太阳能在建筑节能中的应用与设计
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摘要：太阳能作为一种可再生的洁净能源，是建筑上很具利用潜力的新能源之一。文章介绍了建筑的节能设计主要途径，重点分析了太阳能在建筑节能中的应用与设计。
关键词：建筑节能；建筑设计；太阳能
1.前言
建筑作为人类的基本居住空间，是构成城市的主要物质组成部分，它对人类的生活环境有着直接、重要的影响，居住空间环境的优劣直接影响着人们的生活质量，而要维持良好的生活环境，则需耗费大量的能源。因此，节约能源是其今后发展的必然趋势。
2 建筑节能的主要途径
建筑节能主要包括两个方面：一是节流，即从提高供暖（空调）系统效率和减少建筑本身所散失的能源；二是开源，即开发利用新能源。从节约的角度讲，应采取以下措施。
（1）提高供暖（空调）系统的效率，它包括设备本身的效率、管网的传送效率以及用户端的计量、室温调控装置等，仅用户端的计量和室温调控技术的应用这一项，就可使区域供暖系统节约
20%～30%的热能。
（2）减少建筑本身能量的散失，要有高效、经济的保温材料和先进的构造技术来有效地提高建筑维护结构的整体保温、密闭性能。为了保证良好的室内卫生条件，既要适当的通风又要设计配备能量回收系统，只有这样才能做到有效地节省建筑维护结构向室外散失的能量。以建筑维护结构中耗能最大的外窗为例，透光材料从普通的单层3mm玻璃发展到使用镀膜、中空玻璃，大大提高了外窗的保温、隔热性能。
（3）除了门窗以外，要提高护墙体保温隔热的构筑技术和材料性能。众所周知，外墙内保温构造具有施工方便、保温层不受室外气候侵蚀的优点，但内保温易于形成热桥，容易产生内部结露，室内墙面装修易于损坏保温层，由于保温层设在室内一侧，因而也降低了室内的热惰性。而建筑外墙外保温较之于内保温就具有一定的优越性，它可以避免热桥的产生，保温效率高。
建筑节能的另一个方面则是开发利用新能源，尤其是太阳能，其目的也是尽可能多地替代和节约常规能源，减少由于燃用矿物燃料对环境造成的污染。
太阳能在建筑上的利用方式主要有：被动式太阳能采暖、太阳能供热水、主动式太阳能采暖与空调、以及太阳能发电等。被动式采暖系统虽然技术要求和造价相对都比较低，但对建筑师的技术要求较高，要求建筑师具备被动式采暖、通风等建筑设计的基本知识和进行建筑物理环境设计以及特殊建筑构造设计的能力。
零辅助热源被动式太阳房，是指以被动式太阳房所建地采暖期最冷月室外平均气温作为室外气象参数，被动式太阳房集热面上最冷月平均收集的太阳能为室内采暖的主要能量来源，以保证太阳房室内热环境质量达到满足人们正常生活需要为依据，完全不考虑利用其他任何辅助能源采暖的一种被动式太阳房。
以这种方法设计的被动式太阳房，至少能保证在冬季采暖期连续晴天的情况下，百分之百利用太阳能采暖。与这种设计方法相应的太阳房，称之为零辅助热源被动式太阳房。由此可见，零辅助热源被动式太阳房并不要求常规能源的使用绝对为零，而是指在冬季采暖期连续晴天情况下，房屋采暖不消耗任何常规能源，不依赖任何采暖设备，而仅仅通过建筑朝向的选择、结构构造的设计及建筑材料的合理利用等，达到完全依靠太阳能来保证冬季室内热环境质量符合设计标准的建筑物。这类太阳房的常规能源使用量很少，因而不需考虑设置辅助热源采暖系统。
3太阳房的设计构思
根据上述思想，设计了一幢被动式太阳能住宅（平、立、剖面见图1、图2、图3、图4。可两户毗连、也可单户独建），既考虑了充分利用太阳能采暖这一主题，又充分考虑了建筑功能、空间组合、建筑造型等因素。
图1一层平面
图2二层平面
图3 南立面
图3 剖 面
3.1从建筑使用功能方面考虑
就我国目前现有的太阳能住宅看，绝大部分为了追求采暖保温效果，平面往往设计成一字型（这种平面形式房间，进深过大，会降低太阳能采暖效果；进深过小，又不利于节地，且平面形式呆板单调）或将居室等主要房间布置在南侧，厨房、卫生间、贮藏间等辅助房间布置在北侧（这种平面形式，虽有利于节地，但能有效利用太阳能采暖的面积仅占建筑面积的50%～60%，且不少房间通风不良；特别是将厨房布置在北侧，终年无日照，也不尽合理）。本设计在平面布置上采用双排小进深方案，使所有房间均可利用太阳能采暖，且采光通风良好，使用功能合理，空间环境优美、实用舒适。为了安全方便使用热水器等，将脸盆、洗衣机、热水器设在后排卫生间外的半开敞空间内。住宅内楼梯间可通往起居室屋顶及二层屋顶平台。平台上覆土以种植蔬菜瓜果、鲜花绿草。这样既可起到保温隔热、调节改善室内小气候的作用，又可缓解烈日、暴风、雨、雪等对承重、防水构件的直接侵蚀。
3.2 从太阳能利用及节能节地方面考虑
为了尽可能多获取太阳能，大部分房间按小进深大开间设计，考虑到房间按小进深大开间设计后不利于节地，因而设计成双排，前排为单层，后排为双层，前后排之间以玻璃封顶，形成中庭，
既有效地利用了土地，又有利于节能。中庭可避免前排房间北墙直接暴露于室外，晴天升温后的中庭又减少了前排房间通过北墙的热损失。后排房间可由玻璃窗接受阳光照射，直接受益；又可与升温后的中庭内空气对流换热。特别是后排二层房间，由于热空气集中于中庭上部及日照时间长，太阳能采暖效果非常好。可以说中庭既是前排房间热损失的缓冲区，又是后排房间的日光间。为了增加后排房间一层的日照时间，将后排房间一层的室内地坪较前排房间提高，单层房间采暖，均采用直接受益窗与本方案设计的通风口双门集热蓄热墙相结合的采暖方式。
直接暴露于室外的窗均设计为双层窗，外侧为平开窗，内侧为推拉窗，夏季卸下推拉扇上玻璃换窗纱，即成纱扇。房间暴露于中庭内的窗均为单层平开窗。所有窗上均挂保温帘。为了减少热损失，后排房间北侧开小窗，仅满足通风要求。视其情况，中庭上部日落后也可加挂保温帘。夏季可打开中庭上部窗扇及集热墙上排热气墙（见图5），增强自然通风，利用集热蓄热墙降温。东、西北墙及屋顶材料的选用，视不同地区气候条件，由热工计算而定。
图 5集热蓄热墙工作原理
3.3从建筑造型及立面处理方面考虑
在建筑造型及立面处理上，既考虑尽量减少建筑的外露面，避面过多的凸凹变化，又要使建筑造型清新优美、自然、亲切，故而，本方案将住宅设计成前后两排，高低错落，虚实有别。东、西、北三面墙上加以垂直绿化，既可保温隔热，又有效地保护了外墙面。同时，层次丰富的立体绿化形成了既可保温隔热，又有效地保护了外墙面。同时，层次丰富的立体绿化形成了一个绿化景点。
3.4集热蓄热墙的设计
传统的集热蓄热墙工作原理如图所示。太阳光照到深色墙面上（一般为实体墙），使墙壁产生温升，温升后的墙壁加热了玻璃与墙中间的空气，空气受热膨胀，密度降低，产生自然压差，被加热的空气从墙体上方通道流进室内，室内冷空气被抽出。气流上下通道往往只在室内设一层门冬季当人们感到室内温度过高时，往往关闭通风口。本方案设计的双门有孔隙集热蓄热墙构造见图6。其工作原理是，当室温较低时，打开通风口内外门，使集热蓄热墙以直接环流进行工作。当人们感到室温较舒适时，关闭通风口内侧盖板，打开外侧盖板，将多余的热能贮存于墙体内。入夜或阴天时，关闭通风口外侧盖板，打开内侧盖板贮热墙释放能量以保持室温。这样的集热蓄热墙有很大的蓄热表面积，故而太阳能利用率较高，且使用操作又较普通花格蓄热墙方便。
1上通风口 2刷深色涂层金属板 3绝热材
4内外侧实体墙 5有孔隙墙 6下通风口
图6 集热蓄热墙工作原理
4其他太阳能利用
太阳能热水器从最初的闷晒式、平板式到现在的全玻璃真空管、真空管热管式，从技术上有了飞跃的发展，大大地提高了太阳能的利用效率。高效太阳能热水器的应用为主动式太阳能采暖，尤其太阳能空调技术的发展，提供了高品位热源。太阳能光电利用，是利用领域最广、能源传输最为方便、利用品质最好的一种方式。光电池与玻璃的复合技术，已使建筑的幕墙作为建筑本身部分用能的自供电源成为可能，这也是建筑构件复合多功能高新技术发展的一个成功实例，也是今后建筑可持续发展的方向之一。
5总结
开发利用新能源作为建筑节能的一个重要方面，要实现有效地开发利用，需把新能源利用设备同建筑及其构件有机地结合在一起。即发展设备与建筑一体化设计技术，应该是建筑设计者和设备研究、生产企业必须重视的问题。只有做好一体化设计，使新能源利用设备成为建筑的有机组成部分，才能达到完美的统一，使之既能保证新能源利用设备高效率运转、节约更多常规能源的同时，又满足建筑的使用功能和建筑艺术美的要求，从而更好地为人类及其生存环境的可持续发展服务。
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