探究建筑设计中太阳能设计

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摘要：结合工程案例，针对建筑设计中的太阳能设计进行探究，作为能耗大户建筑来说，如何利用建筑设计的本身来减少对传统能源的消耗，是我们目前面对的问题，通过这次太阳能建筑设计，对主动式和被动式太阳能的利用都有一定的了解，达到了设计的目的。

关键词：被动式太阳能；空气集热器；反向阳光间；低温辐射地板

Abstract: combining the engineering case, in view of the design of building solar design inquiry, as the major energy consumers for construction, how to use the building design itself to reduce the consumption of traditional energy, is we are faced with the problem of, through this solar building design, active and passive solar energy use of all have some understanding of the design, up to the purpose.

Keywords: passive solar energy; Air collector; Reverse between sunshine; Low temperature radiation floor

中图分类号：TK511 文献标识码：A文章编号：

一、方案概况

某工程为一所学校，校舍由教学楼和配套用房组成，校舍建筑层数均不应超过3层，总建筑面积8000m2。

通过对用地的分析，用地是很紧张的，而且由于地基内有一个北向的坡，而且坡上有一个5层高的建筑，这对基地产生很大的一个阴影区，所以对于我们这次以太阳能利用为目的的一个设计而 言是相当不利的，所以要尽量地避开这一不利的因素，方案的总平面布局：基地的南面是教学区和办公区，而基地的北面，也就是沿坡那一面，布置的是白天不怎么使用的寝室和食堂。为了能更好地利用到太阳能，方案中采取更多的接触太阳光的方式――基地满铺，建筑退台。这样做的目的就是为了争取到更多的层顶受热面，并且整个建筑是以南向退台，这样就能更好地利用太阳能。由于建筑是以基地满铺的形式，就带来了学生活动场地不够的问题，所以我们做了一部分屋顶的平台供学生下课休息。

建筑整体形式的采用绵阳当地的坡屋顶的形式，但又做了一定的变化，体现建筑自身的特色，并且考虑和太阳能的利用相结合，寻求建筑和太阳能利用的一体化。

二、被动式太阳能的利用

被动式太阳能利用就是借助建筑的本身，像建筑的朝向，建筑材料的选用以及建筑空间的合理布局等来达到利用太阳能的目的，也就是说建筑本身就是一个太阳能集热装置。

利用太阳能进行冬季采暖是太阳能最基本的应用民，在实践中一般采用被动式太阳能装置。具体的做法：有利用建筑物的朝南面的窗做成集热窗、 墙体做成集热墙装置，从而利用太阳能加热室内空气，使室内温度升高，并对建筑采用一些保温隔热技术，使建筑物内部的热散失控制在较小范围，从而代替其他能量进行采暖。还有一种是被动式太阳房的方式。被动式太阳房是通过合理地设计建筑的朝向和利用周围环境，合理地处理内部空间和外部形体以及选择适当的建筑材料和构造方法，使整个建筑物在冬季能通过太阳房收集太阳能，通过选择合理的保温材料保持能量，设计一些特殊的装置贮存能量。合理地布置内部空间使得能量能分布到各个空间，从而解决建筑物的采暖问题；在夏季，同时要考虑到遮挡太阳辐射，通过气流的组织带走室内的热量，使建筑物内凉爽宜人。太阳房应试设计在建筑的南向或南向稍偏东或西。建筑场地应选在开阔地带且太阳能充足的地方，这样有利于太阳能的采集。建筑物中主要房间应设于南侧，紧靠太阳能集热装置，这样可以最大限度的利用太阳能，减少能量传导过程中的省失。

本方案的太阳能主要是以被动式太阳能的利用为主，我们首先介绍一种空气集热器和反向阳光间的概念。

太阳能空气集热器是一种利用空气为热媒的太阳能加热装置，应用相当广泛，如太阳能热水器等。由于太阳能空气集热器构造简单，制作及维修成本低，无腐蚀防冻等问题，较建筑设计应用有一定的优势，应用于建筑立面形成集热墙和屋面上可形成太阳能热水系统。在设计上可直接将南面墙体设计成空气集热器(图1)，可节省安装费用，也不会增加房屋负荷。在夏季能利用集热器吸收太阳辐射，形成空气流通，避免过热问题，同时遮挡部分太阳光直射到建筑墙体上，从而降低建筑物吸收太阳辐射；在冬季集热器对建筑有一定的保温作用。为提高集热的效率，在整个加热空气系统中可加入风机对气流起一定的组织作用，通过风机运行和热压的共同作用，室内的空气可以经过集热气循环加热，经循环重新回到室内。本方案采用的空气集热器是和建筑形式和围护结构相结合的，是建筑的一个部分，并不单独的安装，所以可以省去很多集热器产品所需要的金属边框。建筑的南向坡层顶和南向的部分墙面即是这种集热器的形式。

图 1 空气集热器构造示意图

另一种是反向阳光间被动式太阳能空气采暖系统。和前面提到的太阳房不同的是，前者直接利用太能能加热室内空气，而后者则是通过在建筑的南侧和北侧都设置阳光间，再通过设计在屋顶和地板上的风管将两个阳光间连在一起。这种被动式系统通过加热建筑的护结构以减少建筑内部的热量损失。因此，该系统可利用低强度的太阳辐射，应用更为广泛。东西阳光间之间可通过热压进行空气循环。午前，东部阳光间太阳能得热将传向西部，午后，则相反。

本方案中利用的是反向阳光间的概念，这与阳光间不同，实际并没有设计阳光间，是南面以空气集热器的形式来吸收太阳能，北面则以双层墙壁的形式形成空隙使空气流动。冬季时整个系统集热器、 双层墙、 天花板、 地板形成一个封闭的空间，里面的空气不和外界及室内发生任何关系，通过集热器吸收的太阳能，利用空气的热压作用循环加热空腔内的空气，空腔内的热空气则通过加热墙、天花板和地板使室内达到冬季采暖的目的，这里我们采用的地板是一种经过变化的低温辐射地板，一般的辐射地板是以热水为热源的，就是在地板下面布热水管，由于此方案中采用的热源的媒介是空气，所以一般的辐射地板是做法是行不通的，我们设计了一种低温空气热源辐射地板(图2)，是以疏松的鹅卵石填充的，可以通过空气的构造层代替水管层，这样的话热空气经过地板后可以加热鹅卵石，鹅卵石再向室内辐射热量。

而在寝室主要使用时间是晚上，所以要考虑晚上采暖的问题。怎样能把白天的太阳能储存到晚上，是一个主要的问题，考虑到鹅卵石的热工性能比较好，所以要寝室基础下面设计了一个鹅卵石床，使卵石床和上面的集热系统连接，白天的时候集热系统的空气将集热器所得的热量带到鹅卵石床内，加热鹅卵石将热量储存起来，到晚上则打开系统的上部和下部的开口使冷空气经过鹅卵石床后加热，由于热压的作用，热空气上升到各个寝室内。夏季的时候可以通过控制集热系统内的几个开口，利用集热器加热的空气和室外的空气形面温差，形成热压作用使室外的冷空气流过空腔使墙面的温度降低，达到通风降温的目的。

图 2 辐射地板构造示意图

结束语

目前能源的紧缺，环境的恶化，利用太阳能这种无环境污染且永不枯竭的能源是一大趋势，作为能耗大户建筑来说，如何利用建筑设计的本身来减少对传统能源的消耗，成为我们建筑师的一大课题。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。