太陽能的利用與建筑表皮結(jié)合的發(fā)展研究

李 思

(湖北工程學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北孝感 432100)

0 引言

能源直接轉(zhuǎn)換為人們提供所需要的光、熱以及動(dòng)力等各種載體資源，為人們的生活提供了不可缺少的條件。并且能源也作為生產(chǎn)要素投入到生產(chǎn)過程當(dāng)中，為人們的文明以及科學(xué)的進(jìn)步作出了重要的貢獻(xiàn)。能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要因素。當(dāng)前隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不可再生能源逐漸消耗，新型能源的發(fā)展和應(yīng)用受到了很大程度的關(guān)注，其中，太陽能的應(yīng)用以及其相關(guān)的與專注的結(jié)合發(fā)展成為了行業(yè)研究熱點(diǎn)。將太陽能的利用與建筑表皮結(jié)合起來，實(shí)際上也是建立了一體化的建筑體系，為建筑的能源利用和資源節(jié)約奠定了良好的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了較好的條件。

1 生態(tài)建筑表皮

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)保意識(shí)以及可持續(xù)發(fā)展意識(shí)深入人心，在實(shí)體和體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面都有所體現(xiàn)。建筑設(shè)計(jì)的初期階段，建筑的設(shè)計(jì)融入了節(jié)能以及可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)形式和設(shè)計(jì)理念，在建筑平面布局、圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及空間形體等多方面的設(shè)計(jì)當(dāng)中，有效提高了建筑當(dāng)中資源的利用效率，有效降低了建筑的能源消耗。就一般的概念而言，建筑的表皮是指建筑外部除了屋頂之外的所有圍護(hù)的部分，建筑表皮是傳達(dá)建筑設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念的載體，由此，建筑表皮的設(shè)計(jì)不僅僅是建筑的重要部分，同時(shí)也是建筑能源設(shè)計(jì)和節(jié)約的關(guān)鍵部位。太陽能建筑表皮是通過太陽能與建筑表皮的結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約和新能源的有效利用。

2 太陽能建筑表皮設(shè)計(jì)要素

1)建筑表皮設(shè)計(jì)的技術(shù)要素。

太陽能的利用與建筑表皮的結(jié)合，需要考慮幾個(gè)技術(shù)要素:負(fù)載調(diào)查以及所用電量的估算，從而便于確定系統(tǒng)安裝所需要的安裝容量;綜合當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r和氣候條件，結(jié)合建筑的表皮美觀要求以及節(jié)能方案的特點(diǎn)，確定相關(guān)組件的安裝環(huán)境、角度的設(shè)置和系統(tǒng)的背板降溫以及通風(fēng)狀況的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率;組件的選擇以及數(shù)量的設(shè)計(jì)、遮擋間距的設(shè)計(jì)、傾角的設(shè)計(jì)、組件的連接方式設(shè)計(jì)以及安裝節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等等;便于安裝和維護(hù)，保證安裝部位的荷載符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載要求，保證相關(guān)組件的安裝并且不對(duì)建筑形成不利影響;系統(tǒng)運(yùn)行的檢測(cè)、評(píng)價(jià)以及反饋優(yōu)化等設(shè)計(jì)。

2)美學(xué)設(shè)計(jì)要素。

首先，相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)與建筑表皮的系統(tǒng)關(guān)系，相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)應(yīng)與建筑的整體觀感和功能的需求，研究相關(guān)構(gòu)件與整體比例以及尺度的協(xié)調(diào)程度，從而達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一以及相互融合的對(duì)比關(guān)系和效果;其次，相關(guān)構(gòu)件的自身形態(tài)設(shè)計(jì)，太陽能相關(guān)構(gòu)件的色彩、機(jī)理以及構(gòu)造特征和組件的不同排列、組合，實(shí)現(xiàn)了不同功能的設(shè)計(jì);最后，太陽能構(gòu)件對(duì)建筑性能也產(chǎn)生了影響，建筑表皮是太陽能容易聚熱的部位，也是室內(nèi)采光性能較好的區(qū)域，由此在太陽能設(shè)備的安裝過程中，應(yīng)綜合考慮室內(nèi)的采光需求以及建筑熱輻射的影響。

3 太陽能利用與建筑表皮的設(shè)計(jì)分析

1)建筑表皮的材料創(chuàng)新。

建筑表皮的材料創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)能源利用以及建筑節(jié)能的有效方式。同時(shí)隨著建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和建筑材料的持續(xù)創(chuàng)新，建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中，溫度感應(yīng)材料、絕熱玻璃、光電感應(yīng)材料以及氣凝膠涂材料等建筑材料層出不窮，同時(shí)隨著建筑技術(shù)的發(fā)展而處于持續(xù)的發(fā)展和創(chuàng)新，為太陽能在建筑表皮的結(jié)合和利用奠定了發(fā)展的基礎(chǔ)。例如，在長(zhǎng)城公社下的“竹舍”這一設(shè)計(jì)當(dāng)中，其建筑所使用到的竹材全都來源于長(zhǎng)城腳下的竹林，并通過將竹材與現(xiàn)代施工建筑材料當(dāng)中的玻璃、材料鋼等多種形式進(jìn)行穿插組合，同時(shí)輔以設(shè)計(jì)手法，創(chuàng)造出來了別有特色的建筑表皮，實(shí)現(xiàn)了建筑表皮的創(chuàng)新。

2)太陽能表皮的多層化結(jié)構(gòu)。

太陽能利用與建筑表皮結(jié)合的創(chuàng)新多采用兩層技術(shù)，使用的雙層外表皮的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整最外層從而保證室內(nèi)的空間獲得良好的通風(fēng)以及采光條件，提高室內(nèi)空間的舒適程度，同時(shí)也能降低建筑能源的消耗，也在一定程度上解決了自然采光與建筑節(jié)能之間的矛盾。但是雙層結(jié)構(gòu)從生態(tài)上而言具有較好的效果，然而其建筑用材以及相關(guān)建筑的建設(shè)材料并不十分環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性能也相對(duì)較差。例如，法規(guī)建筑公司在靠近巴黎的貝桑庫爾所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式節(jié)能房屋，該房是通過屋頂?shù)奶柲茈姲逄峁┠芰?。建筑由兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，建筑內(nèi)部是鋼以及落地玻璃，而建筑的外表皮使用的是天然竹材，并將整個(gè)框架使用實(shí)木板進(jìn)行包括，將規(guī)格統(tǒng)一且可折疊的百葉窗安裝在落地窗的外部，為房屋提供了陰涼和光照條件。

3)太陽能的利用與建筑表皮結(jié)合。

太陽能的光伏電池通過建筑表皮安裝和使用為太陽能與建筑的結(jié)合和應(yīng)用提供了條件?？蛇x擇斜頂、外墻、平臺(tái)等以及相關(guān)構(gòu)件為結(jié)合形式。建筑的斜頂可將原有的屋頂作為一個(gè)建筑平臺(tái)，而在平臺(tái)上的安裝需要特殊的安裝結(jié)構(gòu)作為支撐，外墻由于其自身的結(jié)構(gòu)形式以及較高的能見度，致使其安裝技術(shù)相對(duì)而言較為困難。建筑的結(jié)構(gòu)形式涉及多種建筑結(jié)構(gòu)和部件，例如門廊、欄桿扶手、百葉窗以及天窗等多種形式，不同的安裝構(gòu)件需要不同的技術(shù)進(jìn)行支撐。

a.斜頂。

斜頂建筑在住宅當(dāng)中較為常見，只要建筑朝向是面向南北方向就較為適合安裝太陽光伏電池系統(tǒng)。并且傾斜角度為30°～40°的PV板能獲得最大的太陽能。當(dāng)前有幾種太陽能光伏電池系統(tǒng):一種是將特殊的屋頂夾固定在屋頂?shù)耐咂希⒀刂怪狈较蜻M(jìn)行安裝;另一種是使用特殊的金屬板代替普通瓦片，將水平框架安裝在金屬板上。這種安裝方式使電池模板后面與屋頂之間保持一定空隙，從而能解決建筑通風(fēng)的問題。

b.平頂。

平頂PV系統(tǒng)能在支持結(jié)構(gòu)的輔助下確定最佳安裝位置，并且安裝系統(tǒng)的傾斜角度還可以按照特殊的要求以及特殊的位置進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)還可以安裝單軸或雙軸系統(tǒng)，從而使PV板能隨著太陽的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)向，保持與太陽的最佳角度。具有三種安裝系統(tǒng):首先，可以使用簡(jiǎn)單機(jī)械原理支撐平頂上的PV系統(tǒng);其次，還可以使用輕型可調(diào)節(jié)式的PV系統(tǒng);最后，還可以使用與建筑屋頂元素與PV系統(tǒng)相結(jié)合的一體化系統(tǒng)。

c.外墻。

在建筑的外墻中使用PV板時(shí)，不僅能將PV電池模板附著在水泥結(jié)構(gòu)的表面，也可在某種形式上代替當(dāng)前使用較為廣泛的玻璃幕墻系統(tǒng)。然而，在垂直外墻上直接使用PV系統(tǒng)無法達(dá)到最佳的采光效果。雖然在建筑外墻上，尤其是在東西朝向的外墻表面上使用PV系統(tǒng)能獲得一定數(shù)量的太陽能量，但其收集的效果與當(dāng)?shù)厮幍木S度密切相關(guān)，由此在建筑外墻上使用PV系統(tǒng)需要精確的數(shù)字模型對(duì)太陽光的輻射以及陰影位置進(jìn)行測(cè)算和計(jì)算，從而使所安裝的系統(tǒng)達(dá)到最佳效率。

[1] 周 彥，陳躍宏.淺談太陽能光伏系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中的施工技術(shù)[J].安裝，2011(3):49-50.

[2] 章 彰，許柏鳴.當(dāng)代生態(tài)建筑表皮設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路初探[J].山西建筑，2012，38(24):4-5.

[3] 王 非，梁 斌.當(dāng)代體育建筑表皮設(shè)計(jì)的生態(tài)化初探——以大連體育中心網(wǎng)球場(chǎng)為例[J].城市建筑，2012(7):35-37.

[4] 董海定，鄔燕飛.談?wù)劷?jīng)濟(jì)普查工作存在的問題及建議[J].浙江統(tǒng)計(jì)，2006(3):60-62.

[5] 張 嘯.建筑表皮生態(tài)設(shè)計(jì)策略研究[J].中外建筑，2009(5):22-23.