太陽能與建筑

李海英

我國有十分豐富的太陽能資源，大多數地區年平均日輻射量在每平方米96千瓦時以上，2／3以上地區的年日照大于2000小時，太陽能資源的理論儲量相當于每年17萬億噸標準煤，這個數值同美國相近，比歐洲、日本則優越得多。利用太陽能減少建筑能耗和改善建筑物理環境是建筑技術發展的一個重要方向。

被動式太陽能建筑系統

被動式太陽能建筑是指不采用特殊的機械設備而是利用輻射、對流和傳導使熱能自然流經建筑物，并通過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，任何普通建筑在一定意義上都是被動式太陽能建筑。白天，陽光從窗戶直射入房間，樓板、墻體等均作為吸熱體和儲熱體，當室溫低于這些儲熱物質時，它們便以輻射的形式散熱。這樣建筑的室溫會有一定波動，這種波動是構件交替儲能和釋能所必然造成的，要想減小室溫的波動，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、在窗戶內外安裝可活動的保溫板或保溫卷簾，國外還有夜間在雙層玻璃之間用設備吹進輕質保溫微粒等方法。先進的玻璃技術也為窗的節能提供了更多的選擇。

如今，很多家庭把大的露臺和陽臺改造成了和主體建筑毗連的“陽光間”，這是典型的利用被動式間接得熱系統的方法之一。其構造簡單，容易實施，非常受住戶喜愛。白天太陽輻射使室內升溫，熱量通過主體建筑的門窗傳入室內；夜晚作為主體的緩沖區，它可減少散熱；在陽光間中種植植物，還可以形成富氧的室內空間。然而，在炎熱的夏季，白天應防止陽光間過熱。這個時候利用爬藤植物遮陽和開啟頂窗來散熱是最方便的了。

被動式的間接得熱系統還有蓄熱墻式，根據墻體材料的不同還可分為多種類型。它的特點是墻體材料一般為重質材料，墻表面涂成黑色或深色，以便有效地吸收太陽輻射，蓄熱墻體外側安裝玻璃，和墻體之間留有一個空氣間層，墻體上下設有與室內相通的風口，根據季節以及晝夜的變化，調節開口的閉合。加強蓄熱能力而不增加房屋的自重是蓄熱墻體今后一個值得研究的課題，以較輕材料填充或者采用輕質透明隔熱材料，能減少室內溫度波動，并且還可以改變黑色表面給人帶來的過于沉重的視覺效果。

雙層幕墻體系是近年來國內外建筑中采用的新型節能幕墻，又稱為“熱通道幕墻”。這種幕墻的節能原理同毗連陽光間相似：冬天內外兩層幕墻中間的空氣由于陽光的照射使溫度升高，供給室內熱量，同時提高了內側幕墻的外表面溫度，減少了室內熱量的散失；夏天內外兩層幕墻之間的空氣溫度很高，這時打開空氣通道上下兩端的進排風口，由于熱煙囪效應，產生的氣流帶走通道內的熱量，從而降低內側幕墻的外表面溫度，減弱室外熱對室內的影響，從而減少了空調負荷。有分析資料顯示，雙層玻璃幕墻與傳統的單層玻璃幕墻相比，采暖時可以節約能源42％～52％。制冷時可以節約能源38％～60％。它不僅可用于新建筑，也適合于舊建筑的改造和更新。目前國內在國家會計學院、旺座大廈、中青旅大廈、北京公館和清華超低能耗節能樓中也開始了這方面的試驗和應用。

主動式太陽能建筑系統

主動式太陽能建筑系統的定義為用太陽能代替以往驅動冷暖空調設備的熱源，用一些特殊的裝置來收集熱輻射，并將其轉化為有效的熱能和電能的形式。主要有太陽能灶、太陽能集熱器等。

太陽能灶可分為透過聚焦式和反射聚焦式。它的調節裝置保證隨時跟蹤太陽，相當于1000～1200瓦的電爐，能極大緩解農村燃料緊缺、減少燒柴草污染。

太陽能集熱器可以作為建筑采暖的熱源，常以空氣或水為熱媒。在熱風集熱器采暖系統中，被加熱的空氣通過儲熱層由風機送入房間。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，太陽能供應不足時可以輔助電加熱的辦法來達到對水溫的要求。但目前很多太陽能熱水器由住戶自行安裝，不僅破壞了建筑的整體美，而且常會破壞屋頂防水，防雷問題也比較突出。同時較低層住戶因管程長所以較少使用等等。這些問題嚴重制約了太陽能熱水器的普及應用。因此目前建筑設計人員正努力把集熱器作為房屋圍護結構的一部分，嵌在屋頂、外墻、陽臺上，同建筑的立面一起考慮。光伏電池

光伏電池的主要優點是能夠替代傳統的玻璃等幕墻面板材料，集發電、隔音、隔熱、遮陽、安全、裝飾功能于一身，且運行時沒有噪音和廢氣。格雷姆肖在塞維利亞博覽會大帳篷使用光電板來遮陽和發電；英國諾森伯蘭大學一座教學樓在修繕時，外墻結合了光伏電池，夏天大樓用電的40％，以及冬天所需用電的10％由它來提供。其重量很輕，英國考特公司開發了電動百葉和光伏電池結合的設備，能夠在不同季節、每天的不同時刻隨太陽光線變化轉動，建造出外部結構可以靈活移動的建筑。目前，光伏電池和建筑圍護結構一體化設計能使建筑物從單純的耗能型轉變為供能型，產生的電能可以獨立存儲，也可以并網應用。當產生的電量大于用戶需求時，多余的電量可以輸送到電網，反之可以由電網提供給用戶。

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辦公等建筑中，日光難以直接照射。目前可以應用導光管系統在屋頂設置采光口，在頂棚上設折光板或玻璃棱鏡將光引入室內深部：還可利用光導纖維等技術手段，設置太陽光跟蹤器、收集器和導光系統將陽光引入室內，通過散光器可以進行自然光照明。

中國正處于建筑和城市的高速發展時期，依我國的能源儲備、水土資源和人口規模，建筑設計師有責任對自然采取負責的態度，充分利用取之不盡，用之不竭的太陽能，因地制宜地建設宜人的室內、外環境。

責任編輯趙檸