某高層住宅太陽能生態(tài)設計

孫金坤， 陳長虹， 莊　紅

(1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000；2.攀枝花市工程結構技術研究中心，四川攀枝花 617000)

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某高層住宅太陽能生態(tài)設計

孫金坤， 陳長虹， 莊紅

(1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000；2.攀枝花市工程結構技術研究中心，四川攀枝花 617000)

【摘要】結合工程實例，介紹太陽能生態(tài)設計在高層住宅上的運用。采用“六米一線、宜居陽光”的設計理念，通過建筑平面的靈活組織和布局，建筑空間的虛實搭配，太陽能資源的充分利用，暨屋頂太陽能平板集熱器的集中熱水供應系統(tǒng)和建筑單體南立面可移動式太陽能光電板的設計和利用，將生態(tài)理念引入到了該高層住宅設計中，實現(xiàn)節(jié)能、舒適、生態(tài)的高層住宅設計目標。

【關鍵詞】高層住宅；太陽能；生態(tài)設計；六米一線；宜居陽光

隨著城市化的發(fā)展，全球的自然資源和環(huán)境受到極大的威脅，可持續(xù)發(fā)展的理念已深入到建筑設計中。目前攀枝花城市轉型，打造陽光康陽基地。太陽能作為一種清潔的天然能源運用于高層住宅的生態(tài)設計中必然成為一種發(fā)展趨勢。將太陽能的集熱系統(tǒng)和光電系統(tǒng)運用在高層住宅之中，提供建筑自身部分的能源自給，實現(xiàn)節(jié)能、舒適、生態(tài)的高層住宅設計目標，極大提高建筑使用周期的節(jié)能環(huán)保效率。

1工程概況

本工程位于四川省攀枝花市區(qū)，其南側為江南二道城市主干道，北側和東側為規(guī)劃的城市道路，建筑面積35 039.2m2。項目包括兩棟85.5m高的高層住宅。高層建筑地上28層為住宅，地下1層為車庫和設備用房。建筑效果圖見圖1，建筑標準層平面圖見圖2。

圖1　建筑效果

圖2　建筑平面布局

2設計理念和目標

本項目所在地四川省攀枝花市，氣候干燥、炎熱，冬暖夏熱，年平均氣溫20.3℃，無霜期達350d，全年日照時間長達2 737h，年太陽輻照總量為6 300MJ/m2，是四川省年日照時間最長、年平均氣溫最高的地區(qū)。進行太陽能建筑一體化，實現(xiàn)生態(tài)建筑，具有非常優(yōu)越的氣候和環(huán)境條件[1]。

本項目結合環(huán)境和氣候條件在建筑設計上以“六米一線、宜居陽光”為設計理念，通過建筑平面的靈活組織和布局，建筑空間的虛實搭配，入戶花園的引入，后庭院空間的設置以及太陽能資源的充分利用，暨屋面太陽能平板集熱器的集中熱水供應系統(tǒng)和建筑單體南立面可移動式太陽能光電板的設計和利用，將生態(tài)理念引入到了該高層住宅設計之中，使建筑、環(huán)境、人和諧統(tǒng)一，實現(xiàn)節(jié)能、舒適、生態(tài)的住宅設計目的。

根據(jù)這一理念，本高層住宅制定了如下可持續(xù)目標，以實現(xiàn)生態(tài)、舒適、節(jié)能的設計理念：(1)生態(tài)性。結合攀枝花的生態(tài)環(huán)境，提升住宅與環(huán)境的生態(tài)潛力；(2)舒適性。保證居住空間有良好的溫度、濕度和照度；(3)節(jié)能設計。通過利用太陽能與高層住宅平面、立面的有機結合，實現(xiàn)高層住宅運行過程中的部分能源自給，建筑節(jié)能60%～70%的目標；(4)低排放。采用清潔能源，實現(xiàn)高層住宅運行過程中二氧化碳等大氣污染物質的低排放[2]。

本項目主要在生態(tài)化規(guī)劃布局、太陽能源利用、節(jié)能建筑等方面實現(xiàn)可持續(xù)低碳綠色建筑目標，為攀西地區(qū)推行綠色建筑提供技術參考。

3平板太陽能熱水集中供應系統(tǒng)應用

3.1平板太陽能選擇

平板太陽能集熱板常用材料是銅、鋁合金(防銹鋁)、不銹鋼、鍍鋅板，可結合建筑特點從產品適應度、成本造價等因素具體選擇。吸熱板技術要求有一定的承壓能力、與水的相容性好、熱工性能優(yōu)良、加工工藝簡單等特性[3]。吸熱板涂層有選擇性和非選擇性兩種，涂層應薄而均勻[4]。

3.2屋面平板太陽能板的運用

本高層住宅的生態(tài)設計中運用了屋面平板太陽能集熱板集中供熱系統(tǒng)：以6m為一個單元的組合形式，通過兩種坡度(12.5%和8.3%)的變化布局，合理的安排組織平板太陽能集熱板，形成具有凹凸變化、高低差異的屋面建筑形式，極具韻律感，豐富和美化了建筑本身[5]，如圖3和圖4所示。

圖3　屋面平板太陽能集熱器組合形式

圖4　平板太陽能熱水器供水示意

3.3平板太陽能熱水器選擇

平板太陽能熱水器，外觀造型簡潔，與中國傳統(tǒng)建筑的單坡頂有著異曲同工之妙，對于建筑一體化設計具有很好的結合和美化作用。

平板太陽能熱水器里面的翅片將吸收的太陽輻射轉換成熱能，使得集熱器換熱管內的工質的溫度不斷升高，利用熱液密度小，冷液密度大的特點，形成一個向上的動力，因此構成一個熱虹吸系統(tǒng)。通過循環(huán)管路，在集熱器與水箱之間形成冷水自上而下，熱水自下而上的自然循環(huán)。如此循環(huán)往復，最終整箱水都被高至一定的溫度[2]，從而為高層住宅提供熱水來源。

3.4平板太陽能熱水器的優(yōu)勢

(1)特性特別適合建筑一體化的要求。

(2)具有較高的熱效率。平板太陽能熱水器的效率一般要高于真空管太陽能熱水器效率6%以上。

(3)具有良好的承壓性能。可承受來自自來水和循環(huán)泵的壓力。作為建筑屋頂能承受風荷載和雨荷載等一般自然荷載的沖擊。

(4)組成大系統(tǒng)時性能穩(wěn)定[6]。

4太陽能光電系統(tǒng)應用

4.1太陽能電池

太陽能硅電池是一種具有光電轉換作用的器件[5]。太陽能電池的光電板顏色豐富，包括單晶硅電池(MonoCrystalline)黑色、多晶硅電池(PolycrystallingSiliconCells)藍色、非晶硅電池(AmourphcusSillicon)黑色，膜電池綠色，因此將太陽能電池板運用在建筑立面裝飾上既能充分利用太陽能，又能形成豐富的建筑語言。

4.2太陽能光電板在立面設計中的動態(tài)運用

本項目每兩個6m通高4層的一個太陽能光電板單元在，整個“一線”——建筑南立面一弧面上的設計，使平面“一弧線”形成平面間斷而又不間斷的光電板組合形式，每個平面單元有6組可移動的光電板加上4個豎向通高的固定光電板立面組合形式組成，配合每層平面上的太陽能軌道帶整個“一線”的弧面，形成了每個區(qū)域的一個個小單元內的電路循環(huán)系統(tǒng)，每個橫向形成5個小區(qū)域的電路循環(huán)系統(tǒng)，這5個分區(qū)又恰好是每戶住戶的后庭院空間，使整個建筑極具空間感和現(xiàn)代感。5小區(qū)域之間通過橫向軌道帶和豎向固定光電板組聯(lián)系起來，最終循環(huán)受控于整個弧面近端的太陽能用房系統(tǒng)。這樣就構成了整個南立面弧長71m、高84m的光電板電路立面循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有42塊可移動光電板組合單元(弧面2m寬，12m高)和4塊通高固定光電板組合單元(弧面3m寬，84m高)，將生態(tài)、舒適、現(xiàn)代的設計很好的運用在了建筑的設計中。如圖5～圖7所示。

圖6　太陽能光電板立面分區(qū)示意

5結束語

本項目以高層住宅的太陽能生態(tài)設計為目標，以“六米

圖7　太陽能光電板立面電路示意

一線、宜居陽光”為設計理念，通過建筑平面的靈活組織和布局，建筑空間的虛實搭配，將太陽能光熱資源的充分利用，暨屋面太陽能平板集熱器的集中熱水供應系統(tǒng)和建筑單體南立面可移動式太陽能光電板的設計和利用，將生態(tài)理念引入到高層住宅設計之中，使建筑、環(huán)境、人和諧統(tǒng)一，實現(xiàn)節(jié)能、舒適、生態(tài)的住宅設計目的，創(chuàng)造出宜人的現(xiàn)代化城市居住空間和環(huán)境，做到建筑與環(huán)境和諧共生，為周邊地區(qū)高層住宅太陽能生態(tài)設計的發(fā)展起到了示范與推動作用。

參考文獻

[1]李一平,杜成勛,陳永瓊,等.攀枝花太陽能源評價[J].高原山地氣象研究,2009(1):44-49.

[2]王林,陳正洪,成馳.太陽能開發(fā)利用氣象保障服務進展綜述[J].太陽能，2015(11):9-13.

[3]李芬,陳正洪,段善旭,等.太陽能資源開發(fā)利用及氣象服務研究進展[J].太陽能,2014(3):20-25.

[4]韓世濤,劉玉蘭,劉娟.寧夏太陽能資源評估分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,24(8):131-135.

[5]郝斌,李現(xiàn)輝.太陽能光伏建筑一體化探討[J].建設科技，2009(20):32-34.

[6]董葉莉,黃中偉.光伏建筑一體化結合形式的探討[J].建筑節(jié)能，2013(6):34-36.

[基金項目]四川省教育廳太陽能技術集成應用實驗室基金項目(項目編號:SZjj2014-023)

[作者簡介]孫金坤(1975～)，男，碩士，副教授。

【中圖分類號】TU241.91

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-03-28