主被动太阳能技术建筑集成设计应用

韩孝乾 曹玺浩 曲亦菲

摘要：我国太阳能资源丰富，太阳能和建筑一体化设计研究成为建筑节能领域研究的热点。我国作为能源消耗大国，其中建筑能耗占总能耗的30%，因此如何在建筑中充分利用主被动式太阳能技术是进行建筑设计及建筑节能的关键因素。本文通过论述太阳能建筑一体化发展现状以及存在的问题，后以笔者在参加2020年台达杯国际太阳能建筑设计竞赛参赛作品中对主被动式太阳能技术与建筑设计一体化集成应用做论述分析，最后对我国太阳能建筑一体化发展前景做展望。

关键词：太阳能建筑一体化；主被动式太阳能技术；台达杯；集成设计

一．太阳能建筑发展现状及问题

在全世界的能源结构中，不可再生能源中的煤、石油、天然气占比80%左右，随着人们生活水平的提高，能源消耗量的增加与能源枯竭形成了鲜明的对比，亟需替代的清洁能源。太阳能具有无污染、清洁、可再生能源等众多优点，受到各界的关注。太阳能建筑还处于摸索的阶段。对太阳能与建筑结合方面我国存在着经验不足，前期设计师对太阳能建筑设计重视度不足，并没有解决好建筑外观和技术设计完美的结合，太阳能光电、太阳能光热等技术相互作用的机理存在认识不足，导致了后期的维护成本很高，以及太阳能与建筑集成设计发展缓慢的现状。

1.太阳能建筑一体化的概念

太阳能和建筑一体化设计就是从设计规划开始，就把太阳能利用系统作为建筑设计的一部分，从安装位置的确定以及孔洞的预留，形式、色彩的选择，做到建筑设计和太阳能技术设计同步进行，做到技术和美观的统一。保持设计和施工的同步性。

二．竞赛中的太阳能技术应用

2020年台达杯国际太阳能建筑设计竞赛的主题为“阳光•稚梦”本次竞赛提供福建南平市建阳区景龙幼儿园以及新疆牧场幼儿园两个场地，本团队选取了福建省南平市建阳区景龙幼儿园进行设计。

该幼儿园位于福建省南平市，该地区在热工分区属于夏热冬冷B区，在建筑设计上要考虑保温、隔热要求，强调自然通风和遮阳设计，夏季冷负荷需求大于冬季热负荷需求，夏季较炎热，冬无严寒，雨季较多，年降水量达1663.9毫米，年相对湿度平均值为82%，日照时间较长，光热资源丰富。综上气候特点，该幼儿园基于地域气候条件出发，设计中应充分考虑建筑的通风隔热、太阳能光伏、光热以及冬季被动式太阳能技术的运用。采用符合南福建地区气候特点的以太阳能主被动式技术为主体的太阳能建筑一体化集成设计，集成应用技术主要包括：太阳能光伏、自然通风、采光天窗、 热回收和种植屋面。

方案的创作思路来源主要是从技术策略和幼儿园建筑设计策略两个方面进行设计，作为一个湿热地区，通风降温作为主要的技术需要解决的问题，当今时下，流行疫病的来源主要原因就是通风不畅，所以该建筑方案主要是对通风环境的改善，从被动式技术出发，通过室内不同高度的建筑空间，利用热压和风压作用，改善室内风环境，从而演变幼儿园室内不同高度的活泼空间，满足幼儿在多种空间高度内的玩耍。建筑最好的通风方式就是南北朝向自然通风，基于此种考虑设计出建筑的一种剖面形式，幼儿园班级单元做退台布置，满足一层建筑屋顶平台作为二层班级的室外活动场所，一层办公空间层高低于班级单元层高，中间的空间满足建筑的南北向自然通风，很好的解决了室内通风的引导，方案运用到的其他通风技术策略主要有建筑底层做通风间层，建筑主体的屋顶采用附属的构架做通风隔热间层，这是对屋顶热量处理的一种方式。

对于太阳能建筑一体化设计，本方案针对当地的日照强烈，高辐射热等问题提出以下的解决方法：光伏采光顶调节阳光摄入量，建筑形体自遮阳，光伏通风系统，天窗遮阳通风系统。此外本方案在太阳能光电和建筑一体化设计时，采用把太阳能光伏构件整合到南侧立面的遮阳百叶上的做法，为该方案提供了创新点。其工作原理是南侧的遮阳百叶为可调节式推拉百叶，在阳光充足的时候可通过手动调节遮阳百叶（光伏板）成一定角度，在满足发电的同时又对室内起到遮阳的作用，每个班级单元的百叶发电用于班级室内用电需求。

屋顶的架空屋架上部向南向呈一定的角度用于铺设光伏阵列，在吸收太阳能转化为电能的同时，还能大大降低屋顶的结构的表面温度，从而减少夏季室内空调的冷负荷。由于光伏发电的过程会产生热量，在通风不畅的情况下，光伏板背面的温度可高达70℃，严重影响光伏板发电的效率，因此在建筑屋顶上做架空隔热处理预留通风空间能够很好的使光伏板产生的热量迅速散失。对于天窗的光伏设计采用FRP板光伏构件，具有重量轻，安全性能强等优点，并且具有很好的保温隔热性能，具有良好的采光性能。其设置于玻璃天窗的下部，具有一定的透明性，在日照强烈的时候，吸收热量，使室内的温度不至于过高，并能将光线导入室内，提高室内照度。与传统的玻璃天窗的中空玻璃相比，能够降低建筑成本，降低建筑构件的表面温度。

团队在设计中也对建筑外立面和太阳能光伏技术结合也做了深入的研究，南立面作为采光量最大的立面，但是由于光伏板垂直90度设置并不能把光伏板的作用起到最大化，即使采用可调节式的光伏板对于幼儿园建筑来说冬季的室内采光是最重要的，东西立面由于局部光照，采光量较少，不宜设置光伏板构件，由于该种结合方式和建筑方案不一致，所以未采用此种一体化设计方案。但是通过对遮阳百叶光伏技术的系统研究，以及玻璃天窗和架空构件光伏一体化设计，很好的和建筑设计融合在了一起。

三．研究展望

作为太阳能资源丰富的国家，尽管太阳能光伏发展具有很大的优势，但是在我国并没有形成规模化的发展，我国的光伏技术发展薄弱，创新能力不足，没有完善的太阳能建筑设计标准、测试标准以及评定标准等，相比德国等光伏建筑发达的国家来说，我国的光伏技术、人才、资金投入、推广力度都很落后。作为新兴的可持续发展的建筑技术，未来的建筑市场是低碳环保绿色可持续的市场，未来应在相关政策的支持下，完善法律法规标准规范，联合高校产学研结合，对太阳能建筑材料进行配套生产，组织专业的施工队伍，完善太阳能建筑施工验收标准规范，并且通过国家的大规模的示范项目，宣传太阳能建筑，既可以展示我国的太阳能技术水平，也能发现和发达国家之间的差距，从中积累经验，对于推广太阳能建筑具有深刻的意义。

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