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关键词： 建筑物节能 太阳能建筑 能源建筑物 综合应用
建筑节能成为日益关切的大问题,当今社会十分关注建筑工程的能耗及建筑物使用过程中长期的能耗,因此要根据建筑设计的节能要求,尤其是利用太阳能建筑技术的推广应用。
1建筑物的节能技术
建筑节能是技术进步的重要标志,新能源利用是实现建筑可持续发展的重要环节。在目前条件下,建筑节能主要采取以下五项技术措施:
1.1减少建筑物的外表面积。建筑物的外表面积的衡量值是体形系数。控制建筑物体形系数的重点是平面设计,当平面凸凹过多,建筑物外表面积就会增加。如住宅建筑设计中,经常会遇到卧室及卫生间开窗问题,由于卫生间靠内开窗要凹进平面很多,无形中增加了建筑物外表面积,另外还有飘窗,晒台等构造对节省能源很不利。所以对平面设计时,要综合考虑多种因素,在满足使用功能的同时,使建筑物体形系数控制在有合理效范围内。另外在立面造型,层高控制方面也会影响到建筑物体形系数。进入21世纪许多高层建筑采取矩形平面及矩形组合,使建筑物外表面积相应减小,整体尺寸较和谐,也保持了建筑物的外观,对建筑节能是有益的。体现了建筑设计理念的新思维。
1.2重视围护结构体设计。建筑物的能源和热工消耗,主要反映在外围护结构上。围护结构设计主要包括:选择围护结构材料和构造,确定围护结构传热系数,外墙受周边冷热桥影响下其平均传热系数的计算,围护结构热工性能指标及保温层厚度的计算等。在外墙外侧或者内侧增设一定厚度的保温材料,以提高墙体的保温性能,是现阶段墙体节能的重要措施。目前外墙保温多数采用聚苯乙烯泡沫塑料板类材料。在施工过程中按照保温材料的施工程序,加强保温板的粘结及固定牢固,保证边缘及底部的质量,才能达到保温效果。同时屋面是热量波动最大的部位,需要采取有效措施增加保温隔热效果和耐久性。
1.3合理控制窗墙面积比例。同自然环境接触面大的还有外门窗。许多分析和试验表明,门窗占全部热能耗的50%左右。对门窗进行节能设计就会明显提高节能效果。必须选择热阻值高的门窗框体材料。现在许多门窗框体材料常用塑料内衬托钢架,断热铝合金框,低辐射镀膜中空玻璃。窗户的气密性要好,认真控制窗墙面积比例,北向不留大窗和飘窗,其它朝向也不宜使用飘窗。在工程实践中,建筑物为了立面效果,许多住宅建筑采取大面积窗户。在无法减小窗户大面积的情况下,也要采取措施:如尽量把窗户安排南侧,增加窗户的固定扇,加强框及扇边缘的密封,根据规定进行权衡判断计算,以达到建筑物的整体节能效率。
1.4加强其它部位的保温隔热措施。其它一些部位的保温隔热措施如地板,楼板,栏板及冷热桥部位进行保温隔热处理。寒冷及严寒地区建筑物四周内外地面处理,不采暖楼梯间墙面及透光窗,单元门入口处理,阳台楼地面及门窗口处理。需要引起注意的是:遇外界接触的门要选择保温门,外飘窗要采用上下挑板及侧板的,凡是遇外界接触的板都必须进行保温节能处理。现在建筑采用专门用的节能设计软件,通过综合计算满足各项热工指标。要根据热工指标采取相应的构造措施,使建筑物整体达到节能要求。
1.5采取其它节能措施,综合实现节能目标。另外采取其它一些节能控制措施如安装热量表,热量控制开关等,使温度保持均衡,也是减少能耗的必要手段。事实上建筑节能的主要内容除采暖空调外,应该包含通风,家用电气,热水及照明等。假如家庭所有电气都是节能产品,那节能的潜力更大效果更明显。
关键词： 建筑物节能 太阳能建筑 能源建筑物 综合应用
建筑节能成为日益关切的大问题,当今社会十分关注建筑工程的能耗及建筑物使用过程中长期的能耗,因此要根据建筑设计的节能要求,尤其是利用太阳能建筑技术的推广应用。
1建筑物的节能技术
建筑节能是技术进步的重要标志,新能源利用是实现建筑可持续发展的重要环节。在目前条件下,建筑节能主要采取以下五项技术措施:
1.1减少建筑物的外表面积。建筑物的外表面积的衡量值是体形系数。控制建筑物体形系数的重点是平面设计,当平面凸凹过多,建筑物外表面积就会增加。如住宅建筑设计中,经常会遇到卧室及卫生间开窗问题,由于卫生间靠内开窗要凹进平面很多,无形中增加了建筑物外表面积,另外还有飘窗,晒台等构造对节省能源很不利。所以对平面设计时,要综合考虑多种因素,在满足使用功能的同时,使建筑物体形系数控制在有合理效范围内。另外在立面造型,层高控制方面也会影响到建筑物体形系数。进入21世纪许多高层建筑采取矩形平面及矩形组合,使建筑物外表面积相应减小,整体尺寸较和谐,也保持了建筑物的外观,对建筑节能是有益的。体现了建筑设计理念的新思维。
1.2重视围护结构体设计。建筑物的能源和热工消耗,主要反映在外围护结构上。围护结构设计主要包括:选择围护结构材料和构造,确定围护结构传热系数,外墙受周边冷热桥影响下其平均传热系数的计算,围护结构热工性能指标及保温层厚度的计算等。在外墙外侧或者内侧增设一定厚度的保温材料,以提高墙体的保温性能,是现阶段墙体节能的重要措施。目前外墙保温多数采用聚苯乙烯泡沫塑料板类材料。在施工过程中按照保温材料的施工程序,加强保温板的粘结及固定牢固,保证边缘及底部的质量,才能达到保温效果。同时屋面是热量波动最大的部位,需要采取有效措施增加保温隔热效果和耐久性。
1.3合理控制窗墙面积比例。同自然环境接触面大的还有外门窗。许多分析和试验表明,门窗占全部热能耗的50%左右。对门窗进行节能设计就会明显提高节能效果。必须选择热阻值高的门窗框体材料。现在许多门窗框体材料常用塑料内衬托钢架,断热铝合金框,低辐射镀膜中空玻璃。窗户的气密性要好,认真控制窗墙面积比例,北向不留大窗和飘窗,其它朝向也不宜使用飘窗。在工程实践中,建筑物为了立面效果,许多住宅建筑采取大面积窗户。在无法减小窗户大面积的情况下,也要采取措施:如尽量把窗户安排南侧,增加窗户的固定扇,加强框及扇边缘的密封,根据规定进行权衡判断计算,以达到建筑物的整体节能效率。
1.4加强其它部位的保温隔热措施。其它一些部位的保温隔热措施如地板,楼板,栏板及冷热桥部位进行保温隔热处理。寒冷及严寒地区建筑物四周内外地面处理,不采暖楼梯间墙面及透光窗,单元门入口处理,阳台楼地面及门窗口处理。需要引起注意的是:遇外界接触的门要选择保温门,外飘窗要采用上下挑板及侧板的,凡是遇外界接触的板都必须进行保温节能处理。现在建筑采用专门用的节能设计软件,通过综合计算满足各项热工指标。要根据热工指标采取相应的构造措施,使建筑物整体达到节能要求。
1.5采取其它节能措施,综合实现节能目标。另外采取其它一些节能控制措施如安装热量表,热量控制开关等,使温度保持均衡,也是减少能耗的必要手段。事实上建筑节能的主要内容除采暖空调外,应该包含通风,家用电气,热水及照明等。假如家庭所有电气都是节能产品,那节能的潜力更大效果更明显。
太阳能热水系统的优点：
1．经济效益高
近年来，随着煤、石油、天然气等不可再生资源的减少，价格也会随之逐步升高，企业生产成本也同样不断攀升。然而，采用太阳能，以用蒸汽生产60℃热水为例，水温从20℃升至60℃，每吨热水耗用的蒸汽可节约13元。由此可见，太阳能热水系统的推广与应用能为企业带来更大的经济效益。
2．环保效果好
太阳能作为清洁型能源，使得采用该系统生产热水没有任何污染，如果印染企业都能采用太阳能生产热水，将大大改善空气质量。以2006年我国印染行业生产热水的规模推测，全年可以实现减排1 690亿m3废气和33.8亿吨烟尘。与此同时，太阳能热水系统还可实现增产、隔热、安全等作用。
1.太阳能技术特点及在建筑节能工程中的重要地位
1.1太阳能技术特点
太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，具有一些其他能源不可比拟之处：（1）普遍性。我国是太阳能十分丰富的国家，2/3以上国土面积年日照量为2200h以上，如河北省年日照时间在2100h～2200h之间，非常适宜太阳能热利用；（2）无污染性。煤炭、石油等生物化石能源燃烧时要产生有害气体和废渣，但太阳能的利用不会产生废气、废渣，不会对环境造成污染；（3）安全性。太阳能利用不同于核能发电，一旦发生事故就会严重污染环境，造成生态危机，太阳能利用安全可靠，不会因发生事故而污染环境；（4）用之不竭。太阳能是太阳内部进行裂变释放的能量，据估计在过去漫长几亿年中，太阳只消耗它本身能量的2%，对于人类短暂存活期限来言是用之不竭的。
太阳能作为一种新兴能源，其利用也存在一些缺点：（1）受气候时间影响大，地球的自转造成太阳能昼夜差异大，阴、雨天和晴天太阳能差异大，夏天和冬天差异大。这不仅增加技术上的困难，也增加太阳能利用的不稳定性；（2）利用效率的技术不成熟，在我国利用较多较成熟的是太阳能热水器，太阳能热水器基本是靠天吃饭，太阳能利用率低，诸如太阳能光伏发电，太阳能供暖在我国起步晚，技术上不成熟，设备造价高。
1.2太阳能技术在建筑节能工程中的重要地位
建设部制定的《建筑节能技术政策1996-2010》，其目标为在2000年前，新建、扩建住宅和公建项Et的能耗要在1980年当热通用设计能耗的基础上节约50%；从2005年起新建、扩建住宅等项目能耗要在2000年基础上再节约30%。随着改革开放，人民生活水平的提高，热水淋浴设备已进人千家万户，生活热水能耗是建筑能耗中不可忽视的组成部分，电热水器、煤气热水器由于其要消耗大量石油、煤炭资源而面临发展瓶颈，太阳能热水器作为我国目前在建筑领域利用最多最成熟的技术，将是解决住宅等项目部分生活热水的首选技术。
2.太阳能技术在建筑节能工程中的被动式应用
所谓被动式应用是指利用房屋结构本身来完成太阳能的集热、蓄热和放热功能。主要是利用南向或者屋顶的窗户使阳光进入室内，靠室内的蓄热结构来蓄积太阳能，或者直接利用蓄热外墙来完成对太阳能的蓄积。目前，常用的被动式用法主要有以下三种：
2.1直接收益式系统
直接收益式系统结构很简单，只是将阳光可照射到的地面和墙体做成蓄热结构（一般利用混凝土等重质材料做），白天利用其蓄积太阳能，晚间这些表面则又成为散热表面。
2.2集热蓄热墙式系统
这种系统是利用南向的墙体直接来集热和蓄热。最常用的就是带玻璃盖层的重质集热墙。在玻璃和墙体之间留有空气夹层，这样不但可以利用墙体来集热和蓄热，而且可以利用空气的自然对流来使室内升温。如果有玻璃幕墙，再加上内部的保温处理，这样的蓄热式墙体，其内表面温度一般均高于室温，同时配合空气的对流传热，其效果是可以接受的。同时，夏季打开通风口，使北窗进来的温度较低的空气通过房间后由通风口排出，也可以起到夏季通风、降温的效果。
2.3附属温室式系统
附属温室式系统和集热一蓄热墙式系统接近，只不过将玻璃幕墙改做成一个阳光间，利用阳光间的热空气及蓄热的南墙来蓄积太阳能。阳光间内的南墙可以开窗，将阳光问内的热空气导入室内。这种系统结构简单，对建筑外立面影响小。
3.太阳能技术在建筑节能工程中的主动式应用
所谓主动式系统，是指利用太阳能集热器收集太阳能，然后加以利用的系统。目前，主动式太阳能系统在建筑中的热利用，主要有采暖、制冷和热水供应三方面用途。
3.1系统形式
太阳能采暖主动式系统可以分为热水集热和热风集热两种形式。由于热风式集热系统效率较低，运行控制复杂，占用的空间很大，和建筑的匹配较困难等原因，所以采用的场合较少。目前，将采暖和热水供应有机结合起来，共用集热器的系统是利用太阳能非常有效的一种形式。这样的系统其结构形式多样，但是从集热器介质和热利用部分介质之间的关系上看，可以分为直接和间接式两种。
直接利用是指进入集热器的热媒和末端使用的二次热煤相同，不经过换热器的交换。间接利用则正好相反，一、二次热媒以换热器为界，两边的介质相互独立。
直接式系统集热和负荷部分是一个整体，集热器加热的热水直接被用户使用，没有中间环节。间接式系统则通过换热的形式，将热量传给末端用户，集热和负荷侧是两个独立的系统。这两种系统形式各有优点。直接式系统形式简单，热效率高；间接式系统稳定性好，系统使用范围大。
3.2采暖形式对系统的影响
由于太阳能集热系统受太阳日射强度的限制，其集热温度不是很高。如果盲目提高集热温度，就要增加集热面积，不但系统的效率受到很大影响，而且从经济性上也将得不偿失。目前，配合太阳能采暖主要还是热风采暖、散热器和地板辐射采暖几种形式。由于热风和散热器采暖都需要较高的供水温度，而太阳能集热器的集热温度又不可能太高，所以系统的采暖效果不是很好。
地板辐射采暖是配合太阳能采暖的最好的一种形式。地板辐射采暖是把金属或者化学管道埋于地下，靠整个地面和室内的热交换来使采暖房间达到设计温度。由于地板辐射采暖其散热面积大，而且主要的热交换方式为辐射换热，增加了人员的舒适性。所以，地板辐射采暖要求的供水温度比较低，一般低于65℃。而且目前地板辐射采暖，其做法通常是利用3-5cm的豆石沙浆做填充层，使地面本身就是一种蓄热结构，增加了系统的热惰性。所以，不论从地板辐射采暖的使用条件，还是其结构特点，都特别适合与太阳能结合使用，而且完全可以结合被动式太阳能利用，提高整个建筑的太阳能利用水平。
3.3采暖、制冷、热水供应一体式系统
为了提高太阳能系统的利用率，将采暖、制冷、热水供应组成一套统一的系统，可以达到对太阳能集热系统的全年使用。因为如果只考虑采暖，夏天过多的热水量无法处理，夏季空晒会对太阳能集热器造成不小的损害，所以如果做成一体式的结构，合理考虑集热面积和各项负荷的关系，就可以使一套系统四季使用，从而提高了系统的经济性。并且通过自控措施及阀门的切换，可以使系统在采暖和制冷工况下分别运行。不过由于使用溴化锂冷水机组，需要夏季较高的集热温度，否则整个系统的效率将很低，溴化锂冷水机组可以使用单效双级式，以适应较低的供水温度。
4.结束语
太阳能在建筑中的应用是建筑节能工作的重要部分。尽管我国太阳能建筑应用目前存在着一些不足，但随着太阳能产业的科技进步和相关政府主管部门、科研机构和太阳能产业相关厂家的共同努力，我国的太阳能建筑应用将在未来得到快速发展。
【参考文献】
太阳能是一种可再生的、清洁的、分布广泛的、免费的能源。人类对太阳能的利用有悠久的历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷、太阳能淡化海水、太阳能热动力发电等。太阳能光利用主要是太阳能发电和太阳能制氢。由于常规能源短缺，在世界各国政府的大力支持下，作为可再生能源主力的太阳能将在全球能源供应中扮演越来越重要的角色。
一、太阳能技术在建筑中的应用类型
（一）太阳能热利用技术
1、采暖系统
现阶段主要采用的太阳能采暖中，被动式采暖应用的范围相对于主动式采暖更大。采用太阳能采暖方式可以有效地降低采暖过程中的环境污染问题，并且采暖的成本较低，噪音影响小。但是受天气的限制较大，整体热能转换效率相对较低。在阴雨天气或者夜间，整体采暖效果欠佳。解决方案是配合其他类型的采暖来满足室内采暖需求。在采暖中应用太阳能技术，其技术的研究重点就是利用率的提高和回收期的减少。
2、太阳能热水系统
目前，太阳能热水系统在绿色建筑中得到了广泛应用，国家已在某些省市强制要求12层以下的建筑必须使用该系统。建筑行业的大趋势就是以低能耗、低污染为基点的绿色经济模式，太阳能资源正具备很大的发展潜力。在国家政策的大力扶持下，预计到2020年，全国太阳能热水系统总集热面积将达到3亿平方米。我国太阳能资源丰富，年平均总日照小时数比较充裕，足以说明太阳能热水系统在未来有着美好的发展前景和利用空间，希望该系统能与绿色建筑紧密结合，能够使建筑节省更多的能源，促进绿色建筑的可持续发展。从整体而言，中国太阳能光热利用在全世界所占的比例都比较大。
3、太阳能冷气空调系统
太阳能辐射量变化几乎与冷气空调负载或电力尖峰负载同步，因此太阳能制冷空调系统的发展一直被重视，也能将目前国内太阳热能系统偏重于盥洗应用的市场，拓增至冷却空调应用市场领域。现阶段使用热能驱动的空调系统其热源主要来自锅炉、气电共生、引擎废弃以及太阳热能等。其系统运行由于无机械式耗能的压缩机，只有冰水泵、冷却水泵以及热水泵，其特性是结构简单、运转安静、维护简单、制冷成本低廉以及节约能源等。热能驱动的空调系统并无使用CFCs（氟氯碳）化合物作为冷媒，无污染环境的问题，是具环保概念的空调系统。
（二）太阳能发电技术
利用太阳能电池，光伏发电可以借助半体界面具备的光生伏特特点，实现光能向电能的直接转变。在串联太阳能电池之后，展开封装保护工作，可以组成大面积的太阳能电池构件，并结合功率控制设备构成光伏发电装置。光伏行业方面要结合自身丰富的发展经验，适当扩大生产量与生产规模，并降低成本。其中，发电成本需要具体参考经济使用年限、整体系统价格、利率、运行费用与维护、保险费用等因素，对成本造价进行合理预算。
现阶段，我国现代居民住宅区内部的工程照明系统，选用太阳能发电为辅电源。通过太阳能发电，在一定程度上实现了对能源消耗量的降低，同时降低了太阳辐射能带来的影响，实现了对生态环境的优化与保护。此外，太阳能热发电内容主要是将太阳辐射能直接转变为热能，然后利用热能进行发电，在建筑节能技术方面同样得到广泛应用。
二、提高节能建筑中太阳能技术应用有效性对策
首先，政府应当及时出台支持发展太阳能技术发展，和鼓励太阳能技术应用于建筑中的政策，并给予资金和技术支持，还要推动提高民众的节能环保意识，使其更乐意接受和使用太阳能产品。其次，提高民众对太阳能技术的支持度，不仅需要政府的努力，社会组织通过动员活动，提高民众对能源的保护意识，对太阳能技术的了解，以及对太阳能技术应用于建筑的支持。最后，建筑行业及太阳能行业应该加强联系和交流，共同探讨出合适的建筑项目，以推动太阳能技术在建筑中的应用；建筑人员应该主动了解更多太阳能技术，太阳能技术研究人员应该对我国不同地区、不同类型的建筑都有充分的了解，结合不同建筑的功能需求和设计生产出合适的太阳能产品，推动其应用在建筑中。
三、结语
总而言之，我国的许多行业都会消耗大量的能源与资源，这导致我国能源储备受到威胁，必须要寻找新能源来缓解能源消耗的压力。从可持续发展的角度来看，太阳能作为一种清洁的可再生能源，具有不容低估的生命力和广阔市场，在建筑节能中充分利用好太阳能有着重要而现实的意义。随着太阳能建筑一体化技术的发展，太阳能在现代城市建筑中的利用将朝着功能化、美观化和生态化的方向发展。
参考文献：
[1]刘纯.集中太阳能系统在居住建筑中的应用[J].山西建筑，2017，
09：184-185.
[2]柳强，王克周，吴志云，杨宏亮，杨滢.基于太阳能节能建筑系统的设计与研究[J].建材与装饰，2016，47：114-115.
2被动式能源建筑的形式
按照太阳能建筑的利用方式可以把能源建筑分为直接受益型、集热蓄热墙型、附加型等几种形式，具体内容如下几个方面。
2.1直接受益型
直接受益型的擦暖形式是以太阳通过一定的透光材料直接进入室内，以太阳透过较大的南窗玻璃，通过存储热能到维护结构表面的墙和地上，再通过夜间对流辐射的方式和室内空间热传导进行释放。建筑要求：建筑正阳的南方要安装大面积的直接受阳的玻璃窗、围护结构需要有较大的热阻、室内需有蓄能较好的材料保证能量的积聚。
2.2集热蓄热墙型
集热蓄热墙型是利用建筑南向的集热墙（垂直），通过传导、辐射和对流吸收太阳光而传送热能。建筑要求：建筑墙体覆盖玻璃，在墙体上下设通风口，一方面，太阳能通过墙体热传导通过对流辐射吸收热能到室内，另一方面，集热墙以对流方式传递热能给玻璃和墙体间的夹层，再由室内空气对流传递热能。
2.3附加型
附加型是指在建筑的南面附加一个玻璃罩室，是使太阳光是集受益窗和蓄热墙的综合热能的一种方式。建筑要求：以阳光直射建筑南向，在建筑室内用门或者窗把房子和阳光隔开，给房间一个缓冲的减少热能消耗，以此给房间热能供给。
3节能建筑设计策略
3.1位置及朝向设计
被动式太阳能建筑在建造上必须保持足够的阳光直射，按照太阳偏离的角度和时间以个固定的北纬35°的建筑为例，方向正南向垂直，冬季较夏季受到的辐射要大，当太阳直射垂直角度超过30°时接受的能量集聚下降。
3.2建筑平面
被动式太阳能建筑以太阳能利用年规律的合理为设计目的，按照使用功能和人们对温度的舒适度来把控，太阳能的建筑要以温度舒适性为主，尽可能把卧室和客厅设计到正南向或者东西向的15°来吸取太阳能，把一些要求温度不高的比如厕所、厨房、衣帽间可以设计到北向，在中间设计一道缓冲区减少热能流失。
3.3形体设计
建筑形体是指建筑单位体积的建筑外表面积，建筑形体系数的越小度对建筑耗能损失就越小，外维护结构的传热损失就小，因此，在设计上尽可能减小建筑的体形系数，体形系数以f0\V0进行表示，除此外，影响到建筑体形的还有建筑的造型、布局和暖通的因素。因此在对建筑节能的系数间采取f0\V0<0.3时为最佳控制。
但是，长期以来，老化、失配及阴影等问题便一直困扰生产太阳能发电设备的公司，并严重阻碍了太阳能应用的普及。例如，当云朵、树荫等障碍物在电池板上带来阴影遮挡时，将造成严重的电压和电流适配，大大降低太阳能电池板的发电效率。利用先进的电源管理技术可以解决这种电压和电流的适配，尽量减少发电量的损失。Gartner公司的报告也指出，“光伏产业下一步的技术发展自然是：在太阳能电池板中集成电源管理芯片，从而提高发电效率，降低发电成本，并符合更严格的安全标准。”
一、太阳能光伏发电技术概述
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应，将光能直接转变为电能的一种转化技术，该技术的关键环节是太阳能电池板。太阳能电池经过串联后进行封装，形成大面积太阳电池组件，即光伏发电装置。目前，太阳能电池板主要有有单晶硅、多晶硅、非晶硅及薄膜电池等。
目前，太阳能光伏技术主要为太阳能光热利用与光电利用。太阳能光热利用通常指采暖与制冷。其中，大型供热工程属于太阳能高温利用，而居民生活热水供应属于低温利用；太阳能制冷技术，主要应用于太阳能制冷空调与太阳能通风降温系统中。
二、太阳能光伏发电技术在建筑节能中的应用
根据光伏方阵与建筑结合的紧密程度，通常将光伏建筑分为光伏建筑一体化（简称 BIPV）和光伏系统附着在建筑上（简称 BAPV）两种形式。
1、BAPV 应用形式
BAPV 是直接把封装好的光伏方阵安装在建筑物上，组成光伏发电系统。它的主要功能是发电，作为附着在建筑物上吸收太阳光的发电构件，与建筑物的功能不发生冲突，不会破坏或削弱原有建筑物的功能。
图 1 是 BAPV 应用的一种形式，利用建筑物屋面安装光伏发电系统。光伏发电系统纵向主支撑型钢采用 H 型钢，构造简单又具有一定的高度，使光伏电池板与建筑有一定的通风间距，可保证电池板背面温度不致过高，以免降低光电转换效率；横向承接型钢采用 C 型钢，既简化了施工工序，又解决了构件与线路间的连接问题，方便拆卸，有利于线路的检修。
图 2 是 BAPV 应用的另一种形式，利用建筑金属屋面安装太阳能光伏系统支架与太阳能光伏组件，太阳能光伏系统虽不具有建筑屋顶护结构的功能，但增加了建筑物的美感，且具有发电功能。
（二）BIPV 应用形式
BIPV 是太阳能光伏系统与建筑物同时设计、同时施工和安装，与建筑物形成完美结合。光伏方阵代替建筑物传统的建筑材料成为建筑物的构件，作为建筑物采光顶、外幕墙、外遮阳等结构的一部分，既具有发电功能，又兼顾节能降耗，同时光伏方阵的颜色与建筑物搭配协调，与建筑物完美统一。BIPV是完整意义上的光伏建筑一体化概念。
光伏建筑一体化建筑集发电、隔音、隔热、安全和装饰功能于一身，应用形式主要有光伏幕墙、光伏采光顶、光伏遮阳、光伏雨蓬、光伏栏板等。
1、光伏幕墙
光伏幕墙是最能体现光伏建筑一体化在建筑中应用的一种形式。它通过在玻璃夹层中压入光伏方阵，组成双玻璃光伏组件融合到玻璃幕墙中，替代普通玻璃幕墙的玻璃材料，使玻璃幕墙集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一体，为建筑带来额外的绿色概念，体现建筑的智能化与人性化的特点，代表着建筑光伏一体化技术在建筑中应用的最新发展方向。光伏玻璃幕墙作为建筑物的护结
构，直接吸收太阳能的辐射，可以避免幕墙表面温度过高，减小室内外温差，有效地降低空调能耗。但光伏幕墙由于其光伏方阵安装在垂直幕墙面上，偏离了吸收太阳能的最佳角度，光伏方阵的输出功率偏低。
2、光伏采光顶
光伏采光顶是光伏建筑一体化在建筑中应用的最佳形式，它克服了光伏幕墙偏离吸收太阳能的最佳角度的不足，将光伏方阵安装在光照好、周围无高大建筑物遮挡的地方，并将光伏发电系统作为建筑物屋顶结构的一部分，能更有效地收集太阳能，光伏方阵的输出功率较高。目前，市场上已开发并生产出透光率更高的光伏玻璃，进一步满足了采光顶的采光要求。光伏采光顶与光伏幕墙相比，能更有效地降低太阳光对建筑物的辐射，实现遮阳、节能。
3、光伏遮阳
光伏遮阳是在建筑的遮阳板上安装高转换率的光伏方阵，遮阳板不但遮挡阳光，而且具有发电功能。光伏遮阳有自动跟踪和固定两种类型，固定光伏遮阳是根据建筑物的地理位置设计最佳的朝阳角度，有效地收集太阳能；自动跟踪光伏遮阳是根据太阳高度角、方位角的变化，自动跟踪最佳的朝阳角度，从而最有效地收集太阳能。
三、太阳能光伏发电系统在建筑节能中的推广与应用
目前，太阳能科技发展趋势包括以下两种，即太阳能光电技术与太阳能光热技术相结合，太阳能综合技术与建筑相结合。太阳能建筑一体化是未来建筑发展
的主要形式，它将为人类带来崭新的生活方式。当前，太阳能光伏发电系统的应用非常广泛，例如，北京奥运会、上海世博会、大型加油站、公园等。太阳能光伏发电系统的推广与应用使人类的生活方式更绿色、环保、低碳，以更好的实现可持续生态环境。
1、2008 年，北京奥运会鸟巢体育场设有太阳能光伏发电系统总装机容量约为 130 kW，该系统产生的电力资源直接并入国家体育场的电力供应系统，对缓解奥运场馆的电力供应起到举足轻重的作用。与此同时，对提倡绿色奥运，使用绿色能源、大力控制和节能减排、倡导绿色环保的生活方式起到积极的示范作用。
2、2010 年上海世博会，中国馆、主题馆、世博中心、演艺中心等安装的太阳能光伏发电系统总装机容量超过 4.68 兆瓦，一天的发电量相当于 150 户居民一个月的生活用电量。太阳能光伏发电带来的“阳光世博”也充分展示了我国太阳能利用的技术水平，极大地推动了我国太阳能相关产业的发展。
结 语
综上，太阳能光伏发电技术在建筑节能中的应用前景广阔。由于太阳能自身的优势，以及国家对节能环保的提倡，相信在不久的将来，建筑业会充分利用太阳能光伏技术，使太阳能与建筑成为有机的整体，面向一体化建筑，实现节能效果。
参考文献
德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心（HZB）和荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员联合组成的科研小组，成功研发出一种价格低廉的利用太阳能进行电解水制氢的方法，相关成果发表在近日出版的《自然·通讯》杂志上。
科学家们开发的这套系统可以通过太阳光将水分解成氢气和氧气，这使得太阳能可以被转换成氢能并存储起来。亥姆霍兹柏林材料与能源中心太阳能燃料研究所主任罗尔·范·德克罗尔教授说：“我们结合了两方面的最佳之处。我们利用了化学的稳定性和金属氧化物的低廉价格，将其与一个很好但相当简单的薄膜硅太阳能电池结合，从而得到一个便宜、非常稳定和高效的（水解氢气的）单元。”
当光线射入这个相对简单的具有金属氧化物层的硅薄膜电池时，系统会产生一个电压。金属氧化物层起光阳极的作用，成为氧形成的地方。它通过一个石墨导电桥连接到太阳能电池单元。由于只有金属氧化物层接触到电解液，所以太阳能电池单元的其他部分不会受到腐蚀。铂金线圈则被用作阴极，这是氢气形成的地方。粗略计算可以表明这种技术具有的潜力：以德国每平方米大约600瓦的太阳光能来算，100平方米这样系统可以在一个小时的日照下分离生成3千瓦时以氢气形式存储的能量。
科学家们系统研究了不同的金属氧化物在从光入射到电荷分离，直至水分解的过程中的作用，以便进一步优化这一过程。德克罗尔说，理论上钒酸铋光阳极效率最高可达9%。通过用一种廉价的磷酸钴催化剂，科学家们显著地加快了光阳极上氧的生成。研究中最大的挑战是钒酸铋层电荷高效的分离。尽管金属氧化物稳定并且便宜，但带电粒子会趋于迅速重组，使得分解水的过程失效。德克洛尔和他的同事通过研究发现，在钒酸铋层里加入额外的钨原子是有帮助的。这些钨原子产生的内部电场可以很好地防止重组的发生。
系统中最重要的光阳极是用添加了钨原子的金属氧化物钒酸铋（BiVQ4）制成，并用廉价的钴磷酸盐催化剂喷涂和包覆。为了实现这一目标，科学家将含铋、钒、钨的溶液喷射到热玻璃基板上，然后将溶剂蒸发。通过多次喷涂不同浓度的溶液，得到了一个厚度约300纳米的高效光活性金属氧化物层。德克罗尔说：“我们仍然不是很了解为什么钒酸铋工作得非常好。但我们发现，超过80%的被吸收的光子得到了利用，这实在是一个创纪录的金属氧化物，也是物理学的奇迹。下一个挑战是按比例将这样的系统扩展到平方米大小，从而使它们可以生成更多的氢气。”
1 太阳能采暖简介
采暖是我国的能耗大户。自1991年起平均每年新建建筑10亿m2，至1996年底，共有各类建筑约310亿m2。每年城镇建筑仅采暖一项需要的耗能占全国能耗总量的11.5％[1]。化石能源的大量消耗，使我国的能源供应面临巨大的挑战，而且造成了严重的环境污染。因此研究使用清洁的可再生能源－太阳能进行采暖具有重要意义。
太阳能采暖可分为两大类，一为主动式，另一为被动式。被动式就是根据当地气象条件，依靠建筑物本身构造和材料的热工性能，使房屋尽可能多地吸收和贮存热量，以达到采暖的目的。主动式用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、蓄存及输配太阳能的系统，系统中的各部分均可控制而达到需要的室温。
主动式太阳能采暖又可分为直接式和间接式。所谓直接式就是由太阳能集热器加热的热水或空气直接被用来供暖。所谓间接式就是集热器加热的热水温度通过热泵提高后再供暖。采用由于集热温度高时，集热器的效率很低，因此一般采用地板采暖或风机盘管。这两种方式要求热源的温度比较低，50℃左右，集热器具有较高的效率。
本文的研究对象为一个100平米的房间，假定其耗热量指标为50W/m2，采暖室内设计温度为20℃，温度低于8℃即进行采暖，设置备用锅炉。太阳能负责8小时的热负荷。集热器正南向放置，倾斜角等于当地纬度。该系统同时负责生活热水供应，每日240L。
2 逐日模拟与综合热价法
2.1 逐日模拟方法
目前的太阳能利用系统的经济分析一般以月平均值进行分析，由于需求与供给之间的不匹配，太阳能未必转化为有用收益。比如，太阳能热水供应中，夏天收集的热量往往用不完，只能放掉。目前还缺乏令人信服的用于全年模拟的气象数据模型，因此本文以1991-2000年的逐日气象数据为基础，对太阳能利用系统进行工况模拟，在此基础上进行经济分析[2]。中国幅员辽阔，地区差异很大，本文只选择几个典型城市进行分析。
2.2 综合能源价格方法
目前，评价太阳能利用系统的经济性大多采用净收益现值和投资回收年限两种方法，这两种方法均侧重于对太阳能利用系统本身投资、收益状况进行分析。而对太阳能利用系统进行经济分析的目的是，确定针对使用者而言最为经济合理的方案，即相对于获得所需能量、资金投入量少的方案。为此，本文采用综合能源价格法[3]。
能源价格指的是购买一定种类能源的费用。它在一定意义上代表了或开采或生产这种能源并传送至使用终端的资金消耗。对于供热供冷的系统，在其有效使用期限内的资金投入主要用于：1）初投资：安装供热供冷系统；2）运行费用：在使用期间系统的运行和维护费用。综合能源价格的含义是在有效使用年限内初投资和使用费用的累计综合值与在此期间所提供能量总和的比值。它是一个将初投资考虑在内的全面反映经济分析对象相对于提供单位能量所需费用的参数。
考虑到资金的动态特性，即不同时期支出货币的价值是不相等的，本文在经济分析过程中，将综合能源价格进行现值处理。即通过将不同时期投人的资金统一折现为初投资年现值的方法，使资金投入时间和数量各不相同的不同类型供热（冷）的综合能源价格，在同等价值条件下进行比较。
综合能源价格现值的表达式为：
式中：M——综合能源价格现值，RMB／MJ；
V——初投资，RMB；
t——计算年数；
n——系统有效使用年限；
Z——第t年使用费用，RMB；
i——银行存款年利率；本文忽略通货膨胀对银行年利率的影响，i取常数。
Et——第t年提供能量总计，MJ；
3 主动式太阳能直接采暖经济性分析
模拟年限为10年。模拟时采用逐日的温度和太阳辐射。
在染料敏华太阳能电池制作过程中，两个电极[1]的制作是最重要的制作环节，其制作程序直接影响电池的光电性能（光电转换效率等）。
常用来制作染料敏化太阳电池光阳极的半导体材料主要有纳米TiO2、ZnO、SnO2、和Nb2O5等氧化物[2]。在纳米TiO2薄膜制备领域，目前有两大研究热点：在柔性衬底上制备TiO2薄膜和制备规整有序的纳米TiO2薄膜。为了改善电池的光电性能，人们采用了TiCl4表面处理、表面包覆和掺杂等物理化学修饰技术来改善纳米TiO2电极的特性。TiCl4表面处理可改变TiO2导带位置，增大光电子注入效率[3]。在纳米TiO2表面包覆具有较高导带位置的半导体或绝缘层以形成类似核-壳结构的阻挡层来减少TiO2导带电子和氧化态染料或电解质中的电子受体的复合概率[4]。实验表明，在纳米多孔薄膜中适当的掺杂他类金属离子可以增强电池的光电性能。刘秋萍等以Mg掺杂TiO2薄膜取得了7.12%的转化效率，较未掺杂的电池短路电流提高了26.7%[5]。张盼盼等的研究也表明，在TiO2薄膜中掺杂Zn能提高TiO2导带能级，同时可延长俘获态电子的复合时间常数，提高电池的开路电压[6]。经过二十多年的研究，在对燃料敏化电池的光阳极、染料、电解质、对电极等关键材料的研究取得一些列可喜成果之后，其光电转化效率已经达到了15%的商业化生产标准[7]。
现有文献一般叙述大体制作工序，在实际操作过程中需要有更具体的技术细节才能制作出高质量的电极。因此我们对光阳极的制作过程做了细致研究，以保证实验的稳定性与可重复性。
1 燃料敏化电池的内部结构和工作原理（如图1）
“染料敏化太阳能电池”全称“染料敏化纳米多孔TiO2薄膜太阳能电池”，是模拟自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的纳米多孔TiO2半导体膜作为光阳极，并选用适当的氧化-还原电解质，用镀铂的导电玻璃作光阴极。其主要由纳米多孔半导体TiO2薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底结构组成。
当太阳光照射到电池表面时，镶嵌在纳米TiO2薄膜表面的光敏染料吸收光子，染料分子受到激发由基态跃迁到激发态，后TiO2的导带注入电子，此时染料自身转变为氧化钛的正离子。注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底，并通过外电路流向对电极，形成电流。染料正离子接受电解质溶液中的电子给体得到电子，自身恢复为还原态，使染料分子再生。电解质中的被氧化的电子给体扩散至对电极，在对电极表面得到电子，被还原，从而完成循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。
2 染料敏化太阳电池电极的制作细节
燃料敏化电池的光阳极是由导电玻璃基底、在基底导电面结晶而成的半导体氧化物薄膜和吸附于氧化物晶体颗粒上的光敏剂三部分组成，是实现光能向电能转换的关键部件。实验发现，在光阳极的制作过程中，对导电玻璃前期处理不规范，会使电池性能起伏严重，降低实验的可重复性。故而，我们将对导电玻璃的前期处理做了规范，起到了良好的效果。
2.1 对导电玻璃的前期处理（如图2）
切割导电玻璃：按丝网印刷机的网格大小制图，按图在玻璃无导电膜的一面上切割，玻璃刀的斜度为45°为宜，在剖开玻璃时两手平行用力。
打孔：在制作光阴极时需要打孔，打孔位置应预先标记，根据工作面积大小选择打孔数目，在对电极的工作面外侧进行打孔。常用的打孔设备有超声波打孔机，激光打孔机等。
清洗玻璃：用棉球蘸洗衣液清洗导电玻璃，在带有导电材料一面，棉球应沿一个方向擦动；然后，依次使用无水乙醇、丙酮、无水乙醇浸泡，并进行超声处理，每一过程持续30min左右。
烧玻璃：为了去除玻璃上的有机物质制造电池的玻璃以450°的温度烧结，烧结时间为3小时，取出玻璃时温度降到120°。
2.2 制作光阳极（如图3）
（1）制备TiO2薄膜。目前制备TiO2薄膜的方法很多：浸渍法、旋转法、高温溶胶喷射沉积法、丝网印刷法、溅射法等多种技术，本文着重运用丝网印刷技术制备TiO2多孔薄膜电极，使TiO2胶体能够更好的吸附在导电玻璃上，以达到电子外电路输送效率更高的目的，过程如下：
①根据丝网版的印刷位置调整丝网印刷机的印刷范围，利用网格图，将定位玻璃板与TiO2薄膜电极一块放到印刷台上，手调定位板的位置，观察玻璃基底处于丝印图案正下方的位置。②确定位置后，抬起丝网版，用胶带固定住定位玻璃板，并用铅笔轻轻勾勒出玻璃基底的具置。③放下丝网版后，在丝印图案边沿一端滴加少量的TiO2胶体，将软质刮刀调整到一定的高度，使刮刀的压力倾斜度约为45°，启动机器，让软质刮刀在丝网版上刮动一次，使胶体在刮刀的作用下通过网孔，均匀的沉积到导电玻璃上，尽量一次完成，多余的胶体回收利用。④抬起丝网版，轻轻移出夹在中间的薄膜电极，置于干净处备用，及时用酒精溶液清洗丝网版及软质刮刀。若要制备多层不同粒径的TiO2薄膜，可采用逐层印刷法，每印刷一层薄膜都必须烧结一次。
将印刷有多孔薄膜的基底放入马弗炉内，膜面朝上，以每分钟15℃的速度升温，于450℃时温恒煅烧15min，当炉温自然冷却至350℃时恒温10min，接而继续以每分钟15℃的速度升温至450℃时恒温15min，最后将电极在马弗炉里面自然冷却，120℃时用镊子取出制备的多孔膜电极。烧结温度不宜过高，主要除去胶体中的水分及有机物，使TiO2形成多孔的高比表面积形状，以吸收更多的染料分子，增大光的捕捉效率，过高的烧结温度反而会导致胶体薄膜的碳化，因此控制温度是极其重要的。
（2）染料色素液的配制。敏化染料作为燃料敏化电池的光捕获天线，它的性能是决定电池光电转换效率的重要因素，它不仅需要很宽的可见光谱吸收，以尽可能多的利用太阳光，而且要紧密地吸附在薄膜电极表面和较好的稳定性，以便于长期循环使用。本文使用了N719商品染料。
称取36mg染料样品放入50mL小烧杯中，用无水乙醇做溶剂，少量多次转移到100ml容量瓶内，快到刻线时用滴管定容，摇匀。最后放入小磁子，用黑色保鲜膜包裹容量瓶外侧，放在磁力搅拌器上搅拌24h充分溶解。
（3）电极的染料敏化。将烧结好的TiO2薄膜电极浸泡到已配好的染料溶液中，密封保存12小时，使染料分子充分吸附在TiO2薄膜上，用镊子取出电极，无水乙醇冲洗电极染料层表面，洗去吸附在表面的染料分子，防止吸附松脱的染料对电子输送的干扰，用吹风机吹干，剩余的染料溶液及无水乙醇回收保存以备下次使用。
2.3 制作对电极
取少量氯铂酸用移液管均匀地涂在处理好的导电玻璃的导电面上，待其晾干后，放入炉子中，使其在温度300°的放置10分钟，420°的放置20分钟，然后降温降到120°时可出炉。
3 结语
本文叙述和总结了制作染料敏华太阳能电池电极的技术细节。对光阳极纳米多孔半导体薄膜和电解质研究的深入，燃料敏化电池的光吸收效率和光电转化效率不断提升。随着燃料敏化电池的光电转化效率达到15%商业化生产的标准，在现有技术的基础上，进一步减低成本、提高效率和稳定性，其在社会生活中的应用将会逐步推广开来，成为硅电池的有力竞争者。
参考文献：
[1]高建华，钱伟君，吴伟，曾毅.染料敏化太阳能电池TiO2薄膜的制备方法[J].理化检验-物理分册，2008，44（8）：431-436.
[2]Katoh R， Fumbe A， Yoshihara T， et a1. Efficiencies of Electron Injection from Excited N3 Dye into Nanocrystalline Semiconductor （ZrO2， TiO2， ZnO， Nb2O5， SnO2， In2O3） Films[J]. Journal of Physical Chemistry B， 2004，108（15）：4 818-4 822.
[3]李景哲，孔凡太，武国华，黄阳，陈汪超，戴松元.染料敏化太阳电池中TiO2/染料/电解质界面的修饰.物理化学学报，2013，29（9），1851-1864.
[4]Meng Q B， Fu C H， Einaga Y， et al. Assembly of highly ordered three-dimensional porous structure with nanocrystalline TiO2 semiconductors. Chem. Mater.，2002，14（1）：83～88.
