被动式太阳能技术在现代建筑的应用

被动式太阳能技术在现代建筑的应用摘要：本文主要从建筑的周围环境、建筑遮阳、通风，以及能量储存等方面介绍被动式太阳能技术的应用，并举出两个实例对被动式太阳能技术进行研究。关键词：被动式太阳能技术；微环境；外围环境；能量储存；遮阳PassivesolarenergytechnologyinmodernarchitectureapplicationPENGYun-longAbstract：Thispapermainlyfromtheconstructionofthesurroundingenvironment,architecturalshading,ventilation,aswellasenergystorageareintroducedintheaspectsofpassivesolarenergytechnologyapplications,andprovidestwoexamplesofthepassivesolarenergytechnologyresearch.Keywords：Passivesolarenergytechnology;microenvironment;externalenvironment;energystorage;Sunvisor0.引言中国是太阳能资源丰富的国家之一，年日照量在2200h以上的地区为国土面积的70%以上。太阳能作为一种可再生的清洁能源，已经在建筑行业备受关注，如何将太阳能利用技术与中国当前国情下的建筑建设完美结合，创造低碳和谐的人居环境，走可持续发展的建造方式，已经成为当前建筑业的焦点，建筑节能已经成为社会的广泛共识。鉴于我国的基本国情和当今建筑业的发展形势，被动式太阳能建筑技术是目前的最优选择。1.概述被动式太阳能技术就是利用建筑及其环境的自然潜能，对建筑周围的环境、通风和遮阳，以及能量储存过程中体现出对太阳能的被动利用。建筑平面的布局、外表的形态、使用人群、建筑材料、以及建筑周围的绿化环境就组成了一个生态建筑系统，利用被动式太阳能技术，使得这个建筑系统在夏季能够有效的减少太阳辐射，同时保证室内良好的通风；冬季时能够有效的利用储存获得的太阳能对外围护结构进行保温，从而保证适宜的室内温度。被动式太阳能技术的应用可以分为集热、贮热、散热三个阶段。集热阶段即为收集太阳辐射的能量，一般利用被动式太阳能技术的建筑，从南侧获得的太阳热量占采暖负荷的10%左右，建筑的朝向、间距、开窗位置和大小以及房间的进深都会影响收集的太阳辐射热量。贮热阶段中，贮热体的数量和布置位置直接决定了贮藏热量的多少。贮热体应该尽量布置在太阳能够直射的地方。散热过程中，应该避免热量直接散失到室外。2．被动式太阳能技术的应用2.1改善建筑外围环境，合理利用太阳能建筑节能环节的第一步要从建筑外围环境开始，建筑用地最好为南向并且应该保证建筑之间有充分的间距，绿化带应该根据位置的不同而选择不同的树种，建筑的南侧应种植落叶乔木，夏季可以起到遮阳的作用，而冬季则能保证接受充足的太阳辐射。另外，夏季除了避免太阳直接辐射外，还应该采取措施避免相邻建筑间的再次反射和辐射，如保留自然水域，增加植被面积，减少硬化地面。2.2遮阳设计目的在于减少夏季时外墙吸收的太阳辐射，以及减少太阳对屋顶，外墙，窗的直接辐射，具体的做法可以采用遮阳板、热反射窗帘和绿色植物等设施。其中当采用绿色植物作为遮阳设施时应选用适合当地气候的落叶植物，冬枯夏盛的特点调节着南向窗的进光量，形成建筑周围的“微气候”。2.3利用太阳能改善室内环境利用太阳能改善室内环境的方式主要通过自然通风的方式实现，而自然通风的原理就是风压和热压的相互作用。太阳辐射对热压有着直接的影响，主要通过纯开放空间以及垂直空间来进行说明。（1）纯开放空间：建筑中常见的中庭就属于典型的开放空间，一方面是出于采光的考虑，另外一个方面可利用建筑中庭内的热压形成自然通风。在冬季，中庭可以作为一个封闭的大暖房，成为建筑内部环境的热缓冲空间，起到保温节能的作用。春秋季节则是一个大的开敞空间，顶部可设天窗，以促进室内良好的自然通风。在夏季则可以结合中庭南部和顶部设置遮阳板以遮蔽阳光。（2）垂直空间：因为建筑顶部的气流和建筑底部的气流存在差距，就像第二个案例中的太阳能烟筒一样，主要是通过通高的竖向空间起到“拔风”的效果，利用热压差使室内外产生循环，有效改善建筑物内的微气候环境。2.4通过被动式太阳能技术获得能量的储存和利用被动式太阳能集热系统是将整体建筑或者建筑的部分构件作为集热器、储热器以及散热器，用间接的方式来获得太阳能，主要由以下几点方式实现。（1）直接收益式：即白天阳光通过较大面积的南向玻璃窗进入室内，使室内得到太阳辐射，一部分热量以辐射、对流的方式在室内传递，一部分导入蓄热体，然后夜晚逐步释放热量。适合于白天要求升温较快，夜晚较少使用的房间。（2）集热储热墙式：主要是指利用南向垂直集热蓄热墙吸收太阳能，再通过传导、辐射及对流把热量送至室内。采用此技术的房间温度波动较小，居住舒适，但效率较低，需要与其他形式配合使用。（3）附加阳光房式：本质上是集热蓄热墙系统的一种发展，将玻璃与墙之间的空气夹层加宽，形成一个可以使用的房间--附加阳光间。这样就综合了直接收益式和集热蓄热墙系统的特点，提高了效率和使用效果。（4）蓄热屋顶：其类似蓄热墙，其集热和蓄热功能均由屋顶浅池完成。集热后热量通过天花板向下传递使房间变暖。夏季热量则经过天花板向上传递，从而使住宅降温。3.被动式太阳能技术实例分析3.1垂直村落第一个案例是2011台达杯国际太阳能竞赛的第一名作品“垂直村落”，本案选址在江苏省南部的吴江市，全市境内河道纵横，是一个名副其实的“江南水乡”。方案在做相应的施工调整后将在明年建造出来。方案首先是从两个问题开始的:a.建筑如何反应水乡肌理b.怎样将太阳能技术结合到建筑中去而不仅仅作为一种建筑的技术手段存在，而是成为设计本身的一个决定性因素。方案将太阳能热水器与遮阳部件结合，形成上下波浪式的立面，从而既获得了富有表现力的立面形式，也将太阳能技术的应用生动的结合了进去。在这样一个大的构思之下，方案有逐步在几个方面实现了太阳能技术与建筑的结合。（1）能量流动改善室内温度这种波浪形的“太阳能表皮”斜墙形成了向阳面与遮阳面，向阳面温度高而遮阳面温度相对较低，这样就使的在整个建筑表面形成了热量流动。夏天，向阳面上的孔洞阀门打开，抽风机停止工作，只在南立面形成热量流动，带走室内热量。冬天，向阳面上孔洞阀门关闭，抽风机开始工作，将南向受到太阳照射而形成的热空气运输到北向的房间，而将冷空气送至南立面进行加热，如此形成热量循环，提高室内的温度。设计概念及效果图热循环系统设计（2）太阳能热水器的一体化应用方案致力于提高单位面积的太阳能热水器的得热量。首先将太阳能热水器管安置于立面，使每户都能有独立的热水供应，也便于管理和维修。其次安置在向阳面上的集热器合理的调整其角度，以获得更多的太阳光照射。然后热水器、百叶以及白色的墙体共同营造了赋予江南水乡意境的建筑形象（3）建筑微环境的设计基于建筑本身所处的地理环境，并向传统民居学习，将水引入建筑环境，在优化建筑意境的同时改善建筑的微环境，实现怡人的居住空间。在实际的利用中，配合一层的下沉架空推拉门一起发挥作用。在冬天关闭推拉门，一层的下沉架空形成冷气槽，便于保温。夏天，打开推拉门，形成穿堂风，风经过水面的冷却吹入建筑，便于建筑内部温度的降低。同时这条河也是作为建筑雨水收集系统的储水处。（4）遮阳设计为应对建筑的西晒问题，建筑的西面结合卧室阳台设计了一个金属的框架，上面种植攀爬植物，在夏天枝叶繁茂，可以有效的阻隔西晒的阳光，而到冬天，又可以让阳光射入室内，增加室内的温度。而屋顶也做了种植屋面和植物构架来应对夏日的暴晒。立面遮阳总体看来整个项目的技术应用于建筑本身的设计紧密的结合到了一起，不仅实现了建筑的美观实用，也创造了宜人的居住环境。方案带给我们的启发是对低成本的被动式太阳能技术的创造式应用和实践。技术并不一定要是最先进的，我们用最合适的技术手段，结合经济条件和当地的自然环境来思考和创作建筑不失为当下一个很好的选择。3.2绵阳灾后重建示范小学第二个案例是绵阳的一座小学，它作为四川灾后重建的一个示范性工程项目而广受瞩目。因为是一个实际建成的项目所以有许多可以借鉴和研究的价值。工程设计立足灾区重建实际，充分考虑当地的自然环境和气候条件，将节能和低碳运营的可持续发展理念融入到建筑设计中。从总体布局、建筑形式、建筑细部、节点构造以及建筑设备等方面全面贯彻被动为主，主动为辅的建筑设计理念，为孩子们创造一个良好的学习环境。设计采取由场地到建筑、由整体到局部的设计手法，结合绵阳地区夏季闷热、冬季潮湿的气候特点以及学校教育建筑的使用特点确定了夏季以通风、隔热、遮阳、隔潮为主冬季以集热、保温、通风为主的被动技术的总体策略，并通过从整体到细节的一系列逐步深入的设计实现。（1）群体风环境组织依据当地的主导风向和风速，以及通过实验对其风环境的模拟，通过建筑空间的围合于开放，营造出有利于夏季自然通风、冬季阻挡冷风的校园风环境。鸟瞰及建成效果（2）生态湿地与生活污水处理利用地形南高北低的特征，将教学楼、宿舍楼产生的污水无动力引流至基地西南角的生态湿地附近。通过人工湿地生态处理技术对污水进行处理。（3）建筑通风设计教学楼采用单廊式平面以更好的利用自然通风。顶层结合屋面造型设置天窗加强通风，改善夏季湿热问题。办公区则设置了强化的太阳能烟筒，利用热压通风原理提高室内通风能力。建筑通风效果示意（4）建筑采光设计教学楼南侧外窗上部采用反射板与遮阳板合并设置的方法，用遮阳板结合屋檐形成完整的遮阳体系，充分利用不同季节太阳高度角的差别发挥作用，达到夏季遮阳、冬季透光的效果。建筑隔潮及采光（5）附属主动式太阳能技术结合应用主要是设置集中的浴室和水房，采用太阳能集中热水系统为学生和教工提供生活和饮用热水。污水流程处理整个方案均采用了低成本的建筑节能技术，同时也是在对建筑本身的特点以及环境特点作出分析后采用了多方面的技术手段，共同提高建筑建成环境的质量和运行效率。4.结语太阳能建筑已经成为建筑节能的研究热点之一，然而在技术应用过程中，应该注意“可控性”,特别是在夏季炎热冬季寒冷的地区，应避免南向大面积的集热而引起的室内过热，因此在设计被动式太阳能建筑时，应该把通风系统和遮阳系统一起考虑。被动式太阳能建筑的前期投入与传统建筑相差并不多，但在长期的使用过程中却能体现出优越的节能特性，随着被动式太阳能技术的发展和成熟，将对环境保护以及建筑的可持续性有着极为重大的意义。参考文献[1]王立雄.《建筑节能》M.北京：中国建筑工业出版社，2007年5月[2]胡邵学，黄柯，宋海林.“生态办公建筑的有效实践--清华大学设计中心综合楼评价”[J.].建筑学报2004[3]蔡君馥等.《住宅节能设计》M.北京：中国建筑工业出版社，1999年[4]仲耀寿，张磊.《阳光与低碳生活:2011台达杯国际太阳能建筑设计竞赛获奖作品集》M.北京：中国建筑工业出版社，2011年[5]喜文华.《被动太阳房的设计与建造》M.北京：化学工业出版社，2007年1月