太陽(yáng)能技術(shù)在城市建筑中的應(yīng)用研究

青和勇，安偉，張俊，陳小龍，王慶國(guó)，馮干，曹曉飛

（中建四局安裝工程有限公司，廣州510700）

1 引言

多年來(lái)，太陽(yáng)能領(lǐng)域的發(fā)展受限于先天的地理?xiàng)l件與科技水平的發(fā)展瓶頸，而今將高層綠色建筑與太陽(yáng)能光伏板綠色節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，并結(jié)合西方國(guó)家的先進(jìn)案例，能夠?yàn)槲覈?guó)太陽(yáng)能技術(shù)在城市建筑中的規(guī)模化應(yīng)用提供借鑒，接下來(lái)將據(jù)此展開分析。

2 高層建筑立面的太陽(yáng)能一體化設(shè)計(jì)

目前，多數(shù)城市中的高層建筑采用的太陽(yáng)能技術(shù)主要是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與太陽(yáng)能熱水技術(shù)[1]。太陽(yáng)能光伏板主要利用半導(dǎo)體電子器件對(duì)太陽(yáng)光的輻射能進(jìn)行吸收，之后將其轉(zhuǎn)化成電能，這些由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能除了能夠?yàn)榻ㄖ峁┲评洳膳?、照明等日常所需電能，其剩余的電能資源還可以用于城市公用電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)[2]。

高層建筑立面的太陽(yáng)能一體化設(shè)計(jì)是將太陽(yáng)能光伏板、太陽(yáng)能熱水集熱器以及建筑外部的立面造型設(shè)計(jì)進(jìn)行有效結(jié)合，在節(jié)約土地資源與基建投資的前提下幫助調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，同時(shí)有效降低大型建筑中空調(diào)電器設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的高昂成本[3]。但是太陽(yáng)能一體化設(shè)計(jì)在我國(guó)尚未進(jìn)入強(qiáng)制性推廣階段，其應(yīng)用主要集中在大型城市的高層建筑中，由業(yè)主和當(dāng)?shù)卣灾鬟x擇是否進(jìn)行應(yīng)用，尚未形成完善的城市光伏發(fā)電供電系統(tǒng)。值得慶幸的是，目前已經(jīng)有研究者從利用太陽(yáng)輻射能量與原有結(jié)構(gòu)承載力的角度出發(fā)深入研究太陽(yáng)能技術(shù)，希望能夠在眾多實(shí)踐者與研究者的不懈努力之下開拓出一條符合現(xiàn)代需求的城市建筑太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展之路。

3 不同建筑類型中太陽(yáng)能的規(guī)模化利用

3.1 城市居住小區(qū)

對(duì)于城市居住小區(qū)，高層住宅小區(qū)之間的相互遮擋為太陽(yáng)能應(yīng)用設(shè)計(jì)增加了難度，而低層住宅小區(qū)沒有高層良好的垂直面利用優(yōu)勢(shì)。目前，低層住宅小區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)能技術(shù)的主要方式是在屋頂安裝小型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。

為了防止因?yàn)楦邔幼≌^(qū)相互之間的遮擋而影響光伏系統(tǒng)的運(yùn)作效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)日常光照下的建筑陰影進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，根據(jù)陰影遮擋情況進(jìn)行光伏系統(tǒng)的區(qū)分設(shè)計(jì)，并在建筑立面進(jìn)行太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備的安裝。因?yàn)榈蛯幼≌^(qū)并沒有垂直立面優(yōu)勢(shì)，因此，進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)太陽(yáng)的照射角度對(duì)住宅屋頂進(jìn)行傾斜角度的調(diào)整，以此提高低層住宅光伏系統(tǒng)的集成效率。例如，在荷蘭阿姆斯特丹的新斯洛滕住宅小區(qū)建筑的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師在34棟低層住宅與37套公寓式住宅中進(jìn)行了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的集成，為了能夠?qū)崿F(xiàn)照射角度的靈活調(diào)整，對(duì)面板做了適當(dāng)調(diào)整，能夠跟隨陽(yáng)光的照射角度進(jìn)行變換，總計(jì)1.23×104m2的安裝面積，充分利用了太陽(yáng)能，是一次太陽(yáng)能技術(shù)規(guī)?；玫闹匾痉?。

3.2 城市大型公共建筑

城市大型公共建筑指的主要是政府辦公建筑、CBD商業(yè)綜合體、體育賽事舉辦場(chǎng)館以及交通樞紐機(jī)場(chǎng)與火車站等公共建筑，這些地方常年人員流量大，需要空調(diào)設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，因此，需要耗費(fèi)大量的電能。同時(shí)，城市大型公共建筑占地面積較大，為光伏系統(tǒng)的安裝提供了有利條件。通常情況下，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)常與建筑的大跨度建筑頂棚融為一體，或者作為遮陽(yáng)裝置被安裝在建筑立面上，從而吸收更多的光能，并轉(zhuǎn)化為電能供室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)使用，具有顯著的節(jié)能效果。但是，要對(duì)此技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，建筑外立面應(yīng)有充足的光伏系統(tǒng)安裝位置。此外，光伏構(gòu)件需要具備一定的設(shè)計(jì)感，以展現(xiàn)城市的風(fēng)采，成為城市一道亮麗的風(fēng)景線，這就需要設(shè)計(jì)者具有較高的綜合素質(zhì)水平，并且能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)匚幕尘坝猩钊氲牧私狻?/p>

3.3 城市建筑小品

城市建筑小品遍布城市的各個(gè)角落，是人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見又不可或缺的一部分，其不僅數(shù)量大且分布面積也很廣，并且城市建筑小品包括一些需要長(zhǎng)期進(jìn)行供電的小型城市公用設(shè)施，例如，候車亭、停車棚以及路燈等。將太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用到城市建筑小品中，可以進(jìn)一步提升城市的供電水平，節(jié)約熱能供電，并且成為宣傳綠色節(jié)能的典范。

4 基于城市發(fā)展基礎(chǔ)下的太陽(yáng)能規(guī)?；?/h2>

4.1 新開發(fā)區(qū)域

新開發(fā)的城市區(qū)域需要提前針對(duì)上述問(wèn)題做好預(yù)案，在利用太陽(yáng)能技術(shù)之前綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境以及氣候條件，且太陽(yáng)能設(shè)備外觀設(shè)計(jì)要充分符合城市建筑風(fēng)格，保持美觀。我國(guó)西北部地區(qū)地廣人稀，太陽(yáng)能資源豐富，并且其中的許多地區(qū)都處在尚未開發(fā)或者尚未開發(fā)完全的階段。為了能夠在這些區(qū)域更好地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能技術(shù)的規(guī)?；?，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)在規(guī)劃前期做好充分的準(zhǔn)備工作，確保能夠在當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)最大化的太陽(yáng)能資源利用。

在城市空間規(guī)劃過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制建筑的間距，并且為了確保太陽(yáng)能的利用效率，設(shè)計(jì)者應(yīng)采用低容積率、聯(lián)排式的布局進(jìn)行建筑群的平面設(shè)計(jì)，以減少建筑之間的遮擋，保證太陽(yáng)能的充分利用，發(fā)展當(dāng)?shù)氐哪茉唇?jīng)濟(jì)。

4.2 城市原有建筑

由于城市中的既有建筑已經(jīng)適應(yīng)了上一階段城市規(guī)劃的各項(xiàng)條件，需要在不破壞生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)秩序的前提下進(jìn)行太陽(yáng)能技術(shù)的融合，隨之而來(lái)的是各種制約因素。首先，建筑朝向固定且無(wú)法滿足充分利用太陽(yáng)能資源的要求；其次，建筑物的間距也對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用造成了影響；然后，對(duì)于不同的建筑，屋頂設(shè)計(jì)的不同，也會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻射吸收量造成差異，這也是太陽(yáng)能技術(shù)無(wú)法迅速推廣的重要原因之一。所以，在針對(duì)城市原有建筑進(jìn)行太陽(yáng)能規(guī)模化和一體化設(shè)計(jì)時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源狀況，針對(duì)城市運(yùn)作機(jī)理進(jìn)行細(xì)致的了解，并且在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)建筑物之間的遮擋關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，從而能夠在現(xiàn)有條件下，最大化地利用建筑間距以及朝向?qū)夥到y(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)與選擇性布置，從而確保太陽(yáng)能技術(shù)在城市原有建筑基礎(chǔ)上的最優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能技術(shù)在城市建筑中的發(fā)展從來(lái)都不是一帆風(fēng)順的，從國(guó)外先進(jìn)案例中不難看出，他們同樣也遭遇到了各種各樣的難題，例如，太陽(yáng)能的規(guī)模化利用與建筑之間的融合并沒有達(dá)到完全理想的效果，其光伏集成度的缺乏，再加上設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)不足，以及太陽(yáng)能的利用難度等。對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行逐一攻破是太陽(yáng)能技術(shù)在城市建筑發(fā)展過(guò)程中的必經(jīng)之路。所以，在城市建筑中加裝太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備時(shí)，要針對(duì)相關(guān)建筑的朝向、間距以及屋頂類型進(jìn)行綜合布置。