太阳能是永不枯竭的干净能源,是21世纪以后人类可期待的、最有希望的能源之一。而太阳能在建筑中的应用又是太阳能应用最具发展潜力的实用领域。太阳能建筑应用的目标,就是用太阳能代替常规能源来提供建筑物的供暖、空调、热水供应、供电(包括照明、电器)等功能要求。
我国的太阳能建筑应用技术和产业化发展始于上世纪70年代,通过 “六五”、“七五”、“八五”、“九五”、“十五”国家科技攻关项目,建设部科研开发计划项目、各省市的科研开发以及企业的科技开发,我国的太阳能建筑应用技术水平有了极大的提高,产品的产业化有了快速发展;部分技术具有自主知识产权,达到国际先进水平。
太阳能供热水
太阳能热水器的开发利用始于1958年,第一台太阳能热水器由天津大学开发,首先应用太阳能热水的是北京天堂河农场的公共浴室,但后来一直发展缓慢,直到上世纪70年代末席卷世界的能源危机,使以太阳能为代表的可再生能源,因其作为煤炭、石油等化石能源替代品的地位和作用,受到世界各国的普遍重视,才又在我国逐步发展壮大。
1986年由建设部完成的“六五” 国家科技攻关课题“太阳能热水器在住宅建筑中的应用”,完成了我国第一部太阳能热水器工程应用图集——《住宅建筑太阳能热水器工程图集》,包括15个太阳能热水器工程实例,不同气候条件下热水器的日产水量和水温,屋顶、阳台管道系统图,固定、可调倾角支架图,管井、出屋面做法及沿墙立面管道安装图等。
我国的太阳能热水器产业进入20世纪90年代后期以来发展迅速,生产量由1998年的350万m2/年增长到2005年的1500万m2/年,热水器的总安装量由1998年的1500万m2增长到2005年的7500万m2,每千人的平均占有率达到
“十五”建设部科技中心完成的
国家科技攻关项目——“太阳能供热制冷成套技术的集成和示范”,在太阳能热水器 / 系统与建筑一体化结合领域获得了一批有重大意义的成果。通过对系统、水箱、支架和控制部件的重新设计,以及对产品安全性、可靠性、稳定性、耐久性的质量控制,提高了现有太阳能集热器对建筑一体化的适应能力;成功开发出建筑构件型太阳能集热器,如新元热板;在云南、河南、江苏、乌鲁木齐进行了省和城市的示范,还在各地建成了一批以云南丽江滇西明珠酒店、昆明市红塔金典园住宅区、云南蒙自县红竺园小区、山东德州皇明园林小区、济南力诺瑞特住宅工程、北京长营小区示范工程、南宁翡翠园小区、杭州长岛绿园小区等为代表的示范工程,为建筑一体化的实施树立了样板,积累了经验,完成了建筑一体化太阳能热水系统设计软件的开发和标准图集的编制,有效解决了系统设计缺乏基础参数和依据的问题。完成的联合国基金会(UNF)项目“中国太阳能热水器行业发展项目案例跟踪测试”,对位于北京、天津、德州、上海、杭州、南宁、丽江市的9个太阳能供热、采暖、空调试点工程进行了一年的系统性能监测,得出了系统太阳能保证率等重要设计参数。
在这期间,完成了国内第一个用于太阳能热水系统工程设计的专业软件——《太阳能供热系统优化设计软件》,填补了国内太阳能热水系统设计软件领域的空白,达到了国际先进水平。我国分别建成了中国建筑科学研究院(北京)和湖北省产品质量监督检验所(武汉)两个国家太阳能热水器质量监督检验中心。完成和发布了国标《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》,出版发行了《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》。编制发行了一批标准设计图集,如国家建筑标准设计图集 06K503 《太阳能集热系统设计与安装》、6SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》等,这些标准规范、手册和图集的编制完成和应用,将大大提高我国建筑一体化太阳能热水系统的设计建设水平,使建筑一体化太阳能热水系统的建设全过程都能作到有章可依。
太阳能采暖
太阳能供暖方式可分为主动式和被动式两大类。我国的第一栋被动式采暖太阳房1977年在甘肃省民勤县建成,经过广大科技工作者三十多年的努力,通过国家“六五”“七五”“八五”科技攻关项目,在引进、消化、吸收世界太阳能建筑技术的基础上,我国已形成了具有中国特色的包括理论、设计、施工、试验及评价方法在内的一整套被动式太阳能采暖技术,建成了几百万建筑面积的被动式采暖太阳房。
“六五” 国家科技攻关课题“被动式采暖太阳房调研总结”,完成并出版了我国第一部《被动式太阳能采暖乡镇住宅通用设计试用图集》,编集了13套被动式太阳能采暖乡镇住宅通用设计施工图,每套图包括设计说明,建筑平、立、剖面图,门、窗大样图,阳光间、集热墙大样图,建筑结构、柱、过樑、配筋详图,围护结构传热系数,无辅助热源条件下的采暖季室温预测(太阳能受益房间、辅助房间)和节能效益分析。
“七五” 国家科技攻关课题“太阳能建筑设计与研究” 在北京、天津、河北、山东、甘肃、西藏等省市建设了包括各类公共和居住建筑的上百栋被动太阳能采暖建筑示范工程,总建筑面积
“八五”国家科技攻关课题“太阳能在建筑中的应用技术研究”建成了辽宁营口老边区大水塘小学被动太阳能采暖教学楼示范工程;编写了《被动式太阳能建筑施工操作要求和验收标准》。
“十五”期间,由世界银行(WB)全球环境基金(GEF)支持、卫生部组织的中国基本卫生服务项目(卫生Ⅷ项目 / 卫生Ⅷ支持性项目)“被动太阳能采暖乡镇卫生院”,在青海、甘肃、山西省的国家级贫困县建成了29个被动太阳能采暖乡镇卫生院;出版发行了《中国被动式太阳能采暖卫生院》一书。该项目在国内首次对6个被动太阳能采暖卫生院做了评价窗密闭性能的动风压试验和围护结构保温隔热性能的红外热像检测,对27个被动太阳能采暖卫生院和18个对比普通卫生院进行了一个采暖季的室内热环境监测。监测结果:无辅助热源情况下,被动太阳能采暖卫生院采暖季的平均室温比对比普通卫生院提高5~10℃。
受经济水平的制约,主动式太阳能供暖系统在我国的发展一直比较缓慢,直到近几年才开始有少量实验、示范工程建成,如拉萨火车站、北京平谷新农村建设太阳能供暖农民住宅、清华阳光能源公司办公楼太阳能地板辐射供暖、北京太阳能研究所有限公司办公楼太阳能供暖工程等。
“十五”建设部科技中心完成的国家科技攻关课题“太阳能供热制冷成套技术的集成和示范”以及“小城镇节能与新能源利用关键技术研究及设备开发”在太阳能供热、采暖技术方面取得了具有突破性的重大成果,包括自动控制太阳能供热和制冷空调系统全年综合利用的优化模式和运行参数——使太阳能供热系统的年节能率达到60%,并做到系统运行可获得最高的年收益率,适用于小城镇全年运行太阳能供热系统模式优化及控制技术,太阳能、地热能综合利用供热空调系统优化等。
在这期间完成的国家建筑标准设计图集 06K503 《太阳能集热系统设计与安装》,可用于太阳能供热、采暖、空调的系统设计,《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇(暖通空调·动力)》中的第9章太阳能供暖系统,提出了太阳能供暖系统的一般规定和设计原则。目前由中国建筑科学研究院主编的国标《太阳能供热采暖工程技术规范》已启动。
太阳能空调
由于空调的应用需求和太阳能的供给量保持很好的一致性,即天气越热,越需要使用空调时,相应的太阳辐照量也较大,所以太阳能空调是我国最早进行太阳能应用的研究领域。
1976~1979年由中国建筑科学研究院完成的建设部全国建筑科学技术发展计划项目“中小型高温车间太阳能制冷的研究”在北京第三棉纺厂建成了我国第一个实用性太阳能氨水吸收式制冷空调系统,用于中小型车间降温。
此后,国家“九五”科技攻关项目建成了2个太阳能空调示范工程:中国科学院广州能源研究所为广东江门市中国建设银行大楼设计的“太阳能空调热水系统”,和北京市太阳能研究所在山东乳山市建成的太阳能吸收式空调及供热综合示范系统;“十五”期间建成的示范工程有北京市太阳能研究所有限公司办公楼、上海市建筑科学研究院环境实验楼等。远大空调有限公司开发的可提供
太阳能光电池与建筑围护结构或建筑材料结合应用
光伏电池组件安装在屋面、墙面上或以光伏玻璃的形式作为建筑围护结构一部分,利用光伏并网发电技术提供房屋用电能耗的太阳能建筑在发达国家中已有相当数量,在我国则处于起步阶段。“十五”期间国家加大扶贫力度为解决边远地区农村供电而实施的光伏发电光明工程,提高了我国的太阳能光伏技术发展水平和产业化规模,但受国家经济实力的制约,在与建筑的结合和工程应用方面与发达国家有不小差距。
目前我国太阳能光伏电池组件的年生产能力为150MW/年,年产量100MW/年,至2004年底,全国已累计安装太阳能光伏电池
国家可再生能源在建筑中规模应用示范项目
06年由建设部、财政部联合启动的、进行国家补贴的《可再生能源在建筑中规模应用示范项目》,对太阳能在建筑中应用影响巨大、意义深远。项目提出的整合资源、实施规模化应用目标,广泛调动了地方政府、管理部门、生产企业、研究机构、技术集成与实施单位、设计单位、房地产开发企业的积极性;第一批全国共申报项目170多项,第一次批准25个项目立项实施,国家投入资金上亿元,目前项目进展顺利。
“十一五”期间由建设部负责、国家支持在太阳能建筑应用领域正在进行的科研项目有
国家科技支撑计划重大项目“建筑节能关键技术研究与示范”—— “太阳能在建筑中规模化应用的关键技术研究”课题;
国家科技支撑计划重点项目“农村新能源开发与节能关键技术研究”—— “村镇建筑太阳能综合利用关键技术研究”和“农村生活用能规划与政策标准研究”课题;
国家科技支撑计划重点项目“可再生能源与建筑集成的技术研究与示范”—— “可再生能源与建筑集成示范工程”课题;
国家科技支撑计划重大项目“村镇小康住宅关键技术研究与示范” —— “住宅节能关键技术及产品开发”和“既有村镇住宅改造关键技术研究”课题;
国家科技支撑计划重大项目“既有建筑综合改造关键技术研究与示范”—— “既有建筑设备改造关键技术研究”课题。
太阳能在建筑应用技术的发展方向
目前中国太阳能建筑应用领域中,技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的是太阳能热水供应技术、或者说是家用太阳能热水器(系统),其次是被动式采暖太阳房,太阳能空调已经有示范工程建成,而用于供电的太阳能光伏技术与建筑的结合则处于起步阶段。但总的来说,不管那种方式,使太阳能应用部件与建筑达到有机结合,一直是中国太阳能建筑应用领域没有很好解决的问题,完成太阳能应用的建筑一体化,应是我国太阳能建筑应用领域今后的主攻方向。
赶超国际先进水平,建设综合利用太阳能的各类示范工程建筑,在树立典型样板的基础上进行普及和推广,促进国民经济的可持续发展,是今后我国太阳能建筑应用领域的总体发展目标。为此,应按照技术进步和经济水平等综合影响因素,分阶段逐步实施推进;先完成目前技术最成熟、工程应用最广泛的太阳能热水器(系统)的建筑一体化,然后进行太阳能光热利用——供暖、空调,以及光热、光电综合利用供电、供暖、空调的技术开发和工程应用;先完成建筑一体化单项技术和相关产品的开发,再建设示范工程,最终达到综合利用太阳能建筑的推广和普及;在党中央、国务院的领导下,在可持续发展国策的指引下,建筑的太阳能利用事业定将迎来辉煌发展的春天。