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(延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

陜北地區(qū)實施太陽能建筑一體化的可行性分析

楊紅霞,龍云濤,高文忠

(延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

近年來，隨著人們對環(huán)境問題認識的深入和能源問題的進一步惡化，越來越多的人關(guān)注太陽能的利用，實現(xiàn)太陽能與建筑一體化已經(jīng)成為我國建筑節(jié)能領(lǐng)域的重要課題。但是，太陽能建筑的設(shè)計、施工必須根據(jù)不同地域的地理氣候條件因地制宜。本文通過對陜北地區(qū)氣象條件和太陽能資源的調(diào)查研究和分析，結(jié)合當?shù)靥柲芙ㄖ?yīng)用的歷史和經(jīng)驗，提出將太陽能與建筑結(jié)合，在陜北地區(qū)實施太陽能一體化建筑是可行的，以期能推動太陽能一體化建筑的進一步推廣使用。

太陽能建筑；一體化；建筑節(jié)能；氣象條件；應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀能源危機以來，能源問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點。建筑作為第一用能大戶，其能耗約占我國全部能耗的30%，單位建筑面積的采暖能耗相當于同緯度發(fā)達國家的2～3倍，為與我國北方氣候條件相似的德國的2．5倍[1-5],建筑節(jié)能已經(jīng)成為我國節(jié)能的重點。大力開發(fā)利用太陽能減少能源消耗，滿足建筑部分或全部用能，將是建筑節(jié)能的重要途徑。

隨著太陽能行業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)建設(shè)節(jié)約型社會和建筑節(jié)能的要求，“太陽能與建筑的一體化”成為我國建筑行業(yè)的重要議題?！疤柲芘c建筑一體化”是把太陽能利用與建筑有機結(jié)合起來，盡可能地以太陽能替代常規(guī)能源，減少建筑能耗，提高能源的綜合利用率。

1 太陽能建筑一體化的涵義

所謂太陽能建筑一體化實際是指將太陽能利用設(shè)施與建筑進行有機的結(jié)合，利用太陽能集熱器替代屋頂覆蓋層或替代屋頂保溫層，巧妙的將太陽能系統(tǒng)的各個部件融入建筑之中，“相加”設(shè)計，統(tǒng)一施工，使太陽能系統(tǒng)成為建筑不可分割的一部分。既消除了太陽能對建筑物形象的影響，又避免了重復(fù)投資，降低了成本[6-8]。太陽能與建筑一體化是未來太陽能技術(shù)發(fā)展的方向。

太陽能建筑一體化設(shè)計把太陽能的利用納入環(huán)境的總體設(shè)計，把建筑、技術(shù)和美學(xué)融為一體，太陽能設(shè)施成為建筑的一部分，相互間有機結(jié)合，取代了傳統(tǒng)太陽能的結(jié)構(gòu)所造成的對建筑的外觀形象的影響。綜合利用太陽能，全面實現(xiàn)太陽能與建筑一體化，可補充15%的熱水能耗，采暖、制冷系統(tǒng)可解決60%的建筑能耗，光伏發(fā)電可節(jié)約30%的建筑能耗[1]。因此，太陽能建筑一體化設(shè)計可以有效利用太陽能，形成多功能建筑構(gòu)件，巧妙高效地利用了空間，使得建筑構(gòu)造更為合理，并減輕了建筑負荷，降低了建筑總造價。

2 陜北地區(qū)太陽能建筑應(yīng)用情況

我國太陽能利用有著悠久的歷史，距今3000年前的西周時代，就已掌握了“陽燧取火”的技術(shù)。太陽能在我國的熱利用主要包括太陽灶、太陽熱水器、太陽能溫室、太陽房等，到2005年底，全國太陽能熱水器使用量超過7 000萬m2，約占全球使用量的60% ，在過去l0年中增長率達到27%[9]。但目前太陽能熱水系統(tǒng)多屬于獨立式的太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)，造成建筑物屋面雜亂，熱水管道安裝交錯無序，甚至出現(xiàn)屋面損壞、漏雨等問題。從節(jié)能、環(huán)保和改善人民生活條件等因素考慮，太陽能熱水器建筑一體化將是今后的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方向 。

陜北地區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)展較為落后的地區(qū)，但太陽能資源卻非常豐富，早在1995年由西安建筑科技大學(xué)劉加平教授主持的《黃土高原綠色窯洞民居建筑研究》課題組，針對陜北地區(qū)代表傳統(tǒng)建筑文化的窯洞采光差、通風不暢、容易返潮等缺陷，通過對傳統(tǒng)窯居建筑進行全面客觀的現(xiàn)場測試、調(diào)查和評價，運用綠色建筑原理，將蘊涵于黃土高原傳統(tǒng)窯洞民居中的生態(tài)建筑經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為科學(xué)的生態(tài)設(shè)計技術(shù)，合理利用太陽能，建立了新型綠色窯居建筑的設(shè)計理論和方法、新型窯居建筑綠色性能評價指標體系以及適宜黃土高原地區(qū)的新型綠色窯居建筑，在延安棗園村建成了第一個綠色窯居建筑示范基地，目前已經(jīng)得到廣泛的推廣和應(yīng)用。該項目研究成果在國內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛、積極的影響，國家自然科學(xué)基金委員會組織的項目評議組認為該項目成果“達到了國際先進水平”，并獲得了 “世界人居獎”銀獎。

該項目研究的成功，表明中國將傳統(tǒng)民居建筑與現(xiàn)代綠色建筑理論的有機結(jié)合，特別是充分利用可再生能源，實施太陽能建筑一體化是解決中國廣大鄉(xiāng)村地區(qū)城市化進程中人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。

3 陜北地區(qū)氣候條件及太陽能資源分析

3.1 陜北地區(qū)氣候條件

陜北位于東經(jīng)102°～112°、北緯35°～40°，地處黃河中游的陜北黃土高原，西北高，東南低，總面積達62 521.4平方公里。氣候?qū)俑咴箨懶灾袦貛А瘻貛Ъ撅L氣候，北部屬半干旱地區(qū)，南部屬半濕潤地區(qū)，冬冷夏熱、四季分明，最冷月1月平均氣溫-10～-4℃，最熱月7月平均氣溫21～25℃，年平均氣溫7～11℃。降水量的季節(jié)變化明顯，夏季降水最多、最集中，占全年的39%～64%；秋季次之，占全年的20%～34%；春季少于秋季，占全年的13%～24%；冬季降水稀少，只占全年的1%～4%；年降水量400～600 mm。

3.2 陜北地區(qū)太陽能資源分析

太陽能資源數(shù)量的多少是考慮太陽能利用的關(guān)鍵。我國各地區(qū)太陽總輻照量相差很大，大致在3 348～ 8 371 MJ/(m2·a)之間，平均為5 860 MJ/(m2·a)，約相當于1.2×10億t標準煤。5 860 MJ/(m2·a)的等值線在地形圖上的分布呈一明顯的分界線，將全國從東北向西南(由大興安嶺西麓向西南至云南和西藏的交界處)分為兩大部分[10-11]。根據(jù)太陽輻照量的多少，可將我國劃分為四類地區(qū)，其分布如圖1所示。全國太陽輻照量特點表現(xiàn)為西部高于東部，北方高于南方[12]。西北部分太陽輻照量多高于5 860 MJ/(m2·a)，東南部分多低于此值。

圖1 中國太陽能資源分布(100 MJ/m2 )[13]

圖2 陜西省太陽能資源區(qū)劃分圖[5]

陜北地區(qū)具有豐富的太陽能資源，按資源豐富程度可以劃分為2個區(qū)( 詳見圖2)，即: Ⅰ區(qū)為太陽能資源豐富區(qū)( 年太陽能總輻射量為5 040～5 430 MJ/m2，全年日照時數(shù)為2 600～2 900 h)[13]，主要包括陜北北部; Ⅱ區(qū)為太陽能資源較豐富區(qū)( 年太陽能總輻射量為4 500～5 040 MJ/m2，全年日照時數(shù)為2 100～2 600 h)[13]，主要包括陜北南部。太陽能資源空間分布特征是北部多于南部(南北相差約900 MJ/m2)；夏季太陽總輻射最大、冬季最小、春秋兩季介于其間；太陽能資源十分穩(wěn)定，具有較高的潛在利用價值，根據(jù)文獻[14]計算僅榆林地區(qū)太陽能資源總儲量可達6.13×1013kW·h，太陽能資源可利用量可達1 226 kW·h。

4 結(jié)論

根據(jù)對陜北地區(qū)的氣候條件、日照情況的調(diào)研以及對太陽能建筑一體化在陜北的應(yīng)用情況分析，加上國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保等各項政策的引領(lǐng)，陜西省政府不久前也下發(fā)了“關(guān)于加快推進太陽能光電建筑應(yīng)用工作的通知”(陜建發(fā)[2012]164號)，鼓勵新建大型公共建筑、居住小區(qū)、市級以上工業(yè)(農(nóng)業(yè))園區(qū)以及高等院校等，具備條件的應(yīng)當安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；在不影響建筑效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命的前提下，鼓勵對既有建筑進行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)加裝改造。因此，將太陽能與建筑結(jié)合，在陜北地區(qū)建造太陽能一體化建筑是可行的。

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FeasibilityAnalysisofSolarBuildingIntegrationinNorthernShanxi

YANG Hong-xia,LONG Yun-tao,GAO Wen-zhong

(School of Architecture & Civil Engineering of Yan’an University of Architecture and Technology，Yan’an 716000，China)

In recent years, as the in-depth understanding of the environmental problems and energy question further worsening,more and more people focus on the use of solar energy.The solar energy and the building integration has become an important subject of the building energy conservation area in our country. However, the use of solar energy device installation problem that are adapted to local conditions, different regions of the geography and climate conditions vary. In this paper, through the investigation and analysis on the meteorological conditions and the solar energy resources in Northern Shanxi, combining with the application history and experience in the local solar energy, it is feasible to the combination of solar energy and architecture, the implementation of solar energy integration architecture in the Northern Shaanxi. We expect this will help to promote the use of solar energy integration architecture.

solar building；integration；building energy conservation; meteorological conditions；current application

2013-11-15修訂稿日期2014-03-15

陜西省教育廳專項科研計劃項目(12JK0906)

楊紅霞(1972～),女，碩士，副教授，研究方向為建筑節(jié)能與生態(tài)建筑技術(shù)。

TK519;TU201.5

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1002-6339 (2014) 05-0452-03