太阳能的发展及对节能建筑的影响

王薇 王彪

摘 要：隨着“建设资源节约型、环境友好型社会”基本国策的提出，建筑节能被逐渐提上章程。太阳能作为最普遍、最贴近人们日常生活的节能手段，慢慢从小众走向大众。由于传统资源的消费方式在人们心中已经根深蒂固，太阳能节能系统这一概念，从提出到发展至今日，经历了跌宕起伏的过程。当今太阳能节能系统逐渐完善，本身系统对于太阳能的利用率转换率随着技术的成熟有很大的提升，人们对于传统能源的消费方式，也随着能源告急，慢慢转向新兴能源。由于人类的衣食住行所带来的能源消耗巨大，建筑作为人类居住、生活的主要场所，建筑节能逐渐被重视。建筑和太阳能的有机结合，是当今建筑节能的主要手段。

关键词：传统能源；太阳能节能系统；建筑节能

传统化石燃料是人类生活的关键能源基础，推动了人类的发展。随着经济的快速增长和人口的快速增长，对于传统化石燃料的需求越来越高。过度的开采，粗犷式消费带来的问题接踵而至：过度开采导致资源储量告急，化石燃料的使用导致人居环境恶化，地震、海啸的发生等问题，都是大自然向粗犷发展方式亮起的红灯。发达国家可以通过优化能源结构、建设可再生能源的发生站来降低传统化石燃料的应用。发展中国家由于经济、技术的种种落后，导致只能通过增加化石资源的开采和消耗来推动经济的发展，这也是全球能源消耗增长的主要原因。中国地大物博，传统化石燃料的探明储量虽较可观，但是人均占有量均不到世界平均水平。中国传统能源告急的情况，并非危言耸听。在浪费资源的行为发生前，应时刻提醒自己，中国各项资源的人均占有量，都低于世界平均水平，甚至与我们生活紧密相关的石油、天然气的人均占有量仅为世界人均占有量的1/15。近几年国家也将“建设资源节约型、环境友好型社会”作为基本国策提出，绿色节能建筑也逐渐被人们熟知。

建筑、工业、交通是能源消耗的三大领域。建筑施工和建筑材料的成本制作所占的建筑能耗比重很小，建筑能耗主要集中在照明、采暖、制冷、家用电器、热水、烹调等方面。日常生活所消耗的能源，占建筑能耗的大部分比重。因此日常的节能和变换能源消费方式，是建筑节能的主要手段。虽说建筑能耗占总能耗的比例越高，人民生活水平越高，但是我们需要的是健康的能源消耗方式，而不是盲目的使用，“粗放式”地提高生活水平而不计后果地使用。对传统能源消费方式的转变是节约建筑能耗的一部分，对可再生能源的利用也是节约传统能源消耗的重要手段。

太阳能是万物生长的原动力，也是农业发展的基石，从古至今。现代对于太阳能主要是使用太阳能系统或装置对太阳能展开收集、储存、转换等一系列步骤，供给人类生活所需的电能、热能。人们常见的太阳能利用形式为太阳能热水器（图1）。太阳能热水器相较于传统电热水器、燃气热水器有明显的节能效果，且使用寿命较长，质量过关的太阳能热水器使用寿命长达十年以上。但是太阳能热水器自身的局限性，使其难以得到大规模推广。中国南方多阴雨天气，加上夏天热水需求较小，冬天热水需求较大，导致冬天常出现热水供应不足的情况。再者，太阳能热水器的使用受楼层限制。住在中低层的用户，常常需要放掉超过10m管道的冷水，如果冷水不能妥善使用，也直接导致了水资源的浪费。此外，太阳能热水器价格高于其他传统能源热水器。

由于太阳能发展相较于传统能源所带来的电能、热能的收益较模糊，投资与收益步骤较为复杂，所以会有很多不可控因素阻碍太阳能的发展。在当下利益和未来可持续发展两者之间，还是立竿见影的利益较为诱人。第二次世界大战结束十几年后，曾有过一段时间的太阳能热潮，热潮持续一段时间，开始消退，是因为中东发现了大量廉价石油。在人们既有思维中，太阳能仿佛是传统能源的备胎，随着传统能源价格的增长，水涨船高。如果传统能源的价格降低，太阳能则会被冷落。这种不健康的消费思维，应该随着传统能源危机，逐渐改变。

随着探索的深入和技术的完善，太阳能节能系统也日趋完善。材料的改变，使得太阳能转换率大大改善。在建筑方面，通过改变建筑局部构造和太阳能吸收转换材料的引入，是建筑节能发展的重要一步。特朗勃墙（图2）是将太阳能的运用引入建筑的典型例子，它是利用建筑结构和特殊材料将太阳辐射所产生的热能进行收集的构造。特朗勃墙可以有效降低传统能源的消耗。通过热压通风、室内外换气、墙体储热导热等手段，在冬夏两季给使用者以舒适的室内温度，室内外空气的交换，也能给使用者提供更加健康的生活环境。随着探索的深入，特朗博墙也一步步被完善。百叶窗型特朗博墙则是用特殊材质可逆转百叶窗代替传统特朗博墙的太阳能吸收材料。夏季百叶窗向阳面为高反射涂层，将太阳能反射，不进入室内，以保证室内温度事宜。冬季百叶窗逆转系统运作，向阳面转变为为高吸收涂层，可以吸收大量太阳能转化为热能。方便、经济地改善了特朗博墙，使得性能得以最大化体现。1m2特朗勃墙的安装成本为1600元，与1m2的玻璃幕墙800元相比，成本虽高出一倍之多，但是1m2特朗勃墙在冬日每天可为建筑节省3.9元的传统能源消耗。带来的经济收益和生态收益可谓是可观。随着对特朗勃墙重视程度的提高，国内外专家也做了很多将太阳能光电技术和太阳能光热技术与特朗勃墙相结合的尝试，将太阳能资源最大化利用。随着科技的进步，特朗勃墙的造价也逐渐降低。而且它对于改善室内空气质量这一方面，相较于传统新风系统更加节能。

为了刺激建筑节能的有效落实，国家和地方政府也对此做出了相关的规定。如2014年郑州市人民政府办公厅发文《郑州市人民政府关于加快发展绿色建筑的意见》（郑政文〔2013〕20号）中提到：自2014年12月30日起，全市（包括郑州航空港经济综合实验区、郑东新区、郑州高新区、郑州经济开发区和各县、市、区）范围内单体建筑面积超过2万平方米的机场、车站、宾馆、饭店、商场、写字楼等大型公共建筑，新立项政府投资的学校、医院、博物馆、科技馆、体育馆等建筑，保障性住房应按绿色建筑标准进行规划、设计、建设和运营管理，其中政府投资的公益性建筑必须达到二星级以上标准（含二星级）。不仅如此，现在很多新型小区也响应了政府号召，把太阳能光伏光热板融入到每层围护结构中。这样避免了上文中提到的由于输水管道过长，中低层用户很难快速、节约地使用热水情况的发生。太阳能光伏板也能供给用户每日所需的部分电量。加入了光伏光热电板的小区，也可以以此作为营销手段，刺激消费。我们要做的是，从设计的最初阶段，就将太阳能节能系统融入到建筑设计中。这样不仅可以规避后期改造带来的附加经济，也可以避免建筑外立面由于太阳能系统的附加，影响美感情况的发生。太阳能节能系统与建筑的融合，不是一个系统与另一个系统简单堆叠的过程。建筑朝向如何在不影响使用功能的前提下，更好地迎合太阳能节能系统；建筑结构在加入了太阳能节能系统，应该做出怎样的调整；如何平衡太阳能节能系统和建筑外立面美感等问题，都是需要建筑师和太阳能技术专家反复沟通才可以趋于完善。

现阶段建筑美学与太阳能节能系统的矛盾依然存在，两者之间的平衡点依然在探索阶段。太阳能节能系统完成建筑电力、供热、热水、供冷等节能工作，需要占用建筑向阳立面百分之七十（图3），甚至更多的面积来安装集热板。因此为了保证美观和节能系统工作的顺利进行，外立面、门窗颜色样式的选择，需要与太阳能节能系统结合起来，寻求一个折中的点。这是一个方面，另一个方面是太阳能集热器本身外观、形态能否在不影响功能效率的前提下，得到改善也非常重要。Anderson，T.N.等人将不同颜色的材料引入太阳能集热器中，改善了集热器的外观，使得其与建筑外立面的美感冲突得以缓和，但是集热效果与传统选择性涂层太阳能集热器相比略逊一筹。如何才能“鱼和熊掌兼得”，对于建筑师而言，既是机会，也是挑战。

参考文献：

[1]于志.多种太阳能新技术在示范建筑中的应用研究[D].中国科学技术大学，2014.

[2]邹苒.绿色建筑规模化推广困境的经济分析[D].山东大学，2017.

[3]《郑州市人民政府关于加快发展绿色建筑的意见》（郑政文〔2013〕20号）.

[4]蒲清平.城市居住建筑能耗影响因素与预测模型构建研究[D].重庆大学，2012.

[5]黄志烨.不确定条件下既有建筑节能改造项目投资决策研究[J].城市发展研究，2015，（01）：4-8.

作者简介：

王薇，河南工业大学，教授。

王彪，河南工业大学，研究生。