試析建筑設計中的太陽能利用

【摘要】通過分析太陽能在建筑中的利用所涉及的技術，聯系建筑設計中所需考慮的因素尋找二者之間的契合點；從太陽能建筑發展的幾個階段過程中技術的進步來探討未來太陽能與建筑一體化的前景。

【關鍵詞】建筑設計；太陽能建筑；一體化；生態理念；節能

近幾年，很多地方相繼出臺有關規定要求項目建設應考慮利用太陽能，同時要求在設計階段就應予以實施，主要應用在居住建筑以及辦公建筑、學校、醫院、賓館等公共建筑；這可能喻示了太陽能建筑一體化時代在我國的城市建設中已經來臨；那么太陽能與建筑一體化對建筑設計理念以及建設實踐又有怎樣的要求呢，這里我們不妨先簡單了解一下何謂太陽能建筑以及太陽能在建筑中的利用情況。

所謂太陽能建筑是指太陽能等可再生能源利用在建筑使用能耗中的所占比例大于30%或基于現狀建筑CO2排放平均水平上的減排貢獻率大于30%的建筑。。現代太陽能建筑的定義主要基于建筑運營中如何充分利用太陽能，突出太陽能等可再生能源的建筑利用，以及對降低建筑使用能耗和營造健康室內環境的貢獻。與綠色建筑、可持續建筑并不矛盾，他們更強調建筑全生命周期中的資源循壞、與自然的和諧共生等；從這里可以看出，太陽能建筑不是指那些簡單的利用太陽能設施的建筑；而是反映了一個基于生態設計綜合利用的建筑理念。與這里要探討的太陽能建筑一體化也存在概念上的差異；以下將進行具體的分析：

1. 發達國家節能及能源綜合利用的做法

1.1 日本：推廣4項技術

日本集合住宅的節能設計主要體現在4個方面。

1.1.1 是提高密閉性。提高密閉性，就是盡量減少墻壁、天井及地面上的各種構配件和建材之間的縫隙，最大限度減少室內外冷熱空氣的對流。密閉性不好即使施加保溫材料也無法達到節能的效果。但是密閉性好的住宅必須設置換氣口，定期進行換氣。

1.1.2 是提高保溫性。提高保溫性就是通過保溫材料、保溫構配件及嚴格的施工標準等減少室內熱損失。目前，采用外保溫是提高住宅保溫性能的最為有效的做法。外保溫與傳統的保溫方法不同，是采用保溫材料將室內空間完全覆蓋起來，不留絲毫縫隙。

1.1.3 是多種能源組合利用。即除普通電源外，還可以通過利用太陽能、風能、地熱、燃料電池及各種余熱，降低石化能源消耗。

1.1.4 是立體綠化。立體綠化就是盡量增加建筑物可以綠化的空間，通過植物吸收太陽熱能，降低建筑物表面的溫度。一般包括庭院、陽臺、墻壁及屋面的綠化。

1.2 英國：開工前先審核能耗

英國政府新近作出決定，從2008年4月起，博物館、展覽館和政府辦公大樓等建筑的能耗情況將張榜公布，動員社會力量加強監督，以促進全國實現節能減排的目標。

在英國，新建筑開工前必須將能耗分析報告提交當地政府建筑控制辦公室和規劃委員會審核，獲批后才能施工。

在設計建筑時，工程師要利用流體力學計算出建筑物對空氣流動的影響，防止因風力過大，影響球場等公共設施的使用，或是風力太小，妨礙空氣污染物的排出。

在采光方面，設計人員要利用模擬系統軟件，算出一年之中每個小時太陽的位置、光線的強度度，通過改進建筑結構和朝向達到節能目的。

1.3 德國：發展被動房屋

被動房屋意味著房屋基本不需要去主動供應能量，德國的被動房屋每年單位面積供熱能耗僅為15度電，遠遠低于目前德國的標準75度電。

德國在上個世紀90年代末建立了第一個真正的被動房屋，目前，德國已有4000-6000單元房為被動房屋

德國最早的被動房屋建于1999年，每戶為90平方米的三居室，主體為木質結構。此房屋建筑成本僅比普通房屋高7%，運行成本非常低，利用太陽能供熱，供電可自給自足，2004年全年一戶的供暖、供水、供電僅為114歐元。

2. 我國利用太陽能的情況

我國有著豐富的太陽能資源，每年獲得的太陽能約為3.6×1022J，相當于1.2萬噸標準煤的熱值[1]。約占全國國土面積的2/3的地區年平均輻射總量在3340～8400MJ/m2，年日照時數在2200h，相當于110～280kg標準煤的熱值[2]。我國從70年代就開始了太陽能利用方面的研究，經過30年來的不懈努力，現已在太陽能利用和推廣方面已經取得了一定的成績，尤其在太陽能熱水器方面取得了一大批科研成果。但我國的太陽能利用技術與發達國家相比還存在很大的差距，例如我國目前對太陽能在建筑中有效地利用還是探索階段，不僅利用方式單一并且在與建筑一體化方面顯得尤為落后。因此我國在太陽能技術的實用性、經濟性、先進性、可操作性等方面都有很多值得進一步研究的地方。

從上世紀九十年代左右，到本世紀2008年以前這段時間，這里不妨稱之為一體化前期，太陽能技術在建筑上的應用，主要體現在太陽能設備（主要是太陽能熱水器）的安裝和使用。這階段普通建筑太陽能的利用尚未從建筑設計階段開始考慮，只是太陽能設施對建筑的簡單相加，因而缺乏系統的規劃和相對合理的布局；有時多由業主自發安裝使用，容易造成損壞建筑結構的諸多隱患；同時對建筑外觀形象產生不良作用，進而影響到城市景觀效果；由于非統一使用也會造成物業管理上的不便。

在這期間，人們逐漸意識到太陽能的利用也可以集約化，上規模的實施，統一的進行管理；房產商開始嘗試太陽能工程化運作，與建筑結合的分體太陽能熱水系統面世，并且出臺相關的技術標準；由此太陽能與建筑一體化概念初步形成，并成為項目建設熱點。

太陽能與建筑一體化時代的到來在某種程度上依賴于一體化前期太陽能產品技術的日趨成熟，以及太陽能技術應用標準的相對完善。

一體化的設計思想是由美國太陽能協會創始人施蒂文-斯特朗20多年前所倡導的，其主體思想是將能把太陽能轉化為電能的半導體材料直接鑲嵌在墻壁的外表面和屋頂上，取代在屋頂上安裝笨重的太陽能收集裝置，從而實現太陽能利用與建筑的一體化，并通過所產生的電能來驅動室內的用電設備實現室內的采暖、照明、制冷等。這種一體化方案僅僅是通過綜合考慮建筑構件和太陽能設備的協調使其做到構造合理。但這種一體化方案存在對太陽能收集途徑單一、利用率低下、浪費嚴重等方面的缺點，例如：目前的太陽能發電系統對太陽能的光電轉化率低下，大量的光和熱被白白的流失掉；其次熱-電-熱的能量二次轉化使得能量在轉換和傳輸的過程中增加了損失，使得太陽能的利用率更為低下。所以本文并不完全贊同此項一體化方案，本文的看法是應當綜合考慮建筑造型與太陽能技術的有機結合，采取被動式與主動式相結合，多途徑多層次的太陽能多元化收集與利用方式。

考慮到建筑在設計上要有利于收集利用太陽能，同時兼顧建筑的美觀性、實用性與經濟性，本文提出如下的太陽能利用與建筑一體化的新構想：在建筑物的南向及東西兩向等接受太陽能較好的外表面墻體護圍結構上采用與太陽墻、光伏組件的一體化設計；在建筑物的北向等接受太陽能較少的外表面墻體護圍結構上采用保溫墻體設計；在建筑的頂部采用建筑造型構件與太陽能熱泵低溫集熱技術相結合的手法，把金屬流道的太陽能熱管模塊化集熱器做成合適的造型，并涂成與建筑頂面顏色相協調的顏色安插在建筑頂部預先留有空位和預埋好相應管道的構件中；在建筑的供熱、制冷及供應熱水方面采用分體式太陽能熱泵吸收式中央空調系統，從而在提供生活用熱水的同時兼顧空調采暖和制冷；以太陽能為主，燃氣或電力為輔的集中供能方式。這樣以來就實現了被動式與主動式相結合，多途徑多層次的太陽能多元化收集與利用。

3.一體化時代，太陽能建筑的實施和運作

3.1 功能要求；一體化時代建筑設計的理念仍當是以人為本的，在滿足人們生活方式的前提下，它還應該具備高效率，高舒適度，智能化，可靠性等諸多優點；

3.2 產品的要求；基于建筑功能的要求，太陽能技術產品應能與建筑產品對接，要求集成化、標準化、模數化；

3.3 項目運作模式；貫穿于項目建設的全過程，從項目設計階段即開始介入，與建筑同步施工，制定統一的驗收標準，納入規范化項目后期管理過程；其實施要求產業化、部品化。

由上可知，一體化前期，建筑利用太陽能主要是利用太陽能熱水系統；而太陽能建筑則是經設計能直接利用太陽能進行采暖或空調的建筑；太陽能與建筑一體化則涵蓋了上述兩者所具備的特性并需綜合考慮社會、環境、人文需求等諸多因素。在具體應用中，太陽能與建筑一體化可以根據使用者需要有所偏重的進行特色設計；這種需求本身對設計的要求已經上升到生態化、智能化的程度。

4. 建筑設計要求

從建筑設計角度講，太陽能技術的利用勢必對建筑設計產生一定的影響，其對建筑設計的要求，從節能方面來說，首先建筑的平面和體型設計要合理，在平面設計時要考慮到建筑的采暖、降溫、采光等多方面的要求；建筑平面形狀越凹凸，形體越復雜，建筑外表面積越大，能耗損失越多，因此需要控制合理的體型系數。其次要有熱工性能良好的圍護結構設計，加強建筑的保溫隔熱，這是現代建筑充分利用太陽能的前提條件，同時也有利于創造舒適健康的室內熱環境。建筑圍護結構的設計又包括以下幾點：

4.1 合理的門窗設計

具體措施有增加窗戶的氣密性；減少傳熱量；設置遮陽構件；控制各立面的窗墻面積比，確定門窗的最佳位置、尺寸和形式；在建筑的主要出入口設置門斗等等。

4.2 外墻外保溫隔熱設計

外墻外保溫技術的使用需要注意如下幾點：保護主體結構，延長使用壽命；適用范圍廣，技術含量高；保溫效果明顯；有利于室溫保持穩定；墻體潮濕情況得到改善；增加房屋使用面積等。

4.3 屋面保溫隔熱設計

屋面保溫層設計應注意不宜選擇松散密度較大、導熱系數較高的保溫材料，也不宜選擇吸水率大的材料。當與太陽能設備構件綜合考慮時，尤其應當妥善處理好防水的問題，做到不滲漏，不潮濕。

4.4 活動保溫裝置

南向設有太陽能集熱構件，當受到陽光照射時是得熱構件，當無陽光照射時是失熱構件，因此，在集熱構件上架設活動保溫裝置，其是在夜晚使用可有效降低室內熱損失。

那么在建筑設計中又需要確立與以往有何不同的觀念呢？與一體化前期所不同，太陽能的利用無論從設計理念還是設計元素甚至構件符號都滲透到建筑設計的各個層面。在太陽能與建筑一體化時代，太陽能技術體現在建筑上不僅僅是一種設備體量，更是建筑構件的一部分，也是建筑設計理念的支持和組成部分，很大程度上決定了建筑設計的取向，從某種程度上注入更新了以往的功能結構體系和建筑造型手法。其對設計師的要求是，建筑規劃的良好把控能力，太陽能利用技術的了解和掌握，專業配合的協調性要求加大，工程設計的復雜程度提升等等。從建設運營的角度講，一體化時代太陽能設施的后期維護應統一考慮；設計時需要考慮便于后期維護的可能，主要體現在建筑構件的組合方式上。

這時期太陽能的利用將貫穿到設計領域的方方面面，從規劃，到建筑、景觀都將引入太陽能技術的理念，整體規劃，通盤考慮猶顯必要，設計觀念的變化必將引起設計方法的變化；節能設計標準的實施從另一方面為太陽能建筑設計提供了一個量化參考標準；用發展的眼光看，建筑智能化時代的到來同太陽能技術的利用交相輝映，生態化的設計理念使得人們的生活環境更有層次和質感，可持續發展的理念在太陽能與建筑一體化時代仍然起著重要的導向作用；太陽能利用的城市化進程的到來，將帶來建筑相關產業的出現，從社會層面上會帶來諸多影響，對人們生活習慣甚或產生某些變化；所有種種，只有通過科學的論證，嚴謹的設計才能使人們利用太陽能來提高生活質量的美好愿望得以充分實現。

經過合理規劃、精心設計的一體化時代的太陽能建筑，無疑將建筑品質提升到一個新的層面；其對使用者要求的滿足將更加周到，對管理者來說更為系統和便捷；對人們的生活方式亦有可能帶來新的變化，以上種種在精心的設計和項目合理運作的情況下無疑會帶來巨大的社會效益，值得期待。

參考文獻：

[1]郄昭昭 建筑集熱器與建筑一體化設計方法初探 【J】.山西建筑.2007，09

[2]王崇杰 趙學義 論太陽能建筑一體化設計 【J】.建筑學報。2002，07