[科普中國(guó)]-太陽(yáng)能建筑

簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能建筑應(yīng)用的目標(biāo)是利用太陽(yáng)能來(lái)滿足建筑物的用能需求，包括供暖、空調(diào)、生活熱水、照明、家用電器等方面的能源供給。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)不同，太陽(yáng)能建筑應(yīng)用可以分為熱利用技術(shù)的建筑應(yīng)用和光伏技術(shù)建筑應(yīng)用2大類，每一類技術(shù)根據(jù)其技術(shù)內(nèi)容不同又可進(jìn)一步細(xì)分。受技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)性等因素的影響，每種技術(shù)的發(fā)展歷史、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)支撐情況都不盡相同。技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的差異決定了太陽(yáng)能在建筑中應(yīng)用水平和規(guī)模的不同。目前，部分技術(shù)如太陽(yáng)能熱水技術(shù)，在我國(guó)已開(kāi)始進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，但太陽(yáng)能建筑應(yīng)用在綜合利用、一體化建設(shè)等方面還有許多問(wèn)題需要解決和完善。2

發(fā)展歷史利用太陽(yáng)輻射加熱房屋，從人類第一次建造住宅就已經(jīng)開(kāi)始了，公元前 4世紀(jì)，古希臘科學(xué)家亞里士多德(
Aristotle)就曾經(jīng)提出房屋“北面窗戶要小，南面窗戶要大，并且要有水平伸出的檐，冬季暖和，夏天可以遮陽(yáng)”。最早的有記載的被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖試驗(yàn)是美國(guó)馬薩諸塞州的摩爾斯(E．S．Morse)教授于1881 年使用“表面涂黑的，瓦裝在玻璃下面，玻璃固定在房子向陽(yáng)的一面，墻上有孔，整個(gè)設(shè)計(jì)使得房間里的冷空氣從瓦的下邊排出房間，然后在玻璃與瓦之間被加熱上升的空氣在頂部重新壓迫進(jìn)入房間”。1

分類學(xué)術(shù)界把太陽(yáng)能建筑按其有無(wú)機(jī)械動(dòng)力分為主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑和被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑兩大類。但是由于太陽(yáng)輻射具有時(shí)空不連續(xù)性的特點(diǎn)，為了獲取舒適穩(wěn)定的室內(nèi)熱環(huán)境，通常在建筑中需要同時(shí)使用被動(dòng)式和主動(dòng)式太陽(yáng)能聯(lián)合的方式甚至添加輔助能源。1

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑的供熱系統(tǒng)一般由集熱、儲(chǔ)熱、散熱部件、循環(huán)管道設(shè)備及控制系統(tǒng)組成。它是一種通過(guò)高效集熱裝置——太陽(yáng)能集熱器來(lái)收集獲取太陽(yáng)能，并與風(fēng)機(jī)或泵、管道、末端散熱設(shè)備及儲(chǔ)熱裝置等組成的強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)或者與吸收式制冷機(jī)組成的太陽(yáng)能空調(diào)及供熱系統(tǒng)。它對(duì)太陽(yáng)能的利用效率高，不僅可以供熱、供熱水、還可以供冷，而且室內(nèi)溫度穩(wěn)定舒適，日波動(dòng)小，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、功率大、使用方便、便于控制，在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用非常廣泛。但因?yàn)樗嬖谥O(shè)備復(fù)雜、先期投資偏高等缺點(diǎn)，因此，目前在我國(guó)還未得到大面積推廣。

主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)按傳熱介質(zhì)又可分為空氣循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和水、氣混合系統(tǒng)。

被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑是通過(guò)建筑朝向、平面布局及外部形態(tài)的合理布置、內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理、建筑構(gòu)造的合理設(shè)計(jì)、建筑材料的合理選擇，使得其以自然運(yùn)行的方式獲取、儲(chǔ)存和利用太陽(yáng)能的一類建筑。被動(dòng)式太陽(yáng)房不需借助風(fēng)機(jī)、泵和復(fù)雜的控制系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行收集、貯藏和再分配。窗、墻、樓板等建筑的基本要素，除滿足傳統(tǒng)的建筑功能需要（圍護(hù)和支撐作用）外，還負(fù)擔(dān)著熱能的貯存和釋放作用。一座建筑的各個(gè)組成部分同時(shí)要滿足建筑學(xué)的、結(jié)構(gòu)的和能量的三方面需求。每一個(gè)被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)至少要有兩個(gè)構(gòu)成要素：朝南向的玻璃集熱器和通常由砌塊、巖石或水等保溫材料組成的能量?jī)?chǔ)存構(gòu)件。

被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑又可分為：

1.直接收益式

在房屋的朝陽(yáng)面設(shè)置大面積雙層玻璃窗，利用室內(nèi)的地面和墻體，作為蓄熱體吸收太陽(yáng)能。蓄熱體可用混凝土、磚、石等材料，表面最好用深色。白天蓄熱，夜間利用所蓄熱能供暖。

2.水墻式

將朝陽(yáng)墻面做成裝水的墻體，墻外設(shè)玻璃幕墻，兩者之間留出空氣隔層。在冬季的白天，陽(yáng)光把水墻加熱後向室內(nèi)散熱﹔夜晚關(guān)閉活動(dòng)的隔熱保溫板，使已蓄熱的水墻能保證室內(nèi)熱量不致散失。夏季還可利用水墻作為隔熱墻之用，防止輻射熱入室。

3.蓄熱墻式

將朝陽(yáng)墻面做成厚重實(shí)墻，外涂黑色，外層設(shè)玻璃幕墻，兩者之間留出空氣隔層。實(shí)墻上留出適當(dāng)?shù)牟晒饷娣e，上、下留洞口。白天室內(nèi)的冷空氣通過(guò)下部洞口，進(jìn)入空氣隔層受熱上升，經(jīng)由上部洞口進(jìn)入室內(nèi)，如此形成對(duì)流循環(huán)，室內(nèi)溫度即可不斷提高。夜間將洞口關(guān)閉，并下簾幕，使室內(nèi)熱量不致散失。夏季開(kāi)啟厚墻和玻璃幕墻上的小窗，可通風(fēng)降溫。

4.太陽(yáng)溫室式

在房屋外部建一玻璃溫室，與室內(nèi)有洞口相通。白天太陽(yáng)將溫室加熱後，實(shí)墻已蓄熱，熱量即散入室內(nèi)。實(shí)墻也可設(shè)計(jì)成隔熱用的水墻。溫室也可以作為一個(gè)附加的、陽(yáng)光充足的空間，作為生活起居之用，可以種菜、栽花或作室內(nèi)綠化，但在夏季要有遮陽(yáng)措施。

5.屋頂水池式

在屋頂上用透明材料做成水袋或水池，上蓋活動(dòng)式隔熱保溫板。在冬季的白天，將保溫板拉開(kāi)，太陽(yáng)將水加熱，夜間關(guān)閉保溫板。水有較大的熱容，可持續(xù)向室內(nèi)散熱。夏季的白天大部分陽(yáng)光被保溫板所反射，其馀被水吸收，水袋或水池起隔熱作用﹔夜間打開(kāi)保溫板，使之散熱、降溫。

組成結(jié)構(gòu)

1.集熱系統(tǒng)

即通過(guò)各種手段收集太陽(yáng)的輻射熱能。

主要方式：通過(guò)建筑構(gòu)件本身、附加獨(dú)立式集熱器（如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空氣集熱器等）。

2.蓄熱系統(tǒng)

即將集熱系統(tǒng)收集的熱能儲(chǔ)存起來(lái)的裝置系統(tǒng)。

主要方式有：

通過(guò)建筑構(gòu)件本身（簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)）；

水筒蓄熱系統(tǒng)，利用水的比熱大和可充分對(duì)流換熱原理；

卵石倉(cāng)蓄熱系統(tǒng)，利用熱空氣通過(guò)卵石縫隙將熱能傳遞給卵石達(dá)到蓄熱效果；

相變材料蓄熱系統(tǒng)，利用物質(zhì)固液狀態(tài)轉(zhuǎn)化中需要大量相變熱的原理；

利用地下土壤蓄熱系統(tǒng)（防空洞）。

3.分配系統(tǒng)

主要方式：自然散熱、板式散熱器、地板盤(pán)管、風(fēng)機(jī)對(duì)流、風(fēng)機(jī)循環(huán)、風(fēng)機(jī)空氣介質(zhì)輸送分配。

4.輔助熱源

根據(jù)蓄熱系統(tǒng)不同，輔助熱源不同

利用建筑構(gòu)件本身蓄熱時(shí)，幾乎可用任何方式輔助供熱。

水體蓄熱，采用鍋爐、電、天然氣；

卵石倉(cāng)蓄熱和相變材料蓄熱時(shí)，采用空氣加熱器；

5.控制系統(tǒng)

基本為自動(dòng)控制，利用恒溫器和儀表盤(pán)，保持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。3

原理主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑靠常能(泵、鼓風(fēng)機(jī))運(yùn)行的系統(tǒng)，由集熱器、蓄熱器、收集回路、分配回路組成，通過(guò)平板集熱器，以水為介質(zhì)收集太陽(yáng)熱。吸熱升溫的水，貯存於地下水柜內(nèi)，柜外圍以石塊，通過(guò)石塊將空氣加熱後送至室內(nèi)，用以供暖。如將蓄熱器埋於地層深處，把夏季過(guò)剩的熱能貯存起來(lái)，可供其他季節(jié)使用。

被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑用建筑物的一部分實(shí)體作為集熱器和貯熱器，利用傳熱介質(zhì)對(duì)流分配熱能的系統(tǒng)。被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)利用建筑材料的吸熱性、蓄熱性和傳熱介質(zhì)的對(duì)流收集熱能，貯存熱能，分配熱能。被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)在冬季吸收熱能作為供暖的熱源，在夏季把建筑物內(nèi)的熱量散發(fā)出去，作為調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的冷源。

代表性建筑由于太陽(yáng)能熱力系統(tǒng)的發(fā)展與建筑緊密相連，需有建筑業(yè)的大力支持與配合。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下不能完全依靠行政手段來(lái)強(qiáng)行推廣，我們必須通過(guò)努力，研發(fā)設(shè)計(jì)出令建筑商能主動(dòng)接受和配合的太陽(yáng)能熱力系統(tǒng)，或與建筑相結(jié)合的技術(shù)解決方案，讓太陽(yáng)能熱力系統(tǒng)成為建筑不可分割的一部分，以滿足與建筑相結(jié)合的需要。以下是世界各地令人驚嘆的太陽(yáng)能建筑一覽。

1、巨蛋辦公樓

位于印度孟買(mǎi)的蛋形辦公樓是一座令人印象深刻的可持續(xù)建筑。它利用了被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)，

能夠通過(guò)減少熱增益來(lái)調(diào)整建筑內(nèi)部的溫度。辦公樓由太陽(yáng)能電池板和屋頂?shù)娘L(fēng)力渦輪機(jī)提供能量，它甚至能夠獨(dú)立收集水分進(jìn)行花園灌溉。

2、弗萊堡太陽(yáng)能城市

居民建筑的屋頂是由設(shè)置成完美角度的光伏板構(gòu)成，但是它們也可以作為一個(gè)巨大的遮陽(yáng)傘。所以即使日照非常強(qiáng)烈的時(shí)候，下面的居民也能享受涼爽的溫度。

3、垂直村落

迪拜以其怪異的建筑風(fēng)格聞名于世，現(xiàn)在的最新趨勢(shì)是可持續(xù)設(shè)計(jì)。很少有設(shè)計(jì)樣本超越格拉夫特建筑事務(wù)所的建筑師建造的垂直村落。垂直村落設(shè)計(jì)的精髓在于，它如何在最大化收獲太陽(yáng)能的同時(shí)保持建筑物涼爽。

4、太陽(yáng)城大廈

這座驚人的太陽(yáng)能塔是專門(mén)為里約熱內(nèi)盧的2016年奧運(yùn)會(huì)設(shè)計(jì)的，它將被安裝在Cotunduba島上，而且將成為里約熱內(nèi)盧的標(biāo)志性建筑。它代表著里約熱內(nèi)盧為打造史上第一屆“零碳奧運(yùn)”所做出的努力。

5、高雄體育館

體育館通常都損耗大量的能量，而且通常被用作可持續(xù)建筑的反面典型。然而臺(tái)灣的這座龍型體育館是一個(gè)例外，它的電能100%由外側(cè)的太陽(yáng)能電池板提供。高雄的這座體育館足以為3300個(gè)照明燈和2個(gè)巨型顯示屏供電。

6、芝加哥太陽(yáng)能大廈

建筑師為芝加哥設(shè)計(jì)的這座大廈幾乎全部被太陽(yáng)追蹤太陽(yáng)能電池板所覆蓋，它們就像向日葵一樣追隨太陽(yáng)的移動(dòng)。這些太陽(yáng)能電池板經(jīng)過(guò)了精心安置，在為建筑遮陽(yáng)的同時(shí)不會(huì)影響人們的視野。4

中國(guó)的發(fā)展環(huán)境中國(guó)太陽(yáng)能建筑發(fā)展環(huán)境日趨良好。在中國(guó)，1998年5月29日簽署加入《京都議定書(shū)》，2006年12月1日批準(zhǔn)施行《可再生能源法》，2007年8月31日發(fā)布《中國(guó)可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，2008年4月1日正式實(shí)施《節(jié)約能源法》，2008年10月1日開(kāi)始實(shí)施《建筑節(jié)能條例》?！肮?jié)能減排”、“節(jié)能省地”成為建筑行業(yè)點(diǎn)擊率最高的詞語(yǔ)之一。這一切都在向人們昭示：中國(guó)的房屋建設(shè)及其能源問(wèn)題已成為中國(guó)社會(huì)的全局問(wèn)題，太陽(yáng)能建筑在中國(guó)的發(fā)展逐漸受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。5

江蘇、山東、河北、海南、云南等省，北京、上海、深圳、大連等市已經(jīng)在新建12層以下居住建筑以及辦公建筑、學(xué)校、醫(yī)院、賓館等公共建筑中開(kāi)始強(qiáng)制推行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，因此，應(yīng)用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)完全可以成為國(guó)家層面的建筑節(jié)能強(qiáng)制要求，從而讓50%或65%的建筑節(jié)能目標(biāo)包含更多的內(nèi)涵。6

在中國(guó)太陽(yáng)能與建筑一體化技術(shù)已基本成熟的條件下，太陽(yáng)能與建筑一體化是中國(guó)太陽(yáng)能利用行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。中國(guó)政府對(duì)CO2減排國(guó)際義務(wù)的承諾和科學(xué)發(fā)展觀的落實(shí)，以及不斷加強(qiáng)的建筑節(jié)能全民意識(shí)和日益成熟的房地產(chǎn)市場(chǎng)環(huán)境，促進(jìn)了建筑節(jié)能完整利益鏈與市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制的形成，為建筑利用太陽(yáng)能提供了良好機(jī)遇。可以肯定，未來(lái)的建筑市場(chǎng)將是節(jié)能減排的市場(chǎng)，太陽(yáng)能建筑將迎來(lái)快速發(fā)展的春天。