，有必要出台在村镇建筑中太阳能建筑一体化使用的优惠政策。