太陽(yáng)能建筑的發(fā)展與實(shí)踐
太陽(yáng)能光熱技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用非常廣泛，具有良好的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化基礎(chǔ)。而太陽(yáng)能光電技術(shù)，由于其較高的成本，還未像光熱那么普及。下面按照時(shí)間和技術(shù)的更新將太陽(yáng)能建筑劃分為3個(gè)階段，并結(jié)合實(shí)例加以介紹。第一代太陽(yáng)能建筑建于2002年，已運(yùn)行3年多，總體運(yùn)行很好，我們從中積累了大量數(shù)據(jù)；第二代為超級(jí)節(jié)能示范樓，2005年建成，用于接待VIP客人的客房，大量應(yīng)用了太陽(yáng)能和其它新能源；第三代太陽(yáng)能建筑剛剛起步，在建中的皇明太陽(yáng)能新總部大樓可以視為這一代的代表。
一、第一代太陽(yáng)能建筑—初具雛形
2002年在山東德州的皇明科技園區(qū)，矗立起一棟棟外形獨(dú)特的太陽(yáng)能建筑，這是中國(guó)現(xiàn)代太陽(yáng)能建筑發(fā)展的雛形。也正是從這里開(kāi)始，太陽(yáng)能從單純的生活熱水利用逐步發(fā)展成為綠色生態(tài)建筑中重要的組成部分。
太陽(yáng)能的有效利用需要與系統(tǒng)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、先進(jìn)的建筑節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品等優(yōu)化組合，才能實(shí)現(xiàn)建筑耗能的結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高利用太陽(yáng)能的保證率，為住宅提供采暖、制冷和生活用水，營(yíng)造低能耗、高舒適、健康的居住環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用。在一個(gè)四面透風(fēng)的建筑中利用太陽(yáng)能是毫無(wú)意義的。
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在這代建筑中處于核心地位，通過(guò)在房屋的屋面和立面安裝排放整齊的太陽(yáng)能集熱器，為建筑提供熱水和采暖。在這代建筑中，還采用了太陽(yáng)能遮陽(yáng)、太陽(yáng)能除濕空調(diào)以及太陽(yáng)能游泳池等技術(shù)。其中，太陽(yáng)能涼亭，太陽(yáng)能水幕噴泉和太陽(yáng)能墻等產(chǎn)品，由于同時(shí)具備了美觀性與藝術(shù)性，收到了節(jié)能與美觀的雙重效果。
太陽(yáng)能墻可以使一整面墻吸收太陽(yáng)熱能，從而形成一個(gè)巨大的吸熱器，成為冬季重要的熱源。太陽(yáng)墻由西山墻上大量的真空管組成，夏季將熱量送到假山下的鵝卵石進(jìn)行蓄熱，冬季再將這些熱能送入室內(nèi)進(jìn)行采暖。
太陽(yáng)能涼亭兼具功能性和藝術(shù)性，既可以生產(chǎn)熱水又可以產(chǎn)生電能，夏季還可以納涼休閑，三位功能一體化。
二、第二代太陽(yáng)能建筑—綜合利用
在第一代太陽(yáng)能建筑的基礎(chǔ)上，第二代太陽(yáng)能建筑在設(shè)計(jì)上提出了：天地結(jié)合互補(bǔ)，開(kāi)源節(jié)流并重的理念。所謂天與地的結(jié)合就是既應(yīng)用天上的太陽(yáng)能，同時(shí)也應(yīng)用地下的地?zé)崮?，即土壤源。通過(guò)綜合使用可再生能源，減少傳統(tǒng)能源的消耗。開(kāi)源指的是盡量利用太陽(yáng)能等可再生能源，節(jié)流就是做好建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)，最大限度地減少建筑能量的負(fù)荷。
這代建筑的能源供給來(lái)自于三個(gè)方面：太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)、太陽(yáng)能光電系統(tǒng)和地源熱泵輔助系統(tǒng)。其中太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)提供生活熱水和采暖，太陽(yáng)能光伏發(fā)電用于生活用電和設(shè)備用能，當(dāng)其不足時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換至城市電網(wǎng)。
在外墻保溫措施方面，通過(guò)利用曲板屋頂夏季防曬、合理的防熱橋設(shè)計(jì)、外卷簾遮陽(yáng)系統(tǒng)、屋面外墻隔熱等措施，使建筑具有極好的保溫隔熱能力，這使太陽(yáng)能供暖制冷的效率大大提高，其在能耗中所占的比例也大大增加。
在這代建筑中，更加注重除太陽(yáng)能系統(tǒng)外的一些節(jié)能技術(shù)和手段的利用，如太陽(yáng)能預(yù)處理和置換式新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)利用及建筑智能控制系統(tǒng)的利用。智能控制系統(tǒng)可以保證建筑物不同人群或功能區(qū)對(duì)新風(fēng)量和對(duì)溫度的不同需要，從而最大限度地滿(mǎn)足使用要求、最高效利用能源；在室外地下埋風(fēng)道，利用土壤中的熱能對(duì)新風(fēng)進(jìn)行冬季預(yù)熱、夏季預(yù)冷處理，并結(jié)合置換式新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)回風(fēng)中的熱能回收，使送入建筑內(nèi)的新風(fēng)更舒適。
皇明公司2004年開(kāi)始建造的“超級(jí)節(jié)能示范樓”就是這代太陽(yáng)能建筑的代表。該建筑的總建筑節(jié)能率在90%以上。以下為該超級(jí)節(jié)能示范樓的一些主要特點(diǎn)及所采用的技術(shù)：
（1）超級(jí)外墻/屋面隔熱系統(tǒng)：外墻K<0.3W/m2.K，屋面K<0.2W/m2.K；
（2）外窗隔熱系統(tǒng)：K<1.5W/m2.K；
（3）卷簾外遮陽(yáng)系統(tǒng)；
（4）低溫輻射地板采暖/制冷系統(tǒng)；
（5）新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)；
?。?）綠色照明和光導(dǎo)管技術(shù)；
?。?）能量?jī)?chǔ)存和回收系統(tǒng)；
?。?）智能建筑控制系統(tǒng)；
另外，此建筑也更加注重了太陽(yáng)能技術(shù)與建筑藝術(shù)的結(jié)合，不僅在功能上滿(mǎn)足人們的需求，還從建筑美學(xué)的角度迎合了人們的美學(xué)需要。如：太陽(yáng)能飄板集熱器、跟蹤式光電圓盤(pán)系統(tǒng)、遮陽(yáng)電池板等。
集熱管鑲嵌在波浪型的屋頂飄板上，既造型美觀又有實(shí)用功能；雙軸自動(dòng)跟蹤光電圓盤(pán)系統(tǒng)具有更高的光電轉(zhuǎn)換功能；具有遮陽(yáng)功能電池板陣列在夏季具有明顯的遮陽(yáng)功能，有利于降低夏季室內(nèi)制冷的負(fù)荷。
三、第三代太陽(yáng)能建筑——科技創(chuàng)新
第三代太陽(yáng)能建筑在二代的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)的突破，如高性能維護(hù)結(jié)構(gòu)的使用和先進(jìn)的蓄能方法等。目前這類(lèi)建筑在國(guó)內(nèi)尚屬起步階段，不少科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)正在研究探索。皇明太陽(yáng)能正在建設(shè)的總部大樓是這一代的代表。
該建筑是為2010年在德州舉辦世界太陽(yáng)城而準(zhǔn)備的，建筑面積5萬(wàn)m2，集熱器的面積為5000m2.目前在世界范圍內(nèi)，這個(gè)項(xiàng)目的太陽(yáng)能利用是最到位的，具體表現(xiàn)在：利用被動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主體建筑的自然通風(fēng)和采光；良好的外維護(hù)結(jié)構(gòu)，使采暖和制冷的負(fù)荷控制在每平方米30W；高效節(jié)能的熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，節(jié)能效率達(dá)到65%～70%；能源梯級(jí)利用。利用地板采暖或制冷的回水，為空氣進(jìn)行預(yù)熱處理。在實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的最大化方面主要表現(xiàn)在：生活熱水和游泳館的利用達(dá)到100%；采暖達(dá)到60%～70%；太陽(yáng)能與吸收式熱泵相結(jié)合進(jìn)行制冷，達(dá)到40%.從各方面的數(shù)據(jù)來(lái)看，都達(dá)到了很高的水平。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用了國(guó)際上流行的“能量平衡三重法”作為指導(dǎo)原則，即：盡量減少建筑能源需求；盡量提升可再生能源提供率以及盡量提高傳統(tǒng)能源使用效率。此方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同國(guó)家和地區(qū)的綠色節(jié)能建筑中，并取得了很好的效果。
在建筑主體方面，采用了自然通風(fēng)及采光技術(shù)、良好的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效節(jié)能的熱交換新風(fēng)系統(tǒng)以及能源梯級(jí)利用。
太陽(yáng)能的利用上，其在生活熱水的供應(yīng)、太陽(yáng)能泳池和太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中都得到了充分的利用，同時(shí)將太陽(yáng)能與吸收式熱泵相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了制冷的需求。
其他節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，該建筑利用太陽(yáng)能結(jié)合滯水層跨季節(jié)蓄能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能春、夏、秋季的跨季節(jié)蓄能，達(dá)到四季用能平衡，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能等可再生能源利用率的最大化。滯水層系統(tǒng)是利用沙、砂礫熱容量大，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，用地下水進(jìn)行跨季節(jié)蓄能的一項(xiàng)新技術(shù)。通過(guò)在滯水層設(shè)置蓄能井（冷井和熱井）、室內(nèi)終端設(shè)備和太陽(yáng)能收集器儲(chǔ)存能量。這樣，從每年4月份到10月份，就可以把冬天貯存的冷量由冷井中提取出來(lái)，直接供給建筑物的制冷空調(diào)使用，同時(shí)把太陽(yáng)能收集器所獲得的熱量注入到熱井中，從11月份到第二年的3月份，把夏天貯存在熱井中的熱能提出來(lái)，直接作為建筑物內(nèi)采暖使用，把供暖回水經(jīng)過(guò)風(fēng)冷后注入到冷井中。系統(tǒng)就這樣循環(huán)運(yùn)行。利用該技術(shù)直接提供制冷和供暖，提供率可達(dá)30% 。
在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，建筑采用了高效節(jié)能的溫屏玻璃，具有隔熱，隔音和防霜露三大特點(diǎn)。
另外，在該建筑中也應(yīng)用了新的被稱(chēng)之為BIPV的光電結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品是我們國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出來(lái)的一種新產(chǎn)品。歸納其特點(diǎn)如下：
特色“美”——彰顯建筑與環(huán)境之美。光伏與建筑一體化的突破性技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)與建筑的完美結(jié)合，可用于制作窗戶(hù)、瓦等建筑用品，既可作為窗戶(hù)采光用，又可用于發(fā)電，實(shí)用與環(huán)保一舉兩得，還可根據(jù)需要透過(guò)一定比例的光線，能夠刻上各種標(biāo)識(shí)及圖案，讓建筑更美；
“大”突破——可制造全玻璃幕墻的“光伏大廈”。最大功率躍升至600W，可以將組件做到更大的尺寸，使透明電池組件大規(guī)模應(yīng)用于高層建筑物成為可能，鍍膜、焊接、封邊3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)均為自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)；
“高”性能——超一流的技術(shù)指標(biāo)。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)論證，確保組件的高質(zhì)量、高性能，采用優(yōu)質(zhì)單晶硅太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率高、機(jī)械強(qiáng)度高，能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中的沖擊、震動(dòng)和其他應(yīng)力，并具有優(yōu)良的防腐、防風(fēng)、防水和防雹能力。
第三代太陽(yáng)能建筑的發(fā)展已經(jīng)擴(kuò)展到不局限于利用太陽(yáng)能，而是從建筑的各個(gè)方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)源節(jié)流，降低建筑的能耗、提高可再生能源的利用（不局限于太陽(yáng)能，包括利用風(fēng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等），向著真正的綠色建筑邁進(jìn)。
我們有理由相信，隨著該領(lǐng)域研究的不斷發(fā)展，節(jié)能方式的不斷完善，太陽(yáng)能建筑必將會(huì)有一個(gè)美好的未來(lái)，早日實(shí)現(xiàn)建造“雙零建筑”（零能耗、零排放）的目標(biāo)。