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绿色低碳建筑设计——太阳能在绿色低碳建筑设计中的应用

2015年06月29日

打印专业人士:谢 俊   来源:中民筑友有限公司

摘 要:太阳能储量巨大,分布广泛,清洁安全,结合本设计要求,在此次设计中充分考虑利用太阳能及太阳能光伏发电技术,在屋面、窗户及墙面进行了太阳能应用的初步研究,倡导绿色低碳的建筑设计研究。


关键词:太阳能;绿色;低碳;建筑设计;


一、 绪论

近年来,随着节能减碳问题的日益紧迫和“可持续发展”理念在国内的推广,绿色低碳建筑设计越来越引起我国广大建筑工作者的重视;而太阳能作为一种储量巨大,分布广泛,清洁安全的新能源,已经在世界范围引起了广泛的重视。太阳辐射到达地球表面的能量高达4×10兆MW,约为全球能耗的2000倍。许多发达国家先进的建筑节能理念、技术、材料,以及应用成果被介绍到国内,向人们展示了通过优秀设计和高新科技相结合所创造的优雅、舒适且节能环保的新型建筑发展前景。在德国的弗赖堡,大多数的建筑已改造为可持续建筑,并且大量应用太阳能等可再生能源,最为著名的是有“太阳能建筑大师” 之称的德国建设师罗尔夫·迪许在l995年建造的第一座太阳能屋,太阳能屋名为“向日葵”,独特之处在于它能随太阳缓慢自转并发电,而每天的用电量只有自发电量的六分之一,太阳能屋融合了现代节能技术和传统建筑技巧,被称为太阳能建筑经典。


目前太阳能的主要利用方式有:太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能制氢、太阳能烟囱、太阳能制冷、太阳能热水器等,其中太阳能光伏利用技术已经日益成熟,从光伏电站到太阳能路灯、太阳能玻璃幕墙等;太阳能光伏技术已经被广泛应用。


二、 绿色低碳建筑设计中的太阳能应用

太阳能技术在建筑中的应用的范围很广,人类有意识地在建筑中应用太阳能已有很久远的历史,人们总是选择在日照丰富的地方营造舒适的建筑环境。根据整体的设计原则,建造完善的太阳能生态建筑需要各专业的配合,从结构、设备、建筑物理、建筑材料等学科的通力协作才能得以实现。在太阳能建筑设计中,建筑师设计起着统领作用,协调各专业,发挥自身特长,将建筑设计与太阳能应用技术巧妙而有机地结合起来;应用太阳能技术的建筑和城市规划可以在美学、技术、功能上达到最完美的平衡,形成较完善的生态建筑体系。


而应用太阳能技术的建筑常常被分为主动式太阳能建筑和被动式太阳能建筑:


A、在主动式太阳能建筑中发挥建筑设计的作用

主动式太阳能建筑通过集热设备获取、储存和利用太阳能。然后由热媒将热量传入建筑物内分配使用。它对太阳能的利用率高、功率大,便于控制,但是需要一定的设备投入并占用一定的室外空间。由此.与太阳能应用相关的许多技术都可以应用在主动式太阳能建筑中。例如太阳能集热器、太阳能发电系统、自然采光、光化学制氢等。这些复杂的设备设计超出了建筑师的工作范围,但是具备生态与整合观念的建筑师可以结合建筑结构、形体、色彩、材料,考虑并调整它们与太阳能设备的关系,使建筑的外观更加丰富多彩,达到最好的综合效果。


在设计中灵活运用这些设计手法的太阳能建筑,在满足节能、节约资源耗费的生态建筑要求的同时,还可以通过为住户营造在美学上赏心悦目的建筑外环境来体现生态建筑“与建筑环境相协调”、“满足用户要求”的原则。


B、在被动式太阳能建筑中发挥建筑设计的作用

在被动式太阳能建筑中应用太阳能技术,可以使建筑师找到更广阔用武之地。被动式太阳能建筑通常不依靠任何机械手段,通过调整建筑的朝向,选择适当的建筑材料,巧妙处理建筑的空间和形体,进行合理的建筑构造设计等手段使建筑物自然地应用太阳能供暖、采光并维持建筑的能耗;因此建筑师有充分的空间可以发挥自己的专长。合理而有效地安排建筑空间、形体,并利用高效率的技术满足同样的功能需要,可以应用的手段有:


(1)通过调整建筑的形体安排建筑的朝向、采光不同建筑的形体对阳光利用效果不同,可以设计相应的建筑形式与外观。例如,朝南倾斜的三角形体量有利于充分吸收太阳能:采用立方体等体型系数较小的形式可以减少冬季热散失。为了最大限度吸收太阳热辐射,可以安排建筑在东南和西南暴露尽可能大的面积,以对角线为南北方向放置。太阳能建筑由于采用了一定的特定技术,而在形式表现方面受到较大的限制,往往具有呆板的几何形状,缺乏表现力,在建筑设计上可以采用比例和谐优美纤长的形式。南向立面的展开意味着吸收太阳能辐射面积能够增加很多,在这种情况下,根据不同的形体需要,更加需要建筑设计师用创意的大脑和专业的技术知识来解决问题。


(2)设计美观大方的毗连温室附加阳光房是一种多功能的房间,可以让人在寒冷的季节有置身于大自然的感觉,同时它也是为毗连的房间供热的一种有效设施。在建筑设计中可以设计美观大方的阳光间,并合理划分阳光间与其毗邻房间的功能。如坡顶部分加设倾斜玻璃,在形式上追求了变化的同时大大增加了集热量;还可以在阳光房种植植物,作为休息、娱乐空间;为阳光间附加保温、隔热设施,让它一年四季都做为宜人的空间。


(3)通过建筑设计手段形成自然通风,太阳能在建筑中的应用不但要在冬季保温隔热,还要在夏季达到防暑降温的效果;以体现绿色建筑“设计结合气候”的原则。在一般地区的炎热季节,设计以水院和绿荫为中心的建筑空间;由热压力差形成的空气运动将干热空气引入封闭庭院,掠过水体和绿茵,得到良好的降温、加湿和净化,由此使庭院和室内环境凉爽而适宜。在多风少雨的高海拔干热地区,设计风管、地下室和绿化庭院,风压造成空气在风管、地下室和绿化庭院中的流动和调节,可以创造舒适的微气候,增加庭院户外活动的吸引力。


C、太阳能对于城市规划与城市设计中的深远意义

太阳能设计应用在城市规划中,只有考虑节能和建筑密度的问题,才能在城市建设中充分发挥场地和当地日照条件的优势;因为建筑密度关系到生活环境的优劣,并影响到建筑日照间距的要求。在居住区规划中,每种住宅平面因素对住宅建筑密度和太阳能都会产成不同的影响,地面反射对建筑立面的有效影响通过朝向、场地坡度和单元长宽比表现出来。因此当建筑密度增加时,由于建筑物的遮挡,要使每个居住单元都获得充足的阳光就比较困难。


在城市设计中。应当具备全面整体的设计观念。在设计工作中将太阳能应用技术纳入整体考虑,在不同的设计条件下灵活应用。例如在住宅新区规划设计中。通过电业系统为整个住区安装与建筑屋面结合的,大功率光电PV系统,可以实现光电PV系统的标准化及屋面PV系统的预制化。


在绿色生态设计原则中,“系统设计观”是一条重要的原则。全面系统地分析解决问题变得越来越重要,争取在城市建筑、住宅开发、开敞公共空间、基础设施等方面形成应用太阳能技术的生态综合体,将太阳能整体纳入到城市设计中应该成为未来的一个重要的设计主题。建筑在人类生活中占有极重要的地位,回顾人类的建筑史,从最初的遮风避雨之所到今天的智能化建筑,人们在享受现代文明带来快乐和舒服的同时,能源危机、环境污染、生态破坏等等,加剧了人与自然的矛盾,威胁着人类的生存和发展。全球范围内的环境保护运动蓬勃发展,人与自然和协共处的“绿色革命”风靡全球,“生态城市”、“低碳建筑”“生态家居”也应时代潮流被提了出来。各国的建筑节能工作在不断的探索,这是全世界能源事业可持续发展的需要,也是建筑发展的必然趋势。


虽然并不是所有应用太阳能技术的建筑都可以被称为“绿色低碳建筑”。但是设计合理的太阳能建筑很容易满足“绿色低碳建筑”应具备的基本原则:


降低建筑能耗—— 太阳能建筑无疑能节约常规能源消耗,它的能量来源是源源不断传输到地球上的太阳能。通过建筑设计手段使建筑自身应用太阳能采光、供暖时维持建筑的能耗;或者凭借一定的设备来储热、发电并用以满足用户的居住需要。


节约资源消耗--太阳能建筑的结构、材料可以成为环境循环系统的一部分,促进能源材料的循环利用,避免某些人工调节的手段必然带来的对天然建材、生态环境的破坏。


尊重基地环境— — 太阳能是一种无污染的能源,太阳能建筑自身的运营、能耗不会产生对周围环境的破坏,在能源利用的方面充分顾及基地环境。


满足用户的要求—— 充足日照对人体可以产生直接作用,在满足人类对阳光与生俱来的亲和性的同时.还可以满足人的健康需求并给人以能量。与之相反,人工控制下不间断的建筑室内气候,却始终无法给人们带来阳光所营造的舒适度和美感。


设计结合气候——太阳能建筑的设计建造必然是结合建筑所在场地气候的,因为一年四季、白天和夜晚、不同地点的气候条件不同,太阳的辐射强度也不同,想要充分地利用太阳能必须结合当地日照条件。比如在夏季或炎热地区,以通风、遮阳的方式建造“自然冷房”做到隔热与室内温度的自然冷却,在寒冷地区或冬季,利用自然的方式或设备把太阳能导人室内,并使之得以保持,形成“自然暖房”。


整体的设计观——虽然现在很难发现有建筑将这些原则综合运用到一项设计中去,但是对于太阳能建筑来说,将这些绿色原则相对于环境被当作一个整体来实施是未来发展的趋势。


太阳能是清洁的可再生能源,光伏发电是未来可再生能源利用的重要领域,是国家鼓励积极发展的新能源,目前,在国内的大城市中,众多的建筑、铁路、工厂等都已采用太阳能光伏发电技术。


在具体应用中,晶体硅太阳能电池组件技术成熟,产品性能稳定,使用寿命长,故障率极低,运行维护最为简单。在单晶硅电池和多晶电池选择上,单晶硅电池组件的发电效率比多晶硅组件稍高约10%,多晶硅电池组件的价格要比单晶硅低约10%;从目前市场的生产规模来看,多晶硅电池组件要比单晶硅大,本设计拟选用单块峰值功率为280Wp的多晶硅太阳能电池板,设计使用寿命为25年。光伏发电是一种清洁能源,运行过程中既不消耗资源,同时也不释放污染物、废料,不产生温室气体破坏大气环境,有利于保护周围环境。


三、 结语

在国内,北京奥运村采用了6000平方米的太阳能热水系统,其技术先进程度,为历届奥运会之最。而当今的中国正处于快速发展时期,年新增建筑量世界排名第一,被形象地称为“世界最大的建筑工地”,但在现有的建筑中,95%属于高能耗、高物耗建筑,新建建筑只有1 5%一20%执行了建筑节能设计标准,随着建筑物采暖和制冷面积的不断扩大,建筑能耗不断提高。据统计,我国建筑能耗和建筑物的能耗占全国总能耗的3 0%左右。资源消耗剧增、环境污染恶化的现实,更有力地证明了传统的工业化和城市化道路在中国是难以长期为继的,必须通过有效措施对现有状况加以改进,实现节约设计,在建筑中大力推广应用建筑节能新技术、新材料、新工艺包括太阳能、风能等多种新型清洁能源的开发利用,不断提高对于节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用等新课题的研究,以达到建筑与周围环境和谐共存。一幢太阳能建筑与一幢普通建筑相比,从理论上讲可节约用电50%,推广应用建筑节能新技术、新材料、新工艺将产生巨大经济和社会效益。


应用太阳能技术是绿色低碳建筑的必然选择;在可再生的能源中,太阳能有明显优越性,它取之不尽、用之不竭,无任何污染。而我国陆地表面每年接受的太阳能在建筑中的应用前景十分广阔。如果对太阳能进行全面的开发利用,可以从多角度为人类造福,为人们创造更好的生活质量。因此,在建筑设计中加大对于太阳能的研究是绿色低碳建筑迈向可持续发展的必然选择。


参考文献:

【1】赵玉文,太阳能利用的发展概况和未来趋势,中国电力,2003,36(9)

【2】赵利勇,太阳能利用技术与发展,能源与环境,2007,04:55—58

【3】刘伟,太阳能利用与可持续发展,中国能源,2005,27(2):46—47

【4】托马斯·赫尔佐格、吴蔚《从太阳能设计到城市设计》.建筑学报,20O0(1 2)

【5】谢空、白梅、邓康《太阳能与建筑一体化设计体会》.工业建筑,20O8(2)



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