摘要：開發(fā)和利用太陽(yáng)能，既是近期急需的能源補(bǔ)充，又是低碳、環(huán)保的要求。將太陽(yáng)能應(yīng)用于建筑物，會(huì)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(yáng)能在建筑設(shè)計(jì)中的開發(fā)利用潛力，探討了太陽(yáng)能技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能技術(shù)；建筑設(shè)計(jì)；太陽(yáng)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(lái)愈強(qiáng)，可再生能源的重要性凸顯，受到了各國(guó)的關(guān)注和扶持。太陽(yáng)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(guó)的太陽(yáng)能資源豐富，60%以上的地區(qū)具有豐富的太陽(yáng)輻照量，年日照時(shí)數(shù)可達(dá)2200h。尤其是華北和西北地區(qū)，日照充足，為利用太陽(yáng)能提供了很好的基礎(chǔ)條件。開發(fā)和利用太陽(yáng)能，既是近期急需的能源補(bǔ)充，又是低碳、環(huán)保的要求。將太陽(yáng)能應(yīng)用于建筑物，會(huì)獲得很好的節(jié)能和環(huán)保效益。
　　一、太陽(yáng)能在建筑設(shè)計(jì)中的開發(fā)利用潛力
　　太陽(yáng)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(yáng)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(shí)的使用中是很廣泛的，我國(guó)的太陽(yáng)能資源豐富但未得到充分有效的利用，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和豐十會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，必須大力提高可再生能源的利用率，堅(jiān)持把理論變?yōu)閷?shí)際。可再生能源屬于綠色能源，對(duì)環(huán)境和人類的發(fā)展提供持續(xù)的動(dòng)力支撐，綠色能源既能滿足人類長(zhǎng)久生存和發(fā)展的需要，在滿足人類生存發(fā)展需求時(shí)也不會(huì)造成環(huán)境上的負(fù)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(jià)換取經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，就近看似乎促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)和宏觀的層面看實(shí)際上不利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至為人類的發(fā)展造成了嚴(yán)重的后果。當(dāng)前，建筑業(yè)已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是消耗能源較大的行業(yè)。不僅在建筑時(shí)所需要的能源材料較大，并且在建筑后和拆除后會(huì)留下很多的建筑垃圾，這對(duì)人類的生存環(huán)境是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。特別在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，住宅不僅僅是一個(gè)遮風(fēng)避雨的場(chǎng)所，人們?cè)谫?gòu)房時(shí)會(huì)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(gè)平衡點(diǎn)，綠色建筑應(yīng)運(yùn)而生。
　　二、太陽(yáng)能技術(shù)——太陽(yáng)墻
　　太陽(yáng)墻系統(tǒng)能夠把被太陽(yáng)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(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(U．S．DepartmentofEnergy’sNationalRenewableEnergyLaboratory)檢測(cè)證明，太陽(yáng)墻加熱系統(tǒng)比傳統(tǒng)的玻璃太陽(yáng)能集熱器有更高的效率。
　　1、工作原理
　　太陽(yáng)墻系統(tǒng)原則上屬于被動(dòng)式太陽(yáng)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(jī)和管道。太陽(yáng)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(jì)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(jī)，用于抽取空腔內(nèi)的空氣。冬季，白天室外空氣通過小孔進(jìn)入空腔，在流動(dòng)過程中獲得板材吸收的太陽(yáng)輻射熱，受熱壓作用上升，進(jìn)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(yáng)墻內(nèi)腔的干燥，同時(shí)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(yùn)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(bǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)，室外熱空氣可從太陽(yáng)墻板底部及孔洞進(jìn)入，從上部和周圍的孔洞流出，熱量不會(huì)進(jìn)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(jì)
　　太陽(yáng)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(qiáng)烈吸收太陽(yáng)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(bǔ)充色。為空氣流動(dòng)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(diǎn)、所在地區(qū)緯度、太陽(yáng)能資源、輻射熱量進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)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(wú)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(jì)要求來(lái)確定所需的新風(fēng)量，盡量使新風(fēng)全部經(jīng)過太陽(yáng)墻板；如果不確定新風(fēng)量的大小，則按最大尺寸設(shè)計(jì)南向可利用墻面及墻窗比例，達(dá)到預(yù)熱空氣的良好效果。一般情況下，每平方米的太陽(yáng)墻空氣流量可達(dá)到22～44m3／h。風(fēng)扇的個(gè)數(shù)需要根據(jù)建筑面積計(jì)算決定。風(fēng)扇由建筑內(nèi)供電系統(tǒng)或屋面安裝的太陽(yáng)能光電板提供電能，根據(jù)氣溫，智能或人工控制運(yùn)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(yáng)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(yáng)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(lái)。
　　三.太陽(yáng)墻技術(shù)的推廣——太陽(yáng)能屋
　　通常太陽(yáng)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�?yáng)光輻射產(chǎn)生的熱量，將太陽(yáng)墻技術(shù)與光電板結(jié)合，形成了另一個(gè)光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。太陽(yáng)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(dòng)受熱，通過風(fēng)道進(jìn)入室內(nèi)。集熱板利用了被光電板浪費(fèi)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(shí)由于空氣流通，屋面溫度降低，光電板在較低溫度下運(yùn)行效率提高了。實(shí)驗(yàn)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(yáng)能屋面板遮蔽了傳統(tǒng)屋面，防止太陽(yáng)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(gè)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(shí)間大大縮短。
　　四、太陽(yáng)墻的應(yīng)用實(shí)例
　　位于美國(guó)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(duì)通風(fēng)要求很高。在選擇太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)時(shí)，中心在南墻上安裝了465m2鋁質(zhì)太陽(yáng)墻板，太陽(yáng)墻所提供的預(yù)熱空氣流量達(dá)到76500m3／h。這些熱空氣通過3個(gè)5馬力的風(fēng)機(jī)進(jìn)入200m長(zhǎng)的管道，然后分配到建筑的各個(gè)房間。該系統(tǒng)每年可節(jié)省大約7萬(wàn)m3天然氣，節(jié)約資金12000美元。另外，紅色的太陽(yáng)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(bǔ)充被消耗的氣體是工業(yè)設(shè)備的一個(gè)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(lái)驅(qū)散修理汽車時(shí)產(chǎn)生的煙氣。該廠使用了太陽(yáng)能加熱空氣系統(tǒng)，在獲得所需新鮮空氣的同時(shí)也節(jié)省了費(fèi)用。ECG的太陽(yáng)墻通風(fēng)加熱系統(tǒng)從1999年1月開始運(yùn)行。公司的評(píng)估報(bào)告表明該系統(tǒng)使公司每年天然氣的使用量減少ll000m3，相當(dāng)于至少減少20噸二氧化碳的排放量，運(yùn)行第一年就為公司節(jié)省了5000～6000美元。
　　紐約中心公園動(dòng)物醫(yī)院舊建筑改造，在南墻面上安裝了95m2的太陽(yáng)墻板，可預(yù)熱空氣達(dá)到17～30℃，并通過3套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)使診室的換氣量達(dá)到每小時(shí)4次，手術(shù)室每小時(shí)8次，滿足了使用要求。每年能節(jié)省費(fèi)用2000美元。
　　太陽(yáng)能作為自然界中最豐富的可再生能源之一，對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。太陽(yáng)能技術(shù)在建筑中的利用是當(dāng)今太陽(yáng)能利用的主要潮流和趨勢(shì)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(yáng)能與建筑的一體化設(shè)計(jì)。
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