太陽能建筑的發(fā)展與實踐
太陽能光熱技術在中國的應用非常廣泛，具有良好的產業(yè)化和商業(yè)化基礎。而太陽能光電技術，由于其較高的成本，還未像光熱那么普及。下面按照時間和技術的更新將太陽能建筑劃分為3個階段，并結合實例加以介紹。第一代太陽能建筑建于2002年，已運行3年多，總體運行很好，我們從中積累了大量數(shù)據；第二代為超級節(jié)能示范樓，2005年建成，用于接待VIP客人的客房，大量應用了太陽能和其它新能源；第三代太陽能建筑剛剛起步，在建中的皇明太陽能新總部大樓可以視為這一代的代表。
一、第一代太陽能建筑—初具雛形
2002年在山東德州的皇明科技園區(qū)，矗立起一棟棟外形獨特的太陽能建筑，這是中國現(xiàn)代太陽能建筑發(fā)展的雛形。也正是從這里開始，太陽能從單純的生活熱水利用逐步發(fā)展成為綠色生態(tài)建筑中重要的組成部分。
太陽能的有效利用需要與系統(tǒng)的建筑節(jié)能設計、先進的建筑節(jié)能技術和節(jié)能產品等優(yōu)化組合，才能實現(xiàn)建筑耗能的結構調整，提高利用太陽能的保證率，為住宅提供采暖、制冷和生活用水，營造低能耗、高舒適、健康的居住環(huán)境，實現(xiàn)可再生能源的高效利用。在一個四面透風的建筑中利用太陽能是毫無意義的。
太陽能熱水系統(tǒng)在這代建筑中處于核心地位，通過在房屋的屋面和立面安裝排放整齊的太陽能集熱器，為建筑提供熱水和采暖。在這代建筑中，還采用了太陽能遮陽、太陽能除濕空調以及太陽能游泳池等技術。其中，太陽能涼亭，太陽能水幕噴泉和太陽能墻等產品，由于同時具備了美觀性與藝術性，收到了節(jié)能與美觀的雙重效果。
太陽能墻可以使一整面墻吸收太陽熱能，從而形成一個巨大的吸熱器，成為冬季重要的熱源。太陽墻由西山墻上大量的真空管組成，夏季將熱量送到假山下的鵝卵石進行蓄熱，冬季再將這些熱能送入室內進行采暖。
太陽能涼亭兼具功能性和藝術性，既可以生產熱水又可以產生電能，夏季還可以納涼休閑，三位功能一體化。
二、第二代太陽能建筑—綜合利用
在第一代太陽能建筑的基礎上，第二代太陽能建筑在設計上提出了：天地結合互補，開源節(jié)流并重的理念。所謂天與地的結合就是既應用天上的太陽能，同時也應用地下的地熱能，即土壤源。通過綜合使用可再生能源，減少傳統(tǒng)能源的消耗。開源指的是盡量利用太陽能等可再生能源，節(jié)流就是做好建筑的維護結構，最大限度地減少建筑能量的負荷。
這代建筑的能源供給來自于三個方面：太陽能光熱系統(tǒng)、太陽能光電系統(tǒng)和地源熱泵輔助系統(tǒng)。其中太陽能光熱系統(tǒng)提供生活熱水和采暖，太陽能光伏發(fā)電用于生活用電和設備用能，當其不足時，系統(tǒng)將自動切換至城市電網。
在外墻保溫措施方面，通過利用曲板屋頂夏季防曬、合理的防熱橋設計、外卷簾遮陽系統(tǒng)、屋面外墻隔熱等措施，使建筑具有極好的保溫隔熱能力，這使太陽能供暖制冷的效率大大提高，其在能耗中所占的比例也大大增加。
在這代建筑中，更加注重除太陽能系統(tǒng)外的一些節(jié)能技術和手段的利用，如太陽能預處理和置換式新風送風系統(tǒng)利用及建筑智能控制系統(tǒng)的利用。智能控制系統(tǒng)可以保證建筑物不同人群或功能區(qū)對新風量和對溫度的不同需要，從而最大限度地滿足使用要求、最高效利用能源；在室外地下埋風道，利用土壤中的熱能對新風進行冬季預熱、夏季預冷處理，并結合置換式新風送風系統(tǒng)對回風中的熱能回收，使送入建筑內的新風更舒適。
皇明公司2004年開始建造的“超級節(jié)能示范樓”就是這代太陽能建筑的代表。該建筑的總建筑節(jié)能率在90%以上。以下為該超級節(jié)能示范樓的一些主要特點及所采用的技術：
（1）超級外墻/屋面隔熱系統(tǒng)：外墻K<0.3W/m2.K，屋面K<0.2W/m2.K；
?。?）外窗隔熱系統(tǒng)：K<1.5W/m2.K；
?。?）卷簾外遮陽系統(tǒng)；
?。?）低溫輻射地板采暖/制冷系統(tǒng)；
（5）新風預處理系統(tǒng)；
（6）綠色照明和光導管技術；
（7）能量儲存和回收系統(tǒng)；
（8）智能建筑控制系統(tǒng)；
另外，此建筑也更加注重了太陽能技術與建筑藝術的結合，不僅在功能上滿足人們的需求，還從建筑美學的角度迎合了人們的美學需要。如：太陽能飄板集熱器、跟蹤式光電圓盤系統(tǒng)、遮陽電池板等。
集熱管鑲嵌在波浪型的屋頂飄板上，既造型美觀又有實用功能；雙軸自動跟蹤光電圓盤系統(tǒng)具有更高的光電轉換功能；具有遮陽功能電池板陣列在夏季具有明顯的遮陽功能，有利于降低夏季室內制冷的負荷。
三、第三代太陽能建筑——科技創(chuàng)新
第三代太陽能建筑在二代的基礎上，加強了對一些關鍵技術的突破，如高性能維護結構的使用和先進的蓄能方法等。目前這類建筑在國內尚屬起步階段，不少科研機構和設計機構正在研究探索?；拭魈柲苷诮ㄔO的總部大樓是這一代的代表。
該建筑是為2010年在德州舉辦世界太陽城而準備的，建筑面積5萬m2，集熱器的面積為5000m2.目前在世界范圍內，這個項目的太陽能利用是最到位的，具體表現(xiàn)在：利用被動技術，實現(xiàn)主體建筑的自然通風和采光；良好的外維護結構，使采暖和制冷的負荷控制在每平方米30W；高效節(jié)能的熱交換新風系統(tǒng)，節(jié)能效率達到65%～70%；能源梯級利用。利用地板采暖或制冷的回水，為空氣進行預熱處理。在實現(xiàn)可再生能源利用的最大化方面主要表現(xiàn)在：生活熱水和游泳館的利用達到100%；采暖達到60%～70%；太陽能與吸收式熱泵相結合進行制冷，達到40%.從各方面的數(shù)據來看，都達到了很高的水平。
在設計過程中，應用了國際上流行的“能量平衡三重法”作為指導原則，即：盡量減少建筑能源需求；盡量提升可再生能源提供率以及盡量提高傳統(tǒng)能源使用效率。此方法已經被廣泛應用于不同國家和地區(qū)的綠色節(jié)能建筑中，并取得了很好的效果。
在建筑主體方面，采用了自然通風及采光技術、良好的外圍護結構、高效節(jié)能的熱交換新風系統(tǒng)以及能源梯級利用。
太陽能的利用上，其在生活熱水的供應、太陽能泳池和太陽能采暖系統(tǒng)中都得到了充分的利用，同時將太陽能與吸收式熱泵相結合實現(xiàn)了制冷的需求。
其他節(jié)能技術的應用，該建筑利用太陽能結合滯水層跨季節(jié)蓄能技術，實現(xiàn)了太陽能春、夏、秋季的跨季節(jié)蓄能，達到四季用能平衡，實現(xiàn)太陽能等可再生能源利用率的最大化。滯水層系統(tǒng)是利用沙、砂礫熱容量大，穩(wěn)定性好的特點，用地下水進行跨季節(jié)蓄能的一項新技術。通過在滯水層設置蓄能井（冷井和熱井）、室內終端設備和太陽能收集器儲存能量。這樣，從每年4月份到10月份，就可以把冬天貯存的冷量由冷井中提取出來，直接供給建筑物的制冷空調使用，同時把太陽能收集器所獲得的熱量注入到熱井中，從11月份到第二年的3月份，把夏天貯存在熱井中的熱能提出來，直接作為建筑物內采暖使用，把供暖回水經過風冷后注入到冷井中。系統(tǒng)就這樣循環(huán)運行。利用該技術直接提供制冷和供暖，提供率可達30% 。
在圍護結構上，建筑采用了高效節(jié)能的溫屏玻璃，具有隔熱，隔音和防霜露三大特點。
另外，在該建筑中也應用了新的被稱之為BIPV的光電結構，該產品是我們國內自行開發(fā)生產出來的一種新產品。歸納其特點如下：
特色“美”——彰顯建筑與環(huán)境之美。光伏與建筑一體化的突破性技術，能夠實現(xiàn)與建筑的完美結合，可用于制作窗戶、瓦等建筑用品，既可作為窗戶采光用，又可用于發(fā)電，實用與環(huán)保一舉兩得，還可根據需要透過一定比例的光線，能夠刻上各種標識及圖案，讓建筑更美；
“大”突破——可制造全玻璃幕墻的“光伏大廈”。最大功率躍升至600W，可以將組件做到更大的尺寸，使透明電池組件大規(guī)模應用于高層建筑物成為可能，鍍膜、焊接、封邊3個關鍵環(huán)節(jié)均為自有知識產權的核心技術；
“高”性能——超一流的技術指標。按國際標準設計，并經過充分的試驗論證，確保組件的高質量、高性能，采用優(yōu)質單晶硅太陽電池，轉換效率高、機械強度高，能經受運輸、安裝和使用過程中的沖擊、震動和其他應力，并具有優(yōu)良的防腐、防風、防水和防雹能力。
第三代太陽能建筑的發(fā)展已經擴展到不局限于利用太陽能，而是從建筑的各個方面出發(fā)，實現(xiàn)開源節(jié)流，降低建筑的能耗、提高可再生能源的利用（不局限于太陽能，包括利用風能、地熱能、生物質能等），向著真正的綠色建筑邁進。
我們有理由相信，隨著該領域研究的不斷發(fā)展，節(jié)能方式的不斷完善，太陽能建筑必將會有一個美好的未來，早日實現(xiàn)建造“雙零建筑”（零能耗、零排放）的目標。