太陽(yáng)能在綠色建筑中的一體化應(yīng)用

李 丹

(1.浙江省建筑安裝技術(shù)學(xué)校，浙江 杭州 310022；2.浙江省建筑安裝高級(jí)技工學(xué)校，浙江 杭州 310022）

0 引言

近年來(lái)在國(guó)家可再生能源戰(zhàn)略背景下，以及國(guó)家的節(jié)能減排的推動(dòng)下，太陽(yáng)能作為永不枯竭的干凈能源，是21世紀(jì)人類(lèi)可期待的最有希望的能源之一。而太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用又是現(xiàn)階段太陽(yáng)能應(yīng)用最具發(fā)展?jié)摿Φ膶?shí)用領(lǐng)域。綠色建筑為滿足居住者的舒適要求和使用需要，應(yīng)具備供暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、供電(包括照明、電器)等一系列功能。太陽(yáng)能建筑應(yīng)用領(lǐng)域的科研、技術(shù)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用的總體目標(biāo)，就是用太陽(yáng)能代替常規(guī)能源來(lái)滿足建筑物的上述功能要求。隨著世界太陽(yáng)能技術(shù)水平的不斷提高和進(jìn)步，嚴(yán)格意義上的太陽(yáng)能建筑，應(yīng)能利用太陽(yáng)能滿足房屋居住者舒適水平和使用功能所需的大部分能源供應(yīng)，即達(dá)到太陽(yáng)能在建筑中的綜合利用。而整合設(shè)計(jì)不到位阻礙了太陽(yáng)能與建筑一體化的發(fā)展。許多太陽(yáng)能構(gòu)件是附加在已建好的建筑外面，與建筑本體結(jié)合不好，破壞了建筑立面的美觀，也降低了太陽(yáng)能建筑的能效。因此，將太陽(yáng)能被動(dòng)式應(yīng)用與主動(dòng)式應(yīng)用結(jié)合起來(lái)使用，與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)是太陽(yáng)能建筑的重中之重，將達(dá)到較好的節(jié)能和使用效果。

1 被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

1.1 被動(dòng)式太陽(yáng)房的基本原理

被動(dòng)式太陽(yáng)房的定義是不用機(jī)械動(dòng)力而是建筑物本身采取一定措施，利用太陽(yáng)能進(jìn)行冬季采暖的房屋。被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖建筑是不需要專(zhuān)門(mén)的集熱器、熱交換器、水泵等設(shè)備，只是通過(guò)建筑朝向和周?chē)h(huán)境的合理布置、內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理以及材料和結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，使其在冬季能集取、保持、儲(chǔ)存和分配太陽(yáng)熱能，夏季能遮蔽太陽(yáng)輻射，散逸室內(nèi)熱量，達(dá)到采暖和降溫的目的，適度解決建筑物的熱舒適問(wèn)題。運(yùn)用被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖原理建造的房屋稱為被動(dòng)式采暖太陽(yáng)房。

1.2 被動(dòng)式太陽(yáng)房的常用類(lèi)型

被動(dòng)式太陽(yáng)房的采暖方式主要有以下三種：

（1）直接受益式太陽(yáng)房（見(jiàn)圖1）

太陽(yáng)光穿過(guò)透光材料直接進(jìn)入室內(nèi)的采暖形式。白天，陽(yáng)光透過(guò)南窗直接投入房屋室內(nèi)，由室內(nèi)的地面、墻面和家具吸收變成熱能后經(jīng)由熱對(duì)流和輻射對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行加熱采暖，同時(shí)蓄熱。夜間，當(dāng)室外和房間溫度下降時(shí)，地面、墻面和家具蓄存的熱量通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)被釋放出來(lái)。直接受益方式中，房屋本身成了一個(gè)包括有太陽(yáng)能集熱器、蓄熱器和分配器的集合體。這種太陽(yáng)能采暖方式最直接、簡(jiǎn)單、效率也較高，但是當(dāng)夜間無(wú)日照時(shí)而建筑保溫和蓄熱性能又較差時(shí)，室溫降溫快，溫度波幅大。

圖1 直接受益式太陽(yáng)房

圖2 集熱蓄熱墻被動(dòng)式太陽(yáng)房

（2）集熱蓄熱墻被動(dòng)式太陽(yáng)房(見(jiàn)圖2)

集熱蓄熱墻式是間接受益式被動(dòng)式太陽(yáng)房的一種。在南向墻體前加透光面就可組成集熱蓄熱墻，此墻體宜采用具有一定蓄熱能力的混凝土或磚砌體，又名“特朗勃墻”(Trom—beWail)，透光面與墻體之間留有空氣間層，厚度在60～100mm間為宜。集熱蓄熱墻的工作原理是當(dāng)陽(yáng)光投射到蓄熱墻表面被吸收轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)傳導(dǎo)把熱量傳到墻內(nèi)一側(cè)，再以對(duì)流和輻射方式向室內(nèi)供熱。另外，墻體也可開(kāi)上下通風(fēng)口，其工作原理是：冬季，在玻璃和墻體的夾層中，被加熱的空氣上升，由墻上部的通氣孔向室內(nèi)送熱，而室內(nèi)的冷空氣則由墻下部的通氣孔進(jìn)入夾層，如此形成向室內(nèi)輸送熱風(fēng)的對(duì)流循環(huán)，在夜間則需關(guān)閉上下風(fēng)口，以防止逆循環(huán)；夏季，關(guān)閉墻上部的通風(fēng)孔，室內(nèi)熱空氣隨設(shè)在外墻上部的排氣孔排出，使室內(nèi)得到通風(fēng)，達(dá)到降溫的效果。

（3）附加陽(yáng)光間式（見(jiàn)圖 3）

圖3 附加陽(yáng)光間式

實(shí)際上就是在房屋主體南面附加的一個(gè)玻璃溫室。從某種意義上說(shuō)，附加陽(yáng)光間被動(dòng)式太陽(yáng)房是直接受益式(南向的溫室)和集熱蓄熱墻式(后面帶集熱蓄熱墻的房間)的組合形式。該集熱蓄熱墻將附加陽(yáng)光間與房屋主體隔開(kāi)，墻上一般開(kāi)設(shè)有門(mén)、窗或通風(fēng)口。

1.3 被動(dòng)式技術(shù)與建筑功能的一體化

通常，被動(dòng)式太陽(yáng)能集熱部件與房屋結(jié)構(gòu)合為一體，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。這樣既可達(dá)到利用太陽(yáng)能的目的，又可作為房屋總體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)組成部分而發(fā)揮它的多功能作用。對(duì)于跟建筑功能相似，或者同建筑構(gòu)件相似的被動(dòng)式太陽(yáng)能構(gòu)件，可以將其“建筑化”使其與建筑本體融合或?qū)⒔ㄖ?gòu)件改造。如將南向的窗戶面積加大或做成落地式大玻璃，形成直接受益窗；將南向陽(yáng)臺(tái)改造，加上玻璃罩，變成附加陽(yáng)光間（見(jiàn)圖4、圖5），形成溫室效應(yīng)；外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體可以采用蓄熱材料，白天蓄熱，晚上向室內(nèi)釋放熱量等。

圖4 附加陽(yáng)光間與建筑一體化

圖5 附加陽(yáng)光間內(nèi)部示意圖

2 主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

2.1 主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑的原理

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑利用集熱器、蓄熱器、管道、風(fēng)機(jī)及泵等設(shè)備來(lái)收集、蓄存及輸配太陽(yáng)能來(lái)控制和達(dá)到需要的室溫。主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑能夠較好地滿足住戶的生活要求，可以保證室內(nèi)采暖和供應(yīng)熱水的要求，甚至可以達(dá)到制冷空調(diào)的目的。是通過(guò)高效集熱裝置來(lái)收集獲取太陽(yáng)能，然后由熱媒將熱量送入建筑物內(nèi)的建筑形式。它對(duì)太陽(yáng)能的利用效率高，不僅可以采暖、供熱水，還可以供冷，而且室內(nèi)溫度穩(wěn)定舒適，日波動(dòng)小。

2.2 主動(dòng)式太陽(yáng)能與建筑功能的一體化

圖6 主動(dòng)式太陽(yáng)能與建筑結(jié)合

對(duì)于以附加形式附著在建筑本體上的被動(dòng)式構(gòu)件，根據(jù)其使用原理與安裝的部位，可以考慮將其與建筑構(gòu)件結(jié)合進(jìn)行嵌套設(shè)計(jì)，使其成為建筑的構(gòu)件，完成形式上的一體化。集熱器應(yīng)在安裝部位、造型、材質(zhì)、色彩等方面與建筑整體及周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)。應(yīng)該根據(jù)集熱器的形式、安裝面積、尺寸大小進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，確定在建筑上的安裝位置和安裝方式。布置在建筑屋面（見(jiàn)圖6）、墻體、陽(yáng)臺(tái)或其他位置的集熱器與建筑共同構(gòu)成圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)與建筑整體構(gòu)造有機(jī)結(jié)合。如在陽(yáng)臺(tái)安裝的集熱器可考慮綜合利用陽(yáng)臺(tái)欄板的功能，與樓房陽(yáng)臺(tái)結(jié)合為一體，形成多功能建筑構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)集熱器和建筑的完美結(jié)合，且能最大限度地利用太陽(yáng)光照，滿足多種形式的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)，就是要使太陽(yáng)能技術(shù)與建筑技術(shù)充分結(jié)合并實(shí)現(xiàn)整體外觀和設(shè)備功能的統(tǒng)一，以及與周?chē)h(huán)境的和諧一致。既利用了被動(dòng)太陽(yáng)能、又設(shè)置了太陽(yáng)能主動(dòng)供熱采暖系統(tǒng)，基本依靠太陽(yáng)能提供建筑物所需采暖負(fù)荷的太陽(yáng)能建筑在我國(guó)的應(yīng)用較少，發(fā)展比較緩慢，目前還很少有主、被動(dòng)結(jié)合太陽(yáng)能供熱采暖建筑建成。究其原因，主要是建設(shè)成本較高、投資較大以及我國(guó)城市絕大多數(shù)為多層和高層建筑，可采用的被動(dòng)太陽(yáng)能設(shè)計(jì)形式受到限制，設(shè)置主動(dòng)式太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)的外圍護(hù)面積不夠，與國(guó)外大多為別墅型住宅的條件差異很大。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，被動(dòng)與主動(dòng)相結(jié)合的太陽(yáng)能與建筑一體化的綠色建筑是未來(lái)的發(fā)展方向。

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