現(xiàn)代辦公建筑設計中太陽能應用初探

馬君義

隨著中國經(jīng)濟和科學技術的快速發(fā)展,中國城市的規(guī)模不斷擴大,城市化進程速度加快,從而促使城市對辦公建筑需求的增加。辦公建筑進入一個快速發(fā)展的新時期。但由于設計和管理的不當,存在諸如初期投資高、能源消耗大、工作環(huán)境不健康——出現(xiàn)“病態(tài)建筑綜合癥”等問題。在辦公建筑大量建造的同時對辦公建筑進行生態(tài)設計研究顯得尤為重要。而太陽能作為主要的生態(tài)能源,太陽能的利用對環(huán)境保護和節(jié)約能源有著極其重要的意義。太陽的自然光是免費的光源、健康的光源、真實的光源,有人工光無法相比的優(yōu)勢;太陽能屬于可持續(xù)性能源,不僅是清潔能源,無廢氣排放,對環(huán)境不造成污染,又是取之不盡的免費能源;太陽能存在和利用具有普遍性;地球上獲取太陽能的時間與辦公建筑的使用具有同步性。太陽能的諸多優(yōu)點如果在建筑設計中加以合理利用,可以解決很多辦公建筑存在的問題。

1 建筑總平面設計中的太陽能運用

在總平面設計中應充分重視現(xiàn)場的調(diào)查和分析,對用地資源進行細致的評估,了解光照條件、風玫瑰、微氣候環(huán)境、排水模式、土壤成分、植被、水資源等情況,充分利用自然條件進行設計。在實際的太陽能應用設計中應考慮當?shù)氐赜虻臍夂驐l件,日照條件,以滿足太陽能系統(tǒng)設計和安裝的技術要求;辦公建筑的朝向、間距及建筑形體組合,應結(jié)合場地的地形、日照和風向條件;安裝集熱器或光電板宜朝南,建筑組合應互不遮擋,在不影響場地利用效率的前提下,為充分接收太陽輻射創(chuàng)造條件。建筑間距除應滿足所在氣候區(qū)日照間距要求外,還應考慮滿足集熱器有不少于4 h日照時數(shù)的要求。場地的合理設計不僅為建筑中利用太陽能提供條件,同時也可以營造出宜人的環(huán)境。

2 建筑中太陽光線的合理利用

在現(xiàn)代辦公建筑中為了節(jié)約用地,降低造價,提高建筑的實用性和靈活性,建筑的層高逐漸降低,而進深逐漸加大,這給采光設計帶來了問題。另外,為了追求立面效果,大量采用玻璃幕墻,直射陽光可以長驅(qū)直入進入室內(nèi)。不僅引起眩光,在夏季還會產(chǎn)生過量的熱輻射,加大了能源消耗。在使用中,人們往往會拉下窗簾或添加百葉窗來阻擋陽光,室內(nèi)完全利用人工照明使自然采光名存實亡。為了改善這些狀況,合理的利用太陽的自然光,在建筑設計中采用反光板和反光百葉等措施。

在傳統(tǒng)的窗戶上面加開高窗,在高窗和低窗之間設置反光格板能進一步提高遠窗處的照度水平,從而增加采光進深。當采用反光格板后,室內(nèi)采光進深從原來的1.5H增加到 2.5H,見圖1。

反光板可以兼作遮陽板,阻擋過多的太陽輻射。一方面可以隔熱降溫,同時又對采光、通風有一定影響。在很多地區(qū),夏季需遮陽而冬季又需要有日照,因此理想的尺寸應是根據(jù)當?shù)囟竞拖募镜奶柛叨冉亲兓謩e計算,使其在室內(nèi)過熱時有滿窗遮陽,而在低溫時又有足夠的日照。

為追求立面效果,建筑立面開窗洞過大或者使用大面積玻璃幕墻時,可以考慮反光百葉。反光百葉既可以單獨用于高側(cè)窗部分,也可以和遮陽百葉結(jié)合用于整個窗面。反光百葉還可以和遮陽百葉結(jié)合使用,根據(jù)不同的目的分上下兩個區(qū)域,上部主要用于采光,而下部主要用于遮陽。由于角度不同,上部百葉把光線反射到天花板,而下部百葉則把直射陽光反射到室外。同時,若把反射百葉板的上表面處理為鏡面反射面,下表面為漫反射表面,這樣更有助于將光線反射至室內(nèi)頂棚,提高室內(nèi)照度均勻度。當然,無論是反光百葉還是反光板,都必須與室內(nèi)頂棚和墻面的良好反射性能相結(jié)合才能更好的發(fā)揮作用。

3 中庭采光及光反射系統(tǒng)

進深較大的建筑設置天井或中庭,變單側(cè)采光為雙側(cè)采光,有效的增加采光量,節(jié)約人工能源。在高層辦公建筑中設置采光中庭,結(jié)合光反射系統(tǒng)和光線自動感應系統(tǒng),不僅節(jié)省能源,而且創(chuàng)造出宜人的室內(nèi)環(huán)境。

4 太陽能熱水及太陽能空調(diào)

由于辦公建筑的使用主要集中在白天,與太陽能的獲取具有同步性。在建筑設計中使建筑盡量多的吸收太陽輻射熱,直接利用或加以轉(zhuǎn)化利用,對于節(jié)約能源有很大作用。太陽能熱水系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器和貯水箱。在建筑設計中結(jié)合建筑立面和屋頂,合理安排集熱器,吸收太陽能產(chǎn)生熱水。這些熱水可以用于建筑內(nèi)部洗漱用水,也可以用于太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)。與常規(guī)的空調(diào)機組、電加熱器相比,太陽能地板采暖復合熱水系統(tǒng)不僅可以節(jié)約高品位的電能,而且由于地板采暖溫度波動較少,可有效提高人體舒適度。

太陽能空調(diào)系統(tǒng)包括加熱和制冷兩方面。太陽能制冷,就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高,則制冷機的性能系數(shù)越高,這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。在夏季,被集熱器加熱的熱水首先進入儲水箱,當熱水溫度達到一定值時,由儲水箱向制冷機提供熱媒水;從制冷機流出并已降溫的熱水流回儲水箱,再由集熱器加熱成高溫熱水;制冷機產(chǎn)生的冷媒水通向空調(diào)箱,以達到制冷空調(diào)的目的。在冬季,同樣先將集熱器加熱的熱水進入儲水箱,當熱水溫度達到一定值時,由儲水箱直接向空調(diào)箱提供熱水,以達到供熱采暖的目的。當太陽能不能夠滿足要求時,也可由輔助鍋爐補充熱量。

在非空調(diào)采暖季節(jié),只要將集熱器加熱的熱水直接通向生活用儲水箱中的熱交換器,就可將儲水箱中的冷水逐漸加熱以供使用。

利用太陽能作為能源的空調(diào)系統(tǒng),它的誘人之處在于越是太陽能輻射強烈時,環(huán)境氣溫越高,人們的生活越需要空調(diào),此時太陽能空調(diào)的制冷能力就越強。這是人和自然和諧的理想境界。使用太陽能空調(diào)的結(jié)果,既創(chuàng)造了室內(nèi)宜人的溫度,又能降低大氣的環(huán)境溫度,還減弱了城市中的熱島效應。更為可取的是,既節(jié)約了能源,還不使用破壞大氣層的氟里昂等有害物質(zhì)。

5 太陽能發(fā)電

光電技術是利用半導體把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術,它主要是通過不同類型的光電電池實現(xiàn)的,光電電池是光電系統(tǒng)最基本的部分。在辦公建筑中太陽能發(fā)電結(jié)合建筑立面、屋頂、建筑構(gòu)件(遮陽板、雨篷等)設計,適當?shù)姆胖锰柲芄怆姲?。白?當太陽輻射強度大時,它所產(chǎn)生的電力可能超過建筑物本身所需用的電力。這時,它可將多余的電力輸送給公用電網(wǎng),或?qū)⒍嘤嗟碾娏νㄟ^蓄電裝置留至陽光輻射強度小的時期使用,達到節(jié)約能源的目的。在設計時根據(jù)需要和太陽能熱水技術綜合使用,可以把太陽能發(fā)電作為輔助電源。

6 結(jié)語

我國具有豐富的太陽能資源,年日照時數(shù)在2 200 h以上地區(qū)約占國土面積的2/3以上。年太陽輻射總量大于5 000 Ω J/m2,屬于太陽能利用條件較好的地區(qū)。在現(xiàn)代辦公建筑設計中把總平面,采光,遮陽,太陽能熱水,太陽能空調(diào),太陽能發(fā)電等方面一體化設計,可以節(jié)約能源,緩解能源緊張,同時改善了辦公環(huán)境,解決“病態(tài)建筑綜合癥”的問題。太陽能在現(xiàn)代辦公建筑設計中的應用是綠色能源和新建筑理念的有機結(jié)合。在國家政策的引導下,太陽能技術與建筑的有機結(jié)合將成為未來太陽能的發(fā)展趨勢。

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