時間：2024-03-19 10:44:36
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關鍵詞： 建筑物節能 太陽能建筑 能源建筑物 綜合應用
建筑節能成為日益關切的大問題,當今社會十分關注建筑工程的能耗及建筑物使用過程中長期的能耗,因此要根據建筑設計的節能要求,尤其是利用太陽能建筑技術的推廣應用。
1建筑物的節能技術
建筑節能是技術進步的重要標志,新能源利用是實現建筑可持續發展的重要環節。在目前條件下,建筑節能主要采取以下五項技術措施:
1.1減少建筑物的外表面積。建筑物的外表面積的衡量值是體形系數。控制建筑物體形系數的重點是平面設計,當平面凸凹過多,建筑物外表面積就會增加。如住宅建筑設計中,經常會遇到臥室及衛生間開窗問題,由于衛生間靠內開窗要凹進平面很多,無形中增加了建筑物外表面積,另外還有飄窗,曬臺等構造對節省能源很不利。所以對平面設計時,要綜合考慮多種因素,在滿足使用功能的同時,使建筑物體形系數控制在有合理效范圍內。另外在立面造型,層高控制方面也會影響到建筑物體形系數。進入21世紀許多高層建筑采取矩形平面及矩形組合,使建筑物外表面積相應減小,整體尺寸較和諧,也保持了建筑物的外觀,對建筑節能是有益的。體現了建筑設計理念的新思維。
1.2重視圍護結構體設計。建筑物的能源和熱工消耗,主要反映在外圍護結構上。圍護結構設計主要包括:選擇圍護結構材料和構造,確定圍護結構傳熱系數,外墻受周邊冷熱橋影響下其平均傳熱系數的計算,圍護結構熱工性能指標及保溫層厚度的計算等。在外墻外側或者內側增設一定厚度的保溫材料,以提高墻體的保溫性能,是現階段墻體節能的重要措施。目前外墻保溫多數采用聚苯乙烯泡沫塑料板類材料。在施工過程中按照保溫材料的施工程序,加強保溫板的粘結及固定牢固,保證邊緣及底部的質量,才能達到保溫效果。同時屋面是熱量波動最大的部位,需要采取有效措施增加保溫隔熱效果和耐久性。
1.3合理控制窗墻面積比例。同自然環境接觸面大的還有外門窗。許多分析和試驗表明,門窗占全部熱能耗的50%左右。對門窗進行節能設計就會明顯提高節能效果。必須選擇熱阻值高的門窗框體材料。現在許多門窗框體材料常用塑料內襯托鋼架,斷熱鋁合金框,低輻射鍍膜中空玻璃。窗戶的氣密性要好,認真控制窗墻面積比例,北向不留大窗和飄窗,其它朝向也不宜使用飄窗。在工程實踐中,建筑物為了立面效果,許多住宅建筑采取大面積窗戶。在無法減小窗戶大面積的情況下,也要采取措施:如盡量把窗戶安排南側,增加窗戶的固定扇,加強框及扇邊緣的密封,根據規定進行權衡判斷計算,以達到建筑物的整體節能效率。
1.4加強其它部位的保溫隔熱措施。其它一些部位的保溫隔熱措施如地板,樓板,欄板及冷熱橋部位進行保溫隔熱處理。寒冷及嚴寒地區建筑物四周內外地面處理,不采暖樓梯間墻面及透光窗,單元門入口處理,陽臺樓地面及門窗口處理。需要引起注意的是:遇外界接觸的門要選擇保溫門,外飄窗要采用上下挑板及側板的,凡是遇外界接觸的板都必須進行保溫節能處理。現在建筑采用專門用的節能設計軟件,通過綜合計算滿足各項熱工指標。要根據熱工指標采取相應的構造措施,使建筑物整體達到節能要求。
1.5采取其它節能措施,綜合實現節能目標。另外采取其它一些節能控制措施如安裝熱量表,熱量控制開關等,使溫度保持均衡,也是減少能耗的必要手段。事實上建筑節能的主要內容除采暖空調外,應該包含通風,家用電氣,熱水及照明等。假如家庭所有電氣都是節能產品,那節能的潛力更大效果更明顯。
關鍵詞： 建筑物節能 太陽能建筑 能源建筑物 綜合應用
建筑節能成為日益關切的大問題,當今社會十分關注建筑工程的能耗及建筑物使用過程中長期的能耗,因此要根據建筑設計的節能要求,尤其是利用太陽能建筑技術的推廣應用。
1建筑物的節能技術
建筑節能是技術進步的重要標志,新能源利用是實現建筑可持續發展的重要環節。在目前條件下,建筑節能主要采取以下五項技術措施:
1.1減少建筑物的外表面積。建筑物的外表面積的衡量值是體形系數。控制建筑物體形系數的重點是平面設計,當平面凸凹過多,建筑物外表面積就會增加。如住宅建筑設計中,經常會遇到臥室及衛生間開窗問題,由于衛生間靠內開窗要凹進平面很多,無形中增加了建筑物外表面積,另外還有飄窗,曬臺等構造對節省能源很不利。所以對平面設計時,要綜合考慮多種因素,在滿足使用功能的同時,使建筑物體形系數控制在有合理效范圍內。另外在立面造型,層高控制方面也會影響到建筑物體形系數。進入21世紀許多高層建筑采取矩形平面及矩形組合,使建筑物外表面積相應減小,整體尺寸較和諧,也保持了建筑物的外觀,對建筑節能是有益的。體現了建筑設計理念的新思維。
1.2重視圍護結構體設計。建筑物的能源和熱工消耗,主要反映在外圍護結構上。圍護結構設計主要包括:選擇圍護結構材料和構造,確定圍護結構傳熱系數,外墻受周邊冷熱橋影響下其平均傳熱系數的計算,圍護結構熱工性能指標及保溫層厚度的計算等。在外墻外側或者內側增設一定厚度的保溫材料,以提高墻體的保溫性能,是現階段墻體節能的重要措施。目前外墻保溫多數采用聚苯乙烯泡沫塑料板類材料。在施工過程中按照保溫材料的施工程序,加強保溫板的粘結及固定牢固,保證邊緣及底部的質量,才能達到保溫效果。同時屋面是熱量波動最大的部位,需要采取有效措施增加保溫隔熱效果和耐久性。
1.3合理控制窗墻面積比例。同自然環境接觸面大的還有外門窗。許多分析和試驗表明,門窗占全部熱能耗的50%左右。對門窗進行節能設計就會明顯提高節能效果。必須選擇熱阻值高的門窗框體材料。現在許多門窗框體材料常用塑料內襯托鋼架,斷熱鋁合金框,低輻射鍍膜中空玻璃。窗戶的氣密性要好,認真控制窗墻面積比例,北向不留大窗和飄窗,其它朝向也不宜使用飄窗。在工程實踐中,建筑物為了立面效果,許多住宅建筑采取大面積窗戶。在無法減小窗戶大面積的情況下,也要采取措施:如盡量把窗戶安排南側,增加窗戶的固定扇,加強框及扇邊緣的密封,根據規定進行權衡判斷計算,以達到建筑物的整體節能效率。
1.4加強其它部位的保溫隔熱措施。其它一些部位的保溫隔熱措施如地板,樓板,欄板及冷熱橋部位進行保溫隔熱處理。寒冷及嚴寒地區建筑物四周內外地面處理,不采暖樓梯間墻面及透光窗,單元門入口處理,陽臺樓地面及門窗口處理。需要引起注意的是:遇外界接觸的門要選擇保溫門,外飄窗要采用上下挑板及側板的,凡是遇外界接觸的板都必須進行保溫節能處理。現在建筑采用專門用的節能設計軟件,通過綜合計算滿足各項熱工指標。要根據熱工指標采取相應的構造措施,使建筑物整體達到節能要求。
1.5采取其它節能措施,綜合實現節能目標。另外采取其它一些節能控制措施如安裝熱量表,熱量控制開關等,使溫度保持均衡,也是減少能耗的必要手段。事實上建筑節能的主要內容除采暖空調外,應該包含通風,家用電氣,熱水及照明等。假如家庭所有電氣都是節能產品,那節能的潛力更大效果更明顯。
太陽能熱水系統的優點：
1．經濟效益高
近年來，隨著煤、石油、天然氣等不可再生資源的減少，價格也會隨之逐步升高，企業生產成本也同樣不斷攀升。然而，采用太陽能，以用蒸汽生產60℃熱水為例，水溫從20℃升至60℃，每噸熱水耗用的蒸汽可節約13元。由此可見，太陽能熱水系統的推廣與應用能為企業帶來更大的經濟效益。
2．環保效果好
太陽能作為清潔型能源，使得采用該系統生產熱水沒有任何污染，如果印染企業都能采用太陽能生產熱水，將大大改善空氣質量。以2006年我國印染行業生產熱水的規模推測，全年可以實現減排1 690億m3廢氣和33.8億噸煙塵。與此同時，太陽能熱水系統還可實現增產、隔熱、安全等作用。
1.太陽能技術特點及在建筑節能工程中的重要地位
1.1太陽能技術特點
太陽能作為一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，具有一些其他能源不可比擬之處：（1）普遍性。我國是太陽能十分豐富的國家，2/3以上國土面積年日照量為2200h以上，如河北省年日照時間在2100h～2200h之間，非常適宜太陽能熱利用；（2）無污染性。煤炭、石油等生物化石能源燃燒時要產生有害氣體和廢渣，但太陽能的利用不會產生廢氣、廢渣，不會對環境造成污染；（3）安全性。太陽能利用不同于核能發電，一旦發生事故就會嚴重污染環境，造成生態危機，太陽能利用安全可靠，不會因發生事故而污染環境；（4）用之不竭。太陽能是太陽內部進行裂變釋放的能量，據估計在過去漫長幾億年中，太陽只消耗它本身能量的2%，對于人類短暫存活期限來言是用之不竭的。
太陽能作為一種新興能源，其利用也存在一些缺點：（1）受氣候時間影響大，地球的自轉造成太陽能晝夜差異大，陰、雨天和晴天太陽能差異大，夏天和冬天差異大。這不僅增加技術上的困難，也增加太陽能利用的不穩定性；（2）利用效率的技術不成熟，在我國利用較多較成熟的是太陽能熱水器，太陽能熱水器基本是靠天吃飯，太陽能利用率低，諸如太陽能光伏發電，太陽能供暖在我國起步晚，技術上不成熟，設備造價高。
1.2太陽能技術在建筑節能工程中的重要地位
建設部制定的《建筑節能技術政策1996-2010》，其目標為在2000年前，新建、擴建住宅和公建項Et的能耗要在1980年當熱通用設計能耗的基礎上節約50%；從2005年起新建、擴建住宅等項目能耗要在2000年基礎上再節約30%。隨著改革開放，人民生活水平的提高，熱水淋浴設備已進人千家萬戶，生活熱水能耗是建筑能耗中不可忽視的組成部分，電熱水器、煤氣熱水器由于其要消耗大量石油、煤炭資源而面臨發展瓶頸，太陽能熱水器作為我國目前在建筑領域利用最多最成熟的技術，將是解決住宅等項目部分生活熱水的首選技術。
2.太陽能技術在建筑節能工程中的被動式應用
所謂被動式應用是指利用房屋結構本身來完成太陽能的集熱、蓄熱和放熱功能。主要是利用南向或者屋頂的窗戶使陽光進入室內，靠室內的蓄熱結構來蓄積太陽能，或者直接利用蓄熱外墻來完成對太陽能的蓄積。目前，常用的被動式用法主要有以下三種：
2.1直接收益式系統
直接收益式系統結構很簡單，只是將陽光可照射到的地面和墻體做成蓄熱結構（一般利用混凝土等重質材料做），白天利用其蓄積太陽能，晚間這些表面則又成為散熱表面。
2.2集熱蓄熱墻式系統
這種系統是利用南向的墻體直接來集熱和蓄熱。最常用的就是帶玻璃蓋層的重質集熱墻。在玻璃和墻體之間留有空氣夾層，這樣不但可以利用墻體來集熱和蓄熱，而且可以利用空氣的自然對流來使室內升溫。如果有玻璃幕墻，再加上內部的保溫處理，這樣的蓄熱式墻體，其內表面溫度一般均高于室溫，同時配合空氣的對流傳熱，其效果是可以接受的。同時，夏季打開通風口，使北窗進來的溫度較低的空氣通過房間后由通風口排出，也可以起到夏季通風、降溫的效果。
2.3附屬溫室式系統
附屬溫室式系統和集熱一蓄熱墻式系統接近，只不過將玻璃幕墻改做成一個陽光間，利用陽光間的熱空氣及蓄熱的南墻來蓄積太陽能。陽光間內的南墻可以開窗，將陽光問內的熱空氣導入室內。這種系統結構簡單，對建筑外立面影響小。
3.太陽能技術在建筑節能工程中的主動式應用
所謂主動式系統，是指利用太陽能集熱器收集太陽能，然后加以利用的系統。目前，主動式太陽能系統在建筑中的熱利用，主要有采暖、制冷和熱水供應三方面用途。
3.1系統形式
太陽能采暖主動式系統可以分為熱水集熱和熱風集熱兩種形式。由于熱風式集熱系統效率較低，運行控制復雜，占用的空間很大，和建筑的匹配較困難等原因，所以采用的場合較少。目前，將采暖和熱水供應有機結合起來，共用集熱器的系統是利用太陽能非常有效的一種形式。這樣的系統其結構形式多樣，但是從集熱器介質和熱利用部分介質之間的關系上看，可以分為直接和間接式兩種。
直接利用是指進入集熱器的熱媒和末端使用的二次熱煤相同，不經過換熱器的交換。間接利用則正好相反，一、二次熱媒以換熱器為界，兩邊的介質相互獨立。
直接式系統集熱和負荷部分是一個整體，集熱器加熱的熱水直接被用戶使用，沒有中間環節。間接式系統則通過換熱的形式，將熱量傳給末端用戶，集熱和負荷側是兩個獨立的系統。這兩種系統形式各有優點。直接式系統形式簡單，熱效率高；間接式系統穩定性好，系統使用范圍大。
3.2采暖形式對系統的影響
由于太陽能集熱系統受太陽日射強度的限制，其集熱溫度不是很高。如果盲目提高集熱溫度，就要增加集熱面積，不但系統的效率受到很大影響，而且從經濟性上也將得不償失。目前，配合太陽能采暖主要還是熱風采暖、散熱器和地板輻射采暖幾種形式。由于熱風和散熱器采暖都需要較高的供水溫度，而太陽能集熱器的集熱溫度又不可能太高，所以系統的采暖效果不是很好。
地板輻射采暖是配合太陽能采暖的最好的一種形式。地板輻射采暖是把金屬或者化學管道埋于地下，靠整個地面和室內的熱交換來使采暖房間達到設計溫度。由于地板輻射采暖其散熱面積大，而且主要的熱交換方式為輻射換熱，增加了人員的舒適性。所以，地板輻射采暖要求的供水溫度比較低，一般低于65℃。而且目前地板輻射采暖，其做法通常是利用3-5cm的豆石沙漿做填充層，使地面本身就是一種蓄熱結構，增加了系統的熱惰性。所以，不論從地板輻射采暖的使用條件，還是其結構特點，都特別適合與太陽能結合使用，而且完全可以結合被動式太陽能利用，提高整個建筑的太陽能利用水平。
3.3采暖、制冷、熱水供應一體式系統
為了提高太陽能系統的利用率，將采暖、制冷、熱水供應組成一套統一的系統，可以達到對太陽能集熱系統的全年使用。因為如果只考慮采暖，夏天過多的熱水量無法處理，夏季空曬會對太陽能集熱器造成不小的損害，所以如果做成一體式的結構，合理考慮集熱面積和各項負荷的關系，就可以使一套系統四季使用，從而提高了系統的經濟性。并且通過自控措施及閥門的切換，可以使系統在采暖和制冷工況下分別運行。不過由于使用溴化鋰冷水機組，需要夏季較高的集熱溫度，否則整個系統的效率將很低，溴化鋰冷水機組可以使用單效雙級式，以適應較低的供水溫度。
4.結束語
太陽能在建筑中的應用是建筑節能工作的重要部分。盡管我國太陽能建筑應用目前存在著一些不足，但隨著太陽能產業的科技進步和相關政府主管部門、科研機構和太陽能產業相關廠家的共同努力，我國的太陽能建筑應用將在未來得到快速發展。
【參考文獻】
太陽能是一種可再生的、清潔的、分布廣泛的、免費的能源。人類對太陽能的利用有悠久的歷史。太陽能利用主要包括太陽能熱利用和太陽能光利用。太陽能熱利用應用很廣，如太陽能熱水、供暖和制冷、太陽能淡化海水、太陽能熱動力發電等。太陽能光利用主要是太陽能發電和太陽能制氫。由于常規能源短缺，在世界各國政府的大力支持下，作為可再生能源主力的太陽能將在全球能源供應中扮演越來越重要的角色。
一、太陽能技術在建筑中的應用類型
（一）太陽能熱利用技術
1、采暖系統
現階段主要采用的太陽能采暖中，被動式采暖應用的范圍相對于主動式采暖更大。采用太陽能采暖方式可以有效地降低采暖過程中的環境污染問題，并且采暖的成本較低，噪音影響小。但是受天氣的限制較大，整體熱能轉換效率相對較低。在陰雨天氣或者夜間，整體采暖效果欠佳。解決方案是配合其他類型的采暖來滿足室內采暖需求。在采暖中應用太陽能技術，其技術的研究重點就是利用率的提高和回收期的減少。
2、太陽能熱水系統
目前，太陽能熱水系統在綠色建筑中得到了廣泛應用，國家已在某些省市強制要求12層以下的建筑必須使用該系統。建筑行業的大趨勢就是以低能耗、低污染為基點的綠色經濟模式，太陽能資源正具備很大的發展潛力。在國家政策的大力扶持下，預計到2020年，全國太陽能熱水系統總集熱面積將達到3億平方米。我國太陽能資源豐富，年平均總日照小時數比較充裕，足以說明太陽能熱水系統在未來有著美好的發展前景和利用空間，希望該系統能與綠色建筑緊密結合，能夠使建筑節省更多的能源，促進綠色建筑的可持續發展。從整體而言，中國太陽能光熱利用在全世界所占的比例都比較大。
3、太陽能冷氣空調系統
太陽能輻射量變化幾乎與冷氣空調負載或電力尖峰負載同步，因此太陽能制冷空調系統的發展一直被重視，也能將目前國內太陽熱能系統偏重于盥洗應用的市場，拓增至冷卻空調應用市場領域。現階段使用熱能驅動的空調系統其熱源主要來自鍋爐、氣電共生、引擎廢棄以及太陽熱能等。其系統運行由于無機械式耗能的壓縮機，只有冰水泵、冷卻水泵以及熱水泵，其特性是結構簡單、運轉安靜、維護簡單、制冷成本低廉以及節約能源等。熱能驅動的空調系統并無使用CFCs（氟氯碳）化合物作為冷媒，無污染環境的問題，是具環保概念的空調系統。
（二）太陽能發電技術
利用太陽能電池，光伏發電可以借助半體界面具備的光生伏特特點，實現光能向電能的直接轉變。在串聯太陽能電池之后，展開封裝保護工作，可以組成大面積的太陽能電池構件，并結合功率控制設備構成光伏發電裝置。光伏行業方面要結合自身豐富的發展經驗，適當擴大生產量與生產規模，并降低成本。其中，發電成本需要具體參考經濟使用年限、整體系統價格、利率、運行費用與維護、保險費用等因素，對成本造價進行合理預算。
現階段，我國現代居民住宅區內部的工程照明系統，選用太陽能發電為輔電源。通過太陽能發電，在一定程度上實現了對能源消耗量的降低，同時降低了太陽輻射能帶來的影響，實現了對生態環境的優化與保護。此外，太陽能熱發電內容主要是將太陽輻射能直接轉變為熱能，然后利用熱能進行發電，在建筑節能技術方面同樣得到廣泛應用。
二、提高節能建筑中太陽能技術應用有效性對策
首先，政府應當及時出臺支持發展太陽能技術發展，和鼓勵太陽能技術應用于建筑中的政策，并給予資金和技術支持，還要推動提高民眾的節能環保意識，使其更樂意接受和使用太陽能產品。其次，提高民眾對太陽能技術的支持度，不僅需要政府的努力，社會組織通過動員活動，提高民眾對能源的保護意識，對太陽能技術的了解，以及對太陽能技術應用于建筑的支持。最后，建筑行業及太陽能行業應該加強聯系和交流，共同探討出合適的建筑項目，以推動太陽能技術在建筑中的應用；建筑人員應該主動了解更多太陽能技術，太陽能技術研究人員應該對我國不同地區、不同類型的建筑都有充分的了解，結合不同建筑的功能需求和設計生產出合適的太陽能產品，推動其應用在建筑中。
三、結語
總而言之，我國的許多行業都會消耗大量的能源與資源，這導致我國能源儲備受到威脅，必須要尋找新能源來緩解能源消耗的壓力。從可持續發展的角度來看，太陽能作為一種清潔的可再生能源，具有不容低估的生命力和廣闊市場，在建筑節能中充分利用好太陽能有著重要而現實的意義。隨著太陽能建筑一體化技術的發展，太陽能在現代城市建筑中的利用將朝著功能化、美觀化和生態化的方向發展。
參考文獻：
[1]劉純.集中太陽能系統在居住建筑中的應用[J].山西建筑，2017，
09：184-185.
[2]柳強，王克周，吳志云，楊宏亮，楊瀅.基于太陽能節能建筑系統的設計與研究[J].建材與裝飾，2016，47：114-115.
2被動式能源建筑的形式
按照太陽能建筑的利用方式可以把能源建筑分為直接受益型、集熱蓄熱墻型、附加型等幾種形式，具體內容如下幾個方面。
2.1直接受益型
直接受益型的擦暖形式是以太陽通過一定的透光材料直接進入室內，以太陽透過較大的南窗玻璃，通過存儲熱能到維護結構表面的墻和地上，再通過夜間對流輻射的方式和室內空間熱傳導進行釋放。建筑要求：建筑正陽的南方要安裝大面積的直接受陽的玻璃窗、圍護結構需要有較大的熱阻、室內需有蓄能較好的材料保證能量的積聚。
2.2集熱蓄熱墻型
集熱蓄熱墻型是利用建筑南向的集熱墻（垂直），通過傳導、輻射和對流吸收太陽光而傳送熱能。建筑要求：建筑墻體覆蓋玻璃，在墻體上下設通風口，一方面，太陽能通過墻體熱傳導通過對流輻射吸收熱能到室內，另一方面，集熱墻以對流方式傳遞熱能給玻璃和墻體間的夾層，再由室內空氣對流傳遞熱能。
2.3附加型
附加型是指在建筑的南面附加一個玻璃罩室，是使太陽光是集受益窗和蓄熱墻的綜合熱能的一種方式。建筑要求：以陽光直射建筑南向，在建筑室內用門或者窗把房子和陽光隔開，給房間一個緩沖的減少熱能消耗，以此給房間熱能供給。
3節能建筑設計策略
3.1位置及朝向設計
被動式太陽能建筑在建造上必須保持足夠的陽光直射，按照太陽偏離的角度和時間以個固定的北緯35°的建筑為例，方向正南向垂直，冬季較夏季受到的輻射要大，當太陽直射垂直角度超過30°時接受的能量集聚下降。
3.2建筑平面
被動式太陽能建筑以太陽能利用年規律的合理為設計目的，按照使用功能和人們對溫度的舒適度來把控，太陽能的建筑要以溫度舒適性為主，盡可能把臥室和客廳設計到正南向或者東西向的15°來吸取太陽能，把一些要求溫度不高的比如廁所、廚房、衣帽間可以設計到北向，在中間設計一道緩沖區減少熱能流失。
3.3形體設計
建筑形體是指建筑單位體積的建筑外表面積，建筑形體系數的越小度對建筑耗能損失就越小，外維護結構的傳熱損失就小，因此，在設計上盡可能減小建筑的體形系數，體形系數以f0\V0進行表示，除此外，影響到建筑體形的還有建筑的造型、布局和暖通的因素。因此在對建筑節能的系數間采取f0\V0<0.3時為最佳控制。
但是，長期以來，老化、失配及陰影等問題便一直困擾生產太陽能發電設備的公司，并嚴重阻礙了太陽能應用的普及。例如，當云朵、樹蔭等障礙物在電池板上帶來陰影遮擋時，將造成嚴重的電壓和電流適配，大大降低太陽能電池板的發電效率。利用先進的電源管理技術可以解決這種電壓和電流的適配，盡量減少發電量的損失。Gartner公司的報告也指出，“光伏產業下一步的技術發展自然是：在太陽能電池板中集成電源管理芯片，從而提高發電效率，降低發電成本，并符合更嚴格的安全標準。”
一、太陽能光伏發電技術概述
太陽能光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應，將光能直接轉變為電能的一種轉化技術，該技術的關鍵環節是太陽能電池板。太陽能電池經過串聯后進行封裝，形成大面積太陽電池組件，即光伏發電裝置。目前，太陽能電池板主要有有單晶硅、多晶硅、非晶硅及薄膜電池等。
目前，太陽能光伏技術主要為太陽能光熱利用與光電利用。太陽能光熱利用通常指采暖與制冷。其中，大型供熱工程屬于太陽能高溫利用，而居民生活熱水供應屬于低溫利用；太陽能制冷技術，主要應用于太陽能制冷空調與太陽能通風降溫系統中。
二、太陽能光伏發電技術在建筑節能中的應用
根據光伏方陣與建筑結合的緊密程度，通常將光伏建筑分為光伏建筑一體化（簡稱 BIPV）和光伏系統附著在建筑上（簡稱 BAPV）兩種形式。
1、BAPV 應用形式
BAPV 是直接把封裝好的光伏方陣安裝在建筑物上，組成光伏發電系統。它的主要功能是發電，作為附著在建筑物上吸收太陽光的發電構件，與建筑物的功能不發生沖突，不會破壞或削弱原有建筑物的功能。
圖 1 是 BAPV 應用的一種形式，利用建筑物屋面安裝光伏發電系統。光伏發電系統縱向主支撐型鋼采用 H 型鋼，構造簡單又具有一定的高度，使光伏電池板與建筑有一定的通風間距，可保證電池板背面溫度不致過高，以免降低光電轉換效率；橫向承接型鋼采用 C 型鋼，既簡化了施工工序，又解決了構件與線路間的連接問題，方便拆卸，有利于線路的檢修。
圖 2 是 BAPV 應用的另一種形式，利用建筑金屬屋面安裝太陽能光伏系統支架與太陽能光伏組件，太陽能光伏系統雖不具有建筑屋頂護結構的功能，但增加了建筑物的美感，且具有發電功能。
（二）BIPV 應用形式
BIPV 是太陽能光伏系統與建筑物同時設計、同時施工和安裝，與建筑物形成完美結合。光伏方陣代替建筑物傳統的建筑材料成為建筑物的構件，作為建筑物采光頂、外幕墻、外遮陽等結構的一部分，既具有發電功能，又兼顧節能降耗，同時光伏方陣的顏色與建筑物搭配協調，與建筑物完美統一。BIPV是完整意義上的光伏建筑一體化概念。
光伏建筑一體化建筑集發電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能于一身，應用形式主要有光伏幕墻、光伏采光頂、光伏遮陽、光伏雨蓬、光伏欄板等。
1、光伏幕墻
光伏幕墻是最能體現光伏建筑一體化在建筑中應用的一種形式。它通過在玻璃夾層中壓入光伏方陣，組成雙玻璃光伏組件融合到玻璃幕墻中，替代普通玻璃幕墻的玻璃材料，使玻璃幕墻集發電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一體，為建筑帶來額外的綠色概念，體現建筑的智能化與人性化的特點，代表著建筑光伏一體化技術在建筑中應用的最新發展方向。光伏玻璃幕墻作為建筑物的護結
構，直接吸收太陽能的輻射，可以避免幕墻表面溫度過高，減小室內外溫差，有效地降低空調能耗。但光伏幕墻由于其光伏方陣安裝在垂直幕墻面上，偏離了吸收太陽能的最佳角度，光伏方陣的輸出功率偏低。
2、光伏采光頂
光伏采光頂是光伏建筑一體化在建筑中應用的最佳形式，它克服了光伏幕墻偏離吸收太陽能的最佳角度的不足，將光伏方陣安裝在光照好、周圍無高大建筑物遮擋的地方，并將光伏發電系統作為建筑物屋頂結構的一部分，能更有效地收集太陽能，光伏方陣的輸出功率較高。目前，市場上已開發并生產出透光率更高的光伏玻璃，進一步滿足了采光頂的采光要求。光伏采光頂與光伏幕墻相比，能更有效地降低太陽光對建筑物的輻射，實現遮陽、節能。
3、光伏遮陽
光伏遮陽是在建筑的遮陽板上安裝高轉換率的光伏方陣，遮陽板不但遮擋陽光，而且具有發電功能。光伏遮陽有自動跟蹤和固定兩種類型，固定光伏遮陽是根據建筑物的地理位置設計最佳的朝陽角度，有效地收集太陽能；自動跟蹤光伏遮陽是根據太陽高度角、方位角的變化，自動跟蹤最佳的朝陽角度，從而最有效地收集太陽能。
三、太陽能光伏發電系統在建筑節能中的推廣與應用
目前，太陽能科技發展趨勢包括以下兩種，即太陽能光電技術與太陽能光熱技術相結合，太陽能綜合技術與建筑相結合。太陽能建筑一體化是未來建筑發展
的主要形式，它將為人類帶來嶄新的生活方式。當前，太陽能光伏發電系統的應用非常廣泛，例如，北京奧運會、上海世博會、大型加油站、公園等。太陽能光伏發電系統的推廣與應用使人類的生活方式更綠色、環保、低碳，以更好的實現可持續生態環境。
1、2008 年，北京奧運會鳥巢體育場設有太陽能光伏發電系統總裝機容量約為 130 kW，該系統產生的電力資源直接并入國家體育場的電力供應系統，對緩解奧運場館的電力供應起到舉足輕重的作用。與此同時，對提倡綠色奧運，使用綠色能源、大力控制和節能減排、倡導綠色環保的生活方式起到積極的示范作用。
2、2010 年上海世博會，中國館、主題館、世博中心、演藝中心等安裝的太陽能光伏發電系統總裝機容量超過 4.68 兆瓦，一天的發電量相當于 150 戶居民一個月的生活用電量。太陽能光伏發電帶來的“陽光世博”也充分展示了我國太陽能利用的技術水平，極大地推動了我國太陽能相關產業的發展。
結 語
綜上，太陽能光伏發電技術在建筑節能中的應用前景廣闊。由于太陽能自身的優勢，以及國家對節能環保的提倡，相信在不久的將來，建筑業會充分利用太陽能光伏技術，使太陽能與建筑成為有機的整體，面向一體化建筑，實現節能效果。
參考文獻
德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心（HZB）和荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的研究人員聯合組成的科研小組，成功研發出一種價格低廉的利用太陽能進行電解水制氫的方法，相關成果發表在近日出版的《自然·通訊》雜志上。
科學家們開發的這套系統可以通過太陽光將水分解成氫氣和氧氣，這使得太陽能可以被轉換成氫能并存儲起來。亥姆霍茲柏林材料與能源中心太陽能燃料研究所主任羅爾·范·德克羅爾教授說：“我們結合了兩方面的最佳之處。我們利用了化學的穩定性和金屬氧化物的低廉價格，將其與一個很好但相當簡單的薄膜硅太陽能電池結合，從而得到一個便宜、非常穩定和高效的（水解氫氣的）單元。”
當光線射入這個相對簡單的具有金屬氧化物層的硅薄膜電池時，系統會產生一個電壓。金屬氧化物層起光陽極的作用，成為氧形成的地方。它通過一個石墨導電橋連接到太陽能電池單元。由于只有金屬氧化物層接觸到電解液，所以太陽能電池單元的其他部分不會受到腐蝕。鉑金線圈則被用作陰極，這是氫氣形成的地方。粗略計算可以表明這種技術具有的潛力：以德國每平方米大約600瓦的太陽光能來算，100平方米這樣系統可以在一個小時的日照下分離生成3千瓦時以氫氣形式存儲的能量。
科學家們系統研究了不同的金屬氧化物在從光入射到電荷分離，直至水分解的過程中的作用，以便進一步優化這一過程。德克羅爾說，理論上釩酸鉍光陽極效率最高可達9%。通過用一種廉價的磷酸鈷催化劑，科學家們顯著地加快了光陽極上氧的生成。研究中最大的挑戰是釩酸鉍層電荷高效的分離。盡管金屬氧化物穩定并且便宜，但帶電粒子會趨于迅速重組，使得分解水的過程失效。德克洛爾和他的同事通過研究發現，在釩酸鉍層里加入額外的鎢原子是有幫助的。這些鎢原子產生的內部電場可以很好地防止重組的發生。
系統中最重要的光陽極是用添加了鎢原子的金屬氧化物釩酸鉍（BiVQ4）制成，并用廉價的鈷磷酸鹽催化劑噴涂和包覆。為了實現這一目標，科學家將含鉍、釩、鎢的溶液噴射到熱玻璃基板上，然后將溶劑蒸發。通過多次噴涂不同濃度的溶液，得到了一個厚度約300納米的高效光活性金屬氧化物層。德克羅爾說：“我們仍然不是很了解為什么釩酸鉍工作得非常好。但我們發現，超過80%的被吸收的光子得到了利用，這實在是一個創紀錄的金屬氧化物，也是物理學的奇跡。下一個挑戰是按比例將這樣的系統擴展到平方米大小，從而使它們可以生成更多的氫氣。”
1 太陽能采暖簡介
采暖是我國的能耗大戶。自1991年起平均每年新建建筑10億m2，至1996年底，共有各類建筑約310億m2。每年城鎮建筑僅采暖一項需要的耗能占全國能耗總量的11.5％[1]。化石能源的大量消耗，使我國的能源供應面臨巨大的挑戰，而且造成了嚴重的環境污染。因此研究使用清潔的可再生能源－太陽能進行采暖具有重要意義。
太陽能采暖可分為兩大類，一為主動式，另一為被動式。被動式就是根據當地氣象條件，依靠建筑物本身構造和材料的熱工性能，使房屋盡可能多地吸收和貯存熱量，以達到采暖的目的。主動式用集熱器、蓄熱器、管道、風機及泵等設備來收集、蓄存及輸配太陽能的系統，系統中的各部分均可控制而達到需要的室溫。
主動式太陽能采暖又可分為直接式和間接式。所謂直接式就是由太陽能集熱器加熱的熱水或空氣直接被用來供暖。所謂間接式就是集熱器加熱的熱水溫度通過熱泵提高后再供暖。采用由于集熱溫度高時，集熱器的效率很低，因此一般采用地板采暖或風機盤管。這兩種方式要求熱源的溫度比較低，50℃左右，集熱器具有較高的效率。
本文的研究對象為一個100平米的房間，假定其耗熱量指標為50W/m2，采暖室內設計溫度為20℃，溫度低于8℃即進行采暖，設置備用鍋爐。太陽能負責8小時的熱負荷。集熱器正南向放置，傾斜角等于當地緯度。該系統同時負責生活熱水供應，每日240L。
2 逐日模擬與綜合熱價法
2.1 逐日模擬方法
目前的太陽能利用系統的經濟分析一般以月平均值進行分析，由于需求與供給之間的不匹配，太陽能未必轉化為有用收益。比如，太陽能熱水供應中，夏天收集的熱量往往用不完，只能放掉。目前還缺乏令人信服的用于全年模擬的氣象數據模型，因此本文以1991-2000年的逐日氣象數據為基礎，對太陽能利用系統進行工況模擬，在此基礎上進行經濟分析[2]。中國幅員遼闊，地區差異很大，本文只選擇幾個典型城市進行分析。
2.2 綜合能源價格方法
目前，評價太陽能利用系統的經濟性大多采用凈收益現值和投資回收年限兩種方法，這兩種方法均側重于對太陽能利用系統本身投資、收益狀況進行分析。而對太陽能利用系統進行經濟分析的目的是，確定針對使用者而言最為經濟合理的方案，即相對于獲得所需能量、資金投入量少的方案。為此，本文采用綜合能源價格法[3]。
能源價格指的是購買一定種類能源的費用。它在一定意義上代表了或開采或生產這種能源并傳送至使用終端的資金消耗。對于供熱供冷的系統，在其有效使用期限內的資金投入主要用于：1）初投資：安裝供熱供冷系統；2）運行費用：在使用期間系統的運行和維護費用。綜合能源價格的含義是在有效使用年限內初投資和使用費用的累計綜合值與在此期間所提供能量總和的比值。它是一個將初投資考慮在內的全面反映經濟分析對象相對于提供單位能量所需費用的參數。
考慮到資金的動態特性，即不同時期支出貨幣的價值是不相等的，本文在經濟分析過程中，將綜合能源價格進行現值處理。即通過將不同時期投人的資金統一折現為初投資年現值的方法，使資金投入時間和數量各不相同的不同類型供熱（冷）的綜合能源價格，在同等價值條件下進行比較。
綜合能源價格現值的表達式為：
式中：M——綜合能源價格現值，RMB／MJ；
V——初投資，RMB；
t——計算年數；
n——系統有效使用年限；
Z——第t年使用費用，RMB；
i——銀行存款年利率；本文忽略通貨膨脹對銀行年利率的影響，i取常數。
Et——第t年提供能量總計，MJ；
3 主動式太陽能直接采暖經濟性分析
模擬年限為10年。模擬時采用逐日的溫度和太陽輻射。
在染料敏華太陽能電池制作過程中，兩個電極[1]的制作是最重要的制作環節，其制作程序直接影響電池的光電性能（光電轉換效率等）。
常用來制作染料敏化太陽電池光陽極的半導體材料主要有納米TiO2、ZnO、SnO2、和Nb2O5等氧化物[2]。在納米TiO2薄膜制備領域，目前有兩大研究熱點：在柔性襯底上制備TiO2薄膜和制備規整有序的納米TiO2薄膜。為了改善電池的光電性能，人們采用了TiCl4表面處理、表面包覆和摻雜等物理化學修飾技術來改善納米TiO2電極的特性。TiCl4表面處理可改變TiO2導帶位置，增大光電子注入效率[3]。在納米TiO2表面包覆具有較高導帶位置的半導體或絕緣層以形成類似核-殼結構的阻擋層來減少TiO2導帶電子和氧化態染料或電解質中的電子受體的復合概率[4]。實驗表明，在納米多孔薄膜中適當的摻雜他類金屬離子可以增強電池的光電性能。劉秋萍等以Mg摻雜TiO2薄膜取得了7.12%的轉化效率，較未摻雜的電池短路電流提高了26.7%[5]。張盼盼等的研究也表明，在TiO2薄膜中摻雜Zn能提高TiO2導帶能級，同時可延長俘獲態電子的復合時間常數，提高電池的開路電壓[6]。經過二十多年的研究，在對燃料敏化電池的光陽極、染料、電解質、對電極等關鍵材料的研究取得一些列可喜成果之后，其光電轉化效率已經達到了15%的商業化生產標準[7]。
現有文獻一般敘述大體制作工序，在實際操作過程中需要有更具體的技術細節才能制作出高質量的電極。因此我們對光陽極的制作過程做了細致研究，以保證實驗的穩定性與可重復性。
1 燃料敏化電池的內部結構和工作原理（如圖1）
“染料敏化太陽能電池”全稱“染料敏化納米多孔TiO2薄膜太陽能電池”，是模擬自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的納米多孔TiO2半導體膜作為光陽極，并選用適當的氧化-還原電解質，用鍍鉑的導電玻璃作光陰極。其主要由納米多孔半導體TiO2薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底結構組成。
當太陽光照射到電池表面時，鑲嵌在納米TiO2薄膜表面的光敏染料吸收光子，染料分子受到激發由基態躍遷到激發態，后TiO2的導帶注入電子，此時染料自身轉變為氧化鈦的正離子。注入到二氧化鈦層的電子富集到導電基底，并通過外電路流向對電極，形成電流。染料正離子接受電解質溶液中的電子給體得到電子，自身恢復為還原態，使染料分子再生。電解質中的被氧化的電子給體擴散至對電極，在對電極表面得到電子，被還原，從而完成循環，在整個過程中，表觀上化學物質沒有發生變化，而光能轉化成了電能。
2 染料敏化太陽電池電極的制作細節
燃料敏化電池的光陽極是由導電玻璃基底、在基底導電面結晶而成的半導體氧化物薄膜和吸附于氧化物晶體顆粒上的光敏劑三部分組成，是實現光能向電能轉換的關鍵部件。實驗發現，在光陽極的制作過程中，對導電玻璃前期處理不規范，會使電池性能起伏嚴重，降低實驗的可重復性。故而，我們將對導電玻璃的前期處理做了規范，起到了良好的效果。
2.1 對導電玻璃的前期處理（如圖2）
切割導電玻璃：按絲網印刷機的網格大小制圖，按圖在玻璃無導電膜的一面上切割，玻璃刀的斜度為45°為宜，在剖開玻璃時兩手平行用力。
打孔：在制作光陰極時需要打孔，打孔位置應預先標記，根據工作面積大小選擇打孔數目，在對電極的工作面外側進行打孔。常用的打孔設備有超聲波打孔機，激光打孔機等。
清洗玻璃：用棉球蘸洗衣液清洗導電玻璃，在帶有導電材料一面，棉球應沿一個方向擦動；然后，依次使用無水乙醇、丙酮、無水乙醇浸泡，并進行超聲處理，每一過程持續30min左右。
燒玻璃：為了去除玻璃上的有機物質制造電池的玻璃以450°的溫度燒結，燒結時間為3小時，取出玻璃時溫度降到120°。
2.2 制作光陽極（如圖3）
（1）制備TiO2薄膜。目前制備TiO2薄膜的方法很多：浸漬法、旋轉法、高溫溶膠噴射沉積法、絲網印刷法、濺射法等多種技術，本文著重運用絲網印刷技術制備TiO2多孔薄膜電極，使TiO2膠體能夠更好的吸附在導電玻璃上，以達到電子外電路輸送效率更高的目的，過程如下：
①根據絲網版的印刷位置調整絲網印刷機的印刷范圍，利用網格圖，將定位玻璃板與TiO2薄膜電極一塊放到印刷臺上，手調定位板的位置，觀察玻璃基底處于絲印圖案正下方的位置。②確定位置后，抬起絲網版，用膠帶固定住定位玻璃板，并用鉛筆輕輕勾勒出玻璃基底的具置。③放下絲網版后，在絲印圖案邊沿一端滴加少量的TiO2膠體，將軟質刮刀調整到一定的高度，使刮刀的壓力傾斜度約為45°，啟動機器，讓軟質刮刀在絲網版上刮動一次，使膠體在刮刀的作用下通過網孔，均勻的沉積到導電玻璃上，盡量一次完成，多余的膠體回收利用。④抬起絲網版，輕輕移出夾在中間的薄膜電極，置于干凈處備用，及時用酒精溶液清洗絲網版及軟質刮刀。若要制備多層不同粒徑的TiO2薄膜，可采用逐層印刷法，每印刷一層薄膜都必須燒結一次。
將印刷有多孔薄膜的基底放入馬弗爐內，膜面朝上，以每分鐘15℃的速度升溫，于450℃時溫恒煅燒15min，當爐溫自然冷卻至350℃時恒溫10min，接而繼續以每分鐘15℃的速度升溫至450℃時恒溫15min，最后將電極在馬弗爐里面自然冷卻，120℃時用鑷子取出制備的多孔膜電極。燒結溫度不宜過高，主要除去膠體中的水分及有機物，使TiO2形成多孔的高比表面積形狀，以吸收更多的染料分子，增大光的捕捉效率，過高的燒結溫度反而會導致膠體薄膜的碳化，因此控制溫度是極其重要的。
（2）染料色素液的配制。敏化染料作為燃料敏化電池的光捕獲天線，它的性能是決定電池光電轉換效率的重要因素，它不僅需要很寬的可見光譜吸收，以盡可能多的利用太陽光，而且要緊密地吸附在薄膜電極表面和較好的穩定性，以便于長期循環使用。本文使用了N719商品染料。
稱取36mg染料樣品放入50mL小燒杯中，用無水乙醇做溶劑，少量多次轉移到100ml容量瓶內，快到刻線時用滴管定容，搖勻。最后放入小磁子，用黑色保鮮膜包裹容量瓶外側，放在磁力攪拌器上攪拌24h充分溶解。
（3）電極的染料敏化。將燒結好的TiO2薄膜電極浸泡到已配好的染料溶液中，密封保存12小時，使染料分子充分吸附在TiO2薄膜上，用鑷子取出電極，無水乙醇沖洗電極染料層表面，洗去吸附在表面的染料分子，防止吸附松脫的染料對電子輸送的干擾，用吹風機吹干，剩余的染料溶液及無水乙醇回收保存以備下次使用。
2.3 制作對電極
取少量氯鉑酸用移液管均勻地涂在處理好的導電玻璃的導電面上，待其晾干后，放入爐子中，使其在溫度300°的放置10分鐘，420°的放置20分鐘，然后降溫降到120°時可出爐。
3 結語
本文敘述和總結了制作染料敏華太陽能電池電極的技術細節。對光陽極納米多孔半導體薄膜和電解質研究的深入，燃料敏化電池的光吸收效率和光電轉化效率不斷提升。隨著燃料敏化電池的光電轉化效率達到15%商業化生產的標準，在現有技術的基礎上，進一步減低成本、提高效率和穩定性，其在社會生活中的應用將會逐步推廣開來，成為硅電池的有力競爭者。
參考文獻：
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