太陽能與建筑

李海英

我國有十分豐富的太陽能資源，大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米96千瓦時以上，2／3以上地區(qū)的年日照大于2000小時，太陽能資源的理論儲量相當(dāng)于每年17萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這個數(shù)值同美國相近，比歐洲、日本則優(yōu)越得多。利用太陽能減少建筑能耗和改善建筑物理環(huán)境是建筑技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

被動式太陽能建筑系統(tǒng)

被動式太陽能建筑是指不采用特殊的機械設(shè)備而是利用輻射、對流和傳導(dǎo)使熱能自然流經(jīng)建筑物，并通過建筑本身控制熱能的流向，從而得到采暖或制冷的效果。其實，任何普通建筑在一定意義上都是被動式太陽能建筑。白天，陽光從窗戶直射入房間，樓板、墻體等均作為吸熱體和儲熱體，當(dāng)室溫低于這些儲熱物質(zhì)時，它們便以輻射的形式散熱。這樣建筑的室溫會有一定波動，這種波動是構(gòu)件交替儲能和釋能所必然造成的，要想減小室溫的波動，樓板和墻體采用具有較大熱情性的混凝土或磚則是必要的。此外，窗戶是得熱來源，也是建筑中失熱最多的部分，所以為減少熱損失，就必須提高窗戶的保溫能力。為此，研究人員采用了雙層或多層高效保溫玻璃、在窗戶內(nèi)外安裝可活動的保溫板或保溫卷簾，國外還有夜間在雙層玻璃之間用設(shè)備吹進(jìn)輕質(zhì)保溫微粒等方法。先進(jìn)的玻璃技術(shù)也為窗的節(jié)能提供了更多的選擇。

如今，很多家庭把大的露臺和陽臺改造成了和主體建筑毗連的“陽光間”，這是典型的利用被動式間接得熱系統(tǒng)的方法之一。其構(gòu)造簡單，容易實施，非常受住戶喜愛。白天太陽輻射使室內(nèi)升溫，熱量通過主體建筑的門窗傳入室內(nèi)；夜晚作為主體的緩沖區(qū)，它可減少散熱；在陽光間中種植植物，還可以形成富氧的室內(nèi)空間。然而，在炎熱的夏季，白天應(yīng)防止陽光間過熱。這個時候利用爬藤植物遮陽和開啟頂窗來散熱是最方便的了。

被動式的間接得熱系統(tǒng)還有蓄熱墻式，根據(jù)墻體材料的不同還可分為多種類型。它的特點是墻體材料一般為重質(zhì)材料，墻表面涂成黑色或深色，以便有效地吸收太陽輻射，蓄熱墻體外側(cè)安裝玻璃，和墻體之間留有一個空氣間層，墻體上下設(shè)有與室內(nèi)相通的風(fēng)口，根據(jù)季節(jié)以及晝夜的變化，調(diào)節(jié)開口的閉合。加強蓄熱能力而不增加房屋的自重是蓄熱墻體今后一個值得研究的課題，以較輕材料填充或者采用輕質(zhì)透明隔熱材料，能減少室內(nèi)溫度波動，并且還可以改變黑色表面給人帶來的過于沉重的視覺效果。

雙層幕墻體系是近年來國內(nèi)外建筑中采用的新型節(jié)能幕墻，又稱為“熱通道幕墻”。這種幕墻的節(jié)能原理同毗連陽光間相似：冬天內(nèi)外兩層幕墻中間的空氣由于陽光的照射使溫度升高，供給室內(nèi)熱量，同時提高了內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，減少了室內(nèi)熱量的散失；夏天內(nèi)外兩層幕墻之間的空氣溫度很高，這時打開空氣通道上下兩端的進(jìn)排風(fēng)口，由于熱煙囪效應(yīng)，產(chǎn)生的氣流帶走通道內(nèi)的熱量，從而降低內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，減弱室外熱對室內(nèi)的影響，從而減少了空調(diào)負(fù)荷。有分析資料顯示，雙層玻璃幕墻與傳統(tǒng)的單層玻璃幕墻相比，采暖時可以節(jié)約能源42％～52％。制冷時可以節(jié)約能源38％～60％。它不僅可用于新建筑，也適合于舊建筑的改造和更新。目前國內(nèi)在國家會計學(xué)院、旺座大廈、中青旅大廈、北京公館和清華超低能耗節(jié)能樓中也開始了這方面的試驗和應(yīng)用。

主動式太陽能建筑系統(tǒng)

主動式太陽能建筑系統(tǒng)的定義為用太陽能代替以往驅(qū)動冷暖空調(diào)設(shè)備的熱源，用一些特殊的裝置來收集熱輻射，并將其轉(zhuǎn)化為有效的熱能和電能的形式。主要有太陽能灶、太陽能集熱器等。

太陽能灶可分為透過聚焦式和反射聚焦式。它的調(diào)節(jié)裝置保證隨時跟蹤太陽，相當(dāng)于1000～1200瓦的電爐，能極大緩解農(nóng)村燃料緊缺、減少燒柴草污染。

太陽能集熱器可以作為建筑采暖的熱源，常以空氣或水為熱媒。在熱風(fēng)集熱器采暖系統(tǒng)中，被加熱的空氣通過儲熱層由風(fēng)機送入房間。熱水集熱器可以提供地板熱輻射采暖的熱水和生活用熱水，太陽能供應(yīng)不足時可以輔助電加熱的辦法來達(dá)到對水溫的要求。但目前很多太陽能熱水器由住戶自行安裝，不僅破壞了建筑的整體美，而且常會破壞屋頂防水，防雷問題也比較突出。同時較低層住戶因管程長所以較少使用等等。這些問題嚴(yán)重制約了太陽能熱水器的普及應(yīng)用。因此目前建筑設(shè)計人員正努力把集熱器作為房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，嵌在屋頂、外墻、陽臺上，同建筑的立面一起考慮。光伏電池

光伏電池的主要優(yōu)點是能夠替代傳統(tǒng)的玻璃等幕墻面板材料，集發(fā)電、隔音、隔熱、遮陽、安全、裝飾功能于一身，且運行時沒有噪音和廢氣。格雷姆肖在塞維利亞博覽會大帳篷使用光電板來遮陽和發(fā)電；英國諾森伯蘭大學(xué)一座教學(xué)樓在修繕時，外墻結(jié)合了光伏電池，夏天大樓用電的40％，以及冬天所需用電的10％由它來提供。其重量很輕，英國考特公司開發(fā)了電動百葉和光伏電池結(jié)合的設(shè)備，能夠在不同季節(jié)、每天的不同時刻隨太陽光線變化轉(zhuǎn)動，建造出外部結(jié)構(gòu)可以靈活移動的建筑。目前，光伏電池和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計能使建筑物從單純的耗能型轉(zhuǎn)變?yōu)楣┠苄?，產(chǎn)生的電能可以獨立存儲，也可以并網(wǎng)應(yīng)用。當(dāng)產(chǎn)生的電量大于用戶需求時，多余的電量可以輸送到電網(wǎng)，反之可以由電網(wǎng)提供給用戶。

自然光利用

日光有很多有益的成分，淺層地下空間以及大量以人工照明為主的商業(yè)辦公等建筑中，日光難以直接照射。目前可以應(yīng)用導(dǎo)光管系統(tǒng)在屋頂設(shè)置采光口，在頂棚上設(shè)折光板或玻璃棱鏡將光引入室內(nèi)深部：還可利用光導(dǎo)纖維等技術(shù)手段，設(shè)置太陽光跟蹤器、收集器和導(dǎo)光系統(tǒng)將陽光引入室內(nèi)，通過散光器可以進(jìn)行自然光照明。

中國正處于建筑和城市的高速發(fā)展時期，依我國的能源儲備、水土資源和人口規(guī)模，建筑設(shè)計師有責(zé)任對自然采取負(fù)責(zé)的態(tài)度，充分利用取之不盡，用之不竭的太陽能，因地制宜地建設(shè)宜人的室內(nèi)、外環(huán)境。

責(zé)任編輯趙檸