太阳能技术在建筑设计中的应用

太阳能技术在建筑设计中的应用

引言

21世纪，人类面临着资源枯竭、环境恶化、生态破坏、气候变暖等一系列严峻问题，以及实现社会和经济可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下如何发展经济已成为全球的热点问题。在建筑领域中，以生态建筑为标志的“可持续发展运动”正是在这一背景下蓬勃兴起的。太阳能技术是生态建筑发展中的一个重要方向。因此，重视建筑节能，最大限度地利用太阳能等自然能源，是实现建筑、能源与环境的可持续发展的重要途径。

1.太阳能技术在国内发展情况

相对于西方发达国家而言，我国的太阳能建筑发展起步较晚。对于被动式太阳房建筑的发展：我国应用与研究始于20世纪70年代末。近20年来，被动式太阳房的研究工作在基础理论方面，通过对其传热机理的分析，建立了太阳房“热过程”的动态物理，数学模型，并据此编制了太阳房热能模拟软件；另外也形成了对太阳房舒适性和经济性的评价方法。当前我国的被动式太阳房开始进入普及阶段，主要是提高室内舒适度，将群体太阳能房转向太阳村，太阳城的发展。特别是在常规能源相对缺乏，经济相对落后，环境污染比较严重的西部地区发展速度更为迅速，有的地区年平均递增达15%。其中，兰州市实施了投资达4.28亿元的“阳光计划”等。目前我国已建成的太阳能建筑实例有：1991年12月建成的辽宁省营口市红海办事处的二道河村小学太阳房，其建筑朝向为南偏东10度，采用直接受益窗与新型集热墙相结合；另有大连后石小学太阳能教学楼，该太阳房首次采用定型生产的集热器，吸热板采用铝板，集热效果好。而且该建筑集热墙采用窗间墙供热，玻璃窗与墙体虚实相间，使人们感到协调。

2.太阳能被充分利用的必然性

现代工业革命开创了现代文明，然而它都是建立在大规模开采和使用化石燃料的基础上的。”石油是工业的血液，煤是工业的粮食”是这一现状的最好诠释。化石燃料作为不可再生能源，之前的大规模开采和使用，已使化石资源日益枯竭，它已逐渐不能满足日益增长的经济需求，还诱发了不少国家之间、区域之间的政治经济纠纷，甚至引起冲突和局部战争。虽然我国矿物能源资源的储量是比较丰富，然而人均能源资源只有世界人均能源资源的二分之一左右。从能源消费结构来看，我国是世界上最大的煤炭消费国，而根据大概的估计，我国的煤炭资源只能开采80年，而石油资源只能开采20年。

1997年我国正式成为了《京都议定书》签约国，但其影响和约束，限排压力很大。我国的火力发电，尤其是煤炭发电极大程度的受到了限制。随后我国也正式加入wto，我国的经济迎来了一个新的机遇，同时我国也正式步入了工业化中期，即重化工业阶段，其能源需求量和消耗量也将快速的增长。从环境保护方面来讲，化石能源的利用已造成了严重的环境污染，温室效应、酸雨等环境问题接踵而来，尤其是温室效应是全人类所面临的环境问题。为了可持续发展我们必须寻求新的可再生的绿色能源，太阳能作为自然界最丰富的洁净能源，而我国全年辐射总量为917—2333kw?h/m2，是世界上太阳能资源丰富的国家之一，因此太阳能是我国可再生能源的首选。

3.太阳能技术在建筑应用发展中存在的问题

3.1激励政策欠缺

强有力的激励政策是太阳能应用迅速发展的重要条件，而目前我国对新能源的管理主要是靠行政手段，缺乏强制性的法规内容和实施的具体细则，缺乏相应的经济激励措施以及行政监督手段，操作性不强[。在鼓励太阳能应用方面，急需相应的政策出台。只有不断推动太阳能建筑的应用，在激发生产者积极性的同时，刺激消费者的需求，这样才能实现太阳能建筑政策系统化，推动太阳能技术在建筑中的应用。

3.2太阳能与建筑有待一体化

太阳能建筑的生产、使用的各个环节，都需要政府严格把关，这对保证用户对新产品的信任方面极其重要。我国建筑业和太阳能技术两个行业之间几乎脱节，交流不够。建筑行业不甚了解太阳能行业的技术标准；太阳能行业也不太了解建筑行业的设计要求和房产建筑的供求信息。建筑行业缺乏精通太阳能技术的设计人才，太阳能行业也缺乏熟悉建筑规范的技术人员，双方各自发展，交流很少。这严重影响了太阳能建筑的发展。后续追加安装的太阳能系统，不但影响了建筑的美观，还可能会影响到建筑结构承重。

3.3节能意识需要加强

民众较高的节能环保意识是推动太阳能建筑发展的重要支撑。日本、荷兰等发达国家把消费太阳能当作一件很有意义的事，甚至愿意多出钱享受绿色能源，从而扩大了太阳能的应用市场，这值得我们学习。

4.太阳能技术在建筑中的应用措施

4.1太阳能热水系统技术

一般太阳能集热器，储热器设在多层建筑的屋顶，这样不影响或较少影响建筑造型，热水分配管路与土建配合，将各分户的上下冷热水管、辅助加热电线等设在管道井内。太阳能热水器就安装形式上来讲有两种。一种是住户自家安装，自己进行个体管理，这种方式在管理上比较方便，住户减少扯皮现象，但太阳能热水器在屋顶布置零散，影响美观。如果每户都设计安装，则由于房屋屋顶面积的有限，难以实现，而且也达不到美观和谐的要求。还有一种是以住宅单元为基准，一个住宅单元安装一个太阳能热水器供本单元10户或12户住户使用，每个单元的太阳能热水器系统独立，从本单元管道井内的给水立管上引入冷水管道，被热水器加热后的热水管道在管道井内分成10根或12根支管分别送入住户。

对于高层建筑可以在竖直墙面上安装直流式横向集热管和在阳台倾斜栏板上安装热管式或平板式集热器。集热器可单独悬挂于建筑物向阳的阳台或外墙窗口下方，水箱置于阳台地面或室内墙角，管道基本不在室外，冬季不怕冻结。由于独特的聚光专利技术，以及消除集热器表面落灰的方便条件，冬季水温比屋顶式高得多。

4.2太阳能空调技术

太阳能空调的实现方式主要有两种。一是先实现光-电转换，再用电力驱动常规压缩式制冷机或家用空调和电冰箱进行制冷。这种方式简单，适用于一般家庭使用。二是利用太阳的热能驱动吸收式和吸附式制冷机进行制冷，这种制冷方式技术要求高，但成本低、无噪音、无污染。常用的吸收式制冷机根据吸收剂的不同，分为氨-水吸收式制冷和溴化锂-水吸收式制冷两种。它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅

炉热水输入制冷机中制冷。由于造价、工艺、效率等方面的原因，采用这种技术的太阳能空调系统一般适用于设有中央空调的大型民用建筑。设计中由于吸收式制冷机组体积较大，一般设置在地下室，太阳能集热器设在屋顶或墙面，设计中要注意使太阳能空调设备与建筑外观融为一体，达到建筑整体和谐美观的要求。使用太阳能空调的结果，既创造了室内宜人的温度，又能降低大气的环境温度，还减弱了城市中的热岛效应。

4.3太阳能供电储能技术

在利用太阳能中，由于夜晚和阴雨天气得不到太阳辐射，需要考虑配备储能设备，供夜晚使用，或增设辅助热源，才能全天候应用。辅助热源一般根据业主的实际情况选用。从环境保护角度考虑，采用电能和天然气作为辅助热源较好。太阳能储能应用较多的是电能和热能的储存。热能储能最普遍，比如太阳能热水器的储热水箱。还有一种是应用较广的是电能储存，光-电直接转换方式是利用光伏效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池，富余的电能则用蓄电池组储存。

因为太阳能利用与集热板、太阳能电池采光板的位置，光照角度、强度直接相关，所以太阳能设备直接关系着民用建筑外观设计，建议在建筑方案设计之初就充分考虑太阳能系统方案的设计，最大程度利用太阳能资源和最大程度满足民用建筑设计要求。