【摘 要】太陽(yáng)能作為一種清潔能源具有取材方便、成本低廉的優(yōu)勢，因此越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著(zhù)人們對環(huán)境問(wèn)題認識的深入和能源問(wèn)題的進(jìn)一步惡化，越來(lái)越多的建筑開(kāi)始使用清潔、節能的太陽(yáng)能裝置。如何實(shí)現太陽(yáng)能與建筑設計的一體化是擺在建筑師面前的一個(gè)十分重要的問(wèn)題，本文作者結合自己的相關(guān)經(jīng)驗對此進(jìn)行了探討。
【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能;建筑設計;一體化
引言
建造和使用太陽(yáng)能住宅在冬季可減少部分采暖用煤，因而節省了燃料，減輕了對大氣的污染。根據實(shí)際使用的結果推算，在中國北方地區，太陽(yáng)能住宅建筑平均可節約燃煤量30kg/(m2·年)。因此，充分利用取之不盡的太陽(yáng)能，對于改善建筑的居住條件、提高室內溫度、節約常規能源、改善生態(tài)環(huán)境有著(zhù)十分重要的意義。可以將太陽(yáng)能被動(dòng)式應用與主動(dòng)式應用結合起來(lái)使用，與建筑進(jìn)行一體化設計，這個(gè)系統將達到較好的節能和使用效果。
一、建筑與太陽(yáng)能一體化設計的基本概念及優(yōu)點(diǎn)
1、建筑與太陽(yáng)能一體化設計的基本概念
所謂建筑與太陽(yáng)能技術(shù)一體化不是簡(jiǎn)單的“相加”，而是要通過(guò)“相加”整合出一個(gè)嶄新的答案。也就是說(shuō)建筑應該從設計一開(kāi)始的時(shí)候，就要將太陽(yáng)能系統包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以考慮，巧妙地將太陽(yáng)能系統的各個(gè)部件融入建筑之中“相加”設計，使太陽(yáng)能系統成為建筑不可分割的一部分，而不是讓太陽(yáng)能系統成為建筑的附加構件。真正的太陽(yáng)能技術(shù)與建筑一體化是指太陽(yáng)能產(chǎn)品及構件在建筑上的應用，并做到與建筑設計進(jìn)行有機的結合。
2、 建筑與太陽(yáng)能一體化設計的優(yōu)點(diǎn)
經(jīng)過(guò)一體化設計的利用太陽(yáng)能的建筑方案，具有以下優(yōu)點(diǎn):
一是，由于經(jīng)過(guò)綜合考慮，建筑構件和設備全面協(xié)同，所以構造更為合理，有利于保證整體質(zhì)量;
二是，綜合使用材料，從而降低了總造價(jià)，并減輕了建筑荷載;
三是，建筑的使用功能與太陽(yáng)能的利用有機地結合在一起，形成多功能的建筑構件，巧妙高效地利用了空間;
四是，同步施工、一次安裝到位，避免后期施工對用戶(hù)生活造成的不便以及對建筑已有結構的損害;
五是，如果采用集中使用安裝，還有利于平衡負荷和提高設備的利用效率;
最后，經(jīng)過(guò)一體化設計和統一安裝的太陽(yáng)能裝置，在外觀(guān)上可達到和諧的統一，特別是在集合住宅這類(lèi)多用戶(hù)使用的建筑中，改變了個(gè)體使用者各自為政的局面，易于形成良好的建筑視覺(jué)形象。
二、建筑與太陽(yáng)能一體化設計的內容
利用太陽(yáng)能是建筑節能的一個(gè)重要途徑，太陽(yáng)能建筑是節能建筑的一種形式。太陽(yáng)能建筑的基本要求就是利用太陽(yáng)能這種最豐富、最便捷、無(wú)污染的能源來(lái)進(jìn)行采暖制冷、供應熱水和進(jìn)行光電轉換，以滿(mǎn)足人們生活的需要，同時(shí)達到減少和不用礦物燃料的目的。對于建筑師來(lái)講，太陽(yáng)能建筑一體化的設計就是要在建筑設計的同時(shí)，要考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是考慮太陽(yáng)能在建筑上的應用對建筑物的影響，包括建筑物的使用功能，圍護結構的特性，建筑體型和立面的改變;二是考慮太陽(yáng)能利用的系統選擇，太陽(yáng)能產(chǎn)品與建筑形體的有機結合。
1、太陽(yáng)能建筑對建筑設計的要求
(1)對方位的要求。太陽(yáng)能建筑對方位的要求是為了使建筑物盡量多和快的得到太陽(yáng)能輻射熱，在冬季太陽(yáng)能輻射熱在9時(shí)—15時(shí)是全天輻射熱的90%左右，因此，在這段時(shí)間內要保證足夠的日照時(shí)間是非常重要的，為了充分發(fā)揮太陽(yáng)能輻射熱的效能，可根據太陽(yáng)能建筑的特征進(jìn)行方位調整。例如，學(xué)校的教室上午希望室溫盡快上升，而夜間室內無(wú)人，可將方位角南偏東5度—15度;住宅建筑由于夜間住人，下午盡量使太陽(yáng)能輻射熱進(jìn)入室內，可將方位角南偏西5度—15度。
(2)對建筑表面積和體型的要求。從利用太陽(yáng)能的角度考慮，應使南墻面吸收較多的太陽(yáng)能輻射熱，且盡可能的大于其它向外散失的熱量，以將這部分熱量用于補償建筑的凈負荷。如果我們使除南墻面之外的其它的熱工質(zhì)量是相同的，則不難看出，建筑的凈負荷是與面積的大小成正比的。因此，從節能建筑的角度考慮，對建筑節能的效果以外圍護結構總面積越小越好這一標準來(lái)評價(jià)是不夠的，而應以南墻面足夠大，其他外表面盡可能小為標準來(lái)評價(jià)，即表面面積系數(建筑物其它外表面面積之和與南墻面積之比)，這就是被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑對圍護結構面積的要求。除此之外，還要用建筑物的表面面積系數來(lái)研究建筑體型對節能的影響，從獲得更多的太陽(yáng)能輻射熱，降低能耗的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，長(cháng)軸朝向東西的長(cháng)方體體型最好，正方形次之，長(cháng)軸朝向南北的長(cháng)方體體型的建筑節能效果最差。
(3)對圍護結構材料和構造的要求。我國新節能標準，對圍護結構的節能已做了明確的規定，這在進(jìn)行太陽(yáng)能建筑設計時(shí)必須遵守，以保證太陽(yáng)能的有效利用。太陽(yáng)能建筑對圍護結構材料和構造的要求，包括外墻與屋面的保溫方式、材料選擇、構造做法要滿(mǎn)足熱工性能指標及保證良好的保溫、蓄熱性能;由于窗戶(hù)的耗熱量與空氣滲透耗熱量相加約占房屋全部耗熱量的50%以上，是建筑節能的薄弱環(huán)節，要加強對門(mén)窗節能的綜合研究，使窗戶(hù)在墻面上盡可能成為得熱構件;同時(shí)在嚴寒和寒冷地區的采暖建筑中的地面也應增加保溫措施。我國已興建的被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑物結合地理位置、太陽(yáng)能資源、建筑性質(zhì)、經(jīng)濟狀況等因素在上述幾方面都積累了經(jīng)驗。
2、太陽(yáng)能技術(shù)在建筑物中的應用
(1)太陽(yáng)能熱水器。現在我國是世界上太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)量最多的國家，同時(shí)也是最大的熱水器市場(chǎng)。太陽(yáng)能熱水器已形成了規模產(chǎn)業(yè)，技術(shù)日趨完善，現主導產(chǎn)品是全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器，并向光、電智能化方向發(fā)展。現在突出的問(wèn)題是，由于太陽(yáng)能熱水器體量較大和在屋頂的無(wú)序安裝，影響了到建筑物的屋頂保溫、隔熱、防水和建筑物的景觀(guān)效果。往往也由于熱水器在屋面的管道過(guò)長(cháng)，冬季出現結凍現象，影響熱水器的正常使用。
(2)太陽(yáng)能低溫熱水地板。太陽(yáng)能低溫熱水地板是利用低溫熱水為熱媒，利用太陽(yáng)能集熱器作為熱源的一種采暖方式。全玻璃真空管集熱器是低溫熱水地板的主要集熱器，這種集熱器在用于太陽(yáng)能熱水器及提供生活熱水上，已基本能滿(mǎn)足要求。但對建筑物提供采暖用熱水則必須保證每天24小時(shí)連續供暖，而且要性能穩定，目前完全依靠太陽(yáng)能很難做到，必須配備利用常規能源的輔助熱源及完善的控制設備。常規能源的輔助熱源一般是指利用城市熱網(wǎng)、區域鍋爐或小型燃氣(油)鍋爐提供的高溫水。因此，在不同地區和不同類(lèi)型的建筑中應用太陽(yáng)能地板輻射采暖時(shí)，必須根據當地太陽(yáng)能資源條件、常規能源供應情況、建筑功能、熱負荷和周?chē)h(huán)境條件等因素，做綜合經(jīng)濟分析，以確定適宜的輔助熱源和合理的太陽(yáng)能供暖率，進(jìn)行優(yōu)化設計。
(3)太陽(yáng)房采暖系統。太陽(yáng)房采暖系統分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式太陽(yáng)能系統主要有集熱器、管道、儲熱物質(zhì)、散熱器并配有風(fēng)機、水泵等機械設備組成，這種太陽(yáng)房投資大、維護費用高。被動(dòng)式太陽(yáng)房的集熱方式比較簡(jiǎn)單，可以利用墻體、窗戶(hù)等作為集熱構件，以建筑物本身作為蓄熱體，用自然循環(huán)代替主動(dòng)式系統的風(fēng)機、水泵等機械設備，被動(dòng)式太陽(yáng)房集蓄熱構件與建筑構件為一體，一次性投資少、運行費用低，但這種集熱方式受晝夜溫度波動(dòng)較大。太陽(yáng)能集、蓄熱構件設計是被動(dòng)式太陽(yáng)能設計的核心，它包括直接得熱系統和間接得熱系統。直接得熱系統的工作原理是，冬季讓太陽(yáng)輻射熱直接從南面窗射入房間內部，用樓板層、墻及家具設備等作為吸熱和儲熱體，當室溫低于這些儲熱體表面溫度時(shí)，這些物體就會(huì )象一個(gè)大的低溫輻射器那樣向室內供暖;間接得熱系統有集熱、蓄熱墻和毗連日光間等形式，這種裝置的主要工作原理是利用設在墻體本身的集熱、蓄熱材料，集蓄太陽(yáng)熱能，使太陽(yáng)能輻射熱通過(guò)傳導、輻射和對流，把熱量送到室內。集熱、蓄熱墻又按其熱量的傳導、輻射和對流的不同，形成了多種形式，如實(shí)體式集熱蓄熱墻、快速集熱墻、花格式集熱墻、相變材料集熱蓄熱墻等。 夏季則通過(guò)構造措施隔絕太陽(yáng)能輻射熱進(jìn)入室內。
三、建筑與太陽(yáng)能一體化設計的建議
1、明確建筑師的責任
建筑師在建筑節能的工作中擔負著(zhù)重要的責任。隨著(zhù)國家建筑節能政策的落實(shí)，這一點(diǎn)越來(lái)越被廣大的建筑師認識和接受，但如何將節能的設計理念貫穿和融入建筑作品之中，是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。因此，要加強這方面的引導和培訓;溝通和密切設計單位與生產(chǎn)商、開(kāi)發(fā)商的聯(lián)系;在高等院校對建筑系的學(xué)生要開(kāi)設這方面的課程;在注冊建筑師的繼續教育中增加這方面的內容等，以培養建筑師的意識和能力。
2、進(jìn)一步完善相應的標準法規
由建筑設計和太陽(yáng)能方面的專(zhuān)家共同研究制定太陽(yáng)能產(chǎn)品與建筑結合的相關(guān)技術(shù)標準和規范。特別是目前應用最廣的太陽(yáng)能熱水器與建筑結合的標準，標準主要包括《建筑物配制太陽(yáng)能熱水器技術(shù)措施》 ，《建筑物配制太陽(yáng)能熱水器標準圖集》等，使建筑設計、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和建筑施工的都進(jìn)入規范化的軌道。
3、要提高太陽(yáng)能產(chǎn)品的技術(shù)水平和適應性
要加強科研攻關(guān)，解決產(chǎn)品中存在的檔次低、系統運行可靠性差和使用操作復雜的技術(shù)難題。開(kāi)發(fā)產(chǎn)品要充分考慮屋頂、陽(yáng)臺和南立面等建筑部位的特點(diǎn)，同時(shí)增強產(chǎn)品的適應性和通用性，并作到與電源或其它熱源相結合，實(shí)現自動(dòng)化、智能化運行。
4、制定優(yōu)惠政策調動(dòng)各方面的積極性
利用太陽(yáng)能是實(shí)現建筑節能目標的主要措施之一，必將有效降低建筑能耗指標，為社會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)保效益。因此，政府應鼓勵在建筑物上安裝太陽(yáng)能產(chǎn)品的優(yōu)惠政策，調動(dòng)社會(huì )各界利用太陽(yáng)能產(chǎn)品的積極性。
文章作者：泰安市精致施工圖審查有限公司 孫建軍
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