太阳能技术在建筑节能中的应用研究

朱晓丽，周 维

（济源职业技术学院，河南 济源 454650）

太阳能属于低污染、无噪音、安全性高、操作简单、分布式的再生能源系统，它的利用对于低尖峰用电、环境保护等有极大帮助.虽然太阳光电发电系统的发电成本仍然高达新15～20元/度电（不同系统差异），但是世界各国仍卯足全力投入研发，视为明日之星的产业.建筑物生命周期中，需消耗不少能源.若将太阳热能、光电能、光能等直接作为使用建筑物的能源，那可降低对化石能源的依赖，使建筑物的使用更环保，减少对环境的冲击.近年来太阳能技术发展已有许多项目与建筑物的相结合.本文主要探讨应用在建筑物上的太阳能技术.就其利用的种类，主要区分为三大项目.第一项是太阳能光电板在建筑物上的利用.第二项是太阳热能在建筑物上的利用.第三项为太阳光在建筑物上的利用.

1 太阳能光电板在建筑物上的利用

1.1 太阳能电池构成

太阳能电池的发电能源来自于光的波长，太阳光是一种全域波长，太阳能电池系一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片.它只要一照光，瞬间就可输出电压及电流.此种太阳能光电池（Solar cell）简称太阳能电池，或太阳电池又可称为太阳能芯片.目前太阳能电池种类大致可区分为三类：第一类为晶硅太阳能电池，是目前太阳能电池系统运用最为广泛的系统；第二类为多化合物太阳能电池系统，主要应用于太空及聚光型太阳能光电系统；第三类为纳米及有机太阳能电池系统，这类电池均属于开发阶段.硅（silicon）为目前通用的太阳能电池的原料代表，而在市场上运用最为广泛，目前应用在建筑物上的太阳能电池均属此类，晶硅太阳能电池又可分为三种：（1）单结晶硅、（2）多结晶硅、（3）非结晶硅.而目前市场应用上大多为单晶硅及非晶硅两大类，原因是单晶效率最高.非晶价格最便宜，且无需封装生产也最快.而前述两种都较易于再切割及加工.太阳能电池的效率系以其转换效率作为分等，以单结晶硅来说一般单晶硅的光电板其效率值约在12%～20%左右.当然效率愈高其价格就愈贵.而多晶硅电池的效率6%～9%.电池最重要的性能指数为由光转成电的变换效率.转换效率为注入太阳电池内的光能量中，可转换多少电能的数值.

1.2 太阳能电池系统配件及使用系统

太阳能制造商所称的太阳能芯片（Cell），国内业者则称芯片，把芯片或依设计所需要的电流进行芯片切割后，焊上箔条导线再将许多焊好的芯片用箔条串连成一组，在和低铁质强化玻璃层层迭迭，一同放入层压机的机台上做真空封装，制成模块或称太阳能板，将若干太阳能板组成方阵列阵，接配上充放保护控制及蓄电池以及变流器（合称为太阳能电力系统.

构成太阳能电池的组件为太阳电池及模版的串聯排列：太阳电池→模板→模板构架→电池阵列→电池阵列构架.

1.3 建材一体型太阳电池模板（BIPV）

所谓建材一体型太阳光电系统（BIPV）乃是开发具有建材功能之太阳光电模版（，然后以建筑设计手法将太阳能光电模版导入建筑物本体，让BIPV的系统组件不止可以发电并且也是建筑外壳的一部份.因此BIPV是一种可反应风土气候之被动式(passive)綠色建筑设计手法，其不仅具有发电及储能的经济效益，更可进而替代既有建材，降低初制成本，并且结合遮阳处理、采光照明等设计手法，以获得建筑节能效益.

太阳能光电板做为建筑面材或构材的一部份，也给予建筑物更深一层的定义，即使建筑物活化、有机化.建筑物从传统的“被动式”构架走向“主动式”的格局，建筑物的外表不仅是做为外壳，也有发电、储热等其它主动功能.BIPV在建筑物中，主要应用在屋顶（设置于屋顶上或直接作为屋顶之构材）、外墙（双层墙或直接作为外墙构材）、遮阳板（取代传统做法，以太阳能光电板做为遮阳板）.

2 太阳热能在建筑上的利用

太阳热能是直接无需转换且干净的綠色能源.它不像太阳光电需将低阶能源（热能）转换为高阶能源（电能），故其无能源转换的耗损.因此直接将太阳热能作为驱动能源使用是更经济且有效率的方式.太阳热能在建筑上的利用，主要包含太阳能热水系统、太阳能空调制冷系统及太阳能暖气系统.

2.1 太阳能热水系统

我国大部分地区日照充沛，具有足够的潜力来发展太阳能，而其中的太阳能热水器（系统）更是一项成熟的商品，长期使用则可节省可观的能源消耗.太阳热能的利用主要是接收或聚集太阳辐射能，使的转换为热能来使用，而太阳能热水系统是目前主要的运用形式，它利用集热器将水加热后储存于储水槽以供后续的使用.我国近年来制定相关法规与奖励制度，包括设备补助措施(太阳能热水系统推广奖励办法)与财税奖励措施.

2.2 太阳能冷气空调系统

太阳能辐射量变化几乎与冷气空调负载或电力尖峰负载同步，因此太阳能制冷空调系统的发展一直被重视，也能将目前国内太阳热能系统偏重于盥洗应用的市场，拓增至冷却空调应用市场领域，除可积极开发国内太阳热能的利用量外，更可以降低电力尖峰负载，对能源效益的贡献度极高.由于太阳能制冷系统技术的开发潜力大，因此纵使偏重暖气需求较高的高纬度的国家，如德国等也积极投入开发，欧盟在SUN IN ACTION II也将太阳能制冷技术的开发列入中长程的重点研究.

现阶段使用热能驱动的空调系统其热源主要来自锅炉、气电共生、工业制程废热气、引擎废弃以及太阳热能.其系统运行由于无机械式耗能的压缩机，只有冰水泵、冷却水泵以及热水泵，其特性是结构简单、运转安静、维护简单、制冷成本低廉以及节约能源等.热能驱动的空调系统并无使用CFCs(氟氯碳)化合物作为冷媒，无污染环境的问题，是具环保概念的空调系统.

2.3 太阳能暖气空调系统

太阳能暖气系统与太阳能热水系统是双胞胎，故其构造原理非常相似.太阳能热水系统是将水利用太阳能集热器加热后，直接拿来利用.而太阳能暖气系统则是将水（或热媒）作为热传递的媒介，以太阳能集热器将热媒加热，利用热辐射、空气热对流的原理将室内温度升高.太阳能暖气系统系对传统暖器加热的驱动能源如瓦斯、电力、重油、柴油、媒等，以太阳热能取代的.相对的，太阳能暖气系统可大大降对传统能源的依赖，减少化石能源的消耗.太阳能暖气系统依热媒种类可分为水暖系统与超导系统.

3 太阳光源在建筑物上的利用

太阳光是孕育地球万物生命的源头，没有太阳光万物的生存将无以为藉.相同的，太阳光线也影响建筑物的物理性能.建筑规划设计准则中的采光、隔热等项目均与太阳光线息息相关.采光永远是建筑规划设计项目中重要的课题.但碍于种种现实条件的限制，使建筑物内部均有自然采光那是非常困难的挑战，一般皆以人工照明为辅助光线.而一般建筑物自然排光均介由外壳开口部让自然光线进入建筑物内，而自然光线的进入相对地也将太阳热能传递入内，故除了遮阳设施外，如何采光又可隔离太阳辐射也是一重要课题.

3.1 太阳光照明系统

太阳能照明系统主要是将太阳光线不受限制地引导到室内任何角落作为照明使用.而且可以将太阳光中的紫外线与红外线摒除，视为无热量的照明.太阳光照明系统分为三大部分：

收集太阳光的集光机、传输光线的光纤和作为灯具的照射器具.集光主机是由“高效能集光透镜”及“太阳光感应器”组合而成，并由双轴马达来驱动追踪太阳光.集光机收集太阳光经由光纤传递到室内照射器具提供照明

3.2 高性能玻璃

3.2.1 高性能玻璃阻隔太阳热能

高性能玻璃是能有效防止室外热能进入建筑物内，达到节约能源的目的，并且提升生活质量的玻璃建材.一般传统玻璃的太阳辐射热能穿透率高达81%，紫外线的穿透率也可逾40%，长驱直入的太阳辐射热，使得屋内的温度大幅升高，导致空调能耗也随的大幅攀升.使用高性能玻璃，除能维持适当的采光效果外，并可将太阳辐射热能及紫外线的穿透率分别降至30%及1%以下，可同时减少照明及空调的使用.

3.2.2 高性能玻璃与太阳光源

高性能玻璃除可阻隔太阳辐射热外，也可提高透视率降低可见光反射率.依内政部率建材标章的规范可见光反射率需≦0.25，可见光穿透率需≧0.5.

3.2.3 高性能玻璃种类

随着技术的不断进步，玻璃的种类越来越多，目前以节能为主要目的的节能玻璃，有吸热玻璃、镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等.一般玻璃的辐射率为0.84，而节能玻璃的辐射率为0.02～0.11，节能玻璃的特点为高透明且有较佳的辐射热阻绝效果，其因可阻隔大部份太阳辐射热，同时也可维持玻璃原有的采光效果，故可有效降低空调、照明所需的能耗.另内政部綠建材标章对「节能玻璃」的评估基准为：遮蔽系数Sc值≦0.35、可见光反射率≦0.25、可见光穿透率≧0.5.对于节能玻璃性能测试，目前国际间已有完整的测试标准及方法，如 CNS 12381、ISO 9050、JIS R3106、EN 410等.

〔1〕M.Oclanse，K.C.A.Alam，F.Meunier， Residential Air Conditioning and Heating by Means of Enhanced Solar Collectors Coupled to anAdsorption System」，Solar Energ,2013.

〔2〕赵荣馨.发展城市节能 促进城市绿色转型[J].山西建筑，2012（19）.

〔3〕万忠民，舒水明，胡兴华.新型高效太阳能吸收式制冷循环.华中科技大学学报，2006（9）.