简述太阳能技术在建筑设计中的运用

赵文彬 张娥连

(1.北京正东国际建筑设计有限公司山西分公司，山西 太原 030006； 2.山西筑城建筑设计有限公司，山西 太原 030006)

简述太阳能技术在建筑设计中的运用

赵文彬1张娥连2

(1.北京正东国际建筑设计有限公司山西分公司，山西 太原 030006； 2.山西筑城建筑设计有限公司，山西 太原 030006)

介绍了太阳能光电系统的分类情况，分析了建材—体型太阳电池模板所具有的优势，着重探讨了太阳能热水系统的主要构成部分的功能，并对太阳光源技术在建筑设计中的运用进行了研究，以供参考。

太阳能，建筑设计，能源

0 引言

能源是人类发展过程中不可缺少的部分，其中石油，煤炭等不可再生资源更是我国日常生产与人们生活中的基础能源，但是，随着人类社会的发展，这些能源的消耗量会越来越大，因此，找到能够代替它们的新能源，是目前我国相关工作人员工作中的重点。太阳能作为一种新型的可再生能源，已经在我国有了广泛的应用和推广。应用在建筑上的太阳能技术可分为三大项目：第一项是太阳能光电板在建筑物上之利用。第二项是太阳热能在建筑上之利用。第三项为太阳光在建筑上之利用。本文对太阳能光电系统的构成作整理，并对太阳能光电系统在建筑上应用的形式做一整理。

1 太阳能发电系统在建筑上之利用

太阳能光电系统依其系统组成和负荷种类可做如下的分类：市电并联型系统及独立型系统，而市电并联型又可区分有回购电及无回购电，而独立型系统又可区分为专用负荷(如交通标志、街路灯等)及一般负荷。

1.1 独立型系统

独立型系统是一种仅以太阳电池作为电源，供应负荷耗电的系统。白天太阳能电池所发的电供给一般负载或家电使用，如有多余的电力则储存在蓄电池内，以作为夜间照明或电器等的电源使用，所以其限制性须配合蓄电池使用。此外，亦有仅在白天利用太阳电池直接驱动的形式，其不与公共电力网衔接，较大的独立系统通常与柴油发电机或水利涡轮机结合。

1.2 市电并联型系统

市电并联型系统是一种白天利用太阳电池所产生之电力供应设施负担，雨天或夜间则由并联的商用系统经由变流器(通常是与当地的电力网衔接)获取电力的系统。当太阳电池发出的电多于设施内负荷所需的消费电力时，可将剩余电力流回商用系统者称之为“有逆潮流(回送电力)”，反之，若在设施内负荷即耗用完的系统则称为“无逆潮流”。此为较具经济性的使用方式，现今世界各国都在向此目标推动。

2 建材一体型太阳电池模板

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板(PVmodule)，然后以建筑设计手法将太阳能光电模板导入建筑物本体，让BIPV的系统组件不止可以发电并且也是建筑外壳的一部分。因此BIPV是一种可反映风土气候之被动式(passive)绿色建筑设计手法，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。

太阳能光电板作为建筑面材或构材的一部分，亦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作为外壳，亦有发电、储热等其他主动功能。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，以太阳能光电板作为遮阳板)。

3 太阳热能在建筑上之利用

太阳能热水系统的构造主要是由集热器、储水桶、管路和控制系统等四部分构成。

3.1 集热器

集热器为太阳能热水系统的心脏，主要功能是将太阳能辐射能转换成热能，再传给循环工作流体。太阳光穿过透明面盖到达吸收板，经板面之特殊处理转换成热能由吸收管内之流体带出。整个吸收板、吸收管以及面盖以外框固定，而中间填塞隔热材料以防止热损失。面盖的作用为防止对流热损失并可保护吸收板，多使用高强度高透射率强化玻璃制成。吸收板一般的材料为铜板、铝板或不锈钢板，也有使用有机聚合体制成者。另一种最近较为流行的集热装置为真空管集热器，其基本构造为内外双层玻璃管套，中间为真空层，外层玻璃为透明，内层玻璃镀有深色吸收膜，太阳辐射光波经由外层玻璃进入，经过真空层，被吸收膜吸收进入内层玻璃管中，并加热其中流通的热水，而镀膜与真空层皆具有阻断热能散失的功能，其所得到的热水温度比上述的板管式高，所以适合高纬度的北部地区及高山地区使用。

3.2 储水桶

因太阳光并非随时稳定照射，由集热器流出之热水需暂时储存，以供使用需要。一般储水槽多用不锈钢桶加一层或数层绝热材料而成，在正常情况下，可保持水温一天下降3 ℃以内。储水槽可分立式、卧式两种，其结构大致相同，都是内外各一层水桶，中间填塞隔热材料保温。一般而言，直立效果较佳，但市面上多使用卧式，因结构上较易固定，外表较美观，且不占空间，为减少冷热水之混合，储水储内亦有种种设计，如分层隔板，进水挡板及进水喷管。

3.3 管路

管路的配置依不同装设环境、系统及需求而异，一般用户如另装有瓦斯热水器，可将太阳能热水器与其串联，亦即以太阳能热水器之热水出口接于瓦斯热水器之冷水入口，如果太阳能热水器出水温度够高，则可直接使用，如果水温不够，可当成预热设备，再经瓦斯热水器加热，亦能节省部分燃料费。小型太阳能热水器的管路材质有镀锌钢管、不锈钢管、PB管、铜管。较常用的为铜管与PB管。集热器与储水槽之间的管路与往浴室之管路必须要有保温，且须要有外覆材。

3.4 控制系统

控制系统包括温度控制及时间控制，可依所选定时间控制储水槽内水温。大部分家用太阳能热水器如单独使用时，都装有辅助电热器，可在日射量不足时，辅助加热达到所需温度。在大型强制式热水系统之储水桶与集热器间装有温差控制器，如果温度差达到一定值，将自动启动泵并将储水桶内较冷水打至集热器吸收太阳辐射能加热。

4 太阳光源在建筑物上的利用

4.1 无热量照明

利用设置于室外的集光机，可不受方位限制的采光。并使用单透镜“色相差”技术来隔离太阳光中的紫外线、红外线，获取无热量的照明。

4.2 自动追踪系统

利用自动追踪系统感应太阳方位，以双轴马达驱动集光透镜动态捕捉太阳方向。阳光直射时，以传感器捕捉太阳；云遮日时，以程序计算太阳运行轨迹追踪之。

4.3 光纤传送太阳光

透过高性能透镜将太阳光能浓缩一万倍，再将光纤入口端部对准集光透镜焦点。进入光纤内的太阳光以连续反射方式前进，再由出口端将光线释放出来。以玻璃石英所制成的光纤可以有效率地传递可见光。针对各个空间死角，光纤可随意弯曲将太阳光带到每一个需要照明的角落。

4.4 运转及维护均节约能源之照明系统

本系统运转仅耗双轴马达之电能，可加装太阳能光电板作为驱动能源。系统其他部分均无需消耗能源，故可说是名符其实“绿色”的照明系统。

5 结语

目前建筑物设计的趋势，已从传统的“被动式”节能手法，趋向采用“主动式”的节能设备。这种积极的态度，除了受能源日趋短缺，减少“碳”排放维护自然环境等观念影响外，亦受再生能源或绿色能源技术开发成功之鼓舞。利用绿色能源先进技术，来改善建筑物的物理环境，达成建筑物节能减碳的目的。

[1] 王 垚.太阳能技术在建筑上的应用研究[D].西安：西安科技大学，2010.

[2] 王启镔，宋 蕾，李 萍，等.建筑设计中太阳能技术的综合利用[A].全国暖通空调制冷2010年学术年会资料集[C].2010.

[3] 王丽丽.太阳能技术在建筑设计中的应用[J].中国外资，2011(9)：25-26.

Discussionontheapplicationofsolarenergytechnologyinarchitecturaldesign

ZHAOWen-bin1ZHANGE-lian2

(1.ShanxiBranch,ZhengdongInternationalArchitectural&EngineeringDesign(Beijing)Co.,Ltd,Taiyuan030006,China; 2.ShanxiZhuchengConstructionDesignLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

This paper introduced the classification situation of solar photovoltaic system, analyzed the advantages of building integrated solar cell template, emphatically discussed the main components function of solar hot water system, and researched the applicatio of solar light source technology in architectural design, for reference.

solar energy, architectural design, energy

1009-6825(2014)33-0198-02

2014-09-18

赵文彬(1982- )，男，助理工程师； 张娥连(1983- )，女，助理工程师

TU832.17

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