摘 要：太陽能儲(chǔ)量巨大，分布廣泛，清潔安全，結(jié)合本設(shè)計(jì)要求，在此次設(shè)計(jì)中充分考慮利用太陽能及太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，在屋面、窗戶及墻面進(jìn)行了太陽能應(yīng)用的初步研究，倡導(dǎo)綠色低碳的建筑設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：太陽能；綠色；低碳；建筑設(shè)計(jì)

Abstract:solar energy is enormously reserved，widespread，safe and clean.Unifies this design requirements， The full consideration bends down the power technology in this design using the solar energy and the solar energy light， In the roofing， the window and the wall surface have conducted the solar energy application preliminary study，Initiative green low-carbon architectural design research.

Keywords:solar energy；green；lowcarbon；architectural design

中圖分類號(hào)：TU241.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0422（2012）07-0105-03

1 緒論

近年來，隨著節(jié)能減碳問題的日益緊迫和“可持續(xù)發(fā)展”理念在國(guó)內(nèi)的推廣，綠色低碳建筑設(shè)計(jì)越來越引起我國(guó)廣大建筑工作者的重視；而太陽能作為一種儲(chǔ)量巨大，分布廣泛，清潔安全的新能源，已經(jīng)在世界范圍引起了廣泛的重視。太陽輻射到達(dá)地球表面的能量高達(dá)4×10兆MW，約為全球能耗的2000倍。許多發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的建筑節(jié)能理念、技術(shù)、材料，以及應(yīng)用成果被介紹到國(guó)內(nèi)，向人們展示了通過優(yōu)秀設(shè)計(jì)和高新科技相結(jié)合所創(chuàng)造的優(yōu)雅、舒適且節(jié)能環(huán)保的新型建筑發(fā)展前景。在德國(guó)的弗賴堡，大多數(shù)的建筑已改造為可持續(xù)建筑，并且大量應(yīng)用太陽能等可再生能源，最為著名的是有“太陽能建筑大師” 之稱的德國(guó)建設(shè)師羅爾夫·迪許在l995年建造的第一座太陽能屋，太陽能屋名為“向日葵”，獨(dú)特之處在于它能隨太陽緩慢自轉(zhuǎn)并發(fā)電，而每天的用電量只有自發(fā)電量的六分之一，太陽能屋融合了現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)和傳統(tǒng)建筑技巧，被稱為太陽能建筑經(jīng)典。

目前太陽能的主要利用方式有：太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、太陽能制氫、太陽能煙囪、太陽能制冷、太陽能熱水器等，其中太陽能光伏利用技術(shù)已經(jīng)日益成熟，從光伏電站到太陽能路燈、太陽能玻璃幕墻等；太陽能光伏技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

圖1

圖2

圖3

2 綠色低碳建筑設(shè)計(jì)中的太陽能應(yīng)用

太陽能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用的范圍很廣，人類有意識(shí)地在建筑中應(yīng)用太陽能已有很久遠(yuǎn)的歷史，人們總是選擇在日照豐富的地方營(yíng)造舒適的建筑環(huán)境。根據(jù)整體的設(shè)計(jì)原則，建造完善的太陽能生態(tài)建筑需要各專業(yè)的配合，從結(jié)構(gòu)、設(shè)備、建筑物理、建筑材料等學(xué)科的通力協(xié)作才能得以實(shí)現(xiàn)。在太陽能建筑設(shè)計(jì)中，建筑師設(shè)計(jì)起著統(tǒng)領(lǐng)作用，協(xié)調(diào)各專業(yè)，發(fā)揮自身特長(zhǎng)，將建筑設(shè)計(jì)與太陽能應(yīng)用技術(shù)巧妙而有機(jī)地結(jié)合起來；應(yīng)用太陽能技術(shù)的建筑和城市規(guī)劃可以在美學(xué)、技術(shù)、功能上達(dá)到最完美的平衡，形成較完善的生態(tài)建筑體系。

而應(yīng)用太陽能技術(shù)的建筑常常被分為主動(dòng)式太陽能建筑和被動(dòng)式太陽能建筑：

2.1在主動(dòng)式太陽能建筑中發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)的作用

主動(dòng)式太陽能建筑通過集熱設(shè)備獲取、儲(chǔ)存和利用太陽能。然后由熱媒將熱量傳入建筑物內(nèi)分配使用。它對(duì)太陽能的利用率高、功率大，便于控制，但是需要一定的設(shè)備投入并占用一定的室外空間。由此.與太陽能應(yīng)用相關(guān)的許多技術(shù)都可以應(yīng)用在主動(dòng)式太陽能建筑中。例如太陽能集熱器、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、自然采光、光化學(xué)制氫等。這些復(fù)雜的設(shè)備設(shè)計(jì)超出了建筑師的工作范圍，但是具備生態(tài)與整合觀念的建筑師可以結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、形體、色彩、材料，考慮并調(diào)整它們與太陽能設(shè)備的關(guān)系，使建筑的外觀更加豐富多彩，達(dá)到最好的綜合效果。

在設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用這些設(shè)計(jì)手法的太陽能建筑，在滿足節(jié)能、節(jié)約資源耗費(fèi)的生態(tài)建筑要求的同時(shí)，還可以通過為住戶營(yíng)造在美學(xué)上賞心悅目的建筑外環(huán)境來體現(xiàn)生態(tài)建筑“與建筑環(huán)境相協(xié)調(diào)”、“滿足用戶要求”的原則。

2.2在被動(dòng)式太陽能建筑中發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)的作用

在被動(dòng)式太陽能建筑中應(yīng)用太陽能技術(shù)，可以使建筑師找到更廣闊用武之地。被動(dòng)式太陽能建筑通常不依靠任何機(jī)械手段，通過調(diào)整建筑的朝向，選擇適當(dāng)?shù)慕ㄖ牧希擅钐幚斫ㄖ目臻g和形體，進(jìn)行合理的建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)等手段使建筑物自然地應(yīng)用太陽能供暖、采光并維持建筑的能耗；因此建筑師有充分的空間可以發(fā)揮自己的專長(zhǎng)。合理而有效地安排建筑空間、形體，并利用高效率的技術(shù)滿足同樣的功能需要，可以應(yīng)用的手段有：

2.2.1通過調(diào)整建筑的形體安排建筑的朝向、采光不同建筑的形體對(duì)陽光利用效果不同，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的建筑形式與外觀。例如，朝南傾斜的三角形體量有利于充分吸收太陽能：采用立方體等體型系數(shù)較小的形式可以減少冬季熱散失。為了最大限度吸收太陽熱輻射，可以安排建筑在東南和西南暴露盡可能大的面積，以對(duì)角線為南北方向放置。太陽能建筑由于采用了一定的特定技術(shù)，而在形式表現(xiàn)方面受到較大的限制，往往具有呆板的幾何形狀，缺乏表現(xiàn)力，在建筑設(shè)計(jì)上可以采用比例和諧優(yōu)美纖長(zhǎng)的形式。南向立面的展開意味著吸收太陽能輻射面積能夠增加很多，在這種情況下，根據(jù)不同的形體需要，更加需要建筑設(shè)計(jì)師用創(chuàng)意的大腦和專業(yè)的技術(shù)知識(shí)來解決問題。

2.2.2設(shè)計(jì)美觀大方的毗連溫室附加陽光房是一種多功能的房間，可以讓人在寒冷的季節(jié)有置身于大自然的感覺，同時(shí)它也是為毗連的房間供熱的一種有效設(shè)施。在建筑設(shè)計(jì)中可以設(shè)計(jì)美觀大方的陽光間，并合理劃分陽光間與其毗鄰房間的功能。如坡頂部分加設(shè)傾斜玻璃，在形式上追求了變化的同時(shí)大大增加了集熱量；還可以在陽光房種植植物，作為休息、娛樂空間；為陽光間附加保溫、隔熱設(shè)施，讓它一年四季都做為宜人的空間。

2.2.3通過建筑設(shè)計(jì)手段形成自然通風(fēng)，太陽能在建筑中的應(yīng)用不但要在冬季保溫隔熱，還要在夏季達(dá)到防暑降溫的效果；以體現(xiàn)綠色建筑“設(shè)計(jì)結(jié)合氣候”的原則。

在一般地區(qū)的炎熱季節(jié)，設(shè)計(jì)以水院和綠蔭為中心的建筑空間；由熱壓力差形成的空氣運(yùn)動(dòng)將干熱空氣引入封閉庭院，掠過水體和綠茵，得到良好的降溫、加濕和凈化，由此使庭院和室內(nèi)環(huán)境涼爽而適宜。在多風(fēng)少雨的高海拔干熱地區(qū)，設(shè)計(jì)風(fēng)管、地下室和綠化庭院，風(fēng)壓造成空氣在風(fēng)管、地下室和綠化庭院中的流動(dòng)和調(diào)節(jié)，可以創(chuàng)造舒適的微氣候，增加庭院戶外活動(dòng)的吸引力。

2.3太陽能對(duì)于城市規(guī)劃與城市設(shè)計(jì)中的深遠(yuǎn)意義

太陽能設(shè)計(jì)應(yīng)用在城市規(guī)劃中，只有考慮節(jié)能和建筑密度的問題，才能在城市建設(shè)中充分發(fā)揮場(chǎng)地和當(dāng)?shù)厝照諚l件的優(yōu)勢(shì)；因?yàn)榻ㄖ芏汝P(guān)系到生活環(huán)境的優(yōu)劣，并影響到建筑日照間距的要求。在居住區(qū)規(guī)劃中，每種住宅平面因素對(duì)住宅建筑密度和太陽能都會(huì)產(chǎn)成不同的影響，地面反射對(duì)建筑立面的有效影響通過朝向、場(chǎng)地坡度和單元長(zhǎng)寬比表現(xiàn)出來。因此當(dāng)建筑密度增加時(shí)，由于建筑物的遮擋，要使每個(gè)居住單元都獲得充足的陽光就比較困難。

在城市設(shè)計(jì)中。應(yīng)當(dāng)具備全面整體的設(shè)計(jì)觀念。在設(shè)計(jì)工作中將太陽能應(yīng)用技術(shù)納入整體考慮，在不同的設(shè)計(jì)條件下靈活應(yīng)用。例如在住宅新區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中。通過電業(yè)系統(tǒng)為整個(gè)住區(qū)安裝與建筑屋面結(jié)合的，大功率光電PV系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光電PV系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化及屋面PV系統(tǒng)的預(yù)制化。

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

在綠色生態(tài)設(shè)計(jì)原則中，“系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀”是一條重要的原則。全面系統(tǒng)地分析解決問題變得越來越重要，爭(zhēng)取在城市建筑、住宅開發(fā)、開敞公共空間、基礎(chǔ)設(shè)施等方面形成應(yīng)用太陽能技術(shù)的生態(tài)綜合體，將太陽能整體納入到城市設(shè)計(jì)中應(yīng)該成為未來的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)主題。建筑在人類生活中占有極重要的地位，回顧人類的建筑史，從最初的遮風(fēng)避雨之所到今天的智能化建筑，人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代文明帶來快樂和舒服的同時(shí)，能源危機(jī)、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等等，加劇了人與自然的矛盾，威脅著人類的生存和發(fā)展。全球范圍內(nèi)的環(huán)境保護(hù)運(yùn)動(dòng)蓬勃發(fā)展，人與自然和協(xié)共處的“綠色革命”風(fēng)靡全球，“生態(tài)城市”、“低碳建筑”“生態(tài)家居”也應(yīng)時(shí)代潮流被提了出來。各國(guó)的建筑節(jié)能工作在不斷的探索，這是全世界能源事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)。

雖然并不是所有應(yīng)用太陽能技術(shù)的建筑都可以被稱為“綠色低碳建筑”。但是設(shè)計(jì)合理的太陽能建筑很容易滿足“綠色低碳建筑”應(yīng)具備的基本原則：

降低建筑能耗——太陽能建筑無疑能節(jié)約常規(guī)能源消耗，它的能量來源是源源不斷傳輸?shù)降厍蛏系奶柲?。通過建筑設(shè)計(jì)手段使建筑自身應(yīng)用太陽能采光、供暖同時(shí)維持建筑的能耗；或者憑借一定的設(shè)備來儲(chǔ)熱、發(fā)電并用以滿足用戶的居住需要。

節(jié)約資源消耗——太陽能建筑的結(jié)構(gòu)、材料可以成為環(huán)境循環(huán)系統(tǒng)的一部分，促進(jìn)能源材料的循環(huán)利用，避免某些人工調(diào)節(jié)的手段必然帶來的對(duì)天然建材、生態(tài)環(huán)境的破壞。

尊重基地環(huán)境——太陽能是一種無污染的能源，太陽能建筑自身的運(yùn)營(yíng)、能耗不會(huì)產(chǎn)生對(duì)周圍環(huán)境的破壞，在能源利用的方面充分顧及基地環(huán)境。

滿足用戶的要求——充足日照對(duì)人體可以產(chǎn)生直接作用，在滿足人類對(duì)陽光與生俱來的親和性的同時(shí).還可以滿足人的健康需求并給人以能量。與之相反，人工控制下不間斷的建筑室內(nèi)氣候，卻始終無法給人們帶來陽光所營(yíng)造的舒適度和美感。

設(shè)計(jì)結(jié)合氣候——太陽能建筑的設(shè)計(jì)建造必然是結(jié)合建筑所在場(chǎng)地氣候的，因?yàn)橐荒晁募尽滋旌鸵雇?、不同地點(diǎn)的氣候條件不同，太陽的輻射強(qiáng)度也不同，想要充分地利用太陽能必須結(jié)合當(dāng)?shù)厝照諚l件。比如在夏季或炎熱地區(qū)，以通風(fēng)、遮陽的方式建造“自然冷房”做到隔熱與室內(nèi)溫度的自然冷卻，在寒冷地區(qū)或冬季，利用自然的方式或設(shè)備把太陽能導(dǎo)人室內(nèi)，并使之得以保持，形成“自然暖房”。

整體的設(shè)計(jì)觀——雖然現(xiàn)在很難發(fā)現(xiàn)有建筑將這些原則綜合運(yùn)用到一項(xiàng)設(shè)計(jì)中去，但是對(duì)于太陽能建筑來說，將這些綠色原則相對(duì)于環(huán)境被當(dāng)作一個(gè)整體來實(shí)施是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

太陽能是清潔的可再生能源，光伏發(fā)電是未來可再生能源利用的重要領(lǐng)域，是國(guó)家鼓勵(lì)積極發(fā)展的新能源，目前，在國(guó)內(nèi)的大城市中，眾多的建筑、鐵路、工廠等都已采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。

在具體應(yīng)用中，晶體硅太陽能電池組件技術(shù)成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，故障率極低，運(yùn)行維護(hù)最為簡(jiǎn)單。在單晶硅電池和多晶電池選擇上，單晶硅電池組件的發(fā)電效率比多晶硅組件稍高約10%，多晶硅電池組件的價(jià)格要比單晶硅低約10%;從目前市場(chǎng)的生產(chǎn)規(guī)模來看，多晶硅電池組件要比單晶硅大，本設(shè)計(jì)擬選用單塊峰值功率為280Wp的多晶硅太陽能電池板，設(shè)計(jì)使用壽命為25年。光伏發(fā)電是一種清潔能源，運(yùn)行過程中既不消耗資源，同時(shí)也不釋放污染物、廢料，不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，有利于保護(hù)周圍環(huán)境。

圖10

圖11

圖12

3 結(jié)語

在國(guó)內(nèi)，北京奧運(yùn)村采用了6000m2的太陽能熱水系統(tǒng)，其技術(shù)先進(jìn)程度，為歷屆奧運(yùn)會(huì)之最。而當(dāng)今的中國(guó)正處于快速發(fā)展時(shí)期，年新增建筑量世界排名第一，被形象地稱為“世界最大的建筑工地”，但在現(xiàn)有的建筑中，95%屬于高能耗、高物耗建筑，新建建筑只有15%~20%執(zhí)行了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，隨著建筑物采暖和制冷面積的不斷擴(kuò)大，建筑能耗不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗和建筑物的能耗占全國(guó)總能耗的30%左右。資源消耗劇增、環(huán)境污染惡化的現(xiàn)實(shí)，更有力地證明了傳統(tǒng)的工業(yè)化和城市化道路在中國(guó)是難以長(zhǎng)期為繼的，必須通過有效措施對(duì)現(xiàn)有狀況加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約設(shè)計(jì)，在建筑中大力推廣應(yīng)用建筑節(jié)能新技術(shù)、新材料、新工藝包括太陽能、風(fēng)能等多種新型清潔能源的開發(fā)利用，不斷提高對(duì)于節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用等新課題的研究，以達(dá)到建筑與周圍環(huán)境和諧共存。一幢太陽能建筑與一幢普通建筑相比，從理論上講可節(jié)約用電50%，推廣應(yīng)用建筑節(jié)能新技術(shù)、新材料、新工藝將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

應(yīng)用太陽能技術(shù)是綠色低碳建筑的必然選擇；在可再生的能源中，太陽能有明顯優(yōu)越性，它取之不盡、用之不竭，無任何污染。而我國(guó)陸地表面每年接受的太陽能在建筑中的應(yīng)用前景十分廣闊。如果對(duì)太陽能進(jìn)行全面的開發(fā)利用，可以從多角度為人類造福，為人們創(chuàng)造更好的生活質(zhì)量。因此，在建筑設(shè)計(jì)中加大對(duì)于太陽能的研究是綠色低碳建筑邁向可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙玉文.太陽能利用的發(fā)展概況和未來趨勢(shì).中國(guó)電力，2003，36(9).

[2]趙利勇.太陽能利用技術(shù)與發(fā)展.能源與環(huán)境，2007，04：55-58.

[3]劉偉.太陽能利用與可持續(xù)發(fā)展.中國(guó)能源，2005，27(2)：46-47.

[4]托馬斯·赫爾佐格，吳蔚.從太陽能設(shè)計(jì)到城市設(shè)計(jì).建筑學(xué)報(bào)，2000(1 2)

[5]謝空，白梅，鄧康.太陽能與建筑一體化設(shè)計(jì)體會(huì).工業(yè)建筑，2008(2).