现代办公建筑设计中太阳能应用初探

马君义

随着中国经济和科学技术的快速发展,中国城市的规模不断扩大,城市化进程速度加快,从而促使城市对办公建筑需求的增加。办公建筑进入一个快速发展的新时期。但由于设计和管理的不当,存在诸如初期投资高、能源消耗大、工作环境不健康——出现“病态建筑综合症”等问题。在办公建筑大量建造的同时对办公建筑进行生态设计研究显得尤为重要。而太阳能作为主要的生态能源,太阳能的利用对环境保护和节约能源有着极其重要的意义。太阳的自然光是免费的光源、健康的光源、真实的光源,有人工光无法相比的优势;太阳能属于可持续性能源,不仅是清洁能源,无废气排放,对环境不造成污染,又是取之不尽的免费能源;太阳能存在和利用具有普遍性;地球上获取太阳能的时间与办公建筑的使用具有同步性。太阳能的诸多优点如果在建筑设计中加以合理利用,可以解决很多办公建筑存在的问题。

1 建筑总平面设计中的太阳能运用

在总平面设计中应充分重视现场的调查和分析,对用地资源进行细致的评估,了解光照条件、风玫瑰、微气候环境、排水模式、土壤成分、植被、水资源等情况,充分利用自然条件进行设计。在实际的太阳能应用设计中应考虑当地地域的气候条件,日照条件,以满足太阳能系统设计和安装的技术要求;办公建筑的朝向、间距及建筑形体组合,应结合场地的地形、日照和风向条件;安装集热器或光电板宜朝南,建筑组合应互不遮挡,在不影响场地利用效率的前提下,为充分接收太阳辐射创造条件。建筑间距除应满足所在气候区日照间距要求外,还应考虑满足集热器有不少于4 h日照时数的要求。场地的合理设计不仅为建筑中利用太阳能提供条件,同时也可以营造出宜人的环境。

2 建筑中太阳光线的合理利用

在现代办公建筑中为了节约用地,降低造价,提高建筑的实用性和灵活性,建筑的层高逐渐降低,而进深逐渐加大,这给采光设计带来了问题。另外,为了追求立面效果,大量采用玻璃幕墙,直射阳光可以长驱直入进入室内。不仅引起眩光,在夏季还会产生过量的热辐射,加大了能源消耗。在使用中,人们往往会拉下窗帘或添加百叶窗来阻挡阳光,室内完全利用人工照明使自然采光名存实亡。为了改善这些状况,合理的利用太阳的自然光,在建筑设计中采用反光板和反光百叶等措施。

在传统的窗户上面加开高窗,在高窗和低窗之间设置反光格板能进一步提高远窗处的照度水平,从而增加采光进深。当采用反光格板后,室内采光进深从原来的1.5H增加到 2.5H,见图1。

反光板可以兼作遮阳板,阻挡过多的太阳辐射。一方面可以隔热降温,同时又对采光、通风有一定影响。在很多地区,夏季需遮阳而冬季又需要有日照,因此理想的尺寸应是根据当地冬季和夏季的太阳高度角变化分别计算,使其在室内过热时有满窗遮阳,而在低温时又有足够的日照。

为追求立面效果,建筑立面开窗洞过大或者使用大面积玻璃幕墙时,可以考虑反光百叶。反光百叶既可以单独用于高侧窗部分,也可以和遮阳百叶结合用于整个窗面。反光百叶还可以和遮阳百叶结合使用,根据不同的目的分上下两个区域,上部主要用于采光,而下部主要用于遮阳。由于角度不同,上部百叶把光线反射到天花板,而下部百叶则把直射阳光反射到室外。同时,若把反射百叶板的上表面处理为镜面反射面,下表面为漫反射表面,这样更有助于将光线反射至室内顶棚,提高室内照度均匀度。当然,无论是反光百叶还是反光板,都必须与室内顶棚和墙面的良好反射性能相结合才能更好的发挥作用。

3 中庭采光及光反射系统

进深较大的建筑设置天井或中庭,变单侧采光为双侧采光,有效的增加采光量,节约人工能源。在高层办公建筑中设置采光中庭,结合光反射系统和光线自动感应系统,不仅节省能源,而且创造出宜人的室内环境。

4 太阳能热水及太阳能空调

由于办公建筑的使用主要集中在白天,与太阳能的获取具有同步性。在建筑设计中使建筑尽量多的吸收太阳辐射热,直接利用或加以转化利用,对于节约能源有很大作用。太阳能热水系统主要包括太阳能集热器和贮水箱。在建筑设计中结合建筑立面和屋顶,合理安排集热器,吸收太阳能产生热水。这些热水可以用于建筑内部洗漱用水,也可以用于太阳能低温热水地板辐射采暖系统。与常规的空调机组、电加热器相比,太阳能地板采暖复合热水系统不仅可以节约高品位的电能,而且由于地板采暖温度波动较少,可有效提高人体舒适度。

太阳能空调系统包括加热和制冷两方面。太阳能制冷,就是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。热媒水的温度越高,则制冷机的性能系数越高,这样空调系统的制冷效率也越高。在夏季,被集热器加热的热水首先进入储水箱,当热水温度达到一定值时,由储水箱向制冷机提供热媒水;从制冷机流出并已降温的热水流回储水箱,再由集热器加热成高温热水;制冷机产生的冷媒水通向空调箱,以达到制冷空调的目的。在冬季,同样先将集热器加热的热水进入储水箱,当热水温度达到一定值时,由储水箱直接向空调箱提供热水,以达到供热采暖的目的。当太阳能不能够满足要求时,也可由辅助锅炉补充热量。

在非空调采暖季节,只要将集热器加热的热水直接通向生活用储水箱中的热交换器,就可将储水箱中的冷水逐渐加热以供使用。

利用太阳能作为能源的空调系统,它的诱人之处在于越是太阳能辐射强烈时,环境气温越高,人们的生活越需要空调,此时太阳能空调的制冷能力就越强。这是人和自然和谐的理想境界。使用太阳能空调的结果,既创造了室内宜人的温度,又能降低大气的环境温度,还减弱了城市中的热岛效应。更为可取的是,既节约了能源,还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质。

5 太阳能发电

光电技术是利用半导体把太阳能转化为电能的技术,它主要是通过不同类型的光电电池实现的,光电电池是光电系统最基本的部分。在办公建筑中太阳能发电结合建筑立面、屋顶、建筑构件(遮阳板、雨篷等)设计,适当的放置太阳能光电板。白天,当太阳辐射强度大时,它所产生的电力可能超过建筑物本身所需用的电力。这时,它可将多余的电力输送给公用电网,或将多余的电力通过蓄电装置留至阳光辐射强度小的时期使用,达到节约能源的目的。在设计时根据需要和太阳能热水技术综合使用,可以把太阳能发电作为辅助电源。

6 结语

我国具有丰富的太阳能资源,年日照时数在2 200 h以上地区约占国土面积的2/3以上。年太阳辐射总量大于5 000 Ω J/m2,属于太阳能利用条件较好的地区。在现代办公建筑设计中把总平面,采光,遮阳,太阳能热水,太阳能空调,太阳能发电等方面一体化设计,可以节约能源,缓解能源紧张,同时改善了办公环境,解决“病态建筑综合症”的问题。太阳能在现代办公建筑设计中的应用是绿色能源和新建筑理念的有机结合。在国家政策的引导下,太阳能技术与建筑的有机结合将成为未来太阳能的发展趋势。

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