保障性住宅節(jié)能之太陽(yáng)能技術(shù)與建筑的整合

黎杞昌

(上海復(fù)旦規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，上海 200433)

0 引言

太陽(yáng)為萬(wàn)物之源，人們根據(jù)太陽(yáng)光的光譜特性開(kāi)發(fā)、利用太陽(yáng)的光能和熱能。在光能利用上，人們通過(guò)直接采光或利用科學(xué)技術(shù)把太陽(yáng)光能儲(chǔ)存在太陽(yáng)能電池內(nèi)。同時(shí)，利用太陽(yáng)熱能能夠用以采暖、提供熱量。根據(jù)利用方式的不同，可以把太陽(yáng)能利用分為主動(dòng)式和被動(dòng)式利用。太陽(yáng)能的主動(dòng)式利用是通過(guò)額外損耗機(jī)械功的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而被動(dòng)式則表示人們直接享用太陽(yáng)的光能和熱能。

1 建筑中太陽(yáng)能技術(shù)的可行利用方式

基于我國(guó)目前建筑住宅特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)水平，對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)的利用可分為自然采光、太陽(yáng)能通風(fēng)降溫、被動(dòng)太陽(yáng)房、光電技術(shù)和生活熱水系統(tǒng)等。

1.1 直接利用

太陽(yáng)能的直接利用可在住宅南立面設(shè)計(jì)大面積玻璃，通過(guò)太陽(yáng)光的直接照射增加室內(nèi)墻面、地面溫度。室內(nèi)的太陽(yáng)輻射能量既可以增加室內(nèi)熱量，又可以輻射、換熱于周圍物體，其余熱量還可以通過(guò)儲(chǔ)熱材料儲(chǔ)存。當(dāng)白天沒(méi)有陽(yáng)光或夜晚時(shí)，儲(chǔ)存的熱量可以維持室內(nèi)溫度。此種方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是窗戶面積較大，白天光線較強(qiáng)，影響視覺(jué)效果，并且溫度波動(dòng)較大，在夏季易產(chǎn)生較大冷負(fù)荷。因此，通常需要設(shè)置遮陽(yáng)構(gòu)件或保溫窗簾。

1.2 附加陽(yáng)光間

住宅陽(yáng)光間一般位于房間南側(cè)，四周以玻璃裝飾，與主體房間通過(guò)窗或墻體分隔，可以用來(lái)栽培、養(yǎng)花，所以又被稱為溫室太陽(yáng)房。陽(yáng)光間的設(shè)計(jì)原理就是把房間所吸收的熱量通過(guò)窗口或隔墻開(kāi)口，進(jìn)入主體房間，以達(dá)到增加室內(nèi)溫度的效果。其缺點(diǎn)是玻璃面積較大，溫度波動(dòng)較大且易散熱。

1.3 設(shè)立屋頂池

住宅屋頂設(shè)立屋頂池，池內(nèi)水流可以吸收太陽(yáng)的輻射能量。在采暖季節(jié)，池水在白天吸收太陽(yáng)能量升高池水溫度。到了晚上，室內(nèi)溫度下降與屋頂池水產(chǎn)生溫度差，池水會(huì)將白天存儲(chǔ)熱量傳入室內(nèi)，升高室內(nèi)溫度。池水面最好設(shè)置隔熱蓋，以免池水熱能散失。當(dāng)炎熱季節(jié)時(shí)，需要封閉池水隔熱蓋，增大屋面熱阻，也可以有效阻止熱量傳入室內(nèi)。夜晚空氣溫度下降時(shí)，打開(kāi)池水隔熱蓋，使池水溫度下降。采用此種方法要求較高的防水技術(shù)。同時(shí)，操作隔熱蓋較麻煩且減少了一定屋頂空間。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

作為可再生潔凈能源，太陽(yáng)能在建筑中具有較高的利用潛力。由于我國(guó)大部分地區(qū)年日照量充足，為太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展、利用提供了豐富的利用空間。太陽(yáng)能熱水器已逐漸成為家用熱水器的主流產(chǎn)品。例如，某地區(qū)全年日照總小時(shí)為2 600 h的地區(qū)，具有發(fā)達(dá)的太陽(yáng)能資源，適合太陽(yáng)能技術(shù)與建筑的推廣應(yīng)用。在建筑能源規(guī)劃時(shí)，設(shè)計(jì)人員考慮使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，利用清潔無(wú)污染、品質(zhì)高且資源豐富的太陽(yáng)能，充分節(jié)約能源消耗、節(jié)省用電用熱、美化小區(qū)環(huán)境以及減少有害氣體排放的目的。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，居民住宅的日常水源能耗中的25%是生活熱水需求，而一個(gè)典型家用太陽(yáng)能能夠?yàn)橛脩籼峁?0%左右的生活熱水。

2.1 太陽(yáng)能技術(shù)與建筑整合的基本思路

太陽(yáng)能技術(shù)與建筑整合的基本思路是通過(guò)太陽(yáng)能源為人們提供生活所需熱水，降低礦物燃料消耗使用。所以，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，有關(guān)設(shè)計(jì)部門應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題：一是分析建筑和太陽(yáng)能技術(shù)和結(jié)合應(yīng)用對(duì)建筑是否產(chǎn)生負(fù)面影響。如建筑功能使用、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、建筑體型和立面的改變等。二是認(rèn)真篩選太陽(yáng)能系統(tǒng)，將太陽(yáng)能和建筑成為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能產(chǎn)品、建筑形體的有機(jī)整合。同時(shí)，設(shè)計(jì)建筑物過(guò)程中，除去集熱器建材，太陽(yáng)能系統(tǒng)的各部件都應(yīng)作為建筑構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)、立面和給排水設(shè)計(jì)中全面考慮，把太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為住宅建筑物不可缺少的一部分。

2.2 運(yùn)行原理

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行首先由集熱器將太陽(yáng)能收集、儲(chǔ)存于蓄熱水箱中，通過(guò)熱水循環(huán)水泵把熱水供應(yīng)給用戶，供應(yīng)的同時(shí)通過(guò)供水管補(bǔ)充蓄熱水箱中的自來(lái)水。若光照不充足時(shí)，可通過(guò)輔助加熱裝置進(jìn)行熱量補(bǔ)充。太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)中，集熱器、水系統(tǒng)形式和建筑的整體設(shè)計(jì)是該技術(shù)的關(guān)鍵。

2.3 系統(tǒng)組成及循環(huán)方式

集熱電器、蓄熱水箱以及熱水供應(yīng)系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的三大組成。集熱器根據(jù)循環(huán)水動(dòng)力又分為強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)。強(qiáng)制循環(huán)需要通過(guò)水泵作用，在集熱器和蓄水箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，并裝置控制系統(tǒng)控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵入口處還需裝設(shè)止回閥以避免系統(tǒng)倒流損失熱量。而自然循環(huán)則是通過(guò)利用集熱器、蓄熱水箱溫差引起的熱虹吸力進(jìn)行水循環(huán)。自然循環(huán)式?jīng)]有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，多數(shù)情況下無(wú)法滿足用戶用水需求。考慮此種情況，建筑中一般都使用強(qiáng)制循環(huán)式。在實(shí)際使用過(guò)程中，強(qiáng)制循環(huán)包括分戶式和集中式：

1)分戶循環(huán)系統(tǒng)。此種系統(tǒng)明顯特點(diǎn)是，每家每戶都設(shè)置獨(dú)立系統(tǒng)，集熱器、輔助加熱器和蓄水箱都是獨(dú)立使用的。多數(shù)情況下把集熱板設(shè)置在陽(yáng)臺(tái)外側(cè)，蓄水箱放置室內(nèi)。太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)具體做法為：根據(jù)住宅屋頂形式，對(duì)太陽(yáng)能集熱器、輔助加熱裝置進(jìn)行統(tǒng)一布置，定時(shí)或24 h 為用戶提供熱水。

2)集中循環(huán)式系統(tǒng)。保障性住宅區(qū)內(nèi)，可在每?jī)蓚€(gè)住宅單元間設(shè)立獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)和獨(dú)立水箱為用戶提供所需的生活熱水。各個(gè)用戶的用水可以錯(cuò)開(kāi)高峰期，減少系統(tǒng)容量。采用此種小型集中系統(tǒng)比大系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單，投資較少且維護(hù)、管理較方便。

3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能是無(wú)窮盡的可再生清潔能源，它的潛在經(jīng)濟(jì)性和資源充足性是其他能源所不具備的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能與建筑的整合不僅包括熱水系統(tǒng)，還包括光伏發(fā)電技術(shù)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)逐漸成為具有深厚開(kāi)發(fā)潛力的新型技術(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的關(guān)鍵是太陽(yáng)能電池，包括單晶硅、非晶硅、多晶硅等硅系太陽(yáng)電池以及非硅系電池。無(wú)論哪種電池都由電子元器件構(gòu)成，不包含任何的機(jī)械部件。所以說(shuō)，光伏發(fā)電設(shè)備具有部件精煉、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

蓄電池、太陽(yáng)能電池、控制器和逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成，在形式上可分為并網(wǎng)和獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和市政電網(wǎng)系統(tǒng)相連接的發(fā)電方式，可以發(fā)電并供應(yīng)到異地用電范圍，達(dá)到非本地區(qū)用電補(bǔ)給。而獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的一種發(fā)電模式，主要通過(guò)蓄電池進(jìn)行電能的儲(chǔ)存，多使用于偏遠(yuǎn)貧瘠山區(qū)，例如家庭系統(tǒng)或村級(jí)電站等。

目前，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，多數(shù)建筑中已經(jīng)開(kāi)始嘗試、使用該技術(shù)用于建筑用電照明等方面。由于太陽(yáng)能電池的質(zhì)量較小，既可以當(dāng)做墻體構(gòu)件，又可以放置屋頂，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。

4 結(jié)語(yǔ)

在生態(tài)能源危機(jī)和環(huán)境日益破壞的今天，建設(shè)節(jié)能環(huán)保的住宅已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)話題。通過(guò)大量實(shí)踐證明，太陽(yáng)能資源作為一種無(wú)窮盡的可再生清潔能源，與建筑的完美整合應(yīng)用可以創(chuàng)造高舒適度、低能耗的居住環(huán)境，并對(duì)資源的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

[1]郎丁.濟(jì)南棚戶區(qū)回遷安置住宅套型精細(xì)化設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2010：18.

[2]馬振偉.保障性住房設(shè)計(jì)研究初探——以濟(jì)南市保障性住房建設(shè)為例[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2011.

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