严寒地区办公建筑太阳能技术应用研究

赵 晖

（长春工程学院建筑与设计学院，吉林 长春 130012）

伴随着中国综合国力的提升，各地公共建筑如雨后春笋般的涌现，鳞次栉比的高楼大厦确实给城市的风貌带来巨大的改观.但人类所依赖的石油、天然气、煤炭等矿物能源也以惊人的速度被消耗.［1－3］

太阳能作为一项古老而新兴的能源，具有其他传统矿物类能源所无法比拟的优势，太阳能技术已经在许多领域的应用上取得了长足的发展，在发达国家建筑领域的应用也有多年历史［4］.我国近几年太阳能技术在建筑上的应用也取得一定的成果，不过与发达国家相比还有很大的差距［5］.本文以办公类建筑为研究对象，结合翔实的数据信息和实态调研资料，归纳总结严寒地区办公建筑的能耗特征，结合办公建筑的功能特点，进一步探讨太阳能技术的应用方法及具体设计方案，以期为一线建筑设计人员提供设计依据.

1 太阳能技术在办公建筑设计中的应用

为了研究太阳的活动规律与公共建筑之间的关系，我们分别从建筑的总体布局与建筑单体2个方面加以分析.从建筑总体来看，建筑作为独立的使用对象，其所处的位置、形状、表面积的大小都会影响到太阳辐射量的接收；另一方面，办公建筑作为一种特殊的建筑类型其自身特有的功能要求也决定了其特有的建筑形式.如何将这2个方面的影响因素有效地结合在一起，发挥其双重效应是本文重点讨论的内容.

1.1 建筑的总体布局

不同的形式下的建筑布局吸收太阳辐射的差别较大.假定太阳辐射条件相同，利用计算机模拟软件，观测不同平面关系的建筑物，对比分析接收太阳辐射的特征及差异.我们使用的DOE模拟软件是近年比较成熟的由建筑师研发的仿真建筑设计技术，具有快速、高效、操作简单、测试结果可靠、直接的特点.

拟设条件：

（1）测试地点选择在具有北方寒地气候特征的长春地区；

（2）建筑布局选择板式、围合式、点式“L”式及“T”式不同风格的平面关系；

（3）点式采用开放式大空间办公模式，其他形式选用廊式组合关系，建筑栋深为14m；

（4）建筑面积设定10000m2；

（5）拟建地点为处于开放区域的独栋建筑.

1.2 建筑的选址要求

建筑的选址首先应考虑建筑与环境的关系，充分利用自然地形地貌，保护原有自然环境.选址应首先考虑当地的自然地形地貌，以“山南水北之阳”为选址原则，充分利用自然通风，避免布置在夏季主导风向阴影区内（如被山地或高大建筑物所遮挡）.

（1）充分考虑由于空气流动所造成的太阳辐射温度的变化，例如：呈“U”型布置的组团形式，其开口位置应面向主导风向.呈行列布置时，可将平面错开布置，或与主导风向成40°～50°偏角，有效地利用自然通风带走室内的热空气，有利于缓解建筑能耗（见图1）.

（2）低层建筑布置在主导风向迎风面的位置，利于接收夏季主导风.在区域规划时，采取北高南低的布置原则，更有利于获取充足的日照.处理建筑与环境关系上，由皮亚诺设计的澳大利亚吉巴欧文化中心便是一个典型的案例（见图2）.该建筑位于新喀里多尼亚岛的东部，当地气候炎热，四季多风.皮亚诺正是结合了当地传统的棚屋建筑形式，挖掘其与环境的亲和方式，结合当地的生态环境和气候特点，提取出“编织”的构筑模式.10个接近圆形的单体顺势展开，迎向海岛的主导风向，利用风压带动室内空气流动，并结合建筑技术处理，实现全面的被动自然通风，取得了良好的建筑节能效果.

图1 锯齿形建筑防热分析图

1.3 建筑体型系数的影响

（1）优化设计建筑外包面积指标

将丰富多样的建筑形体简化为单体长方体或几个长方体的组合，这一点从实际工程角度出发是可行的，进而分析实际构成因素，减少建筑表面积.

（2）建筑周长的影响

建筑体型系数与周长关系为

（1）式中：H为建筑的高度；S为建筑的基底面积；x为建筑的周长.假定在建筑高度和基底面积为定值的前提下，体型系数与周长间的变化关系体现为随着周长的变化，体型系数的差异较大，而建筑周长的变化往往是随着建筑平面的变化而产生的，因此，建筑设计时应尽量规则平面关系，减少周长.

（3）建筑总长的影响

（4）建筑栋深的影响

建筑栋深对体型系数的影响同上.

（5）建筑高度的影响

建筑体型系数与建筑高度关系为

（6）最佳的节能体型设计

通过对影响建筑节能体型系数的因素推导，发现仅依据其中的单一因子做定论是不够严谨的，必须综合考虑，确定最佳的节能体型.

式中：ma为建筑长度（m为长宽比，m≥1的有理数）；V为建筑的体积.

当建筑体积为定值时，建筑高度与体型系数呈现为一种几何曲线关系.而每条曲线的最低点即为与之相对应的最佳体型系数.

由此可见，在建筑的总体积为定值的前提下，每选择一个长宽比m，就有一个与之相对应的最佳节能体型存在.因此，依据理论公式推导，得出建设指导意见如下［7］：

（1）适当加大建筑栋深；

（2）选择规则的建筑平面形式；

（3）加大建筑体量.

通过对6种不同的平面形式的对比分析（见表1）：平面形式为圆形时，体型系数最小，以下依次为正方形、长方形及其他形式.随体型系数的增加，单位体积的传热量也相应增加.因此，在可能的情况下，选择近圆形或正方形的平面对建筑节能是最有利的.

表1 平面形式体型系数与耗热量比值（建筑高度16.8m，底面积500m2）

1.4 太阳能建筑体型系数的设计原则

不同的气候特征条件对不同的建筑形式的能耗将产生直接的影响.通过对建筑形式与体型系数的研究，我们针对建筑形式的控制，提出建设性意见，以达到节约能源的目的.而对于办公建筑太阳能的利用来讲，仅此是不够的，与太阳辐射特点还有直接的关系，因此，综合考虑相关因素得出如下原则：

（1）建筑造型设计的原则

太阳能建筑应具有鲜明的节能意识特征，设计初期就要引入节能观念，充分考虑建筑技术与太阳能技术的结合，体现太阳能技术建筑一体化特色，空间处理应避免过于分散、随意、过多的变化［7］.

（2）建筑形式组合的原则

建筑平面设计应与模数制相结合，尽量减少外墙面积.特别是高层及超高层建筑，由于自身体量较庞大，完全可以通过控制体型系数，为更好的利用太阳能发挥关键作用.

1.5 太阳能建筑构造设计方案

太阳能在建筑上的应用方式可分为被动式、主动式.其中被动式分为传统被动式和主动型被动式.以长春地区太阳能建筑的发展研究现状考虑，被动式太阳能利用方案可有效结合地域气候特征展开，建筑师可通过建筑朝向、体型、内部空间及特定的建筑构造方案实现被动式的采暖降温.基本集热方式分为直接受益窗、集热蓄热墙、附加阳光间、对流环路式、水蓄热屋顶.其中直接受益窗和附加阳光间技术简单，效果显著，而且与建筑设计结合紧密.针对长春地区冬季采暖特点，完全依靠太阳能作为冬季采暖的方式短期实现有一定的困难，但作为辅助采暖措施还是切实可行的，因此，本文重点对太阳能辅助采暖供热方案进行了设计研究（见图3）.

图3 太阳能辐射地板原理及构造示意图

采用太阳能低温辐射地板作为辅助采暖措施，长春地区现阶段采用地热采暖的方式非常普遍，因此，在阳光充足的时候采用太阳能集热器为地板辐射提供热量，在采暖用热不足的情况下，利用城市集中供热系统或电加热的方式加热，力争太阳能辅助供热系统供热量可占传统供热量的10%～20%为本研究的目标.

2 结束语

本文研究工作中实地调研现有的办公建筑获得大量的第一手资料，通过总结分析得出困扰严寒地区办公建筑节能降耗的关键问题，并针对问题展开研究，寻求利用太阳能技术解决办公建筑高能耗的途径和方法.针对性的提出严寒地域特性的办公建筑太阳能技术应用方案，得到的研究成果归纳如下：

（1）严寒地区办公建筑的节能设计指导方案，以冬季采暖为主，局部兼顾遮阳设计.

（2）太阳能的具体利用方式分为被动式、主动式2种方式.从我国目前的技术及经济现状出发，应优先考虑发展传统被动式、主动型被动式的太阳能应用技术，主动式利用作为太阳能应用的必然趋势.

（3）针对建筑围护结构及建筑构配件提出太阳能技术建筑一体化优化设计策略.

［1］安德雷.被动太阳能技术在建筑设计中的若干应用方法研究［D］.北京：清华大学，2007.

［2］JI J，YI H，PEI G，et al.Study of PV－trombone wall installed in a fenestrated room with heat storage［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27：1507－1515.

［3］ZHANG XIFENG.The heating effect of the additional solar house to classroom in the cold region——A case study of an elementary school［J］.Energy Procedia，2012（14）：1193－1198.

［4］周镇南.太阳能技术在德国建筑上的应用［M］.北京：清华大学出版社，2008：56－78.

［5］王艳红.太阳能热利用技术与建筑一体化［J］.能源技术，2010，31（1）：45－48.

［6］郑文晖.建筑节能气候设计方法研究 ［D］.杭州：浙江大学建筑工程学院，2003.

［7］张程，黄惟，郑新风.太阳能热水系统与高层住宅建筑一体化设计实例解析——以“景城御琴湾”小区为例［J］.华中建筑，2010（4）：75－78.