1、太阳能技术在建筑中应用的综合策略李海英 白玉星（北方工业大学建筑学院北京）摘要：太阳能利用是世界能源与可持续发展战略的重要组成部分，太阳能技术的应用能够缓解能源紧张、减少污染和的排放。通过以太阳能的光热利用技术、光电利用技术以及自然光技术为分类方法，从应用原理、应用现状以及技术发展等方面对建筑中太阳能技术运用的综合策略进行总结。关键词：可持续发展 太阳能被动式系统太阳能主动式系统 光电技术 （ ， ）： ， ， ， ， ： 我国有十分丰富的太阳能资源，大多数地区年平均日辐射量在 以上，以上地区的年日照大于 ，太阳能资源的理论储量达每年 “标准煤，同美国相近，比欧洲、日本优越得多。利用太阳能减少
2、建筑能耗和改善建筑物理环境是建筑技术发展的一个重要方向，图是我们总结和分析的太阳能在建筑中应用的主要策略。一俐二茎 一 茎 翟图 太阳能在建筑中的应用策略 从而得到采暖或制冷的效果，建筑本身就是系统的太阳能光热利用策略 被动式太阳能设计策略万方数据 被动式太阳能建筑系统的定义为不采用特殊的机械设备而是利用辐射、对流和传导，使热能自然流经建筑物，并通过建筑本身的性能控制热能的流向，组成部分。地形、建筑的朝向和布局、植被水体的状第一作者：李海英女年月出生讲师 ：收稿期： ， 工业建筑年第卷第期况是被动太阳能建造的基础，掌握地区气候特点是被动系统的首要设计程序。季节的变化要求建筑采用不同技术来应对，
3、例如冬天为了采暖，就要尽可能多的引入太阳的辐射，而夏季又必须遮挡阳光的进入，协调各种技术之间的矛盾是第二阶段。第三是被动式采暖系统被动采暖的特点是将建筑物的全部或一部分既作为集热器又作为储热器和散热器，不需连接管道、水泵和风机。依据采集方式的不同，可以分为直接得热式和间接得热式两种。图为被动式采暖建筑在建筑上采取措施，积极利用有利因素，规避不利因素，做到可变可调。冬季白天冬季夜间的分类以及在夏季和冬季的工作原理。 ：韬最娃鲻捌蛙婵霰釉锻星划；芸营臣 坦者 ：一重季 ：壁 浊当 ！址遗擎 磅蘑 眵唧匿蜒炼 睡冀 牲到 擎 啪 剪图被动式采暖系统在夏季和冬季的工作原理 ）直接得热系统任何建筑在一定
4、意义上都是被动式的直接得热系统。白天阳光从窗户直射入房间，楼板、墙体等作为吸热体和储热体，当室温低于这些储热物质时，储热体以辐射的形式散热。建筑的室温会有一定波动，这种波动是构件交替储能和释能所必要的，要减小室温的波动，储热体有较大的热阻和热惰性是必要的。窗户是得热来源，也是围护结构失热最多的部分，为减少热损失，必须提高窗户的保温能力，方法有：采用双层或多层高效保温玻璃；在窗户内外安装可活动的保温板或保温卷帘；国外还有夜间在双层玻璃之间用机械吹进轻质保温微粒的实例。目前玻璃技术为窗的节能提供了更多的选择，如电子变色玻璃、热变色玻璃、光变色玻璃、全息玻璃、低辐射玻璃、隔热玻璃等；玻璃的暖边技术和
5、低导热率材料断热桥的窗框也可大大降低玻璃边部的传导。）间接得热系统间接得热系统的基本形式有：蓄热墙式、对流环路式、毗连式阳光房。蓄热墙式根据墙体材料分为墙、水墙、透明隔热墙、相变材料墙等。墙体材料一般为重质材料，墙和水墙表面一般涂成黑色或深色，以便有效地吸收太阳辐射，蓄热墙体外侧安装玻璃，与墙体之间留有一个空气间层，墙体上下设与室内相通的风口，根据季节以及昼夜的变化，调节太阳能 万方 在建筑中应用的综合策略 李海英，等堂 彳翼技术 数据开口的闭合和调节保温或遮阳。蓄热墙式和直接得热相比，白天的得热为后者的一半，但夜晚可以持续向室内供热，因此，室温的波动比后者小。加强蓄热能力而不增加房屋的自重是
6、蓄热墙体今后发展的方向，以较轻相变材料填充和采用轻质透明隔热材料，能减少室内温度波动，改变黑色表面的立面效果。对流环路式是将建筑围护结构设计成双壁系统，通过形成的热循环，整体的加热外壁、地面和顶棚。施工因素如夹壁内的掉落物等实际对流效果影响很大，同时占用建筑面积，因此实际应用不多。毗连阳光间一般与主体建筑相连，可以利用南向的阳台和顶部的露台，构造简单，容易实施，也受到住户的喜爱。冬天白天吸收太阳辐射而加热，热量通过主体建筑的孔洞或门窗传入室内；夜晚作为主体的缓冲区，减少散热；在阳光间中种植植物，还形成富氧的室内空间。夏季白天应防止阳光间过热，方法是采用遮阳（最好利用室外爬藤植物遮荫）和顶窗开启
7、散热。双层幕墙体系是近年来国内外建筑中采用的新型节能幕墙，又称为热通道幕墙、呼吸式幕墙、通风式幕墙等。根据双层幕墙之间的宽度，可以分为宽通道幕墙（）和窄通道幕墙（）；根据夹层空腔内循环通风方式可分为外循环 （夹层和室外循环）、内循环（夹层和室内循环）和混合式种；根据夹层通道的设置方式，可分为：廊道式、空气环流式、箱箱式和井箱式等。这种幕墙的节能原理同毗连阳光间相似：冬天内外两层幕墙中间的空气由于阳光的照射温度升高，供给室内热量，同时提高了内侧幕墙的外表面温度，减少了室内热量的散失；夏天内外两层幕墙之间的空气温度很高，这时打开空气通道上下两端的进排风口，由于热烟囱效应，产生气流，带走通道内的热量
8、，这样可以降低内侧幕墙的外表面温度，减弱室外热量对室内的影响，从而减少了空调负荷。有分析资料显示，双层玻璃幕墙比传统的单层玻璃幕墙时，采暖节约能源一，制冷时节约能源。双层幕墙系统不仅可用于新建筑，也适合于旧建筑的改造和更新。目前，国内在国家会计学院、旺座大厦、中青旅大厦、北京公馆和清华超低能耗节能楼中也开始了试验和应用。但由于通道的存在，也存在一些问题值得关注：不同房间之间的声音相互传递不可忽视；房间内通气量不足的危险；被污染的空气通过通道在不同房间内传播的危险；防火安全隐患等。太阳能被动制冷系统被动式制冷不是单纯的遮挡太阳辐射和向室外一屋顶水池制冷系统；一辐射冷却（空气集热器供暖）卵石床；一
9、屋面洒水冷却系统一盖板；一引入空气；一夜间冷辐射；一集热板；一反射板（冬）；一暖风（冬）冷风（夏）；一冷水；一隔热材料；一辐射板；一水箱图被动式制冷系统排热，而是积极的利用太阳辐射热。制冷的方法主 要有两种，媒介分别是空气和水。）使用空气为媒介：方法将空气引入地下卵石床内充分冷却后回到室内；方法在夏季夜间利用屋顶的辐射冷却板冷却室外空气，然后送入室内。）以水为媒介的原理是利用水的蒸发冷却作用。方法通过屋顶设水池，夜间通过向空中散发辐射制冷，白天关闭水池盖板，水吸收室内热量，从而制冷；方法围护表面的洒水蒸发降温；方法利用室内或院落水池蒸发降温。被动制冷系统稍加改变即可成为采暖系统，如水池白天吸热
10、，晚间盖板遮住向外的辐射，而向室内散热，冬天冷空气引入地下加热后进入室内，因此，也被称为被动式冷暖空调系统。图为被动式制冷系统的工作原理。双层幕墙结构也可通过调节，夏季尽量通过热压通风，降低玻璃表面温度；冬季充分利用玻璃的温室效应来蓄热。主动式太阳能系统主动式太阳能的定义为用太阳能代替以往驱动冷暖空调设备的热源，用一些特殊的装置来收集热辐射，并将其转化为有效的热能和电能的形式，这与被动式（以靠机械设备）完全靠建筑物自身采暖制冷有所不同，主要有太阳能灶、太阳能集热器和太阳能空调等。太阳能灶可分为透过聚焦式和反射聚焦式，透过聚焦式适用范围广，不仅可在院落中使用，而且可以用于多高层住户的阳台；反射式
11、太阳能灶取材制作方便。太阳能灶的调节装置保证随时跟踪太阳，相当于的电炉，这对缓解燃料紧缺、减少污染具有明显的效果。太阳能集热器可以作为建筑采暖的热源，常以空气或水为热媒。在热风集热器采暖系统中，被加热的空气通过储热层后由风机送入房间，也可以根据需要配备其他辅助热源。热水集热器可以提供地板热辐射采暖的热水和生活用热水，太阳能供应不足时可以辅助电加热的办法来达到水温的要求。热水集热器的发展历程经过了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式以及真空热管式，目前太阳能热水器已经实现大规模的商业化应用。但目前大多家庭的太阳能热水器是在建筑完成后安装在屋顶，不仅破坏了建筑的整体美，而且常会破坏屋顶防水，同时较低层
12、万方数据工业建筑年第卷第期住户因管程长也较少使用，这些问题严重制约了太阳能热水器的普及应用。集热器应作为房屋围护结构的一部分，嵌在屋顶、外墙、阳台上，而水路在设计房屋时就跟电路、气管等线路一起设计，建筑围护构件一体化是集热器发展的方向。太阳能辐射同样也可用于建筑制冷的开发利用，目前，比较成熟的技术是太阳能吸收式制冷系统，其原理与溴化锂吸收式制冷机的原理相同，区别是太阳能吸收式制冷系统中溴化锂浓溶液发生器的热源是由太阳能集热器产生的热水或蒸气提供。主动和被动太阳能系统结合策略被动式太阳能建筑和主动式建筑各有其优点，被动和主动结合，能够自动适应气候条件的变化和室内环境控制要求的智能化维护技术是太阳
13、能建筑发展的目标。装饰效果，更赋予建筑物鲜明的现代科技色彩。目前，光电池和建筑围护结构一体化设计（见图）是光电利用技术的发展方向，它能使建筑物从单纯的耗能型转变为供能型，产生的电能可独立存储，也可以并网应用，并网式适合于已有电网供电的用户，当产生的电量大于用户需求时，。多余的电量可以输送到电网，反之可以提供给用户。光电技术产品还有太阳能室外照明灯、信息显示屏、信号灯等。目前成本较高是光电池面临的一大难题，但随着应用的增加，会大幅度降低生产成本。 太阳能热发电利用策略太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转化为高温能并通过蒸气循环过程进行发电，国内此方图光电电池和围护一体 面的应用较少，与国外的差
14、距较大。目前热发电系统主要有种类型：碟式系统、槽式线聚焦系统和塔式系统。碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到。左右，驱动发动机进行发电。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热产生蒸气，推动常规汽轮机发电。塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，以产生很高的温度。太阳能光电利用策略太阳能光电利用技术就是利用太阳能组件将太阳能转变为电能。我国已经开展了晶硅高效电池、非晶硅和多晶硅薄膜电池等光电池以及光伏发电系统的研制，并建成了千瓦级独立和并网的光伏示范电站。自然光利用
15、策略日光有很多有益的成分，把太阳光引入室内，恰当地和人工照明结合。特别是浅层地下空间以及大量以日间人工照明为主的商业办公等建筑中，日光难以直接照射，通过在采光口和顶棚上设折光板、或棱镜玻璃将光引入室内深部；设太阳光跟踪器、收集器和导光系统将阳光引入室内，通过散光器可以进行自然光照明。图是安装在屋顶的光导管，图是透射式采光机和光导纤维传输的日光采光技术，光学传输效率为，图是采光机，下部的控制器能够根据日光位置传感器的信号，自动调节镜头朝向太阳的方向，末端是散光器。利用自然光照明的同时，也应注意在冬季获取充足的太阳能辐射，减少眩光；在夏季利用白昼光确保充足亮度，防止多余太阳辐射进入室内。光电电池的
16、主要优点是，可以与外装饰材料结合使用，运行时不产生噪音和废气。格雷姆肖在塞维利亚博览会大帐篷使用光电板来遮阳和发电；英国诺森伯兰大学一座教学楼在修缮时，外墙结合了光电池提供大楼夏天的用电以及冬天所需用电的。光电池板的质量很轻，他们可以随时间图光导管照射的角度转动，英国考特公司开发了电动百叶和 光伏电池结合的设备，能够在不同时刻、不同季节随太阳光线变化转动，建造出外部结构可以灵活移动的建筑，同时太阳能光电板优美的外观，具有特殊的太阳能技术在建筑中应用的综合万方数据策略 李海英，等 （下转第页）应以南墙面足够大，其他外表面尽可能小为标准来评价。为此，引入 “表面面积系数 ”的概念，即建筑物其他外表
17、面面积之和，与南墙面面积：之比，这一比值较之体型系数，更能反映建筑体型对太阳能利用的影响。从获取更多的日照辐射，降低能耗的观点来看，表面面积系数应越小越好。因此，可以用表面面积系数来研究建筑体型对节能的影响。从节能意义上来说，长轴朝向东西的长方形体型最好，正方形次之，而长轴朝向南北方向的长方形体型的建筑的节能效果最差。喵！最赡接梁皿 考虑日辐射得热量 月份图是将同体积的立方体建筑模型按不同的方 图 同体积不同体型建筑日辐射得热量式排列成为各种体型和朝向，从日辐射得热多少的 角度，研究建筑体型对节能的影响。由图可以看 出，立方体是冬季日辐射得热最少的建筑体型，是夏季得热最多的体型，、两种体型的全
18、年日辐射得热量较为均衡，而长、宽、高比例较为适宜的型，在冬季得热较多，在夏季得热为最少。檐、遮阳板，窗帘、百叶窗等的构造措施，这对于调节照节省能源也是十分有效的。参考文献宋德萱节能建筑设计与技术上海：同济大学出版社，结 语 减少建筑面宽，加大进深或增加组合体，建筑外形尽量规整，都有利于建筑节能；而体型复杂、凹凸面过多的塔式住宅对节能不利怛。西安地区多层住宅不应采用开敞式楼梯间，入口处设置门斗或采取其他避风措施，减少散热一。另外，要重视屋檐、挑刘衡对供暖建筑节能体型的研究墙材革新与建筑节能，（）： 朱玉梅西安地区新型节能构造体系研究：硕士学位论文西安：西安建筑科技大学，刘岩松，刘志航多层住宅的节
19、能体型控制住宅科技，（）（上接第页） 结 语中国正处于建设的高速发展时期，依我国的能源储备、水土资源和人口规模，建筑师应该对大自然采取负责的态度，充分利用取之不尽，用之不竭的太阳能，因地制宜地建设宜人的室内、外环境。参考文献图采光机光导传输散光器布赖恩爱德华兹，可持续性建筑周玉鹏，宋晔皓，译北京：中国 建筑工业出版社，： 英格伯格弗拉哥，托马斯 赫尔佐格技术设计李保峰，译北京：中国建筑工业出版社，： 江亿超低能耗建筑技术及应用北京：中国建筑工业出版社，： ， ： ： 彰国社国外建筑设计详图图集 被动式太阳能建筑设计任子明，庞玮，马俊，译北京：中国建筑工业出版社，： 图采光机 “向日葵 ” “ （） 西安地区居住建筑的节能体型设计 李雪平，等万方数据
