太阳能在绿色建筑中的一体化应用

李 丹

(1.浙江省建筑安装技术学校，浙江 杭州 310022；2.浙江省建筑安装高级技工学校，浙江 杭州 310022）

0 引言

近年来在国家可再生能源战略背景下，以及国家的节能减排的推动下，太阳能作为永不枯竭的干净能源，是21世纪人类可期待的最有希望的能源之一。而太阳能在建筑中的应用又是现阶段太阳能应用最具发展潜力的实用领域。绿色建筑为满足居住者的舒适要求和使用需要，应具备供暖、空调、热水供应、供电(包括照明、电器)等一系列功能。太阳能建筑应用领域的科研、技术、产品开发和工程应用的总体目标，就是用太阳能代替常规能源来满足建筑物的上述功能要求。随着世界太阳能技术水平的不断提高和进步，严格意义上的太阳能建筑，应能利用太阳能满足房屋居住者舒适水平和使用功能所需的大部分能源供应，即达到太阳能在建筑中的综合利用。而整合设计不到位阻碍了太阳能与建筑一体化的发展。许多太阳能构件是附加在已建好的建筑外面，与建筑本体结合不好，破坏了建筑立面的美观，也降低了太阳能建筑的能效。因此，将太阳能被动式应用与主动式应用结合起来使用，与建筑进行一体化设计是太阳能建筑的重中之重，将达到较好的节能和使用效果。

1 被动式太阳能建筑

1.1 被动式太阳房的基本原理

被动式太阳房的定义是不用机械动力而是建筑物本身采取一定措施，利用太阳能进行冬季采暖的房屋。被动式太阳能采暖建筑是不需要专门的集热器、热交换器、水泵等设备，只是通过建筑朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理以及材料和结构与构造的恰当选择，使其在冬季能集取、保持、储存和分配太阳热能，夏季能遮蔽太阳辐射，散逸室内热量，达到采暖和降温的目的，适度解决建筑物的热舒适问题。运用被动式太阳能采暖原理建造的房屋称为被动式采暖太阳房。

1.2 被动式太阳房的常用类型

被动式太阳房的采暖方式主要有以下三种：

（1）直接受益式太阳房（见图1）

太阳光穿过透光材料直接进入室内的采暖形式。白天，阳光透过南窗直接投入房屋室内，由室内的地面、墙面和家具吸收变成热能后经由热对流和辐射对室内空间进行加热采暖，同时蓄热。夜间，当室外和房间温度下降时，地面、墙面和家具蓄存的热量通过辐射、对流和传导被释放出来。直接受益方式中，房屋本身成了一个包括有太阳能集热器、蓄热器和分配器的集合体。这种太阳能采暖方式最直接、简单、效率也较高，但是当夜间无日照时而建筑保温和蓄热性能又较差时，室温降温快，温度波幅大。

图1 直接受益式太阳房

图2 集热蓄热墙被动式太阳房

（2）集热蓄热墙被动式太阳房(见图2)

集热蓄热墙式是间接受益式被动式太阳房的一种。在南向墙体前加透光面就可组成集热蓄热墙，此墙体宜采用具有一定蓄热能力的混凝土或砖砌体，又名“特朗勃墙”(Trom—beWail)，透光面与墙体之间留有空气间层，厚度在60～100mm间为宜。集热蓄热墙的工作原理是当阳光投射到蓄热墙表面被吸收转换为热能，通过传导把热量传到墙内一侧，再以对流和辐射方式向室内供热。另外，墙体也可开上下通风口，其工作原理是：冬季，在玻璃和墙体的夹层中，被加热的空气上升，由墙上部的通气孔向室内送热，而室内的冷空气则由墙下部的通气孔进入夹层，如此形成向室内输送热风的对流循环，在夜间则需关闭上下风口，以防止逆循环；夏季，关闭墙上部的通风孔，室内热空气随设在外墙上部的排气孔排出，使室内得到通风，达到降温的效果。

（3）附加阳光间式（见图 3）

图3 附加阳光间式

实际上就是在房屋主体南面附加的一个玻璃温室。从某种意义上说，附加阳光间被动式太阳房是直接受益式(南向的温室)和集热蓄热墙式(后面带集热蓄热墙的房间)的组合形式。该集热蓄热墙将附加阳光间与房屋主体隔开，墙上一般开设有门、窗或通风口。

1.3 被动式技术与建筑功能的一体化

通常，被动式太阳能集热部件与房屋结构合为一体，作为围护结构的一部分。这样既可达到利用太阳能的目的，又可作为房屋总体结构中的一个组成部分而发挥它的多功能作用。对于跟建筑功能相似，或者同建筑构件相似的被动式太阳能构件，可以将其“建筑化”使其与建筑本体融合或将建筑构件改造。如将南向的窗户面积加大或做成落地式大玻璃，形成直接受益窗；将南向阳台改造，加上玻璃罩，变成附加阳光间（见图4、图5），形成温室效应；外围护结构的墙体可以采用蓄热材料，白天蓄热，晚上向室内释放热量等。

图4 附加阳光间与建筑一体化

图5 附加阳光间内部示意图

2 主动式太阳能建筑

2.1 主动式太阳能建筑的原理

主动式太阳能建筑利用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、蓄存及输配太阳能来控制和达到需要的室温。主动式太阳能建筑能够较好地满足住户的生活要求，可以保证室内采暖和供应热水的要求，甚至可以达到制冷空调的目的。是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由热媒将热量送入建筑物内的建筑形式。它对太阳能的利用效率高，不仅可以采暖、供热水，还可以供冷，而且室内温度稳定舒适，日波动小。

2.2 主动式太阳能与建筑功能的一体化

图6 主动式太阳能与建筑结合

对于以附加形式附着在建筑本体上的被动式构件，根据其使用原理与安装的部位，可以考虑将其与建筑构件结合进行嵌套设计，使其成为建筑的构件，完成形式上的一体化。集热器应在安装部位、造型、材质、色彩等方面与建筑整体及周围环境相协调。应该根据集热器的形式、安装面积、尺寸大小进行细部设计，确定在建筑上的安装位置和安装方式。布置在建筑屋面（见图6）、墙体、阳台或其他位置的集热器与建筑共同构成围护结构时，应与建筑整体构造有机结合。如在阳台安装的集热器可考虑综合利用阳台栏板的功能，与楼房阳台结合为一体，形成多功能建筑构件，实现太阳集热器和建筑的完美结合，且能最大限度地利用太阳光照，满足多种形式的需求。

3 结语

太阳能建筑一体化技术，就是要使太阳能技术与建筑技术充分结合并实现整体外观和设备功能的统一，以及与周围环境的和谐一致。既利用了被动太阳能、又设置了太阳能主动供热采暖系统，基本依靠太阳能提供建筑物所需采暖负荷的太阳能建筑在我国的应用较少，发展比较缓慢，目前还很少有主、被动结合太阳能供热采暖建筑建成。究其原因，主要是建设成本较高、投资较大以及我国城市绝大多数为多层和高层建筑，可采用的被动太阳能设计形式受到限制，设置主动式太阳能供热采暖系统的外围护面积不够，与国外大多为别墅型住宅的条件差异很大。但随着我国经济发展水平的提高，被动与主动相结合的太阳能与建筑一体化的绿色建筑是未来的发展方向。

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