1.9. 到2020年的一个情景预测
? 三个刚性增长：
– 建筑面积：增加150亿m2，住宅增加80亿m2 ，一般公建增加60
亿m2 ，大型公建10亿m2 – 采暖需求：新增需采暖的建筑110亿m2 – 人口：达到14亿
? 根据发达国家经验，随着我国的城市发展，人们生活水平的提高，建筑能源消耗将达到33％左右 ? 我国人口众多，若人均建筑能耗接近发达国家的人均水平，仅建筑用能将接近目前全球总能耗的1/4
6
第二章建筑节能技术
2.1太阳能建筑一体化包括的内容
利用太阳能是建筑节能的一个重要途径，太阳能建筑是节能建筑的一种形式。太阳能建筑的基本要求就是利用太阳能这种最丰富、最便捷、无污染的能源来进行采暖制冷、供应热水和进行光电转换，以满足人们生活的需要，同时达到减少和不用矿物燃料的目的。对于建筑师来讲，太阳能建筑一体化的设计就是要在建筑设计的同时，要考虑两个方面的问题，一是考虑太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响，包括建筑物的使用功能，围护结构的特性，建筑体型和立面的改变；二是考虑太阳能利用的系统选择，太阳能产品与建筑形体的有机结合。 2.1.1太阳能建筑对建筑设计的要求 （1） 对方位的要求
太阳能建筑对方位的要求是为了使建筑物尽量多和快的得到太阳能辐射热，在冬季太阳能辐射热在 时 时是全天辐射热的 左右，因此，在这段时间内要保证足够的日照时间是非常重要的，为了充分发挥太阳能辐射热的效能，可根据太阳能建筑的特征进行方位调整。例如，学校的教室上午希望室温尽快上升，而夜间室内无人，可将方位角南偏东 度 度；住宅建筑由于夜间住人，下午尽量使太阳能辐射热进入室内，可将方位角南偏西5度~15度。 （2） 对建筑表面积和体型的要求
从利用太阳能的角度考虑，应使南墙面吸收较多的太阳能辐射热且尽可能的大于其它向外散失的热量，以将这部分热量用于补偿建筑的净负荷。如果我们使除南墙面之外的其它的热工质量是相同的，则不难看出，建筑的净负荷是与面积的大小成正比的。因此，从节能建筑的角度考虑，对建筑节能的效果以外围护结构总面积越小越好这一标准来评价是不够的，而应以南墙面足够大，其他外表面尽可能小为标准来评价即表面面积系数（建筑物其它外表面面积之和与南墙面积之比） ，这就是被动式太阳能建筑对围护结构面积的要求。除此之外，还要用建筑物的表面面积系数来研究建筑体型对节能的影响，从获得更多的太阳能辐射热，降低能耗的观点来看，长轴朝向东西的长方体体型最好，正方形次之，长轴朝向南北的长方体体型的建筑节能效果最差。 （3） 对围护结构材料和构造的要求
我国新节能标准，对围护结构的节能已做了明确的规定，这在进行太阳能建筑设计时必须遵守，以保证太阳能的有效利用。太阳能建筑对围护结构材料和构造的要求，包括外墙与屋面的保温方式、材料选择、构造做法要满足热工性能指标及保证良好的保温、蓄热性能；由于窗户的耗热量与空气渗透耗热量相加约占房屋全部耗热量的 以上，是建筑节能的薄弱环节，要加强对门窗节能的综合研究，使窗户在墙面上尽可能成为得热构件；同时在严寒和寒冷地区的采暖建筑中的地面也应增加保温措施。我国已兴建的被动式太阳能建筑物结合地理位置、太阳能资源、建筑性质、经济状况等因素在上述几方面都积累了经验。 （4） 对窗、墙面积比的要求
太阳能建筑对窗、墙面积比的要求是一个综合的问题，一要考虑窗户的大小对直接集热的影响；二要考虑窗户既是得热构件，又是耗能的主要环节；三要考
7
虑窗间墙的大小、位置给墙体集热、蓄热带来的影响在被动式太阳能建筑中，居住建筑南向窗墙面积比一般在 左右，比节能建筑标准的要求略有提高；学校建筑中考虑到早晨希望室内提温尽量快些，南向窗墙面积比在 左右，对其它朝向的窗户，应在满足房间光环境的要求下，适当减少开窗面积并采取措施降低窗户的传热系数减少空气渗透量、加强夜间的保温等措施，以降低能耗。 2.1.2太阳能光伏一体化系统的特点
太阳能光伏建筑一体化技术是太阳能应用领域的扩展。太阳能光伏系统与建筑相结合称为太阳能光伏建筑一体化，是近年来利用太阳能发电的一种新概念，它在建筑维护结构上铺设光伏阵列产生电力。从建筑、技术和经济角度来看，光伏—建筑一体化有以下诸多优点：
（1）光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。
（2）光伏电池板和建筑的结合可以代替部分建筑贴面材料，从而减少太阳能利用的初投资。
（3）可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资，对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网，在阴雨天、夜晚或光强很小的时候，负载可由电网供电，由于有光伏阵列和公共电网共同给负载供应电力，增加了供电的可靠性。
（4）起到消减峰负荷的作用，在夏季的炎热天气，由于大量制冷设备的使用，形成电网用电高峰，而这时也是光伏阵列发电最多的时候，从而可以减少供电峰负荷，BIPV系统除保证自身建筑用电外，还可以向电网供电，从而缓解高峰电力需求。
（5）由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，吸收太阳能，转化为电能，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，节省了能源。
（6）避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。
（7）在建筑围护结构上安装光伏阵列，可以促进PV部件的大规模生产，从而能够进一步降低PV部件的市场价格，这对于BIPV系统的广泛应用有着极大的推动作用。
2.1.3太阳能技术在建筑物中的应用 （1）太阳房采暖系统
太阳房采暖系统分为主动式和被动式。主动式太阳能系统主要有集热器、管道、储热物质、散热器并配有风机、水泵等机械设备组成，这种太阳房投资大、维护费用高。被动式太阳房的集热方式比较简单，可以利用墙体、窗户等作为集热构件，以建筑物本身作为蓄热体，用自然循环代替主动式系统的风机、水泵等机械设备，被动式太阳房集蓄热构件与建筑构件为一体，一次性投资少、运行费用低，但这种集热方式受昼夜温度波动较大。太阳能集、蓄热构件设计是被动式太阳能设计的核心，它包括直接得热系统和间接得热系统。直接得热系统的工作原理是，冬季让太阳辐射热直接从南面窗射入房间内部，用楼板层、墙及家具设备等作为吸热和储热体，当室温低于这些储热体表面温度时，这些物体就会象一个大的低温辐射器那样向室内供暖；间接得热系统有集热、蓄热墙和毗连日光间
8
等形式，这种装置的主要工作原理是利用设在墙体本身的集热、蓄热材料，集蓄太阳热能，使太阳能辐射热通过传导、辐射和对流，把热量送到室内。集热、蓄热墙又按其热量的传导、辐射和对流的不同，形成了多种形式，如实体式集热蓄热墙、快速集热墙、花格式集热墙、相变材料集热蓄热墙等。 夏季则通过构造措施隔绝太阳能辐射热进入室内。 （2）太阳能热水器
现在我国是世界上太阳能热水器产量最多的国家，同时也是最大的热水器市场。太阳能热水器已形成了规模产业，技术日趋完善，现主导产品是全玻璃真空管太阳能热水器，并向光、电智能化方向发展。现在突出的问题是，由于太阳能热水器体量较大和在屋顶的无序安装，影响了到建筑物的屋顶保温、隔热、防水和建筑物的景观效果。往往也由于热水器在屋面的管道过长，冬季出现结冻现象，影响热水器的正常使用。 （3）太阳能低温热水地板
太阳能低温热水地板是利用低温热水为热媒，利用太阳能集热器作为热源的一种采暖方式。全玻璃真空管集热器是低温热水地板的主要集热器，这种集热器在用于太阳能热水器及提供生活热水上， 已基本能满足要求。但对建筑物提供采暖用热水则必须保证每天 小时连续供暖， 而且要性能稳定， 目前完全依靠太阳能很难做到， 必须配备利用常规能源的辅助热源及完善的控制设备。常规能源的辅助热源一般是指利用城市热网、区域锅炉或小型燃气 （油） 锅炉提供的高温水。因此， 在不同地区和不同类型的建筑中应用太阳能地板辐射采暖时，必须根据当地太阳能资源条件、常规能源供应情况、 建筑功能、 热负荷和周围环境条件等因素， 做综合经济分析， 以确定适宜的辅助热源和合理的太阳能供暖率， 进行优化设计。 （4）光电转换技术的应用
这是由设在建筑物屋面的太阳能光电池板组成的“太阳能屋顶”提供建筑所需要的部分或全部能量，且与电网并网。当阳光充足时，太阳能电池除满足全部能量需求外，多余的电能可输送给电网；当阴雨天气时，则由电网供电。这种光电转换装置在欧美一些发达国家已有了较大的发展。但目前太阳能电池价格较高，效率较低，因此我国的太阳能光电建筑还处于研究试点阶段。
2.1.3太阳能利用与建筑一体化的优点
（1）有利于人们生活环境的生态保护，不但降低了日益严重的生态污染，而且有效地减少常规能源的使用量，降低了能耗。
（2）解决了目前单台太阳能热水器各户自行安装不规范、不统一，且先建筑后设置，特别是设置在坡屋面上，对城市的景观、建筑维护等带来不利影响。 （3）太阳能热水器是一种绿色环保的产品，不但具有明显的节能效果，而且使用安全，寿命长，为人们创造一个安全、高舒适性的生活环境，提高了生活水平。 （4）太阳能与建筑一体化，采用“瓦片式”可替代坡屋面上部分建筑瓦片，既减少建筑成本，又达到防水、遮阳的效果，与建筑融为一体，外观独特美观。 （5）分户计量，按表收费，便于管理；集中供水可进行上下水、水温、水位的自动控制，定温输水采用自然循环，使用方便。
9
2.2太阳能光伏建筑一体化系统的研究
在实际应用中, 标准条件下硅电池转换效率约为 12 % ~ 17 % ,也就是说照射到电池表面上的太阳能 83%以上的能量转化为热能, 并使电池温度升高,导致电池效率下降。为尽可能使电池效率保持在较高水平,可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度, 这种既能发电又能提供热能的系统即为光伏光热一体化( PV /T )系统。因此,一些国家加强了对冷却方法和余热利用的研究,将光伏光热一体化系统应用到建筑上,在电力输出的同时提供生活热水或供暖, 在此基础上发展了光伏光热建筑一体化( BI PV /T)系统。这种系统有诸多优点,如有效利用建筑物外表面,无需额外用地或加建其他设施; 节约外饰材料(玻璃幕墙等) ,外观更有魅力; 缓解电力需求; 降低夏季空调负荷、 改善室内热环境等。下面对两种形式的 BI PV /T系统的工作原理及热能利用形式进行介绍。 2.2.1水冷却型 BI PV /T系统
水冷模式是在光伏模块背面设置吸热表面和流体通道,构成光伏光热模块, 通过流道中水带走热量, 这样既有效的降低了光伏电池的温度,提高了光电效率,又有效的利用了余热, 获得了热水,这种在外表面设置了光伏光热模块、 以水为流体的墙体就是光伏热水一体墙。光伏热水一体墙系统由光伏光热模块、 直流循环水泵、 水箱、 连接管道及支撑框架组成。系统白天运行,靠直流循环水泵强迫水循环,加强换热效果,以有效抑制电池温度的升高,提高光电效率,同时得到热水。
由于水流吸收了使硅电池转换效率下降的余热,使光伏阵列的工作温度有所降低,从而使系统的发电效率比传统的光伏系统有很大提高。用热效率与电效率之和综合评价 PV /T系统的能量利用特性,可以看出 PV /T系统有较高的热效率和电效率,系统综合性能效率大于 60 % , 比单一热水系统或光伏系统效率有显著提高。因此一体化系统将太阳电池整合在热水器的吸热表面上, 提高了单位集热面积的能量产出, 在可利用面积有限的场合,可以充分利用受光面积得到更多的热电产出。另外, 与等厚度的南向普通混凝土墙相比,光伏热水一体墙不仅有很好的热收益和电收益,同时由于改变了建筑物维护结构的性质,墙体得热引起的室内空调负荷可减少 50%以上,大大节约了电能。 2.2.2空气冷却型 B I PV /T系统
有通风流道的光伏墙体一体化结构包括建筑墙体、 光伏模块、 模块与墙体间的通风流道以及流道两端的空气进口和出口。在大多空气型 PV /T系统中,比光伏组件温度低的空气(通常为环境空气)在位于光伏组件背面与绝热墙壁之间的空气通道内流动。而在其他一些系统中,空气通道位于光伏组件的两个表面, 并联或串联连接。通常情况下,热吸收系统是通过位于光伏组件背面的直接热接触进行自然或强制对流换热, 热效率取决于空气通道的深度、 空气流道形式和流通速度。
因为空气的密度较低, 导致空气型 PV /T系统的热吸收率不及水型 PV /T系统高,因此,为了使空气型 P V /T系统具有较高的效率和更好的实用价值,需要对系统进行进一步的改进。其中,最简单实用的方法就是将空气通道的表面设计为粗糙面, 这样可以使热吸收量提高大约 30 % 。更为有效的办法是在空气通道内添加一些肋片, 这样可以在空气通道内产生漩涡, 从而使传热性能提高大概 4倍。另外,在空气通道内加装一块褶皱板,这样不仅产生了扰动, 还增加了通道内的
10