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浅谈太阳能在建筑中的利用
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内容提示：首先介绍了建筑围护结构(太阳墙系统、被动式太阳房等)的生态建筑特征,以及其太阳能利用原理,接着通过实例分析生态建筑大师托马斯·赫尔佐格在利用太阳能进行建筑设计的先进理念,最后探讨它们对我国太阳能建筑设计的启示作用。
我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能的利用前景广阔。随着最近三十年经济的高速发展，中国已成为世界能耗大国，经济的发展对能源的需求依赖度也在增强。绿色、节能等关于节约能源的话题日益成为人们关注的话题。（参考《建筑中文网》）
1. 建筑围护结构与太阳能
建筑围护结构是建筑空间的“皮肤”，是建筑室内外环境的分界点，它具有隔热、抗寒、防水、通风和采光等功能，也为室内空间提供安全、隐私、出入口和视域，同时它还调整室内外光、热、声、气等各种形式的能量流。创造舒适的室内环境是建筑围护结构的基本目标之一，但在舒适与节能之间往往存在着矛盾。要在围护结构的设计中引入生态概念，将太阳能的利用与建筑围护结构的设计巧妙地结合起来。
从古到今，创造节能舒适的室内环境始终是建筑围护结构的基本目标之一。然而这个目的并不容易达到，得失总是相伴而生的。当建筑围护结构遮蔽严寒的时候，也把阳光隔离在外；当开大窗户以获得充足光线的时候，建筑的隔热性能又大幅度降低。同时，建筑的室外环境总是在四季的更替、昼夜的交换中时刻地变化。尽管有时居住者可以从天气的变化中获益，但大多数情况下，室外环境的变化总是使得人们为了维持舒适的环境而付出过多的能耗。这从围护结构与太阳能的关系中可见一斑：在夏季，为了抵御强烈的太阳辐射带来的高温，人们不得不消耗大量电能制造清凉的室内环境，而作为无污染的能源太阳能却得不到利用。在冬季，为了阻挡寒风，围护结构将太阳能阻挡在外，而为享受空调带来的温暖环境却消耗着大量不可再生的能源。[1]
2. “太阳墙”的原理与应用
由加拿大Conserval 公司研制的太阳墙系统是一种复合式和开放式的围护系统，通过在建筑外墙安装的复合金属墙板，可以使围护结构与自然界“共同呼吸”，这种生态围护结构能够利用太阳能高效采暖、有效通风，很好地解决了太阳能利用和建筑设计一体化的问题。通过在围护结构设计中引进生态概念，太阳墙这种多功能围护结构将围护功能和太阳能的利用巧妙地结合在一起。实践表明，这种围护结构融入自然、利用自然并与之和谐共生，在为居住者提供舒适居住环境的同时节约了大量不可再生能源，为绿色建筑的推广提供了广阔的前景。人与自然不是控制与被控制的关系，我们创造舒适的室内环境的同时也应该保持与环境和谐共生。太阳墙围护结构系统正是从生态的理念出发，它可以巧妙地根据室外太阳辐射的变化而变化，充分利用太阳能这种可再生的清洁能源，与自然达到和谐。太阳墙系统的工作原理是：室外新鲜空气经太阳墙系统加热后由鼓风机泵入室内，置换室内污浊空气，起到供暖和换气的双重功效。简单地说，太阳墙可以最大限度地利用太阳能，将其转换成热能，以热空气的形式传递到室内。太阳墙全新风供暖系统核心组件是太阳墙板，它是在钢板或铝板表面镀上一层热转换效率达 8 0 %的高科技涂层，并在板上穿有许多微小孔缝，经过特殊设计和加工处理制成的，能最大限度地将太阳能转换成热能。太阳墙板组成太阳墙系统的外壳，安装后与传统的金属墙立面相似。太阳墙板有多种色彩选择，易于融入建筑整体风格。建筑师关注的问题不仅仅是如何在建筑中使用可再生能源，而且还要更多地考虑如何能将太阳能系统与建筑立面有机地结合起来。对建筑师来说，建筑的外观设计是极其重要的，但也要充分兼顾建筑运行维护的需要。综合各方面因素，太阳墙系统可作为新建大楼的可再生能源系统。它除了具有供热量大、二氧化碳减排量大的优点，还具有无需维护和无运动部件等特点。有些公共建筑的南向墙面和屋顶使用了大面积的玻璃幕墙，如果用太阳墙板来代替部分玻璃幕墙，既可以美化建筑造型，又可以在冬季为建筑输送热风，在炎热的夏季为建筑遮挡强烈的阳光，还可以节约玻璃幕墙的安装费用，可谓一举多得。可见，太阳墙全新风供暖系统是一项用于提供经济适用的采暖通风解决方案的太阳能高科技新技术。
其突出优点在于：（1） 造价低廉，无需维护；（2） 微能耗，从而降低运行费用；（3 ）提供新鲜空气，改善居民的室内环境，预防疾病。另外，太阳墙使用年限在三十年以上，年平均投资回报率为 3 0 % 左右。按简单回收投资年限法计算，投入的太阳墙费用，与所节省的能源费用相抵，3 -5 年就可收回成本。在建筑上，太阳墙要解决美观问题，与其他墙面实现一体化。目前，太阳墙的蓄能功能还比较差，要研究解决方案，比如把P VC 管预埋到水泥地面下。[2]
3. 被动式节能太阳房
绿色设计、被动式节能技术等已成为我国建筑行业的重点研究项目。太阳房是指主要依靠太阳能来采暖和制冷的房屋，分为主动式和被动式两大类：主动式太阳房的采暖方式与利用常规能源房屋的采暖系统基本相同，因此所需的费用较大。而被动式太阳房则是在房屋设计时，从传热学的原理出发，将房屋建造成一种利用太阳能进行冬季室内采暖和夏季降温的高效率节能房，是环保型生态建筑。被动式太阳房巧妙之处在于它能够利用房屋自身的构造收集太阳能，同时又有很好的蓄热性能，并保持一定时间内的稳定。所以，它可以满足冬季采暖、夏季隔热、自然通风和调节室内空气的作用。所有这些，不是依靠房屋以外的机械作用，而是依赖房屋本身的形体和巧妙的构造。这也是被动式太阳房与主动式太阳房的主要区别。
从广义的角度来看，被动式太阳房与普通房始终是接轨的，其共同之处是在利用太阳能，只是被动式太阳房在利用太阳能方面的目的、方向更为明确，它以最大的可能使房屋的耗热降到最低，且尽可能从多个方面有目的地、有意识地获取太阳能。被动式太阳房的能量来源于可再生能源，主要是由屋顶上的太阳能装置来提供，只是在极少的情况下需要额外的能量用于取暖，例如使用地源热泵技术。房子大多朝南，窗户面积也尽可能地大，试图接收尽可能多的阳光。三层隔离窗的设计是为了使室内产生的热量不会向外流失。被动式房屋只有依靠高标准的隔热装置，才能储存各种热量。被动式太阳房的核心是自动通风系统，从废气中抽取热量，再使用这个热量为吸入的新鲜空气加热。因此，被动式太阳房是一种经济有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个重要领域，具有重要的经济效益和社会效益。太阳能的推广有利于节约常规能源、保护自然环境、减少污染，使人与自然环境得到和谐的发展。从利用太阳能的方式来划分，被动式太阳房大致有如下几种类型：
（1） 直接受益式。这是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式，是太阳能采暖中与普通房差别最小的一种。冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗，直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面，使其吸收大部分热量，温度升高，少部分阳光被反射到室内的其他表面（包括窗），再次进行阳光的吸收和反射作用（或通过窗户透出室外）。被围护结构内表面吸收的太阳能，一部分以辐射和对流的方式在室内空间传递，一部分导入蓄热体内，然后逐渐释放出热量，使房间在晚上和阴天也能保持一定的温度。
（2）集热墙式。这种太阳房主要是利用南向垂直集热墙，吸收穿过玻璃采光面的阳光，然后通过传导、辐射及对流，把热量送到室内。墙的外表面一般被涂成黑色或某种暗色，以便有效地吸收阳光。
（3） 附加阳光间式。这种太阳房是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙（带门、窗或通风孔）把房子与阳光间隔开。实际上在一整天的时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，打开门、窗或墙上的通风孔，将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间，其余时间则关闭。
（4） 组合式。以上几种基本类型的被动式太阳房都有其独特之处。把由两个或两个以上被动式基本类型组合而成的系统称为组合式系统。不同的采暖方式结合使用，可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。直接受益窗和集热墙两种形式结合而成的组合式太阳房，可同时具有白天自然照明和全天太阳能供热比较均匀的优点。
1. 建筑围护结构与太阳能
建筑围护结构是建筑空间的“皮肤”，是建筑室内外环境的分界点，它具有隔热、抗寒、防水、通风和采光等功能，也为室内空间提供安全、隐私、出入口和视域，同时它还调整室内外光、热、声、气等各种形式的能量流。创造舒适的室内环境是建筑围护结构的基本目标之一，但在舒适与节能之间往往存在着矛盾。要在围护结构的设计中引入生态概念，将太阳能的利用与建筑围护结构的设计巧妙地结合起来。
从古到今，创造节能舒适的室内环境始终是建筑围护结构的基本目标之一。然而这个目的并不容易达到，得失总是相伴而生的。当建筑围护结构遮蔽严寒的时候，也把阳光隔离在外；当开大窗户以获得充足光线的时候，建筑的隔热性能又大幅度降低。同时，建筑的室外环境总是在四季的更替、昼夜的交换中时刻地变化。尽管有时居住者可以从天气的变化中获益，但大多数情况下，室外环境的变化总是使得人们为了维持舒适的环境而付出过多的能耗。这从围护结构与太阳能的关系中可见一斑：在夏季，为了抵御强烈的太阳辐射带来的高温，人们不得不消耗大量电能制造清凉的室内环境，而作为无污染的能源太阳能却得不到利用。在冬季，为了阻挡寒风，围护结构将太阳能阻挡在外，而为享受空调带来的温暖环境却消耗着大量不可再生的能源。[1]
2. “太阳墙”的原理与应用
由加拿大Conserval 公司研制的太阳墙系统是一种复合式和开放式的围护系统，通过在建筑外墙安装的复合金属墙板，可以使围护结构与自然界“共同呼吸”，这种生态围护结构能够利用太阳能高效采暖、有效通风，很好地解决了太阳能利用和建筑设计一体化的问题。通过在围护结构设计中引进生态概念，太阳墙这种多功能围护结构将围护功能和太阳能的利用巧妙地结合在一起。实践表明，这种围护结构融入自然、利用自然并与之和谐共生，在为居住者提供舒适居住环境的同时节约了大量不可再生能源，为绿色建筑的推广提供了广阔的前景。人与自然不是控制与被控制的关系，我们创造舒适的室内环境的同时也应该保持与环境和谐共生。太阳墙围护结构系统正是从生态的理念出发，它可以巧妙地根据室外太阳辐射的变化而变化，充分利用太阳能这种可再生的清洁能源，与自然达到和谐。太阳墙系统的工作原理是：室外新鲜空气经太阳墙系统加热后由鼓风机泵入室内，置换室内污浊空气，起到供暖和换气的双重功效。简单地说，太阳墙可以最大限度地利用太阳能，将其转换成热能，以热空气的形式传递到室内。太阳墙全新风供暖系统核心组件是太阳墙板，它是在钢板或铝板表面镀上一层热转换效率达 8 0 %的高科技涂层，并在板上穿有许多微小孔缝，经过特殊设计和加工处理制成的，能最大限度地将太阳能转换成热能。太阳墙板组成太阳墙系统的外壳，安装后与传统的金属墙立面相似。太阳墙板有多种色彩选择，易于融入建筑整体风格。建筑师关注的问题不仅仅是如何在建筑中使用可再生能源，而且还要更多地考虑如何能将太阳能系统与建筑立面有机地结合起来。对建筑师来说，建筑的外观设计是极其重要的，但也要充分兼顾建筑运行维护的需要。综合各方面因素，太阳墙系统可作为新建大楼的可再生能源系统。它除了具有供热量大、二氧化碳减排量大的优点，还具有无需维护和无运动部件等特点。有些公共建筑的南向墙面和屋顶使用了大面积的玻璃幕墙，如果用太阳墙板来代替部分玻璃幕墙，既可以美化建筑造型，又可以在冬季为建筑输送热风，在炎热的夏季为建筑遮挡强烈的阳光，还可以节约玻璃幕墙的安装费用，可谓一举多得。可见，太阳墙全新风供暖系统是一项用于提供经济适用的采暖通风解决方案的太阳能高科技新技术。
其突出优点在于：（1） 造价低廉，无需维护；（2） 微能耗，从而降低运行费用；（3 ）提供新鲜空气，改善居民的室内环境，预防疾病。另外，太阳墙使用年限在三十年以上，年平均投资回报率为 3 0 % 左右。按简单回收投资年限法计算，投入的太阳墙费用，与所节省的能源费用相抵，3 -5 年就可收回成本。在建筑上，太阳墙要解决美观问题，与其他墙面实现一体化。目前，太阳墙的蓄能功能还比较差，要研究解决方案，比如把P VC 管预埋到水泥地面下。[2]
3. 被动式节能太阳房
绿色设计、被动式节能技术等已成为我国建筑行业的重点研究项目。太阳房是指主要依靠太阳能来采暖和制冷的房屋，分为主动式和被动式两大类：主动式太阳房的采暖方式与利用常规能源房屋的采暖系统基本相同，因此所需的费用较大。而被动式太阳房则是在房屋设计时，从传热学的原理出发，将房屋建造成一种利用太阳能进行冬季室内采暖和夏季降温的高效率节能房，是环保型生态建筑。被动式太阳房巧妙之处在于它能够利用房屋自身的构造收集太阳能，同时又有很好的蓄热性能，并保持一定时间内的稳定。所以，它可以满足冬季采暖、夏季隔热、自然通风和调节室内空气的作用。所有这些，不是依靠房屋以外的机械作用，而是依赖房屋本身的形体和巧妙的构造。这也是被动式太阳房与主动式太阳房的主要区别。
从广义的角度来看，被动式太阳房与普通房始终是接轨的，其共同之处是在利用太阳能，只是被动式太阳房在利用太阳能方面的目的、方向更为明确，它以最大的可能使房屋的耗热降到最低，且尽可能从多个方面有目的地、有意识地获取太阳能。被动式太阳房的能量来源于可再生能源，主要是由屋顶上的太阳能装置来提供，只是在极少的情况下需要额外的能量用于取暖，例如使用地源热泵技术。房子大多朝南，窗户面积也尽可能地大，试图接收尽可能多的阳光。三层隔离窗的设计是为了使室内产生的热量不会向外流失。被动式房屋只有依靠高标准的隔热装置，才能储存各种热量。被动式太阳房的核心是自动通风系统，从废气中抽取热量，再使用这个热量为吸入的新鲜空气加热。因此，被动式太阳房是一种经济有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个重要领域，具有重要的经济效益和社会效益。太阳能的推广有利于节约常规能源、保护自然环境、减少污染，使人与自然环境得到和谐的发展。从利用太阳能的方式来划分，被动式太阳房大致有如下几种类型：
（1） 直接受益式。这是让太阳光通过透光材料直接进入室内的采暖形式，是太阳能采暖中与普通房差别最小的一种。冬天阳光通过较大面积的南向玻璃窗，直接照射到室内的地面、墙壁和家具上面，使其吸收大部分热量，温度升高，少部分阳光被反射到室内的其他表面（包括窗），再次进行阳光的吸收和反射作用（或通过窗户透出室外）。被围护结构内表面吸收的太阳能，一部分以辐射和对流的方式在室内空间传递，一部分导入蓄热体内，然后逐渐释放出热量，使房间在晚上和阴天也能保持一定的温度。
（2）集热墙式。这种太阳房主要是利用南向垂直集热墙，吸收穿过玻璃采光面的阳光，然后通过传导、辐射及对流，把热量送到室内。墙的外表面一般被涂成黑色或某种暗色，以便有效地吸收阳光。
（3） 附加阳光间式。这种太阳房是直接受益式和集热墙式的混合产物。其基本结构是将阳光间附建在房子南侧，中间用一堵墙（带门、窗或通风孔）把房子与阳光间隔开。实际上在一整天的时间里，附加阳光间内的温度都比室外温度高，因此，阳光间既可以供给房间以太阳热能，又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。由于阳光间直接得到太阳的照射和加热，所以它本身就起着直接受益系统的作用。白天当阳光间内空气温度大于相邻的房间温度时，打开门、窗或墙上的通风孔，将阳光间的热量通过对流传入相邻的房间，其余时间则关闭。
（4） 组合式。以上几种基本类型的被动式太阳房都有其独特之处。把由两个或两个以上被动式基本类型组合而成的系统称为组合式系统。不同的采暖方式结合使用，可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。直接受益窗和集热墙两种形式结合而成的组合式太阳房，可同时具有白天自然照明和全天太阳能供热比较均匀的优点。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201001/14213.htm
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