【摘 要】太陽能作為一種清潔能源具有取材方便、成本低廉的優(yōu)勢，因此越來越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，隨著人們對環(huán)境問題認(rèn)識的深入和能源問題的進(jìn)一步惡化，越來越多的建筑開始使用清潔、節(jié)能的太陽能裝置。如何實(shí)現(xiàn)太陽能與建筑設(shè)計的一體化是擺在建筑師面前的一個十分重要的問題，本文作者結(jié)合自己的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對此進(jìn)行了探討。

　　【關(guān)鍵詞】太陽能;建筑設(shè)計;一體化

引言

　　建造和使用太陽能住宅在冬季可減少部分采暖用煤，因而節(jié)省了燃料，減輕了對大氣的污染。根據(jù)實(shí)際使用的結(jié)果推算，在中國北方地區(qū)，太陽能住宅建筑平均可節(jié)約燃煤量30kg/(m2·年)。因此，充分利用取之不盡的太陽能，對于改善建筑的居住條件、提高室內(nèi)溫度、節(jié)約常規(guī)能源、改善生態(tài)環(huán)境有著十分重要的意義?？梢詫⑻柲鼙粍邮綉?yīng)用與主動式應(yīng)用結(jié)合起來使用，與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計，這個系統(tǒng)將達(dá)到較好的節(jié)能和使用效果。

一、建筑與太陽能一體化設(shè)計的基本概念及優(yōu)點(diǎn)

　　1、建筑與太陽能一體化設(shè)計的基本概念

　　所謂建筑與太陽能技術(shù)一體化不是簡單的“相加”，而是要通過“相加”整合出一個嶄新的答案。也就是說建筑應(yīng)該從設(shè)計一開始的時候，就要將太陽能系統(tǒng)包含的所有內(nèi)容作為建筑不可或缺的設(shè)計元素加以考慮，巧妙地將太陽能系統(tǒng)的各個部件融入建筑之中“相加”設(shè)計，使太陽能系統(tǒng)成為建筑不可分割的一部分，而不是讓太陽能系統(tǒng)成為建筑的附加構(gòu)件。真正的太陽能技術(shù)與建筑一體化是指太陽能產(chǎn)品及構(gòu)件在建筑上的應(yīng)用，并做到與建筑設(shè)計進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。

　　2、 建筑與太陽能一體化設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)

　　經(jīng)過一體化設(shè)計的利用太陽能的建筑方案，具有以下優(yōu)點(diǎn):

　　一是，由于經(jīng)過綜合考慮，建筑構(gòu)件和設(shè)備全面協(xié)同，所以構(gòu)造更為合理，有利于保證整體質(zhì)量;

　　二是，綜合使用材料，從而降低了總造價，并減輕了建筑荷載;

　　三是，建筑的使用功能與太陽能的利用有機(jī)地結(jié)合在一起，形成多功能的建筑構(gòu)件，巧妙高效地利用了空間;

　　四是，同步施工、一次安裝到位，避免后期施工對用戶生活造成的不便以及對建筑已有結(jié)構(gòu)的損害;

　　五是，如果采用集中使用安裝，還有利于平衡負(fù)荷和提高設(shè)備的利用效率;

　　最后，經(jīng)過一體化設(shè)計和統(tǒng)一安裝的太陽能裝置，在外觀上可達(dá)到和諧的統(tǒng)一，特別是在集合住宅這類多用戶使用的建筑中，改變了個體使用者各自為政的局面，易于形成良好的建筑視覺形象。

二、建筑與太陽能一體化設(shè)計的內(nèi)容

　　利用太陽能是建筑節(jié)能的一個重要途徑，太陽能建筑是節(jié)能建筑的一種形式。太陽能建筑的基本要求就是利用太陽能這種最豐富、最便捷、無污染的能源來進(jìn)行采暖制冷、供應(yīng)熱水和進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以滿足人們生活的需要，同時達(dá)到減少和不用礦物燃料的目的。對于建筑師來講，太陽能建筑一體化的設(shè)計就是要在建筑設(shè)計的同時，要考慮兩個方面的問題，一是考慮太陽能在建筑上的應(yīng)用對建筑物的影響，包括建筑物的使用功能，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特性，建筑體型和立面的改變;二是考慮太陽能利用的系統(tǒng)選擇，太陽能產(chǎn)品與建筑形體的有機(jī)結(jié)合。

　　1、太陽能建筑對建筑設(shè)計的要求

　　(1)對方位的要求。太陽能建筑對方位的要求是為了使建筑物盡量多和快的得到太陽能輻射熱，在冬季太陽能輻射熱在9時—15時是全天輻射熱的90%左右，因此，在這段時間內(nèi)要保證足夠的日照時間是非常重要的，為了充分發(fā)揮太陽能輻射熱的效能，可根據(jù)太陽能建筑的特征進(jìn)行方位調(diào)整。例如，學(xué)校的教室上午希望室溫盡快上升，而夜間室內(nèi)無人，可將方位角南偏東5度—15度;住宅建筑由于夜間住人，下午盡量使太陽能輻射熱進(jìn)入室內(nèi)，可將方位角南偏西5度—15度。

　　(2)對建筑表面積和體型的要求。從利用太陽能的角度考慮，應(yīng)使南墻面吸收較多的太陽能輻射熱，且盡可能的大于其它向外散失的熱量，以將這部分熱量用于補(bǔ)償建筑的凈負(fù)荷。如果我們使除南墻面之外的其它的熱工質(zhì)量是相同的，則不難看出，建筑的凈負(fù)荷是與面積的大小成正比的。因此，從節(jié)能建筑的角度考慮，對建筑節(jié)能的效果以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積越小越好這一標(biāo)準(zhǔn)來評價是不夠的，而應(yīng)以南墻面足夠大，其他外表面盡可能小為標(biāo)準(zhǔn)來評價，即表面面積系數(shù)(建筑物其它外表面面積之和與南墻面積之比)，這就是被動式太陽能建筑對圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積的要求。除此之外，還要用建筑物的表面面積系數(shù)來研究建筑體型對節(jié)能的影響，從獲得更多的太陽能輻射熱，降低能耗的觀點(diǎn)來看，長軸朝向東西的長方體體型最好，正方形次之，長軸朝向南北的長方體體型的建筑節(jié)能效果最差。

　　(3)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)造的要求。我國新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能已做了明確的規(guī)定，這在進(jìn)行太陽能建筑設(shè)計時必須遵守，以保證太陽能的有效利用。太陽能建筑對圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)造的要求，包括外墻與屋面的保溫方式、材料選擇、構(gòu)造做法要滿足熱工性能指標(biāo)及保證良好的保溫、蓄熱性能;由于窗戶的耗熱量與空氣滲透耗熱量相加約占房屋全部耗熱量的50%以上，是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，要加強(qiáng)對門窗節(jié)能的綜合研究，使窗戶在墻面上盡可能成為得熱構(gòu)件;同時在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的采暖建筑中的地面也應(yīng)增加保溫措施。我國已興建的被動式太陽能建筑物結(jié)合地理位置、太陽能資源、建筑性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)狀況等因素在上述幾方面都積累了經(jīng)驗(yàn)。

　　2、太陽能技術(shù)在建筑物中的應(yīng)用

　　(1)太陽能熱水器?，F(xiàn)在我國是世界上太陽能熱水器產(chǎn)量最多的國家，同時也是最大的熱水器市場。太陽能熱水器已形成了規(guī)模產(chǎn)業(yè)，技術(shù)日趨完善，現(xiàn)主導(dǎo)產(chǎn)品是全玻璃真空管太陽能熱水器，并向光、電智能化方向發(fā)展。現(xiàn)在突出的問題是，由于太陽能熱水器體量較大和在屋頂?shù)臒o序安裝，影響了到建筑物的屋頂保溫、隔熱、防水和建筑物的景觀效果。往往也由于熱水器在屋面的管道過長，冬季出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，影響熱水器的正常使用。

　　(2)太陽能低溫?zé)崴匕?。太陽能低溫?zé)崴匕迨抢玫蜏責(zé)崴疄闊崦?，利用太陽能集熱器作為熱源的一種采暖方式。全玻璃真空管集熱器是低溫?zé)崴匕宓闹饕療崞鳎@種集熱器在用于太陽能熱水器及提供生活熱水上，已基本能滿足要求。但對建筑物提供采暖用熱水則必須保證每天24小時連續(xù)供暖，而且要性能穩(wěn)定，目前完全依靠太陽能很難做到，必須配備利用常規(guī)能源的輔助熱源及完善的控制設(shè)備。常規(guī)能源的輔助熱源一般是指利用城市熱網(wǎng)、區(qū)域鍋爐或小型燃?xì)?油)鍋爐提供的高溫水。因此，在不同地區(qū)和不同類型的建筑中應(yīng)用太陽能地板輻射采暖時，必須根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源條件、常規(guī)能源供應(yīng)情況、建筑功能、熱負(fù)荷和周圍環(huán)境條件等因素，做綜合經(jīng)濟(jì)分析，以確定適宜的輔助熱源和合理的太陽能供暖率，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

　　(3)太陽房采暖系統(tǒng)。太陽房采暖系統(tǒng)分為主動式和被動式。主動式太陽能系統(tǒng)主要有集熱器、管道、儲熱物質(zhì)、散熱器并配有風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械設(shè)備組成，這種太陽房投資大、維護(hù)費(fèi)用高。被動式太陽房的集熱方式比較簡單，可以利用墻體、窗戶等作為集熱構(gòu)件，以建筑物本身作為蓄熱體，用自然循環(huán)代替主動式系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械設(shè)備，被動式太陽房集蓄熱構(gòu)件與建筑構(gòu)件為一體，一次性投資少、運(yùn)行費(fèi)用低，但這種集熱方式受晝夜溫度波動較大。太陽能集、蓄熱構(gòu)件設(shè)計是被動式太陽能設(shè)計的核心，它包括直接得熱系統(tǒng)和間接得熱系統(tǒng)。直接得熱系統(tǒng)的工作原理是，冬季讓太陽輻射熱直接從南面窗射入房間內(nèi)部，用樓板層、墻及家具設(shè)備等作為吸熱和儲熱體，當(dāng)室溫低于這些儲熱體表面溫度時，這些物體就會象一個大的低溫輻射器那樣向室內(nèi)供暖;間接得熱系統(tǒng)有集熱、蓄熱墻和毗連日光間等形式，這種裝置的主要工作原理是利用設(shè)在墻體本身的集熱、蓄熱材料，集蓄太陽熱能，使太陽能輻射熱通過傳導(dǎo)、輻射和對流，把熱量送到室內(nèi)。集熱、蓄熱墻又按其熱量的傳導(dǎo)、輻射和對流的不同，形成了多種形式，如實(shí)體式集熱蓄熱墻、快速集熱墻、花格式集熱墻、相變材料集熱蓄熱墻等。 夏季則通過構(gòu)造措施隔絕太陽能輻射熱進(jìn)入室內(nèi)。

三、建筑與太陽能一體化設(shè)計的建議

　　1、明確建筑師的責(zé)任

　　建筑師在建筑節(jié)能的工作中擔(dān)負(fù)著重要的責(zé)任。隨著國家建筑節(jié)能政策的落實(shí)，這一點(diǎn)越來越被廣大的建筑師認(rèn)識和接受，但如何將節(jié)能的設(shè)計理念貫穿和融入建筑作品之中，是需要重點(diǎn)解決的問題。因此，要加強(qiáng)這方面的引導(dǎo)和培訓(xùn);溝通和密切設(shè)計單位與生產(chǎn)商、開發(fā)商的聯(lián)系;在高等院校對建筑系的學(xué)生要開設(shè)這方面的課程;在注冊建筑師的繼續(xù)教育中增加這方面的內(nèi)容等，以培養(yǎng)建筑師的意識和能力。

　　2、進(jìn)一步完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)

　　由建筑設(shè)計和太陽能方面的專家共同研究制定太陽能產(chǎn)品與建筑結(jié)合的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。特別是目前應(yīng)用最廣的太陽能熱水器與建筑結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)主要包括《建筑物配制太陽能熱水器技術(shù)措施》 ，《建筑物配制太陽能熱水器標(biāo)準(zhǔn)圖集》等，使建筑設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)和建筑施工的都進(jìn)入規(guī)范化的軌道。

　　3、要提高太陽能產(chǎn)品的技術(shù)水平和適應(yīng)性

　　要加強(qiáng)科研攻關(guān)，解決產(chǎn)品中存在的檔次低、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差和使用操作復(fù)雜的技術(shù)難題。開發(fā)產(chǎn)品要充分考慮屋頂、陽臺和南立面等建筑部位的特點(diǎn)，同時增強(qiáng)產(chǎn)品的適應(yīng)性和通用性，并作到與電源或其它熱源相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動化、智能化運(yùn)行。

　　4、制定優(yōu)惠政策調(diào)動各方面的積極性

　　利用太陽能是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)的主要措施之一，必將有效降低建筑能耗指標(biāo)，為社會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保效益。因此，政府應(yīng)鼓勵在建筑物上安裝太陽能產(chǎn)品的優(yōu)惠政策，調(diào)動社會各界利用太陽能產(chǎn)品的積極性。

　　文章作者：泰安市精致施工圖審查有限公司 孫建軍

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