太陽能的利用與建筑表皮結合的發展研究

李 思

(湖北工程學院城市建設學院，湖北孝感 432100)

0 引言

能源直接轉換為人們提供所需要的光、熱以及動力等各種載體資源，為人們的生活提供了不可缺少的條件。并且能源也作為生產要素投入到生產過程當中，為人們的文明以及科學的進步作出了重要的貢獻。能源是發展國民經濟的重要因素。當前隨著經濟的發展，各種不可再生能源逐漸消耗，新型能源的發展和應用受到了很大程度的關注，其中，太陽能的應用以及其相關的與專注的結合發展成為了行業研究熱點。將太陽能的利用與建筑表皮結合起來，實際上也是建立了一體化的建筑體系，為建筑的能源利用和資源節約奠定了良好的基礎，創造了較好的條件。

1 生態建筑表皮

隨著經濟的發展，環保意識以及可持續發展意識深入人心，在實體和體驗經濟的各個方面都有所體現。建筑設計的初期階段，建筑的設計融入了節能以及可持續發展的設計形式和設計理念，在建筑平面布局、圍護結構以及空間形體等多方面的設計當中，有效提高了建筑當中資源的利用效率，有效降低了建筑的能源消耗。就一般的概念而言，建筑的表皮是指建筑外部除了屋頂之外的所有圍護的部分，建筑表皮是傳達建筑設計思想和設計理念的載體，由此，建筑表皮的設計不僅僅是建筑的重要部分，同時也是建筑能源設計和節約的關鍵部位。太陽能建筑表皮是通過太陽能與建筑表皮的結合，最終實現能源的節約和新能源的有效利用。

2 太陽能建筑表皮設計要素

1)建筑表皮設計的技術要素。

太陽能的利用與建筑表皮的結合，需要考慮幾個技術要素:負載調查以及所用電量的估算，從而便于確定系統安裝所需要的安裝容量;綜合當地的天氣狀況和氣候條件，結合建筑的表皮美觀要求以及節能方案的特點，確定相關組件的安裝環境、角度的設置和系統的背板降溫以及通風狀況的設計，保證系統的轉換效率;組件的選擇以及數量的設計、遮擋間距的設計、傾角的設計、組件的連接方式設計以及安裝節點的設計等等;便于安裝和維護，保證安裝部位的荷載符合結構設計的荷載要求，保證相關組件的安裝并且不對建筑形成不利影響;系統運行的檢測、評價以及反饋優化等設計。

2)美學設計要素。

首先，相關構件的幾何形態與建筑表皮的系統關系，相關構件的幾何形態應與建筑的整體觀感和功能的需求，研究相關構件與整體比例以及尺度的協調程度，從而達到協調統一以及相互融合的對比關系和效果;其次，相關構件的自身形態設計，太陽能相關構件的色彩、機理以及構造特征和組件的不同排列、組合，實現了不同功能的設計;最后，太陽能構件對建筑性能也產生了影響，建筑表皮是太陽能容易聚熱的部位，也是室內采光性能較好的區域，由此在太陽能設備的安裝過程中，應綜合考慮室內的采光需求以及建筑熱輻射的影響。

3 太陽能利用與建筑表皮的設計分析

1)建筑表皮的材料創新。

建筑表皮的材料創新是實現能源利用以及建筑節能的有效方式。同時隨著建筑行業的持續發展和建筑材料的持續創新，建筑設計當中，溫度感應材料、絕熱玻璃、光電感應材料以及氣凝膠涂材料等建筑材料層出不窮，同時隨著建筑技術的發展而處于持續的發展和創新，為太陽能在建筑表皮的結合和利用奠定了發展的基礎。例如，在長城公社下的“竹舍”這一設計當中，其建筑所使用到的竹材全都來源于長城腳下的竹林，并通過將竹材與現代施工建筑材料當中的玻璃、材料鋼等多種形式進行穿插組合，同時輔以設計手法，創造出來了別有特色的建筑表皮，實現了建筑表皮的創新。

2)太陽能表皮的多層化結構。

太陽能利用與建筑表皮結合的創新多采用兩層技術，使用的雙層外表皮的圍護結構，是通過適當的調整最外層從而保證室內的空間獲得良好的通風以及采光條件，提高室內空間的舒適程度，同時也能降低建筑能源的消耗，也在一定程度上解決了自然采光與建筑節能之間的矛盾。但是雙層結構從生態上而言具有較好的效果，然而其建筑用材以及相關建筑的建設材料并不十分環保，經濟性能也相對較差。例如，法規建筑公司在靠近巴黎的貝桑庫爾所設計的被動式節能房屋，該房是通過屋頂的太陽能電板提供能量。建筑由兩層結構構成，建筑內部是鋼以及落地玻璃，而建筑的外表皮使用的是天然竹材，并將整個框架使用實木板進行包括，將規格統一且可折疊的百葉窗安裝在落地窗的外部，為房屋提供了陰涼和光照條件。

3)太陽能的利用與建筑表皮結合。

太陽能的光伏電池通過建筑表皮安裝和使用為太陽能與建筑的結合和應用提供了條件。可選擇斜頂、外墻、平臺等以及相關構件為結合形式。建筑的斜頂可將原有的屋頂作為一個建筑平臺，而在平臺上的安裝需要特殊的安裝結構作為支撐，外墻由于其自身的結構形式以及較高的能見度，致使其安裝技術相對而言較為困難。建筑的結構形式涉及多種建筑結構和部件，例如門廊、欄桿扶手、百葉窗以及天窗等多種形式，不同的安裝構件需要不同的技術進行支撐。

a.斜頂。

斜頂建筑在住宅當中較為常見，只要建筑朝向是面向南北方向就較為適合安裝太陽光伏電池系統。并且傾斜角度為30°～40°的PV板能獲得最大的太陽能。當前有幾種太陽能光伏電池系統:一種是將特殊的屋頂夾固定在屋頂的瓦片上，并沿著垂直方向進行安裝;另一種是使用特殊的金屬板代替普通瓦片，將水平框架安裝在金屬板上。這種安裝方式使電池模板后面與屋頂之間保持一定空隙，從而能解決建筑通風的問題。

b.平頂。

平頂PV系統能在支持結構的輔助下確定最佳安裝位置，并且安裝系統的傾斜角度還可以按照特殊的要求以及特殊的位置進行調整。同時還可以安裝單軸或雙軸系統，從而使PV板能隨著太陽的運動而轉向，保持與太陽的最佳角度。具有三種安裝系統:首先，可以使用簡單機械原理支撐平頂上的PV系統;其次，還可以使用輕型可調節式的PV系統;最后，還可以使用與建筑屋頂元素與PV系統相結合的一體化系統。

c.外墻。

在建筑的外墻中使用PV板時，不僅能將PV電池模板附著在水泥結構的表面，也可在某種形式上代替當前使用較為廣泛的玻璃幕墻系統。然而，在垂直外墻上直接使用PV系統無法達到最佳的采光效果。雖然在建筑外墻上，尤其是在東西朝向的外墻表面上使用PV系統能獲得一定數量的太陽能量，但其收集的效果與當地所處的維度密切相關，由此在建筑外墻上使用PV系統需要精確的數字模型對太陽光的輻射以及陰影位置進行測算和計算，從而使所安裝的系統達到最佳效率。

[1] 周 彥，陳躍宏.淺談太陽能光伏系統在現代建筑中的施工技術[J].安裝，2011(3):49-50.

[2] 章 彰，許柏鳴.當代生態建筑表皮設計創新思路初探[J].山西建筑，2012，38(24):4-5.

[3] 王 非，梁 斌.當代體育建筑表皮設計的生態化初探——以大連體育中心網球場為例[J].城市建筑，2012(7):35-37.

[4] 董海定，鄔燕飛.談談經濟普查工作存在的問題及建議[J].浙江統計，2006(3):60-62.

[5] 張 嘯.建筑表皮生態設計策略研究[J].中外建筑，2009(5):22-23.