現代辦公建筑設計中太陽能應用初探

馬君義

隨著中國經濟和科學技術的快速發展,中國城市的規模不斷擴大,城市化進程速度加快,從而促使城市對辦公建筑需求的增加。辦公建筑進入一個快速發展的新時期。但由于設計和管理的不當,存在諸如初期投資高、能源消耗大、工作環境不健康——出現“病態建筑綜合癥”等問題。在辦公建筑大量建造的同時對辦公建筑進行生態設計研究顯得尤為重要。而太陽能作為主要的生態能源,太陽能的利用對環境保護和節約能源有著極其重要的意義。太陽的自然光是免費的光源、健康的光源、真實的光源,有人工光無法相比的優勢;太陽能屬于可持續性能源,不僅是清潔能源,無廢氣排放,對環境不造成污染,又是取之不盡的免費能源;太陽能存在和利用具有普遍性;地球上獲取太陽能的時間與辦公建筑的使用具有同步性。太陽能的諸多優點如果在建筑設計中加以合理利用,可以解決很多辦公建筑存在的問題。

1 建筑總平面設計中的太陽能運用

在總平面設計中應充分重視現場的調查和分析,對用地資源進行細致的評估,了解光照條件、風玫瑰、微氣候環境、排水模式、土壤成分、植被、水資源等情況,充分利用自然條件進行設計。在實際的太陽能應用設計中應考慮當地地域的氣候條件,日照條件,以滿足太陽能系統設計和安裝的技術要求;辦公建筑的朝向、間距及建筑形體組合,應結合場地的地形、日照和風向條件;安裝集熱器或光電板宜朝南,建筑組合應互不遮擋,在不影響場地利用效率的前提下,為充分接收太陽輻射創造條件。建筑間距除應滿足所在氣候區日照間距要求外,還應考慮滿足集熱器有不少于4 h日照時數的要求。場地的合理設計不僅為建筑中利用太陽能提供條件,同時也可以營造出宜人的環境。

2 建筑中太陽光線的合理利用

在現代辦公建筑中為了節約用地,降低造價,提高建筑的實用性和靈活性,建筑的層高逐漸降低,而進深逐漸加大,這給采光設計帶來了問題。另外,為了追求立面效果,大量采用玻璃幕墻,直射陽光可以長驅直入進入室內。不僅引起眩光,在夏季還會產生過量的熱輻射,加大了能源消耗。在使用中,人們往往會拉下窗簾或添加百葉窗來阻擋陽光,室內完全利用人工照明使自然采光名存實亡。為了改善這些狀況,合理的利用太陽的自然光,在建筑設計中采用反光板和反光百葉等措施。

在傳統的窗戶上面加開高窗,在高窗和低窗之間設置反光格板能進一步提高遠窗處的照度水平,從而增加采光進深。當采用反光格板后,室內采光進深從原來的1.5H增加到 2.5H,見圖1。

反光板可以兼作遮陽板,阻擋過多的太陽輻射。一方面可以隔熱降溫,同時又對采光、通風有一定影響。在很多地區,夏季需遮陽而冬季又需要有日照,因此理想的尺寸應是根據當地冬季和夏季的太陽高度角變化分別計算,使其在室內過熱時有滿窗遮陽,而在低溫時又有足夠的日照。

為追求立面效果,建筑立面開窗洞過大或者使用大面積玻璃幕墻時,可以考慮反光百葉。反光百葉既可以單獨用于高側窗部分,也可以和遮陽百葉結合用于整個窗面。反光百葉還可以和遮陽百葉結合使用,根據不同的目的分上下兩個區域,上部主要用于采光,而下部主要用于遮陽。由于角度不同,上部百葉把光線反射到天花板,而下部百葉則把直射陽光反射到室外。同時,若把反射百葉板的上表面處理為鏡面反射面,下表面為漫反射表面,這樣更有助于將光線反射至室內頂棚,提高室內照度均勻度。當然,無論是反光百葉還是反光板,都必須與室內頂棚和墻面的良好反射性能相結合才能更好的發揮作用。

3 中庭采光及光反射系統

進深較大的建筑設置天井或中庭,變單側采光為雙側采光,有效的增加采光量,節約人工能源。在高層辦公建筑中設置采光中庭,結合光反射系統和光線自動感應系統,不僅節省能源,而且創造出宜人的室內環境。

4 太陽能熱水及太陽能空調

由于辦公建筑的使用主要集中在白天,與太陽能的獲取具有同步性。在建筑設計中使建筑盡量多的吸收太陽輻射熱,直接利用或加以轉化利用,對于節約能源有很大作用。太陽能熱水系統主要包括太陽能集熱器和貯水箱。在建筑設計中結合建筑立面和屋頂,合理安排集熱器,吸收太陽能產生熱水。這些熱水可以用于建筑內部洗漱用水,也可以用于太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統。與常規的空調機組、電加熱器相比,太陽能地板采暖復合熱水系統不僅可以節約高品位的電能,而且由于地板采暖溫度波動較少,可有效提高人體舒適度。

太陽能空調系統包括加熱和制冷兩方面。太陽能制冷,就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高,則制冷機的性能系數越高,這樣空調系統的制冷效率也越高。在夏季,被集熱器加熱的熱水首先進入儲水箱,當熱水溫度達到一定值時,由儲水箱向制冷機提供熱媒水;從制冷機流出并已降溫的熱水流回儲水箱,再由集熱器加熱成高溫熱水;制冷機產生的冷媒水通向空調箱,以達到制冷空調的目的。在冬季,同樣先將集熱器加熱的熱水進入儲水箱,當熱水溫度達到一定值時,由儲水箱直接向空調箱提供熱水,以達到供熱采暖的目的。當太陽能不能夠滿足要求時,也可由輔助鍋爐補充熱量。

在非空調采暖季節,只要將集熱器加熱的熱水直接通向生活用儲水箱中的熱交換器,就可將儲水箱中的冷水逐漸加熱以供使用。

利用太陽能作為能源的空調系統,它的誘人之處在于越是太陽能輻射強烈時,環境氣溫越高,人們的生活越需要空調,此時太陽能空調的制冷能力就越強。這是人和自然和諧的理想境界。使用太陽能空調的結果,既創造了室內宜人的溫度,又能降低大氣的環境溫度,還減弱了城市中的熱島效應。更為可取的是,既節約了能源,還不使用破壞大氣層的氟里昂等有害物質。

5 太陽能發電

光電技術是利用半導體把太陽能轉化為電能的技術,它主要是通過不同類型的光電電池實現的,光電電池是光電系統最基本的部分。在辦公建筑中太陽能發電結合建筑立面、屋頂、建筑構件(遮陽板、雨篷等)設計,適當的放置太陽能光電板。白天,當太陽輻射強度大時,它所產生的電力可能超過建筑物本身所需用的電力。這時,它可將多余的電力輸送給公用電網,或將多余的電力通過蓄電裝置留至陽光輻射強度小的時期使用,達到節約能源的目的。在設計時根據需要和太陽能熱水技術綜合使用,可以把太陽能發電作為輔助電源。

6 結語

我國具有豐富的太陽能資源,年日照時數在2 200 h以上地區約占國土面積的2/3以上。年太陽輻射總量大于5 000 Ω J/m2,屬于太陽能利用條件較好的地區。在現代辦公建筑設計中把總平面,采光,遮陽,太陽能熱水,太陽能空調,太陽能發電等方面一體化設計,可以節約能源,緩解能源緊張,同時改善了辦公環境,解決“病態建筑綜合癥”的問題。太陽能在現代辦公建筑設計中的應用是綠色能源和新建筑理念的有機結合。在國家政策的引導下,太陽能技術與建筑的有機結合將成為未來太陽能的發展趨勢。

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