太陽能在綠色建筑中的一體化應用

李 丹

(1.浙江省建筑安裝技術學校，浙江 杭州 310022；2.浙江省建筑安裝高級技工學校，浙江 杭州 310022）

0 引言

近年來在國家可再生能源戰略背景下，以及國家的節能減排的推動下，太陽能作為永不枯竭的干凈能源，是21世紀人類可期待的最有希望的能源之一。而太陽能在建筑中的應用又是現階段太陽能應用最具發展潛力的實用領域。綠色建筑為滿足居住者的舒適要求和使用需要，應具備供暖、空調、熱水供應、供電(包括照明、電器)等一系列功能。太陽能建筑應用領域的科研、技術、產品開發和工程應用的總體目標，就是用太陽能代替常規能源來滿足建筑物的上述功能要求。隨著世界太陽能技術水平的不斷提高和進步，嚴格意義上的太陽能建筑，應能利用太陽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，即達到太陽能在建筑中的綜合利用。而整合設計不到位阻礙了太陽能與建筑一體化的發展。許多太陽能構件是附加在已建好的建筑外面，與建筑本體結合不好，破壞了建筑立面的美觀，也降低了太陽能建筑的能效。因此，將太陽能被動式應用與主動式應用結合起來使用，與建筑進行一體化設計是太陽能建筑的重中之重，將達到較好的節能和使用效果。

1 被動式太陽能建筑

1.1 被動式太陽房的基本原理

被動式太陽房的定義是不用機械動力而是建筑物本身采取一定措施，利用太陽能進行冬季采暖的房屋。被動式太陽能采暖建筑是不需要專門的集熱器、熱交換器、水泵等設備，只是通過建筑朝向和周圍環境的合理布置、內部空間和外部形體的巧妙處理以及材料和結構與構造的恰當選擇，使其在冬季能集取、保持、儲存和分配太陽熱能，夏季能遮蔽太陽輻射，散逸室內熱量，達到采暖和降溫的目的，適度解決建筑物的熱舒適問題。運用被動式太陽能采暖原理建造的房屋稱為被動式采暖太陽房。

1.2 被動式太陽房的常用類型

被動式太陽房的采暖方式主要有以下三種：

（1）直接受益式太陽房（見圖1）

太陽光穿過透光材料直接進入室內的采暖形式。白天，陽光透過南窗直接投入房屋室內，由室內的地面、墻面和家具吸收變成熱能后經由熱對流和輻射對室內空間進行加熱采暖，同時蓄熱。夜間，當室外和房間溫度下降時，地面、墻面和家具蓄存的熱量通過輻射、對流和傳導被釋放出來。直接受益方式中，房屋本身成了一個包括有太陽能集熱器、蓄熱器和分配器的集合體。這種太陽能采暖方式最直接、簡單、效率也較高，但是當夜間無日照時而建筑保溫和蓄熱性能又較差時，室溫降溫快，溫度波幅大。

圖1 直接受益式太陽房

圖2 集熱蓄熱墻被動式太陽房

（2）集熱蓄熱墻被動式太陽房(見圖2)

集熱蓄熱墻式是間接受益式被動式太陽房的一種。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陽光投射到蓄熱墻表面被吸收轉換為熱能，通過傳導把熱量傳到墻內一側，再以對流和輻射方式向室內供熱。另外，墻體也可開上下通風口，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送熱，而室內的冷空氣則由墻下部的通氣孔進入夾層，如此形成向室內輸送熱風的對流循環，在夜間則需關閉上下風口，以防止逆循環；夏季，關閉墻上部的通風孔，室內熱空氣隨設在外墻上部的排氣孔排出，使室內得到通風，達到降溫的效果。

（3）附加陽光間式（見圖 3）

圖3 附加陽光間式

實際上就是在房屋主體南面附加的一個玻璃溫室。從某種意義上說，附加陽光間被動式太陽房是直接受益式(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光間與房屋主體隔開，墻上一般開設有門、窗或通風口。

1.3 被動式技術與建筑功能的一體化

通常，被動式太陽能集熱部件與房屋結構合為一體，作為圍護結構的一部分。這樣既可達到利用太陽能的目的，又可作為房屋總體結構中的一個組成部分而發揮它的多功能作用。對于跟建筑功能相似，或者同建筑構件相似的被動式太陽能構件，可以將其“建筑化”使其與建筑本體融合或將建筑構件改造。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；將南向陽臺改造，加上玻璃罩，變成附加陽光間（見圖4、圖5），形成溫室效應；外圍護結構的墻體可以采用蓄熱材料，白天蓄熱，晚上向室內釋放熱量等。

圖4 附加陽光間與建筑一體化

圖5 附加陽光間內部示意圖

2 主動式太陽能建筑

2.1 主動式太陽能建筑的原理

主動式太陽能建筑利用集熱器、蓄熱器、管道、風機及泵等設備來收集、蓄存及輸配太陽能來控制和達到需要的室溫。主動式太陽能建筑能夠較好地滿足住戶的生活要求，可以保證室內采暖和供應熱水的要求，甚至可以達到制冷空調的目的。是通過高效集熱裝置來收集獲取太陽能，然后由熱媒將熱量送入建筑物內的建筑形式。它對太陽能的利用效率高，不僅可以采暖、供熱水，還可以供冷，而且室內溫度穩定舒適，日波動小。

2.2 主動式太陽能與建筑功能的一體化

圖6 主動式太陽能與建筑結合

對于以附加形式附著在建筑本體上的被動式構件，根據其使用原理與安裝的部位，可以考慮將其與建筑構件結合進行嵌套設計，使其成為建筑的構件，完成形式上的一體化。集熱器應在安裝部位、造型、材質、色彩等方面與建筑整體及周圍環境相協調。應該根據集熱器的形式、安裝面積、尺寸大小進行細部設計，確定在建筑上的安裝位置和安裝方式。布置在建筑屋面（見圖6）、墻體、陽臺或其他位置的集熱器與建筑共同構成圍護結構時，應與建筑整體構造有機結合。如在陽臺安裝的集熱器可考慮綜合利用陽臺欄板的功能，與樓房陽臺結合為一體，形成多功能建筑構件，實現太陽集熱器和建筑的完美結合，且能最大限度地利用太陽光照，滿足多種形式的需求。

3 結語

太陽能建筑一體化技術，就是要使太陽能技術與建筑技術充分結合并實現整體外觀和設備功能的統一，以及與周圍環境的和諧一致。既利用了被動太陽能、又設置了太陽能主動供熱采暖系統，基本依靠太陽能提供建筑物所需采暖負荷的太陽能建筑在我國的應用較少，發展比較緩慢，目前還很少有主、被動結合太陽能供熱采暖建筑建成。究其原因，主要是建設成本較高、投資較大以及我國城市絕大多數為多層和高層建筑，可采用的被動太陽能設計形式受到限制，設置主動式太陽能供熱采暖系統的外圍護面積不夠，與國外大多為別墅型住宅的條件差異很大。但隨著我國經濟發展水平的提高，被動與主動相結合的太陽能與建筑一體化的綠色建筑是未來的發展方向。

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