[科普中国]-太阳能建筑

简介

太阳能建筑应用的目标是利用太阳能来满足建筑物的用能需求，包括供暖、空调、生活热水、照明、家用电器等方面的能源供给。根据应用技术不同，太阳能建筑应用可以分为热利用技术的建筑应用和光伏技术建筑应用2大类，每一类技术根据其技术内容不同又可进一步细分。受技术发展水平和经济性等因素的影响，每种技术的发展历史、技术成熟度、产业支撑情况都不尽相同。技术经济性的差异决定了太阳能在建筑中应用水平和规模的不同。目前，部分技术如太阳能热水技术，在我国已开始进入规模化应用阶段，但太阳能建筑应用在综合利用、一体化建设等方面还有许多问题需要解决和完善。2

发展历史利用太阳辐射加热房屋，从人类第一次建造住宅就已经开始了，公元前 4世纪，古希腊科学家亚里士多德(
Aristotle)就曾经提出房屋“北面窗户要小，南面窗户要大，并且要有水平伸出的檐，冬季暖和，夏天可以遮阳”。最早的有记载的被动式太阳能采暖试验是美国马萨诸塞州的摩尔斯(E．S．Morse)教授于1881 年使用“表面涂黑的，瓦装在玻璃下面，玻璃固定在房子向阳的一面，墙上有孔，整个设计使得房间里的冷空气从瓦的下边排出房间，然后在玻璃与瓦之间被加热上升的空气在顶部重新压迫进入房间”。1

分类学术界把太阳能建筑按其有无机械动力分为主动式太阳能建筑和被动式太阳能建筑两大类。但是由于太阳辐射具有时空不连续性的特点，为了获取舒适稳定的室内热环境，通常在建筑中需要同时使用被动式和主动式太阳能联合的方式甚至添加辅助能源。1

主动式太阳能建筑主动式太阳能建筑的供热系统一般由集热、储热、散热部件、循环管道设备及控制系统组成。它是一种通过高效集热装置——太阳能集热器来收集获取太阳能，并与风机或泵、管道、末端散热设备及储热装置等组成的强制循环太阳能供暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统。它对太阳能的利用效率高，不仅可以供热、供热水、还可以供冷，而且室内温度稳定舒适，日波动小，储存时间长、功率大、使用方便、便于控制，在发达国家应用非常广泛。但因为它存在着设备复杂、先期投资偏高等缺点，因此，目前在我国还未得到大面积推广。

主动式太阳能系统按传热介质又可分为空气循环系统、水循环系统和水、气混合系统。

被动式太阳能建筑被动式太阳能建筑是通过建筑朝向、平面布局及外部形态的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理、建筑构造的合理设计、建筑材料的合理选择，使得其以自然运行的方式获取、储存和利用太阳能的一类建筑。被动式太阳房不需借助风机、泵和复杂的控制系统对太阳能进行收集、贮藏和再分配。窗、墙、楼板等建筑的基本要素，除满足传统的建筑功能需要（围护和支撑作用）外，还负担着热能的贮存和释放作用。一座建筑的各个组成部分同时要满足建筑学的、结构的和能量的三方面需求。每一个被动式太阳能采暖系统至少要有两个构成要素：朝南向的玻璃集热器和通常由砌块、岩石或水等保温材料组成的能量储存构件。

被动式太阳能建筑又可分为：

1.直接收益式

在房屋的朝阳面设置大面积双层玻璃窗，利用室内的地面和墙体，作为蓄热体吸收太阳能。蓄热体可用混凝土、砖、石等材料，表面最好用深色。白天蓄热，夜间利用所蓄热能供暖。

2.水墙式

将朝阳墙面做成装水的墙体，墙外设玻璃幕墙，两者之间留出空气隔层。在冬季的白天，阳光把水墙加热後向室内散热﹔夜晚关闭活动的隔热保温板，使已蓄热的水墙能保证室内热量不致散失。夏季还可利用水墙作为隔热墙之用，防止辐射热入室。

3.蓄热墙式

将朝阳墙面做成厚重实墙，外涂黑色，外层设玻璃幕墙，两者之间留出空气隔层。实墙上留出适当的采光面积，上、下留洞口。白天室内的冷空气通过下部洞口，进入空气隔层受热上升，经由上部洞口进入室内，如此形成对流循环，室内温度即可不断提高。夜间将洞口关闭，并下帘幕，使室内热量不致散失。夏季开启厚墙和玻璃幕墙上的小窗，可通风降温。

4.太阳温室式

在房屋外部建一玻璃温室，与室内有洞口相通。白天太阳将温室加热後，实墙已蓄热，热量即散入室内。实墙也可设计成隔热用的水墙。温室也可以作为一个附加的、阳光充足的空间，作为生活起居之用，可以种菜、栽花或作室内绿化，但在夏季要有遮阳措施。

5.屋顶水池式

在屋顶上用透明材料做成水袋或水池，上盖活动式隔热保温板。在冬季的白天，将保温板拉开，太阳将水加热，夜间关闭保温板。水有较大的热容，可持续向室内散热。夏季的白天大部分阳光被保温板所反射，其馀被水吸收，水袋或水池起隔热作用﹔夜间打开保温板，使之散热、降温。

组成结构

1.集热系统

即通过各种手段收集太阳的辐射热能。

主要方式：通过建筑构件本身、附加独立式集热器（如太阳能热水器、太阳能空气集热器等）。

2.蓄热系统

即将集热系统收集的热能储存起来的装置系统。

主要方式有：

通过建筑构件本身（简单经济）；

水筒蓄热系统，利用水的比热大和可充分对流换热原理；

卵石仓蓄热系统，利用热空气通过卵石缝隙将热能传递给卵石达到蓄热效果；

相变材料蓄热系统，利用物质固液状态转化中需要大量相变热的原理；

利用地下土壤蓄热系统（防空洞）。

3.分配系统

主要方式：自然散热、板式散热器、地板盘管、风机对流、风机循环、风机空气介质输送分配。

4.辅助热源

根据蓄热系统不同，辅助热源不同

利用建筑构件本身蓄热时，几乎可用任何方式辅助供热。

水体蓄热，采用锅炉、电、天然气；

卵石仓蓄热和相变材料蓄热时，采用空气加热器；

5.控制系统

基本为自动控制，利用恒温器和仪表盘，保持系统运转效率。3

原理主动式太阳能建筑靠常能(泵、鼓风机)运行的系统，由集热器、蓄热器、收集回路、分配回路组成，通过平板集热器，以水为介质收集太阳热。吸热升温的水，贮存於地下水柜内，柜外围以石块，通过石块将空气加热後送至室内，用以供暖。如将蓄热器埋於地层深处，把夏季过剩的热能贮存起来，可供其他季节使用。

被动式太阳能建筑用建筑物的一部分实体作为集热器和贮热器，利用传热介质对流分配热能的系统。被动式太阳能系统利用建筑材料的吸热性、蓄热性和传热介质的对流收集热能，贮存热能，分配热能。被动式太阳能系统在冬季吸收热能作为供暖的热源，在夏季把建筑物内的热量散发出去，作为调节室内温度的冷源。

代表性建筑由于太阳能热力系统的发展与建筑紧密相连，需有建筑业的大力支持与配合。在市场经济条件下不能完全依靠行政手段来强行推广，我们必须通过努力，研发设计出令建筑商能主动接受和配合的太阳能热力系统，或与建筑相结合的技术解决方案，让太阳能热力系统成为建筑不可分割的一部分，以满足与建筑相结合的需要。以下是世界各地令人惊叹的太阳能建筑一览。

1、巨蛋办公楼

位于印度孟买的蛋形办公楼是一座令人印象深刻的可持续建筑。它利用了被动式太阳能设计，

能够通过减少热增益来调整建筑内部的温度。办公楼由太阳能电池板和屋顶的风力涡轮机提供能量，它甚至能够独立收集水分进行花园灌溉。

2、弗莱堡太阳能城市

居民建筑的屋顶是由设置成完美角度的光伏板构成，但是它们也可以作为一个巨大的遮阳伞。所以即使日照非常强烈的时候，下面的居民也能享受凉爽的温度。

3、垂直村落

迪拜以其怪异的建筑风格闻名于世，现在的最新趋势是可持续设计。很少有设计样本超越格拉夫特建筑事务所的建筑师建造的垂直村落。垂直村落设计的精髓在于，它如何在最大化收获太阳能的同时保持建筑物凉爽。

4、太阳城大厦

这座惊人的太阳能塔是专门为里约热内卢的2016年奥运会设计的，它将被安装在Cotunduba岛上，而且将成为里约热内卢的标志性建筑。它代表着里约热内卢为打造史上第一届“零碳奥运”所做出的努力。

5、高雄体育馆

体育馆通常都损耗大量的能量，而且通常被用作可持续建筑的反面典型。然而台湾的这座龙型体育馆是一个例外，它的电能100%由外侧的太阳能电池板提供。高雄的这座体育馆足以为3300个照明灯和2个巨型显示屏供电。

6、芝加哥太阳能大厦

建筑师为芝加哥设计的这座大厦几乎全部被太阳追踪太阳能电池板所覆盖，它们就像向日葵一样追随太阳的移动。这些太阳能电池板经过了精心安置，在为建筑遮阳的同时不会影响人们的视野。4

中国的发展环境中国太阳能建筑发展环境日趋良好。在中国，1998年5月29日签署加入《京都议定书》，2006年12月1日批准施行《可再生能源法》，2007年8月31日发布《中国可再生能源中长期发展规划》，2008年4月1日正式实施《节约能源法》，2008年10月1日开始实施《建筑节能条例》。“节能减排”、“节能省地”成为建筑行业点击率最高的词语之一。这一切都在向人们昭示：中国的房屋建设及其能源问题已成为中国社会的全局问题，太阳能建筑在中国的发展逐渐受到社会各界的广泛关注。5

江苏、山东、河北、海南、云南等省，北京、上海、深圳、大连等市已经在新建12层以下居住建筑以及办公建筑、学校、医院、宾馆等公共建筑中开始强制推行太阳能热水系统，因此，应用太阳能热水系统完全可以成为国家层面的建筑节能强制要求，从而让50%或65%的建筑节能目标包含更多的内涵。6

在中国太阳能与建筑一体化技术已基本成熟的条件下，太阳能与建筑一体化是中国太阳能利用行业发展的必然趋势。中国政府对CO2减排国际义务的承诺和科学发展观的落实，以及不断加强的建筑节能全民意识和日益成熟的房地产市场环境，促进了建筑节能完整利益链与市场化运行机制的形成，为建筑利用太阳能提供了良好机遇。可以肯定，未来的建筑市场将是节能减排的市场，太阳能建筑将迎来快速发展的春天。