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太阳能与建筑一体化

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高层住宅太阳能一体化设计体系研究“绿色建筑”的技术策略

时间:2014-11-08 栏目:太阳能与建筑一体化 浏览:

  近年来,在中国建筑建设中,高层住宅发展的速度和规模令世人瞩目,同时建筑能耗的问题也日益凸现。高层住宅太阳能一体化设计体系研究早已是众多专家研究的课题,据最新统计,2000年中国建筑能耗已占当年全社会终端能源消耗量的27.8%,接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量1/3左右的水平 。目前利用可再生能源,提高建筑能效的研究与实践已逐步展开,如何将太阳能利用技术与中国国情下的高层建筑完美的结合,创造低能耗高舒适度的健康居住建筑,已成为住宅节能建设中的一个最新亮点。

  1、中国的“阳光事业”

  太阳能的推广利用工作被誉为“阳光事业”。中国地域辽阔,有着丰富的太阳能资源。据估算,我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1O18KJ,全国各地太阳年辐射总量达335~837 KJ/cm2·a,平均值为586 KJ/cm2·a,属太阳能资源丰富的国家之一。

  我国自1977年始,从甘肃民勤县建造了第一座被动式太阳房,至今已推广约1000万m2(建筑面积)。目前我国被动太阳房已进入规模普及阶段,并开始由群体建筑向住宅小区、太阳村、太阳城发展。我国被动太阳房采暖节能达60%~70%,平均每m2建筑面积每年可节约20~40kg标准煤,发挥着良好的经济和社会效益。经过数年的研究和开发,太阳能热水器的推广应用范围在不断扩大,其发展在我国最为迅速,已形成为一个产业。新型太阳能集热器的试制成功,使太阳能热水器可作为建筑构件应用在建筑的外围护结构上。

  当前我国正尝试建设各种生态节能的示范工程,如上海辛庄工业园区生态办公样板楼(图1),该工程中尝试应用了真空管太阳能热水器、PV光电板、太阳能空调和地板采暖系统等太阳能复合技术。总体而言,国内这些年在太阳能利用的过程中,从理论研究、模拟试验、材料构件的开发、示范房屋及设计工程等方面,已逐步积累了经验,为我们在建筑中进一步开发利用太阳能奠定了良好的基础。

  2、上海高层住宅节能与太阳能利用潜力

  上海是中国最大的综合性城市,人口普查数据显示,2000年的人口密度达到2588人/km2,远远高于全国人口密度每平方公里132人的数值,居于全国首位。因人口聚集且受地价影响,在城市聚居区建筑密度日趋提高,高层尤其是小高层住宅建设发展迅猛。高层住宅对于建设用地紧张、寸土寸金的上海,无疑已成为最适宜的建筑方式。

  作为非采暖地区的上海,由于气候的原因,冬夏两季多通过消耗电能来换取室内热舒适度,据统计,百户空调安装率已高达80%左右,其能耗对城市环境造成了极大的压力。2001年10月,国家建设部颁发了我国《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,同时上海市建委会同有关部门组织编制了《上海市“十五”期间建筑节能实施纲要》,提出了推进建筑节能的发展思路和工作目标,计划到2010年,全部新建住宅建筑由执行节能标准的50%提高到60%。目前为使建筑节能工作有序推进,上海市依据国家标准,已逐步建立和完善了有关地方标准,基本形成适合上海特点的围护结构建筑节能技术体系;实施了近百万平方米节能住宅项目工程试点。

  太阳能与建筑一体化的发展,不仅能有效的节能和环保,而且也为建筑外观设计拓展了新的创作空间。太阳能资源因受气候条件、地理纬度等环境状况的影响,其分布具有明显的地域性。我国共划分了四个太阳辐射资源区,上海属夏热冬冷地区,处在太阳能辐射资源Ⅲ区[1]。判断太阳能资源充足与否,主要依据太阳日照时数与日照百分率两个因素。依据对他们的比较分析,在夏季,夏热冬冷地区的太阳能辐射资源与我国的北方及西部地区基本持平;在冬季虽不及我国北方,却明显超过欧洲,且与北美基本持平[2]。足见在我国夏热冬冷地区,对太阳能的开发利用有着巨大的潜力。目前上海已制定2005年~2007年开发利用太阳能《行动计划》,力争3~5年内在光伏技术和产业方面走在全国前列,在太阳能光热利用上取得显著成效。应用目标是到2007年,安装与建筑结合的太阳能热水系统10万平方米(集热面积)。

  3、太阳能建筑一体化设计体系的可操作途径

  3.1建筑中太阳能技术的集成策略:

  对太阳能的利用主要有光热转换、光电转换、光化学转换三种方式,在建筑中主要利用的是光热与光电转换。建筑中太阳能利用技术体系主要可归纳为三个层次:被动式太阳能系统、太阳能热利用技术系统、太阳能光伏发电系统。太阳能在建筑中的利用应依据可持续性设计的原则,不应是以往的单一类型体系的技术利用,建筑作为一个复杂而统一的整体,对太阳能的利用应采用适用技术的集成策略,首先是建筑本身的基本设计,其次是在合理的前提下,尽可能的利用被动技术与自然能源,最后用主动技术来弥补前两个层面所不能满足的要求。

  3.2高层住宅太阳能利用的系统设计方法:

  将太阳能技术体系纳入建筑设计的整个过程,建立一个有效的系统的设计程序。

  3.2.1小区规划中的群体组合与太阳能的利用:

  在规划中建筑群体的不同方位、体形、间距、高低及道路网的布置,广场绿地的分布等都会影响规划区的微气候,影响建筑的日照和通风,影响到建筑的能耗。为合理的规划小区,确保每栋建筑的有效日照和最大的接收太阳能,可利用“太阳围合体”(Solar Envelope)对建筑形态进行控制。

  “太阳围合体”方法是针对特定的区域空间,通过调整围合建筑各立面的法线方向,使建筑在不遮挡临近建筑物日照的情况下达到最大的体积容量。目前“太阳围合体”设计可以方便的在计算机中进行操作。

  3.2.2建筑单体方案与太阳能的利用:

  1、体型:对高层而言,其体型主要取决于建筑的进深与高度的相对比值。按它的外部体形可分为塔状、板状两大类。在这方面,美国南California大学以洛杉矶区域为参照,进行了一个10年的住宅研究,通过对城市住宅的V/S(建筑体积与外表面积比)[4]与密度(每英亩的住宅单元数)的分析研究,发现它们的大小影响着建筑设计表现形式与用能的方式。研究结果显示:对于3~7层的建筑,在城市建设发展与节能方面有着较为宽泛的选择优势,也是利用被动式太阳能与低能耗策略的最佳层数;当V/S值超过10时,建筑使用高能耗是无法避免的;这也从太阳能的利用角度,揭示了住宅建筑不宜追求过高或过密,否则设计中主要应对的是内部能耗问题,而很少能结合自然来进行能效设计。

  2、平面空间:高层住宅平面类型大多为点式或板式。据调查,上海居民喜欢房间在有通风的前提下主要卧室一定要有直射阳光,即卧室和客厅要求朝南,它不但可以增加太阳照射的时间,也可以为家庭晒衣被提供场所。据此在将阳台封闭处理成太阳房时,要与通风系统相结合,合理组织气流,给居室带来温暖的同时,也改变其湿冷的状况。

  3.2.3建筑构件与太阳能元件的一体化设计:

  太阳能建筑一体化意味着把传统的建筑围护结构从能量散失的部分转换成能量吸收部分,是将太阳能技术元件与建筑构建的一体化,但这并非简单地在建筑上安装一些太阳能元件,而是将他们与建筑物本身一体化成建筑的组分。这可以从如下的高层住宅外界面进行系统的结合:

  墙体:外墙体是高层住宅接收太阳最多的表面,太阳能的应用将进一步优化墙体,现已革新出多种墙体构造和材料,如集热蓄热墙、透明绝热材料以及附加于墙体的集热器等。现代的集热墙颜色不再拘泥于传统的黑色,如深绿、深红、深蓝都是目前建筑中常选用的颜色,这些颜色对太阳的吸收效果只稍微逊色于黑色,但却活跃和丰富了立面。除了此之外,太阳能集热器、光伏电池还可与外墙组成“复合型”墙体,如太阳能保温墙板、太阳能集热器墙体、光伏墙体等,这些板兼有装饰、能量与美观于一体。近来发展的太阳墙,是一种将太阳能集热与通风相结合的技术。

  屋面:因不受遮挡,其对与太阳能部件具备良好的结合条件:可以选择集热器或光电板的最佳接收辐射的角度,也可以根据造型的需要设计出优美的屋面外形。

  阳台:高层建筑楼顶面积相对紧张,可以利用向阳的阳台。阳台围栏外壁较适合安置分户式集热器系统,也可代替栏杆使用,真空管横向布置还可增添建筑物横向线条。另外还可以将阳台封闭,处理成集热太阳房。

  遮阳装置:阳光可以增加人们的舒适程度,但有时阳光也会带给人不舒服。如在夏季,人们并不需要太强的阳光,这意味要把自然光引向它所需要的地方,也包括排除强而热的直射太阳光。所以除了聚集热量以外,还要能选择性的处理透过玻璃的阳光与能量。在夏热冬冷地区,利用窗户的外遮阳“可调节附加构件”可以很好的改善窗户的保温、隔热性能。目前新型PV的遮阳板遮阳的同时,还可获取能量(图6)。

  3.3、完善的评价与引导机制

  太阳能利用技术体系的日益成熟和种类的多样,让我们在设计中对太阳能技术有了更多地选择余地,但同时如何有效与最大的利用宝贵的太阳能资源,需要建立一个以太阳能为主的能源综合优化评价体系,以便建筑师在方案初始阶段,针对不同类型不同地域的建筑,利用计算机模拟软件,对各种能源利用体系的选用进行有效的评价。

  对太阳能利用应给予示范导向和税收等激励政策,尤其对于高层住宅则应实行税收激励政策、能源投资机制及业主有偿使用相结合的策略。首先要制定激励政策,拓宽资金渠道,强化科技投入。同时编制设计规范、标准及其相关图集,建立产品(系统)检测中心和认证机构,完善施工验收及维护技术规程等工作;这些是将太阳能利用列入建筑工程设计的环节,也是作为一个新型“专业”纳入建筑体系的前提。

  综上所述,对太阳能的利用要具有地域性,建筑不是被生硬的强加于一个特定的气候区域,它意味着要针对我国的社会发展、技术进步、经济能力、区域气候、生活需求和地域文化等多种因素,通过集合的技术策略、系统的设计方法和政策导向机制三方面共同建立有效的设计体系,从而推进太阳能在高层住宅中利用的快速发展。

  参考文献:

  [1]王长贵.郑瑞澄.新能源在建筑中的应用.北京:中国电力出版社,2003年.18.

  [2]李保峰.适应夏热冬冷地区气候的建筑表皮之变化设计策略研究.北京:北京清华大学,博士论文,2004年.

  [3]夏云.夏葵.生态可持续建筑.北京:中国建筑工业出版社,2001年.50.

  [4](德)英格伯格·弗拉格.[托马斯·赫尔佐格 建筑+技术]. 北京:中国建筑工业出版社.2003,207.

  [5] (日)森保洋力.高层.超高层集合住宅.北京:中国建筑工业出版社,2001年.

  [6]Ralph L. Knowles.[The solar envelope: its meaning for energy and buildings].School of Architecture, Energy and Buildings 35 (2003) 15–25

  [7]顾斌.沪港两地高层住宅比较研究.上海:同济大学硕士论文,P23~25.

  [8]Volker Wittwer.[Building Integration Of Solar Energy Systems].Solar Energy Vol. 67, Nos. 4–6, pp. 181–187, 1999

  [9]高辉.刘泉.太阳能利用与建筑一体化设计.华中建筑,第22卷,2004-01

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