解讀太陽能住宅——以國際太陽能十項全能作品為例

■ 李楊露西 Yangluxi Li

0 引言

國際太陽能十項全能競賽 （Solar Decathlon，SD）被譽為“太陽能界的奧運會”，它是由美國能源部發起并主辦的，以全球高校為參賽單位的太陽能建筑科技競賽。借助世界頂尖研發、設計團隊的技術與創意，將太陽能利用、建筑節能、自動化等多種技術緊密結合起來，建造并運行一座功能完善、零碳環保、生態節能、可持續性的太陽能住宅。國際太陽能十項全能競賽的宗旨是希望通過競賽加快太陽能產業的產學研融合與交流，從而達到推進太陽能技術的創新發展及廣泛應用。

從2001年開始，SD大賽在美國和歐洲共成功舉辦了5次，吸引了近百所大學參加。大賽期間，各大學代表隊設計并搭建完全由太陽能供能的“太陽能住宅”，住宅內的所有運行能量完全由太陽能設備供給，從而實現“零能耗”甚至“負能耗”。大賽評委會從住宅的建筑設計、建筑物理環境調控、能源、舒適性等10個方面全面綜合地給出評分，最后通過10個單項評比確定最終排名。整個大賽充分體現了參賽隊所在國家或地區太陽能行業科研領域的最新成果和應用水平，也是各國展示自身住宅節能與新能源技術成果的良好平臺。

2011年，SD國際大賽引入中國，同年4月28日，SD中國全球啟動儀式在“中國煤都”山西大同隆重召開，大同市也以此次賽事為契機，實現傳統黑色產業向新型綠色產業、原始化石能源向現代再生能源、污染高碳城市向潔凈低碳城市的華麗轉身。

表1 SD2001年－2011年十項評分內容比較

1 十項全能介紹

“太陽能十項全能”的名稱源于競賽評比的10個方面，在歷屆的SD大賽中，10項內容均有差異，分值的比重也有變化，如表1所示。通過比較這五屆SD競賽的10個得分項比例可以看到每屆的競賽分數均有調整，有合并也有拆分，將一些相對不重要的分項合在一起，同時將另外一些重要的分項拆分出來，作出一個單項以提高分會比重，由此也可以了解到當前世界太陽能應用技術的一個導向。例如，從2005年起，將第一項中的可居住性取消了，從2009年又將建筑設計的分值從200分降為100分，2007年取消了文檔記錄的分值，與其他包括建筑圍護結構、室內環境控制、能源利用的分析等并入工程建造中。2009年的競賽中將原先“太陽能出行”一項中“通過太陽產生電能提供電動車出行”的要求并入“凈流量”中，占到了50分，2011年則取消此項要求，而是將造價的可負擔性單列一項。對歷年“十項全能”的評分內容統分分析后，發現建筑設計、交流（網站建設）、舒適度、熱水及能源平衡幾個單項在歷屆競賽評分中始終占據主導地位。

太陽能十項全能競賽涉及到建設設計、建筑節能工程設計、照明設計、給水排水、居住適宜性、市場可行性等諸多方面，需要各方面協調配合，與建筑設計很好地融為一體，通過優化組合達到建筑節能與太陽能利用的最佳模式，因而需要設計團隊中各個領域的隊員全力配合，以達到總體最優。從歷年來10項內容的構成可以看出，通過太陽產生盡可能多的能源并提高能源利用效率以提供房屋的各項活動始終是競賽評分中的核心，并且逐步明確了設計理念：通過創新技術和綜合可持續性設計策略，來應對零能耗太陽能住宅所面臨的環境、社會和經濟方面的挑戰[1]。

根據對歷年參賽作品的總結分析，關于太陽能住宅的設計策略主要集中在以下兩種：①被動式太陽建筑設計策略，包括：合理的形體組合、良好的自然通風、充分的吸收太陽能、高效的熱存存儲與轉換；②主動式太陽建筑設計策略，包括：太陽能光熱系統、太陽陽光熱系統、太陽能技術與建筑一體化設計。同濟大學和天津大學作為中國代表隊參加過太陽能住宅SD大賽，本文將對同濟大學的參賽作品“竹屋”和天津大學的參賽作品“Sunflower”從各個不同的角度進行全面分析。

2 中國參加SD競賽的太陽能住宅作品

2.1 同濟大學設計的太陽住宅——“竹屋”

2011年9月，在華盛頓特區鄰近杰弗遜紀念堂的潮汐湖畔，同濟大學代表隊參加了第五屆太陽能十項全能競賽，參賽作品為：“太陽能竹屋”。在造型上采用的是“院落”這一中國北方傳統的居住模式，結合賽場條件將庭院面向河流，充分體現出了中國傳統水鄉民居特色，同時也能改善室外環境的微氣候。“竹屋”最大的特點就是將中國古典建筑元素與太陽能光伏技術巧妙地整合在一起，采用了中國傳統建筑中的“反宇”造型，形成曲線的屋頂，既能實現光伏發電板發電效率的最大化，又有利于自然通風，還可以自然排水，并且竹子是中國傳統的建筑材料，取材方便，生態環保，廢棄物可以有效地回收降解(圖1、2)。

同濟大學的太陽能住宅“竹屋”集成了多項被動式、主動式建筑節能技術：建筑外墻面與內墻面均采用生態竹子，墻體裝有高性能的新型真空保溫板；對安裝在屋頂的光伏發電系統，結合實際情況進行優化；具有最高保溫水準的真空+中空的玻璃外窗；室內墻表面采用了最新的相變材料用于緩和室內溫度變化，增強居住舒適感；在光伏組件背部設置散熱或熱回收裝置或散熱風道，既回收熱量，又確保高發電效率；將太陽能熱水集熱器與熟泵空調機組，集成為多熱源一體化節能型綜合設備系統等。此外，居室內環境監測、能源管理、設備管理等全部實現了數字化、信息化、可視化，住宅的產能、能耗、居住環境等數據信息能實時直觀展示，并且實現利用3G手機等移動終端設備進行隨時“掌控”(圖3)。

在建設設計方面，“竹層”采用反宇屋面作為太陽光伏和光熱系統的承載面，同時也是太陽能采集系統中最重要的部分。反宇屋面源于中國傳統住宅屋頂的反宇意向，同時反宇屋面造型，可以盡可能的增加建筑太陽接收面，進而產生盡可能多的電能。在太陽能的采集方面，“竹屋”采取了主動式太陽和被動式輔助技術相結合的策略[3]。

屋面太陽能光電系統分為三個層次：太陽能單晶硅光伏電池板，曲線空腔風道，屋面剛性防炎保溫體系，太陽能板風冷空腔拔風可以有效地為太陽能板降溫進而提高其發電效率。在太陽能光熱系統方面，HVAC系統將太陽熱水系統和空調系統結合到一起，并且通過回收空調廢熱來熱水，有效地提高了能源的利用效率。

在“竹屋”的設計過程中，同濟大學團隊也融入了眾多被動式的節能手段來降低建筑的能耗，改善居住環境，如真空保溫板和相變材料被應用到“竹層”的圍護結構中，利用這兩種材料的熱阻性能和根據溫度改變物理形態的特征，可以有效地減少室外溫度變化對室內產生的影響。真空保溫板主要運用在“竹層”的屋頂、墻面和地板上，其保溫性能相當于傳統聚苯板保溫材料的10倍以上。相變材料具有較高的固液態轉換溫度存儲功能，在室外溫度高于室內溫度時，它能從固態轉化為液態從而吸收儲存熱能，而在溫度低于其轉溫度時，它由液態轉換為固態并釋放大量熱量。

“竹屋”在設計建造中也融入了團隊中同濟大學計算機信息與技術專業成員的智慧，在他們的努力下，“竹層”實現信息化智能控制，住宅的產能、能耗、環境等數據能在顯示屏上顯示，并能在3G手機上呈現。據估算，該太陽能屋自產能源是自耗能源的近三倍，多余能源還可并入城市電網，實現了真正的“負能耗”。

2.2 天津大學設計的太陽能住宅——“Sunflower”

天津大學在SD2010競賽的作品——“Sunflower”是第一個入圍并成功參加太陽能十項全能競賽的亞洲作品，并且獲得了“十項全能精神獎”。

在設計理念與風格方面，天津大學團隊在設計上努力尋找著中國建筑特色，利用適宜性技術創造一個舒適的居住空間，突出“天人合一”的中國古典哲學和人文特征，盡可能引入中國傳統建筑和人文元素，以及自然采光、通風、綠化庭院等自然元素，形成安靜、舒適、綠色、節能、可持續的居住空間。

在建筑設計中，天津大學團隊將中國北方四合院、云南“一顆印”和皖南民居“馬頭墻”這些中國民居傳統元素有機、協調地融入到方案中，白墻黛瓦、花格窗、馬頭墻……等元素在傳承文脈的同時進行了創新，結合太陽能應用技術，有效地實現建筑的零能耗與可持續發展[4](圖4～6)。

在太陽能利用方面，“Sunflower”采用主動式與被動式相結合的方式，在建筑設計中遵循“適宜技術”的原則，首先充分利用被動式策略，優化建筑的熱工性能，促進自然采光通風，并在此基礎上，采用相對低價高效的太陽能主動利用技術，結合能量存儲和自動控制技術，達到零能耗的要求[6]。

在“被動式”策略方面，建筑平面采用緊湊的矩形，最大限度地減少冬季熱損失。中庭成為一個可控的室內外環境的緩沖空間，夏季提供遮陽并促進自然通風，冬季白天成為太陽房，晚上提供保溫。作為一個采光井，中庭能夠為周圍的空間提供柔和的自然采光，從而極大地減少了照明用電和室內光環境舒適性。

在“主動式”策略方面，“Sunflower”采用太陽能電、熱聯合系統。屋面獲得太陽輻射較多，采用國內效率最高(18.9%)的單晶硅PV電池；輻射量較少的外墻面則選用性價比較高的多晶硅PV電池。整個光電系統在競賽期間共發電346kWh，除滿足自身所需電力154kWh外，還向電網輸送192kWh電量。光熱系統采用天津大學的專利技術“建筑一體化太陽能輻射板”，通過綜合利用太陽能和太空低溫及空氣源，滿足冬季采暖和夏季制冷要求，并與真空管集熱器一起提供生活熱水。屋頂PV電池板下設輻射板，既能降低PV板溫度，提高發電效率，同時收集余熱用于熱水。

與國外一些花費巨資昂貴的“高技術”方案相比，“SunfIower”太陽房采用了價格相對低廉的適宜性技術策略。因此，它作為一個原型，經過改進和發展，可能在中國的城市和農村中得到推廣，具有比較廣泛的適應性[7]。

3 結語

2013年，將太陽能、節能技術與住宅設計緊密結合的SD國際大賽將首次來到亞洲，落戶“中國煤都”大同。太陽能十項全能競賽的目的是借助世界頂尖研發、設計團隊的創意，將太陽能、節能與建筑設計以一體化的新方式緊密結合，來證明即使單純靠太陽能的住宅一樣可以是功能完善、舒適而且具有可持續性的居住空間，從而促進節能減排的技術發展和實踐進步[8]。SD大賽進入中國同時也具有非凡的意義。①提高公共意識：競賽對世界公眾開放，其成果作為“居住實驗室”可以更直觀地提高公眾對可再生能源、最新節能技術和設施及產品的認識，增強公眾綠色消費、節能減排、可持續發展的理念；②鍛煉學生：在可再生能源在建筑中的應用、新能源在未來生活中的作用等方面，給在校大學生一個特別的實踐機會。通過對競賽的參與來培養未來節能建筑設計師；③助推產業：競賽有助于提高太陽能建筑的吸引力，通過工業化建造技術的創新與太陽能利用新技術的的有機整合，加快太陽能技術與建筑融合的一體化進程，加速太陽能應用領域的深度創新以及市場推廣的進程。

中國對SD大賽的參與及舉辦，促進了我國與國際社會在新能源技術和應用領域的交流與合作。同時，可以此為契機貫徹綠色、清潔、環保的理念，促進傳統能源向新能源的轉型和升級。也希望能探索出更多新能源、清潔能源的新思路、新技術和新模式。

[1]李苑，宋曄皓. “太陽能十項全能”競賽(SD)簡述[J].建筑技藝，2011(9).

[2]http://www.chinala.net/show.asp?id=2198.

[3]余中奇，葉曼“.竹屋”——太陽能生態住宅實踐[J].建筑技藝，2011(9).

[4]高輝. SUNFLOWER，永遠向著太陽[J]太陽能，2011(2).

[5]http://www.gkong.com/item/news/2010/04/46846.html.

[6]孫昊天.太陽能十項全能競賽建筑設計研究[D]天津大學建筑學院，2010,9.

[7]楊向群，高輝.零能耗太陽能住宅建筑設計理念與技術策略[J]建筑學報，2011(8).

[8]李之涵.太陽能界奧運會[J]中國經濟信息，2011(19).