太阳能住宅建筑一体化的设计研究

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  摘要:太阳能住宅建筑一体化设计,即将太阳能的产品及构件在建筑上的应用,并做到与建筑设计进行有机的结合,达到浑然一体的效果。本文对主动与被动太阳能的基本应用技术进行了简要介绍,针对不同的建筑类型进行分析研究,并针对太阳能建筑的一体化设计进行了结合。
  关键词:太阳能;住宅建筑;一体化;设计
  Residential building integrated design abstract: solar energy, the solar energy application in building products and components, and do it with organic combination of architectural design to achieve the effect of one integrated mass. In this paper, the basic application of active and passive solar energy technology has carried on the brief introduction and analysis for different building types, and focused on the integration of solar building design.
  Key words: solar energy; Residential building; Integration; design
  中图分类号:TU2文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  
  引言
  建造和使用太阳能住宅在冬季可减少部分采暖用煤,因而节省了燃料,减轻了对大气的污染。根据实际使用的结果推算,在中国北方地区,太阳能住宅建筑平均可节约燃煤量30kg/(m2·年)。因此,充分利用取之不尽的太阳能,对于改善建筑的居住条件、提高室内温度、节约常规能源、改善生态环境有着十分重要的意义。可以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,这个系统将达到较好的节能和使用效果。
  一、太阳能建筑一体化的基本概念
   所谓建筑与太阳能技术一体化不是简单的‘相加’,而是要通过‘相加’整合出一个崭新的答案。也就是说建筑应该从设计一开始的时候,就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑,巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中“相加”设计,使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分,而不是让太阳能系统成为建筑的附加构件。真正的太阳能技术与建筑一体化是指太阳能产品及构件在建筑上的应用,并做到与建筑设计进行有机的结合。
  经过一体化设计的利用太阳能的建筑方案,具有以下优点:首先,由于经过综合考虑,建筑构件和设备全面协同,所以构造更为合理,有利于保证整体质量;第二,综合使用材料,从而降低了总造价,并减轻了建筑荷载;其三,建筑的使用功能与太阳能的利用有机地结合在一起,形成多功能的建筑构件,巧妙高效地利用了空间;第四,同步施工、一次安装到位,避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑已有结构的损害;第五,如果采用集中使用安装,还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率;最后,经过一体化设计和统一安装的太阳能装置,在外观上可达到和谐的统一,特别是在集合住宅这类多用户使用的建筑中,改变了个体使用者各自为政的局面,易于形成良好的建筑视觉形象。
  二、被动式太阳热能一体化设计
  被动式太阳能建筑系统设计主要是依靠建筑物本身(房间的位置、建筑空间的合理布局、利用建筑结构和建筑材料的吸热性能等)来完成太阳能的集热、储热和散热功能。其设计基本思想就是将各方面的积极因素调动起来,使日光、空气、热量仅在有益时进入建筑。其目的是通过控制阳光和空气在恰当的时间进入建筑并合理储存和分配热空气和冷空气,从而使能源得到有效的利用,并且增加人们的舒适度。
  1.被动式太阳能采暖系统
  被动式太阳房集蓄热构件与建筑构件为一体,一次性投资少、运行费用低,但这种集热方式受昼夜温度波动较大。太阳能集、蓄热构件设计是被动式太阳能设计的核心,它包括直接得热系统和间接得热系统。直接得热系统的工作原理是,冬季让太阳辐射热直接从南面窗射入房间内部,用楼板层、墙及家具设备等作为吸热和储热体,当室温低于这些储热体表面温度时,这些物体就会像一个大的低温辐射器那样向室内供暖;间接的热系统有集热、蓄热墙和毗连日光间等形式,这种装置的主要工作原理是利用设在墙体本身的集热、蓄热材料,集蓄太阳热能,使太阳能辐射热通过传导、辐射和对流,把热量送到室内。集热、蓄热墙又按其热量的传导、辐射和对流的不同,形成了多种形式,如实体式集热蓄热墙、快速集热墙、花格式集热墙、相变材料集热蓄热墙等。 夏季则通过构造措施隔绝太阳能辐射热进入室内。
  按照太阳能在建筑中的获取方式,可以将被动式太阳能系统分为两种基本类型:直接得热式和间接得热式。
  (1)直接受益式太阳能采暖系统
  直接受益式指阳光直接透过南向窗户进入房间,室内构件(墙壁、地板、家具等)作为吸热和储热体将这些热量吸收,当室温低于这些构件表面温度时,这些构件就会像一個大的低温辐射器向室内的空气辐射热量,从而达到采暖的目的。在这个过程中,房间本身就是一个能量收集、贮存和分配的系统。
  (2)集热蓄热墙式太阳能采暖系统
  集热蓄热墙式的基本形式有特朗伯集热墙、水墙、附加阳光间和贮热屋顶式。
  A.特朗伯墙式
  特朗伯墙由透光玻璃、集热板、集热墙体(砖墙)组成。在集热墙体上、下部适当位置设置风口。其工作原理是:阳光透过玻璃照射到集热板上,集热板被加热,并有一部分热量蓄积在集热墙体内。当上下风口打开时,房间的冷空气由下风口进入集热板和墙体间的空腔,在空腔中受热上升,再由上风口回到房间。这种周而复始的热循环过程使室内温度得以提高。天热时,可以通过控制风口闸门启闭,来调节室内温度,使室内温度不致过高。而房屋的两侧面、背面及屋顶和底层地板则按照保温节能要求进行设计。
  特朗伯墙式主要是通过建筑外维护结构的蓄热性进行采暖的方式,其工作原理是将集热墙向阳的一面涂以深色的选择性涂层加强吸热并减少辐射散热,在离集热墙外表面10cm左右装上玻璃或者透明塑料薄片,使该墙体成为集热和储热器,在夜间又成为放热体。储热墙通常为混凝上墙或实心砖墙,这些重质量的墙体热容大、惰性大,因此储热多、放热慢,墙体的温度波动相对于室外的温度波动有较长时间的延迟,有利于减缓夜间室内温度下降。储热墙的厚度因用途而异。
  B.水墙式集热蓄热墙
  水墙式集热蓄热墙简称水墙。作为蓄热材料的水通常置于屋内的一面墙中,称为“水墙”,水墙应该建在房间里一天中大部分时间阳光能够直接照射到的地方。用来建造这种“水墙”容器的材料一般为塑料或金属。水墙具有较好的蓄热能力,可保持一定时间热稳定性,造价低,很受欢迎,但主要问题是运行管理比较麻烦。
  C.附加阳光间式
  附加阳光间被动式太阳房是集热蓄热墙系统的一种发展,将玻璃与墙之间的空气夹层加宽,形成一个可以使用的空间——附加阳光间。这种系统其前部阳光间的工作原理和直接受益式系统相同,后部房间的采暖方式则雷同于集热蓄热墙式。附加阳光间式太阳房的工作原理是将作为集热部分的阳光间附加在建筑南向房间的外面,阳光间靠室外一侧全部设置玻璃,利用阳光间和房间之间的集热墙作为集热构件,冬季阳光进入附加阳光间后,集热墙将热量吸收并对阳光间内的冷空气进行低温辐射,温度升高后,空气因密度减小而升并由集热墙上部的开口进入室内,同时阳光间的底部形成了负压,室内的冷空气被吸入阳光间进行加热,这样阳光间内的空气和室内的空气因为对流而达到房间采暖的目的。
  D.贮热屋顶式
  贮热屋顶式太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能适合冬季不属寒冷,而夏季较热的地区。用装满水的密封塑料袋作为储热体,置于屋顶顶棚之上,其上设置可水平推拉开闭的保温盖板。冬季白天晴天时,将保温板敞开,让水袋充分吸收太阳辐射热,水袋所储热量,通过辐射和对流传至下面房间。夜间则关闭保温板,阻止向外的热损失。
  2.被动式太阳能降温系统
  相对于被动式采暖而言,被动式降温的策略相对多样和复杂。主要是利用热的对流,辐射和传导的原理,有效组织、利用和防止热。其设计思路可以归纳为提高建筑的散热、将进入室内的热能降低到最低。包括:利用对流组织自然通风,利用遮阳防止热辐射以及利用双层皮等特殊设计防止热传导。
  提高建筑的散热最简单有效的应用就是自然通风。通风加速热量的散逸和水蒸汽蒸发,在同样温度下能给人凉爽之感,增加人的舒适度。本策略的前提是室外的温度低于室内的温度,否则室内会更热,所以在夏季炎热地区,有的甚至应该防止通风。而优秀的通风设计则能在自然风的基础上利用和加大风压,促进室内气流流动,从而将热空气排出建筑。
  三、主动式太阳能集热装置与建筑的一体化设计
  主动式太阳能在住宅中的应用主要是通过高效集热装置来收集获取太阳能,然后由风机或者盘管将热量送入住宅内用以采暖或是用以加热家庭需要的热水,同时住宅中设有一定的蓄热装置,用以保存太阳热能以备后用。一套完整的主动式太阳能系统是由太阳能集热器、储热装置、循环管路和一些辅助装置组成。
  1.太阳能采暖系统
  利用太阳能加热的系统,既可以为用户提供生活热水,又可以为住宅供暖。在低温建筑中冬季需要采暖,太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展。实际上,太阳能采暖系统通常可以跟太阳能热水系统联合使用。在此情况下,一方面要适当增加太阳集热器的的采光面积:另一方面由于采暖是在寒冷季节才需要,因而要使用防冻或抗冻的真空管集热器。
  2.太阳能空调系统
  太阳能制冷,首先是将太阳能转换成热能(或机械能),再利用热能(或机械能)使系统达到并维持所需的低温。在建筑中应用的太阳能空调属于太阳能制冷的一种实例,太阳能空调就是不断地从建筑物内的空间取出热量,并转移到自然环境中,使建筑物内的温度低于周围环境的温度并维持这个低溫。
  3.太阳能光伏系统
  太阳能光伏技术通过太阳电池将光能直接转变为电能。太阳电池可以联结成大功率的组件,组件又可以组成太阳能发电装置,可以供不同功率的应用。太阳能光伏系统一般包括电池组、储能、逆变和控制部分。建筑中的应用可分为独立光伏系统和并网光伏系统。太阳电池的应用,为建筑物提供照明等用电,如果太阳能完全能满足建筑物的能源需求,则可称为“零能房屋。”
  四、太阳能集热装置与住宅屋顶的一体化
  与坡屋顶组成一体的太阳能集热器,其主要特点是在做好防水处理的屋面上,铺设屋面与集热器共用的防渗漏的隔热保温层,在隔热保温层上放置太阳能集热部件,这种屋面由于综合使用材料,不但降低了成本,单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低,有效地利用了屋面的复合功能。
  五、太阳能集热装置与住宅墙面的一体化
  对于集合住宅而言,外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。单从太阳能利用角度而言,太阳能集热器可以结合集热墙设计,让整个墙体都成为集热器;或者作为附属构件依附于外墙表面。考虑到住宅立面,一般采用后一种方式与墙面结合。
  墙体型太阳能集热器的基本结构,其实质是平板集热器的一种变型。本集热器由外到内分别由透光保温涂层、光热转化层、外墙支撑及导热层、集热管、发泡保温层、内墙支撑层、内墙涂抹层等部分组成。墙体集热器的工作原理为,阳光沿其一角度人射墙面,按有效投影截面获取的有效光能透过透光保温涂层,人射至光热转化层,在光热转化层内完全或选择性地转化为热。
  六、太阳能光电装置与建筑的一体化设计
  由设在建筑物屋面的太阳能光电池板组成的“太阳能屋顶”提供建筑所需要的部分或全部能量,且与电网并网。当阳光充足时,太阳能电池除满足全部能量需求外,多余的电能可输送给电网;当阴雨天气时,则由电网供电。这种光电转换装置在欧美一些发达国家已有了较大的发展。但目前太阳能电池价格较高,效率较低,因此我国的太阳能光电建筑还处于研究试点阶段。
  结束语
  我国太阳能利用在建筑行业,特别是城市建筑中的一体化设计,还处于蹒跚学步的阶段。发达国家可供借鉴的一体化设计方案在我国并不完全适合,因为国外利用太阳能的居住建筑大多数为独立或联排式低层住宅,而我国目前城市住宅建设的主流是多高层集合住宅。因此,在我国研究和推广符合国情的一体化设计建筑,尤其是被动式太阳能多高层住宅势在必行,这就为我们建筑师提出了新的挑战和更高的要求。
  参考文献:
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