被动式太阳能建筑一体化设计

摘 要本文介绍了太阳能建筑在国内外应用现状,分析我国高能耗建筑原因及解决方法,提出被动式太阳能建筑是目前我国发展的重要方向,并对被动式太阳能建筑一体化设计方法进行了归纳分析.

关 键 词太阳能；被动式太阳能建筑；建筑节能

中图分类号TU3文献标识码A文章编号1674-6708（2013）101-0039-02

0引言

在当今社会,随着经济的不断发展,生活水平的不断提高,人们对舒适的建筑热环境的要求越来越高,也即建筑的“冬暖夏凉”标准要求更高,导致建筑采暖和空调的能耗日益增长,在西方发达国家建筑能耗已占全国总能耗的30%～40%,而我国目前建筑能耗约占社会总能耗的1/3,其中采暖、空调、通风的能耗占2/3以上,例如我国北方采暖城市居住面积只有全国城市居住面积的10%,建筑能耗却占到40%,气候温暖的南方地区,居住建筑空调耗能占较大比重,例如长江中下游地区空调器及热泵的发展已使该地区供电出现严重的需求紧张,空调耗电占该地区总电耗的30%.建筑高耗能不仅影响我国的能源供应安全,冬季燃煤产生的污染也已成为影响当地经济可持续发展和人民身体健康的重要污染源.建筑节能是当前急需要解决的问题.

1国内外太阳能建筑应用现状

在世界能源危机爆发后,新能源被列为各国重点发展方向.在建筑上充分利用太阳能成为时代新宠.从20世纪初到80年代,国内外的太阳能建筑由试验阶段纷纷进入应用阶段.美国太阳能建筑的发展极为迅速,无论是对太阳能建筑的研究、设计优化,还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用、以及真正形成商业运作的房地产开发,美国均处于世界领先地位,并在国内形成了完整的太阳能建筑产业化体系.欧洲已实行了《在建筑和城市规划中应用太阳能》的欧洲宪章,对城市、建筑环境、建筑材料及建设方式、建筑的使用等方面利用太阳能做了具体的规定,对规划师、建筑师提出了明确的要求.日本制定了“阳光计划”,大力推广太阳能建筑.考虑我国的社会经济发展水平,被动与主动相结合是太阳能建筑现实的发展方向.造价较低的被动式太阳房在国内成为首选.

2被动式太阳能建筑一体化设计意义

被动式太阳能建筑完全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、结构的恰当选择,集取、蓄存、分配太阳热能,从而得到冬暖夏凉的效果.其最大的优点在于不依靠外部能源而能实现自然调节.一体化设计是将太阳能利用技术与先进的建筑节能技术和节能产品等优化组合,使建筑可利用太阳能部分得以充分利用,同步规划设计、同步施工安装,将建筑材料与太阳能利用设施有效结合,把太阳能的利用纳入环境的总体设计,把建筑技术和美学融为一体.一体化设计应达到三个方面的要求：一是最大限度地获取热量、二是将热损失降到最小程度、三是适当的蓄热.

我国既有建筑近400亿m2,95%以上是高能耗建筑,目前我国每年城乡新建房屋建筑面积近20亿m2,其中80%以上为高耗能建筑,单位建筑面积采暖能耗相当于相同气候地区发达国家的2～3倍.一方面国家权威部门颁布一个又一个建筑节能标准；另一方面是高耗能建筑遍地都是,处于失控状态,原因在于各地政府对节能建筑推广力度不够,缺乏有效的技术支持和行政监管,对节能与绿色建筑尚未有效履行政府补贴.德国建筑师狄托马曾经说过,如果采用墙体遮阳,地板辐射等技术,中国现有建筑将至少减少80%的能耗,我国建筑节能潜力巨大,而造价较低的被动式太阳能建筑的普及推广,将有效地降低我国建筑能耗.

3被动式太阳能建筑一体化设计方法

被动式太阳能建筑设计思路：在寒冷冬季要做到建筑维护结构保温,在最大吸收太阳能辐射热的同时尽量降低维护结构热损失从面提高室内温度,在炎热的夏天要做到建筑维护结构隔热、在尽量减少吸收太阳能辐射热的同时尽量增加维护结构向外的散热量以低降室内温度.通过对建筑物大量热工分析,发现建筑维护结构耗能比例为：屋顶耗能占22%、外墙耗能占30%、地板耗能占15%、窗（热传导）耗能占20%、窗（渗透）耗能占13%.依此被动式太阳能建筑设计重点在建筑的屋顶、外墙、地板和窗户四大部分.

3.1屋顶部分进行被动式一体化设计方法

屋顶的设计要做到在高温季节吸收热量少,在寒冷季节热能散失少,从而实现对热的有效控制,降低室内制冷及供热量.屋顶的被动式设计应从采暖冷却、采光等方面来考虑.

1）采暖冷却方面：在寒冷地区尽量吸收太阳辐射热.屋顶安装涂有选择性吸收膜的不锈钢板,下部采用通风管道用供气风扇将吸收太阳辐射热的空气送入室内来采暖,屋顶采用性能优良的保温隔热防水材料,减少屋顶的散热.在炎热地区尽量散热.可在屋顶设置通风夹层,利用热压实现自然通风散热.在屋顶安装水池或种植植物可以起到保温隔热的效果；

2）在屋顶采光方面：对于大体量建筑将自然光从屋顶引入室内照明可减少照明用电量,德国国会大厦玻璃穹顶及法国海外档案中心的屋顶天窗系统是成功的案例,它们都是从屋顶引入阳光并对光线进行反射折射,使柔和的阳光进入室内.普通的做法是平屋顶上开天窗及在坡屋顶上垂直面上开天窗引入阳光照明,也可用光导设备引入自然光.

3.2墙体部分进行被动式一体化设计的方法

在节能建筑中,墙体的作用可以分为：墙体的热辐射反射和散热；隔热和保温；集热与蓄热三大方面.

1）在炎热地区遮阳技术的运用可有效降低太阳辐射得热从而降低空调制冷的耗电量.遮阳分为内置式遮阳和外置式遮阳,而外置遮阳可遮挡100%的太阳直射辐射,对散射辐射,反射辐射遮挡率也可大于70%,综合对太阳光总辐射的遮挡率可达85%以上.远强于室内遮阳；

2）在墙体保温隔热方面,一体化设计中通常会把两个方面结合起来互相配合以使设计的建筑具有更好的性能.采用新型绝热材料能提高墙体的保温隔热性能.外墙种植爬藤植物可起到隔热保温作用；3）在墙体的集热与蓄热方面,通常是应用于位于寒冷地区的建筑设计或冬季较冷地区建筑物上.被动式太阳能建筑原理就是南面最大获取太阳辐射热,最大限度降低其它面热损失,而中间部位要求蓄热能力强.设置阳光间可将太阳辐射加热的空气输送入室内,内墙地板可采用蓄热能力强的材料.

3.3地板部分进行被动式一体化设计方法

采用低温地板辐射供暖是最好的供暖方式之一.一种是利用太阳能加热的热空气循环到地板下面加热蓄热材料进行蓄热,通过地板向室内辐射进行采暖.另一种是利用太阳能加热的热水在地板下面的管道循环加热地板向室内辐射供暖.还有一种是采用相变地板或蓄热地板,通过太阳直接辐射加热地板蓄热,晚上再向室内散热供暖.在炎热地区,可以将建筑地板架空,利用太阳能烟囱效应将室外冷空气引入地板下部冷却地板向室内供冷,吸收室内热量的空气从建筑上部排出.

3.4窗户部分进行被动式一体化设计的方法

在隔热保温方面同其他构件相比,窗户的总传热系数最大,进出室内外热能也最多.提高窗户的保温隔热及密封性,对建筑节能有重大意义.目前基本上都是采用双层中空玻璃,其比单层透明玻璃可减少大约1/2的热散失,节能效果非常好.象法国的阿拉伯世界协会大厦采用可控窗户有效控制阳光及辐射热的进入量,日本的热感应隔热窗户可利用热压控制进出的热流量.

3.5建筑物其它方面进行被动式一体化设计的方法

建筑物表面积大,利于太阳辐射采暖,但热损失也大.北方寒冷地区建筑物采用半地下结构,散热面减小,比如陕北的窑洞.炎热地区采用高架式住宅,增大散热面积.建筑物的通风换气方面要考虑：风向、天窗或气窗设置、通风口的设置、中庭、采光井设置等,利用热压与风压来促使室内空气流动,达到通风换气的作用.建筑物的出入口门的开启与关闭时的缝隙产生的换气会造成热损失.一般伴随门的开关产生的换气量是门在关闭时由缝隙产生的换气量的2～3倍.所以要求门的设施要严密,尽量背着季节风的方向,如只能设在季节风方向上,应设置挡风设施.建筑物接受阳光照射的情况与地形地貌密切相关,基地应选择在向阳的平地或坡地上,以争取尽量多的日照.

4结论

太阳能建筑分主动式和被动式两种,主动式太阳能建筑主要是采用光伏发电技术和太阳能集热器供热技术.国家目前在大力推广小区统一安装太阳能热水器,光伏一体化建筑也得到了迅速发展.在设计建造主动式太阳能建筑的同时应该把被动式太阳能建筑中的一些技术措施结合进来,这符合我国节能建筑发展的方向.