太陽(yáng)能與建筑

李海英

我國(guó)有十分豐富的太陽(yáng)能資源，大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米96千瓦時(shí)以上，2／3以上地區(qū)的年日照大于2000小時(shí)，太陽(yáng)能資源的理論儲(chǔ)量相當(dāng)于每年17萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這個(gè)數(shù)值同美國(guó)相近，比歐洲、日本則優(yōu)越得多。利用太陽(yáng)能減少建筑能耗和改善建筑物理環(huán)境是建筑技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑系統(tǒng)

被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑是指不采用特殊的機(jī)械設(shè)備而是利用輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)使熱能自然流經(jīng)建筑物，并通過(guò)建筑本身控制熱能的流向，從而得到采暖或制冷的效果。其實(shí)，任何普通建筑在一定意義上都是被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑。白天，陽(yáng)光從窗戶直射入房間，樓板、墻體等均作為吸熱體和儲(chǔ)熱體，當(dāng)室溫低于這些儲(chǔ)熱物質(zhì)時(shí)，它們便以輻射的形式散熱。這樣建筑的室溫會(huì)有一定波動(dòng)，這種波動(dòng)是構(gòu)件交替儲(chǔ)能和釋能所必然造成的，要想減小室溫的波動(dòng)，樓板和墻體采用具有較大熱情性的混凝土或磚則是必要的。此外，窗戶是得熱來(lái)源，也是建筑中失熱最多的部分，所以為減少熱損失，就必須提高窗戶的保溫能力。為此，研究人員采用了雙層或多層高效保溫玻璃、在窗戶內(nèi)外安裝可活動(dòng)的保溫板或保溫卷簾，國(guó)外還有夜間在雙層玻璃之間用設(shè)備吹進(jìn)輕質(zhì)保溫微粒等方法。先進(jìn)的玻璃技術(shù)也為窗的節(jié)能提供了更多的選擇。

如今，很多家庭把大的露臺(tái)和陽(yáng)臺(tái)改造成了和主體建筑毗連的“陽(yáng)光間”，這是典型的利用被動(dòng)式間接得熱系統(tǒng)的方法之一。其構(gòu)造簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，非常受住戶喜愛。白天太陽(yáng)輻射使室內(nèi)升溫，熱量通過(guò)主體建筑的門窗傳入室內(nèi)；夜晚作為主體的緩沖區(qū)，它可減少散熱；在陽(yáng)光間中種植植物，還可以形成富氧的室內(nèi)空間。然而，在炎熱的夏季，白天應(yīng)防止陽(yáng)光間過(guò)熱。這個(gè)時(shí)候利用爬藤植物遮陽(yáng)和開啟頂窗來(lái)散熱是最方便的了。

被動(dòng)式的間接得熱系統(tǒng)還有蓄熱墻式，根據(jù)墻體材料的不同還可分為多種類型。它的特點(diǎn)是墻體材料一般為重質(zhì)材料，墻表面涂成黑色或深色，以便有效地吸收太陽(yáng)輻射，蓄熱墻體外側(cè)安裝玻璃，和墻體之間留有一個(gè)空氣間層，墻體上下設(shè)有與室內(nèi)相通的風(fēng)口，根據(jù)季節(jié)以及晝夜的變化，調(diào)節(jié)開口的閉合。加強(qiáng)蓄熱能力而不增加房屋的自重是蓄熱墻體今后一個(gè)值得研究的課題，以較輕材料填充或者采用輕質(zhì)透明隔熱材料，能減少室內(nèi)溫度波動(dòng)，并且還可以改變黑色表面給人帶來(lái)的過(guò)于沉重的視覺效果。

雙層幕墻體系是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外建筑中采用的新型節(jié)能幕墻，又稱為“熱通道幕墻”。這種幕墻的節(jié)能原理同毗連陽(yáng)光間相似：冬天內(nèi)外兩層幕墻中間的空氣由于陽(yáng)光的照射使溫度升高，供給室內(nèi)熱量，同時(shí)提高了內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，減少了室內(nèi)熱量的散失；夏天內(nèi)外兩層幕墻之間的空氣溫度很高，這時(shí)打開空氣通道上下兩端的進(jìn)排風(fēng)口，由于熱煙囪效應(yīng)，產(chǎn)生的氣流帶走通道內(nèi)的熱量，從而降低內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，減弱室外熱對(duì)室內(nèi)的影響，從而減少了空調(diào)負(fù)荷。有分析資料顯示，雙層玻璃幕墻與傳統(tǒng)的單層玻璃幕墻相比，采暖時(shí)可以節(jié)約能源42％～52％。制冷時(shí)可以節(jié)約能源38％～60％。它不僅可用于新建筑，也適合于舊建筑的改造和更新。目前國(guó)內(nèi)在國(guó)家會(huì)計(jì)學(xué)院、旺座大廈、中青旅大廈、北京公館和清華超低能耗節(jié)能樓中也開始了這方面的試驗(yàn)和應(yīng)用。

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑系統(tǒng)

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑系統(tǒng)的定義為用太陽(yáng)能代替以往驅(qū)動(dòng)冷暖空調(diào)設(shè)備的熱源，用一些特殊的裝置來(lái)收集熱輻射，并將其轉(zhuǎn)化為有效的熱能和電能的形式。主要有太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能集熱器等。

太陽(yáng)能灶可分為透過(guò)聚焦式和反射聚焦式。它的調(diào)節(jié)裝置保證隨時(shí)跟蹤太陽(yáng)，相當(dāng)于1000～1200瓦的電爐，能極大緩解農(nóng)村燃料緊缺、減少燒柴草污染。

太陽(yáng)能集熱器可以作為建筑采暖的熱源，常以空氣或水為熱媒。在熱風(fēng)集熱器采暖系統(tǒng)中，被加熱的空氣通過(guò)儲(chǔ)熱層由風(fēng)機(jī)送入房間。熱水集熱器可以提供地板熱輻射采暖的熱水和生活用熱水，太陽(yáng)能供應(yīng)不足時(shí)可以輔助電加熱的辦法來(lái)達(dá)到對(duì)水溫的要求。但目前很多太陽(yáng)能熱水器由住戶自行安裝，不僅破壞了建筑的整體美，而且常會(huì)破壞屋頂防水，防雷問(wèn)題也比較突出。同時(shí)較低層住戶因管程長(zhǎng)所以較少使用等等。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了太陽(yáng)能熱水器的普及應(yīng)用。因此目前建筑設(shè)計(jì)人員正努力把集熱器作為房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，嵌在屋頂、外墻、陽(yáng)臺(tái)上，同建筑的立面一起考慮。光伏電池

光伏電池的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠替代傳統(tǒng)的玻璃等幕墻面板材料，集發(fā)電、隔音、隔熱、遮陽(yáng)、安全、裝飾功能于一身，且運(yùn)行時(shí)沒(méi)有噪音和廢氣。格雷姆肖在塞維利亞博覽會(huì)大帳篷使用光電板來(lái)遮陽(yáng)和發(fā)電；英國(guó)諾森伯蘭大學(xué)一座教學(xué)樓在修繕時(shí)，外墻結(jié)合了光伏電池，夏天大樓用電的40％，以及冬天所需用電的10％由它來(lái)提供。其重量很輕，英國(guó)考特公司開發(fā)了電動(dòng)百葉和光伏電池結(jié)合的設(shè)備，能夠在不同季節(jié)、每天的不同時(shí)刻隨太陽(yáng)光線變化轉(zhuǎn)動(dòng)，建造出外部結(jié)構(gòu)可以靈活移動(dòng)的建筑。目前，光伏電池和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)能使建筑物從單純的耗能型轉(zhuǎn)變?yōu)楣┠苄停a(chǎn)生的電能可以獨(dú)立存儲(chǔ)，也可以并網(wǎng)應(yīng)用。當(dāng)產(chǎn)生的電量大于用戶需求時(shí)，多余的電量可以輸送到電網(wǎng)，反之可以由電網(wǎng)提供給用戶。

自然光利用

日光有很多有益的成分，淺層地下空間以及大量以人工照明為主的商業(yè)辦公等建筑中，日光難以直接照射。目前可以應(yīng)用導(dǎo)光管系統(tǒng)在屋頂設(shè)置采光口，在頂棚上設(shè)折光板或玻璃棱鏡將光引入室內(nèi)深部：還可利用光導(dǎo)纖維等技術(shù)手段，設(shè)置太陽(yáng)光跟蹤器、收集器和導(dǎo)光系統(tǒng)將陽(yáng)光引入室內(nèi)，通過(guò)散光器可以進(jìn)行自然光照明。

中國(guó)正處于建筑和城市的高速發(fā)展時(shí)期，依我國(guó)的能源儲(chǔ)備、水土資源和人口規(guī)模，建筑設(shè)計(jì)師有責(zé)任對(duì)自然采取負(fù)責(zé)的態(tài)度，充分利用取之不盡，用之不竭的太陽(yáng)能，因地制宜地建設(shè)宜人的室內(nèi)、外環(huán)境。

責(zé)任編輯趙檸