太阳能与建筑

李海英

我国有十分丰富的太阳能资源，大多数地区年平均日辐射量在每平方米96千瓦时以上，2／3以上地区的年日照大于2000小时，太阳能资源的理论储量相当于每年17万亿吨标准煤，这个数值同美国相近，比欧洲、日本则优越得多。利用太阳能减少建筑能耗和改善建筑物理环境是建筑技术发展的一个重要方向。

被动式太阳能建筑系统

被动式太阳能建筑是指不采用特殊的机械设备而是利用辐射、对流和传导使热能自然流经建筑物，并通过建筑本身控制热能的流向，从而得到采暖或制冷的效果。其实，任何普通建筑在一定意义上都是被动式太阳能建筑。白天，阳光从窗户直射入房间，楼板、墙体等均作为吸热体和储热体，当室温低于这些储热物质时，它们便以辐射的形式散热。这样建筑的室温会有一定波动，这种波动是构件交替储能和释能所必然造成的，要想减小室温的波动，楼板和墙体采用具有较大热情性的混凝土或砖则是必要的。此外，窗户是得热来源，也是建筑中失热最多的部分，所以为减少热损失，就必须提高窗户的保温能力。为此，研究人员采用了双层或多层高效保温玻璃、在窗户内外安装可活动的保温板或保温卷帘，国外还有夜间在双层玻璃之间用设备吹进轻质保温微粒等方法。先进的玻璃技术也为窗的节能提供了更多的选择。

如今，很多家庭把大的露台和阳台改造成了和主体建筑毗连的“阳光间”，这是典型的利用被动式间接得热系统的方法之一。其构造简单，容易实施，非常受住户喜爱。白天太阳辐射使室内升温，热量通过主体建筑的门窗传入室内；夜晚作为主体的缓冲区，它可减少散热；在阳光间中种植植物，还可以形成富氧的室内空间。然而，在炎热的夏季，白天应防止阳光间过热。这个时候利用爬藤植物遮阳和开启顶窗来散热是最方便的了。

被动式的间接得热系统还有蓄热墙式，根据墙体材料的不同还可分为多种类型。它的特点是墙体材料一般为重质材料，墙表面涂成黑色或深色，以便有效地吸收太阳辐射，蓄热墙体外侧安装玻璃，和墙体之间留有一个空气间层，墙体上下设有与室内相通的风口，根据季节以及昼夜的变化，调节开口的闭合。加强蓄热能力而不增加房屋的自重是蓄热墙体今后一个值得研究的课题，以较轻材料填充或者采用轻质透明隔热材料，能减少室内温度波动，并且还可以改变黑色表面给人带来的过于沉重的视觉效果。

双层幕墙体系是近年来国内外建筑中采用的新型节能幕墙，又称为“热通道幕墙”。这种幕墙的节能原理同毗连阳光间相似：冬天内外两层幕墙中间的空气由于阳光的照射使温度升高，供给室内热量，同时提高了内侧幕墙的外表面温度，减少了室内热量的散失；夏天内外两层幕墙之间的空气温度很高，这时打开空气通道上下两端的进排风口，由于热烟囱效应，产生的气流带走通道内的热量，从而降低内侧幕墙的外表面温度，减弱室外热对室内的影响，从而减少了空调负荷。有分析资料显示，双层玻璃幕墙与传统的单层玻璃幕墙相比，采暖时可以节约能源42％～52％。制冷时可以节约能源38％～60％。它不仅可用于新建筑，也适合于旧建筑的改造和更新。目前国内在国家会计学院、旺座大厦、中青旅大厦、北京公馆和清华超低能耗节能楼中也开始了这方面的试验和应用。

主动式太阳能建筑系统

主动式太阳能建筑系统的定义为用太阳能代替以往驱动冷暖空调设备的热源，用一些特殊的装置来收集热辐射，并将其转化为有效的热能和电能的形式。主要有太阳能灶、太阳能集热器等。

太阳能灶可分为透过聚焦式和反射聚焦式。它的调节装置保证随时跟踪太阳，相当于1000～1200瓦的电炉，能极大缓解农村燃料紧缺、减少烧柴草污染。

太阳能集热器可以作为建筑采暖的热源，常以空气或水为热媒。在热风集热器采暖系统中，被加热的空气通过储热层由风机送入房间。热水集热器可以提供地板热辐射采暖的热水和生活用热水，太阳能供应不足时可以辅助电加热的办法来达到对水温的要求。但目前很多太阳能热水器由住户自行安装，不仅破坏了建筑的整体美，而且常会破坏屋顶防水，防雷问题也比较突出。同时较低层住户因管程长所以较少使用等等。这些问题严重制约了太阳能热水器的普及应用。因此目前建筑设计人员正努力把集热器作为房屋围护结构的一部分，嵌在屋顶、外墙、阳台上，同建筑的立面一起考虑。光伏电池

光伏电池的主要优点是能够替代传统的玻璃等幕墙面板材料，集发电、隔音、隔热、遮阳、安全、装饰功能于一身，且运行时没有噪音和废气。格雷姆肖在塞维利亚博览会大帐篷使用光电板来遮阳和发电；英国诺森伯兰大学一座教学楼在修缮时，外墙结合了光伏电池，夏天大楼用电的40％，以及冬天所需用电的10％由它来提供。其重量很轻，英国考特公司开发了电动百叶和光伏电池结合的设备，能够在不同季节、每天的不同时刻随太阳光线变化转动，建造出外部结构可以灵活移动的建筑。目前，光伏电池和建筑围护结构一体化设计能使建筑物从单纯的耗能型转变为供能型，产生的电能可以独立存储，也可以并网应用。当产生的电量大于用户需求时，多余的电量可以输送到电网，反之可以由电网提供给用户。

自然光利用

日光有很多有益的成分，浅层地下空间以及大量以人工照明为主的商业办公等建筑中，日光难以直接照射。目前可以应用导光管系统在屋顶设置采光口，在顶棚上设折光板或玻璃棱镜将光引入室内深部：还可利用光导纤维等技术手段，设置太阳光跟踪器、收集器和导光系统将阳光引入室内，通过散光器可以进行自然光照明。

中国正处于建筑和城市的高速发展时期，依我国的能源储备、水土资源和人口规模，建筑设计师有责任对自然采取负责的态度，充分利用取之不尽，用之不竭的太阳能，因地制宜地建设宜人的室内、外环境。

责任编辑赵柠