摘要：開發(fā)和利用太陽能，既是近期急需的能源補充，又是低碳、環(huán)保的要求。將太陽能應(yīng)用于建筑物，會獲得很好的節(jié)能和環(huán)保效益。本文物理論文分析了太陽能在建筑設(shè)計中的開發(fā)利用潛力，探討了太陽能技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：太陽能技術(shù)；建筑設(shè)計；太陽墻；應(yīng)用
　　隨著常規(guī)能源的日益緊張以及環(huán)保的呼聲愈來愈強，可再生能源的重要性凸顯，受到了各國的關(guān)注和扶持。太陽能是永不枯竭的清潔能源，有著礦物能源不可比擬的優(yōu)越性。我國的太陽能資源豐富，60%以上的地區(qū)具有豐富的太陽輻照量，年日照時數(shù)可達2200h。尤其是華北和西北地區(qū)，日照充足，為利用太陽能提供了很好的基礎(chǔ)條件。開發(fā)和利用太陽能，既是近期急需的能源補充，又是低碳、環(huán)保的要求。將太陽能應(yīng)用于建筑物，會獲得很好的節(jié)能和環(huán)保效益。
　　一、太陽能在建筑設(shè)計中的開發(fā)利用潛力
　　太陽能是一種清潔、環(huán)保能源，是一種可再生資源，同樣也是一種可持續(xù)發(fā)展的能源和綠色的能源。太陽能是節(jié)能和環(huán)保的資源，取之不盡用之不竭。如能很好地加以利用可以在很大程度上減少現(xiàn)階段正大量消耗且面臨枯竭威脅的有限能源的使用量，如煤炭、石油等有限資源，而這些資源在平時的使用中是很廣泛的，我國的太陽能資源豐富但未得到充分有效的利用，為實現(xiàn)經(jīng)濟和豐十會的可持續(xù)發(fā)展，必須大力提高可再生能源的利用率，堅持把理論變?yōu)閷嶋H。可再生能源屬于綠色能源，對環(huán)境和人類的發(fā)展提供持續(xù)的動力支撐，綠色能源既能滿足人類長久生存和發(fā)展的需要，在滿足人類生存發(fā)展需求時也不會造成環(huán)境上的負扣和后續(xù)的麻煩，利用非可再生資源在有些層面上是以生態(tài)環(huán)境的破壞為代價換取經(jīng)濟的發(fā)展，就近看似乎促進了經(jīng)濟的發(fā)展，但從長遠和宏觀的層面看實際上不利于經(jīng)濟的發(fā)展，甚至為人類的發(fā)展造成了嚴重的后果。當前，建筑業(yè)已經(jīng)成為了經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，同時也是消耗能源較大的行業(yè)。不僅在建筑時所需要的能源材料較大，并且在建筑后和拆除后會留下很多的建筑垃圾，這對人類的生存環(huán)境是一個巨大的考驗。特別在經(jīng)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會，住宅不僅僅是一個遮風(fēng)避雨的場所，人們在購房時會以自身的舒適方便安全作為考慮的第一要素，那么如何能在人們追求優(yōu)越的居住牛活環(huán)境與自然環(huán)境持續(xù)和諧發(fā)展的矛盾中取得一個平衡點，綠色建筑應(yīng)運而生。
　　二、太陽能技術(shù)——太陽墻
　　太陽墻系統(tǒng)能夠把被太陽加熱的空氣有組織地輸送到室內(nèi)，起到采暖和輸送新風(fēng)雙重作用。該技術(shù)經(jīng)美國能源部國家可再生能源實驗室(U．S．DepartmentofEnergy’sNationalRenewableEnergyLaboratory)檢測證明，太陽墻加熱系統(tǒng)比傳統(tǒng)的玻璃太陽能集熱器有更高的效率。
　　1、工作原理
　　太陽墻系統(tǒng)原則上屬于被動式太陽能采暖系統(tǒng)，由集熱和氣流輸送兩部分系統(tǒng)組成。集熱系統(tǒng)包括垂直墻板、遮雨板和支撐框架。氣流輸送系統(tǒng)包括風(fēng)機和管道。太陽墻板材覆于建筑外墻的外側(cè)，上面開有小孔，與墻體的間距由計算決定，一般在200mm左右，形成的空腔與建筑內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的管道相連，管道中設(shè)置風(fēng)機，用于抽取空腔內(nèi)的空氣。冬季，白天室外空氣通過小孔進入空腔，在流動過程中獲得板材吸收的太陽輻射熱，受熱壓作用上升，進入建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，然后由管道分配輸送到各層空間。板材底部不密封，保持了太陽墻內(nèi)腔的干燥，同時起到排水作用。夜晚，墻體向外散失的熱量被空腔內(nèi)的空氣吸收，在風(fēng)扇運轉(zhuǎn)的情況下被重新帶回室內(nèi)。這樣既保持了新風(fēng)量，又補充了熱量，使墻體起到了熱交換器的作用。夏季，風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn)，室外熱空氣可從太陽墻板底部及孔洞進入，從上部和周圍的孔洞流出，熱量不會進入室內(nèi)，因此不需特別設(shè)置排氣裝置。
　　2、材料、構(gòu)造和設(shè)計
　　太陽墻板材是由1～2mm厚的鍍鋅鋼板或鋁板構(gòu)成，外側(cè)涂層具有強烈吸收太陽熱、阻擋紫外線的良好功能，一般是黑色或深棕色，為了建筑美觀或色彩協(xié)調(diào)，其他顏色也可以使用，主要的集熱板用深色，裝飾遮板或頂部的飾帶用補充色。為空氣流動及加熱需要，板材上打有孔洞，孔洞的大小、間距和數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑物的使用功能與特點、所在地區(qū)緯度、太陽能資源、輻射熱量進行計算和試驗確定，能平衡通過孔洞流入的空氣量和被送入距離最近的風(fēng)扇的空氣量，以保證氣流持續(xù)穩(wěn)定均勻，以及空氣通過孔洞獲得最多的熱量。不希望有空氣滲透的地方，例如接近頂部處，可使用無孔的同種板材及密封條。板材由鋼框架支撐，用自攻螺栓固定在建筑外墻上。應(yīng)根據(jù)建筑設(shè)計要求來確定所需的新風(fēng)量，盡量使新風(fēng)全部經(jīng)過太陽墻板；如果不確定新風(fēng)量的大小，則按最大尺寸設(shè)計南向可利用墻面及墻窗比例，達到預(yù)熱空氣的良好效果。一般情況下，每平方米的太陽墻空氣流量可達到22～44m3／h。風(fēng)扇的個數(shù)需要根據(jù)建筑面積計算決定。風(fēng)扇由建筑內(nèi)供電系統(tǒng)或屋面安裝的太陽能光電板提供電能，根據(jù)氣溫，智能或人工控制運轉(zhuǎn)。屋面的通風(fēng)管道要做好保溫和防水。
　　2.3安裝位置
　　太陽墻理想的安裝方位是南向及南偏東西20。以內(nèi)，也可以考慮在東西墻面上安裝。坡屋頂也是設(shè)置太陽墻的理想位置，它可以方便地與屋頂?shù)乃惋L(fēng)系統(tǒng)聯(lián)系起來。
　　三.太陽墻技術(shù)的推廣——太陽能屋
　　通常太陽能光電板安裝在屋面上，把光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋�為了更好的利用屋面層集聚太陽光輻射產(chǎn)生的熱量，將太陽墻技術(shù)與光電板結(jié)合，形成了另一個光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。太陽能光電板單元直接安裝在多孔的波狀金屬板上，空氣在空腔內(nèi)流動受熱，通過風(fēng)道進入室內(nèi)。集熱板利用了被光電板浪費的熱量供建筑采暖和通風(fēng)系統(tǒng)使用，熱效率為50％～60％，每平方米能產(chǎn)生多于500W的熱量；同時由于空氣流通，屋面溫度降低，光電板在較低溫度下運行效率提高了。實驗證明，光電板安裝在集熱板上，電力輸出效率可提高大約lO％。另外，太陽能屋面板遮蔽了傳統(tǒng)屋面，防止太陽光直接照射在上面，降低了頂層天花板的溫度。以上因素使整個屋面初投資的回收速度與單純使用光電板相比增加了3～4倍，回收時間大大縮短。
　　四、太陽墻的應(yīng)用實例
　　位于美國科羅拉多州丹佛市的聯(lián)邦特快專遞配送中心(FedEx)，因工作需要有大量卡車穿梭其中，所以建筑對通風(fēng)要求很高。在選擇太陽能集熱系統(tǒng)時，中心在南墻上安裝了465m2鋁質(zhì)太陽墻板，太陽墻所提供的預(yù)熱空氣流量達到76500m3／h。這些熱空氣通過3個5馬力的風(fēng)機進入200m長的管道，然后分配到建筑的各個房間。該系統(tǒng)每年可節(jié)省大約7萬m3天然氣，節(jié)約資金12000美元。另外，紅色的太陽墻與建筑其他立面上的紅色色帶相呼應(yīng)，整體外觀和諧美觀。
　　在生產(chǎn)過程中補充被消耗的氣體是工業(yè)設(shè)備的一個重要需求。加拿大多倫多市ECG汽車修理廠的設(shè)備需要大量新鮮空氣來驅(qū)散修理汽車時產(chǎn)生的煙氣。該廠使用了太陽能加熱空氣系統(tǒng)，在獲得所需新鮮空氣的同時也節(jié)省了費用。ECG的太陽墻通風(fēng)加熱系統(tǒng)從1999年1月開始運行。公司的評估報告表明該系統(tǒng)使公司每年天然氣的使用量減少ll000m3，相當于至少減少20噸二氧化碳的排放量，運行第一年就為公司節(jié)省了5000～6000美元。
　　紐約中心公園動物醫(yī)院舊建筑改造，在南墻面上安裝了95m2的太陽墻板，可預(yù)熱空氣達到17～30℃，并通過3套風(fēng)機系統(tǒng)使診室的換氣量達到每小時4次，手術(shù)室每小時8次，滿足了使用要求。每年能節(jié)省費用2000美元。
　　太陽能作為自然界中最豐富的可再生能源之一，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。太陽能技術(shù)在建筑中的利用是當今太陽能利用的主要潮流和趨勢之一，值得大力推廣。在其具體應(yīng)用方向上，應(yīng)該特別注意提高效率，重視太陽能與建筑的一體化設(shè)計。
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