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    綠色低碳建筑設計——太陽能在綠色低碳建筑設計中的應用

    2015年06月29日

    打印專業人士:謝 俊   來源:中民筑友有限公司

    摘 要:太陽能儲量巨大,分布廣泛,清潔安全,結合本設計要求,在此次設計中充分考慮利用太陽能及太陽能光伏發電技術,在屋面、窗戶及墻面進行了太陽能應用的初步研究,倡導綠色低碳的建筑設計研究。


    關鍵詞:太陽能;綠色;低碳;建筑設計;


    一、 緒論

    近年來,隨著節能減碳問題的日益緊迫和“可持續發展”理念在國內的推廣,綠色低碳建筑設計越來越引起我國廣大建筑工作者的重視;而太陽能作為一種儲量巨大,分布廣泛,清潔安全的新能源,已經在世界范圍引起了廣泛的重視。太陽輻射到達地球表面的能量高達4×10兆MW,約為全球能耗的2000倍。許多發達國家先進的建筑節能理念、技術、材料,以及應用成果被介紹到國內,向人們展示了通過優秀設計和高新科技相結合所創造的優雅、舒適且節能環保的新型建筑發展前景。在德國的弗賴堡,大多數的建筑已改造為可持續建筑,并且大量應用太陽能等可再生能源,最為著名的是有“太陽能建筑大師” 之稱的德國建設師羅爾夫·迪許在l995年建造的第一座太陽能屋,太陽能屋名為“向日葵”,獨特之處在于它能隨太陽緩慢自轉并發電,而每天的用電量只有自發電量的六分之一,太陽能屋融合了現代節能技術和傳統建筑技巧,被稱為太陽能建筑經典。


    目前太陽能的主要利用方式有:太陽能光伏發電、太陽能熱發電、太陽能制氫、太陽能煙囪、太陽能制冷、太陽能熱水器等,其中太陽能光伏利用技術已經日益成熟,從光伏電站到太陽能路燈、太陽能玻璃幕墻等;太陽能光伏技術已經被廣泛應用。


    二、 綠色低碳建筑設計中的太陽能應用

    太陽能技術在建筑中的應用的范圍很廣,人類有意識地在建筑中應用太陽能已有很久遠的歷史,人們總是選擇在日照豐富的地方營造舒適的建筑環境。根據整體的設計原則,建造完善的太陽能生態建筑需要各專業的配合,從結構、設備、建筑物理、建筑材料等學科的通力協作才能得以實現。在太陽能建筑設計中,建筑師設計起著統領作用,協調各專業,發揮自身特長,將建筑設計與太陽能應用技術巧妙而有機地結合起來;應用太陽能技術的建筑和城市規劃可以在美學、技術、功能上達到最完美的平衡,形成較完善的生態建筑體系。


    而應用太陽能技術的建筑常常被分為主動式太陽能建筑和被動式太陽能建筑:


    A、在主動式太陽能建筑中發揮建筑設計的作用

    主動式太陽能建筑通過集熱設備獲取、儲存和利用太陽能。然后由熱媒將熱量傳入建筑物內分配使用。它對太陽能的利用率高、功率大,便于控制,但是需要一定的設備投入并占用一定的室外空間。由此.與太陽能應用相關的許多技術都可以應用在主動式太陽能建筑中。例如太陽能集熱器、太陽能發電系統、自然采光、光化學制氫等。這些復雜的設備設計超出了建筑師的工作范圍,但是具備生態與整合觀念的建筑師可以結合建筑結構、形體、色彩、材料,考慮并調整它們與太陽能設備的關系,使建筑的外觀更加豐富多彩,達到最好的綜合效果。


    在設計中靈活運用這些設計手法的太陽能建筑,在滿足節能、節約資源耗費的生態建筑要求的同時,還可以通過為住戶營造在美學上賞心悅目的建筑外環境來體現生態建筑“與建筑環境相協調”、“滿足用戶要求”的原則。


    B、在被動式太陽能建筑中發揮建筑設計的作用

    在被動式太陽能建筑中應用太陽能技術,可以使建筑師找到更廣闊用武之地。被動式太陽能建筑通常不依靠任何機械手段,通過調整建筑的朝向,選擇適當的建筑材料,巧妙處理建筑的空間和形體,進行合理的建筑構造設計等手段使建筑物自然地應用太陽能供暖、采光并維持建筑的能耗;因此建筑師有充分的空間可以發揮自己的專長。合理而有效地安排建筑空間、形體,并利用高效率的技術滿足同樣的功能需要,可以應用的手段有:


    (1)通過調整建筑的形體安排建筑的朝向、采光不同建筑的形體對陽光利用效果不同,可以設計相應的建筑形式與外觀。例如,朝南傾斜的三角形體量有利于充分吸收太陽能:采用立方體等體型系數較小的形式可以減少冬季熱散失。為了最大限度吸收太陽熱輻射,可以安排建筑在東南和西南暴露盡可能大的面積,以對角線為南北方向放置。太陽能建筑由于采用了一定的特定技術,而在形式表現方面受到較大的限制,往往具有呆板的幾何形狀,缺乏表現力,在建筑設計上可以采用比例和諧優美纖長的形式。南向立面的展開意味著吸收太陽能輻射面積能夠增加很多,在這種情況下,根據不同的形體需要,更加需要建筑設計師用創意的大腦和專業的技術知識來解決問題。


    (2)設計美觀大方的毗連溫室附加陽光房是一種多功能的房間,可以讓人在寒冷的季節有置身于大自然的感覺,同時它也是為毗連的房間供熱的一種有效設施。在建筑設計中可以設計美觀大方的陽光間,并合理劃分陽光間與其毗鄰房間的功能。如坡頂部分加設傾斜玻璃,在形式上追求了變化的同時大大增加了集熱量;還可以在陽光房種植植物,作為休息、娛樂空間;為陽光間附加保溫、隔熱設施,讓它一年四季都做為宜人的空間。


    (3)通過建筑設計手段形成自然通風,太陽能在建筑中的應用不但要在冬季保溫隔熱,還要在夏季達到防暑降溫的效果;以體現綠色建筑“設計結合氣候”的原則。在一般地區的炎熱季節,設計以水院和綠蔭為中心的建筑空間;由熱壓力差形成的空氣運動將干熱空氣引入封閉庭院,掠過水體和綠茵,得到良好的降溫、加濕和凈化,由此使庭院和室內環境涼爽而適宜。在多風少雨的高海拔干熱地區,設計風管、地下室和綠化庭院,風壓造成空氣在風管、地下室和綠化庭院中的流動和調節,可以創造舒適的微氣候,增加庭院戶外活動的吸引力。


    C、太陽能對于城市規劃與城市設計中的深遠意義

    太陽能設計應用在城市規劃中,只有考慮節能和建筑密度的問題,才能在城市建設中充分發揮場地和當地日照條件的優勢;因為建筑密度關系到生活環境的優劣,并影響到建筑日照間距的要求。在居住區規劃中,每種住宅平面因素對住宅建筑密度和太陽能都會產成不同的影響,地面反射對建筑立面的有效影響通過朝向、場地坡度和單元長寬比表現出來。因此當建筑密度增加時,由于建筑物的遮擋,要使每個居住單元都獲得充足的陽光就比較困難。


    在城市設計中。應當具備全面整體的設計觀念。在設計工作中將太陽能應用技術納入整體考慮,在不同的設計條件下靈活應用。例如在住宅新區規劃設計中。通過電業系統為整個住區安裝與建筑屋面結合的,大功率光電PV系統,可以實現光電PV系統的標準化及屋面PV系統的預制化。


    在綠色生態設計原則中,“系統設計觀”是一條重要的原則。全面系統地分析解決問題變得越來越重要,爭取在城市建筑、住宅開發、開敞公共空間、基礎設施等方面形成應用太陽能技術的生態綜合體,將太陽能整體納入到城市設計中應該成為未來的一個重要的設計主題。建筑在人類生活中占有極重要的地位,回顧人類的建筑史,從最初的遮風避雨之所到今天的智能化建筑,人們在享受現代文明帶來快樂和舒服的同時,能源危機、環境污染、生態破壞等等,加劇了人與自然的矛盾,威脅著人類的生存和發展。全球范圍內的環境保護運動蓬勃發展,人與自然和協共處的“綠色革命”風靡全球,“生態城市”、“低碳建筑”“生態家居”也應時代潮流被提了出來。各國的建筑節能工作在不斷的探索,這是全世界能源事業可持續發展的需要,也是建筑發展的必然趨勢。


    雖然并不是所有應用太陽能技術的建筑都可以被稱為“綠色低碳建筑”。但是設計合理的太陽能建筑很容易滿足“綠色低碳建筑”應具備的基本原則:


    降低建筑能耗—— 太陽能建筑無疑能節約常規能源消耗,它的能量來源是源源不斷傳輸到地球上的太陽能。通過建筑設計手段使建筑自身應用太陽能采光、供暖時維持建筑的能耗;或者憑借一定的設備來儲熱、發電并用以滿足用戶的居住需要。


    節約資源消耗--太陽能建筑的結構、材料可以成為環境循環系統的一部分,促進能源材料的循環利用,避免某些人工調節的手段必然帶來的對天然建材、生態環境的破壞。


    尊重基地環境— — 太陽能是一種無污染的能源,太陽能建筑自身的運營、能耗不會產生對周圍環境的破壞,在能源利用的方面充分顧及基地環境。


    滿足用戶的要求—— 充足日照對人體可以產生直接作用,在滿足人類對陽光與生俱來的親和性的同時.還可以滿足人的健康需求并給人以能量。與之相反,人工控制下不間斷的建筑室內氣候,卻始終無法給人們帶來陽光所營造的舒適度和美感。


    設計結合氣候——太陽能建筑的設計建造必然是結合建筑所在場地氣候的,因為一年四季、白天和夜晚、不同地點的氣候條件不同,太陽的輻射強度也不同,想要充分地利用太陽能必須結合當地日照條件。比如在夏季或炎熱地區,以通風、遮陽的方式建造“自然冷房”做到隔熱與室內溫度的自然冷卻,在寒冷地區或冬季,利用自然的方式或設備把太陽能導人室內,并使之得以保持,形成“自然暖房”。


    整體的設計觀——雖然現在很難發現有建筑將這些原則綜合運用到一項設計中去,但是對于太陽能建筑來說,將這些綠色原則相對于環境被當作一個整體來實施是未來發展的趨勢。


    太陽能是清潔的可再生能源,光伏發電是未來可再生能源利用的重要領域,是國家鼓勵積極發展的新能源,目前,在國內的大城市中,眾多的建筑、鐵路、工廠等都已采用太陽能光伏發電技術。


    在具體應用中,晶體硅太陽能電池組件技術成熟,產品性能穩定,使用壽命長,故障率極低,運行維護最為簡單。在單晶硅電池和多晶電池選擇上,單晶硅電池組件的發電效率比多晶硅組件稍高約10%,多晶硅電池組件的價格要比單晶硅低約10%;從目前市場的生產規模來看,多晶硅電池組件要比單晶硅大,本設計擬選用單塊峰值功率為280Wp的多晶硅太陽能電池板,設計使用壽命為25年。光伏發電是一種清潔能源,運行過程中既不消耗資源,同時也不釋放污染物、廢料,不產生溫室氣體破壞大氣環境,有利于保護周圍環境。


    三、 結語

    在國內,北京奧運村采用了6000平方米的太陽能熱水系統,其技術先進程度,為歷屆奧運會之最。而當今的中國正處于快速發展時期,年新增建筑量世界排名第一,被形象地稱為“世界最大的建筑工地”,但在現有的建筑中,95%屬于高能耗、高物耗建筑,新建建筑只有1 5%一20%執行了建筑節能設計標準,隨著建筑物采暖和制冷面積的不斷擴大,建筑能耗不斷提高。據統計,我國建筑能耗和建筑物的能耗占全國總能耗的3 0%左右。資源消耗劇增、環境污染惡化的現實,更有力地證明了傳統的工業化和城市化道路在中國是難以長期為繼的,必須通過有效措施對現有狀況加以改進,實現節約設計,在建筑中大力推廣應用建筑節能新技術、新材料、新工藝包括太陽能、風能等多種新型清潔能源的開發利用,不斷提高對于節地與室外環境、節能與能源利用、節水與水資源利用、節材與材料資源利用等新課題的研究,以達到建筑與周圍環境和諧共存。一幢太陽能建筑與一幢普通建筑相比,從理論上講可節約用電50%,推廣應用建筑節能新技術、新材料、新工藝將產生巨大經濟和社會效益。


    應用太陽能技術是綠色低碳建筑的必然選擇;在可再生的能源中,太陽能有明顯優越性,它取之不盡、用之不竭,無任何污染。而我國陸地表面每年接受的太陽能在建筑中的應用前景十分廣闊。如果對太陽能進行全面的開發利用,可以從多角度為人類造福,為人們創造更好的生活質量。因此,在建筑設計中加大對于太陽能的研究是綠色低碳建筑邁向可持續發展的必然選擇。


    參考文獻:

    【1】趙玉文,太陽能利用的發展概況和未來趨勢,中國電力,2003,36(9)

    【2】趙利勇,太陽能利用技術與發展,能源與環境,2007,04:55—58

    【3】劉偉,太陽能利用與可持續發展,中國能源,2005,27(2):46—47

    【4】托馬斯·赫爾佐格、吳蔚《從太陽能設計到城市設計》.建筑學報,20O0(1 2)

    【5】謝空、白梅、鄧康《太陽能與建筑一體化設計體會》.工業建筑,20O8(2)



    住宅產業化民間智庫群:147874495

    工業化建筑設計師群:138517101

    工業化建筑學生群:199516367


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    [責任編輯:Susan]

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