【摘 要】太阳能作为一种清洁能源具有取材方便、成本低廉的优势，因此越来越受到人们的广泛关注。近年来，随着人们对环境问题认识的深入和能源问题的进一步恶化，越来越多的建筑开始使用清洁、节能的太阳能装置。如何实现太阳能与建筑设计的一体化是摆在建筑师面前的一个十分重要的问题，本文作者结合自己的相关经验对此进行了探讨。
【关键词】太阳能;建筑设计;一体化
引言
建造和使用太阳能住宅在冬季可减少部分采暖用煤，因而节省了燃料，减轻了对大气的污染。根据实际使用的结果推算，在中国北方地区，太阳能住宅建筑平均可节约燃煤量30kg/(m2·年)。因此，充分利用取之不尽的太阳能，对于改善建筑的居住条件、提高室内温度、节约常规能源、改善生态环境有着十分重要的意义。可以将太阳能被动式应用与主动式应用结合起来使用，与建筑进行一体化设计，这个系统将达到较好的节能和使用效果。
一、建筑与太阳能一体化设计的基本概念及优点
1、建筑与太阳能一体化设计的基本概念
所谓建筑与太阳能技术一体化不是简单的“相加”，而是要通过“相加”整合出一个崭新的答案。也就是说建筑应该从设计一开始的时候，就要将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中“相加”设计，使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分，而不是让太阳能系统成为建筑的附加构件。真正的太阳能技术与建筑一体化是指太阳能产品及构件在建筑上的应用，并做到与建筑设计进行有机的结合。
2、 建筑与太阳能一体化设计的优点
经过一体化设计的利用太阳能的建筑方案，具有以下优点:
一是，由于经过综合考虑，建筑构件和设备全面协同，所以构造更为合理，有利于保证整体质量;
二是，综合使用材料，从而降低了总造价，并减轻了建筑荷载;
三是，建筑的使用功能与太阳能的利用有机地结合在一起，形成多功能的建筑构件，巧妙高效地利用了空间;
四是，同步施工、一次安装到位，避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑已有结构的损害;
五是，如果采用集中使用安装，还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率;
最后，经过一体化设计和统一安装的太阳能装置，在外观上可达到和谐的统一，特别是在集合住宅这类多用户使用的建筑中，改变了个体使用者各自为政的局面，易于形成良好的建筑视觉形象。
二、建筑与太阳能一体化设计的内容
利用太阳能是建筑节能的一个重要途径，太阳能建筑是节能建筑的一种形式。太阳能建筑的基本要求就是利用太阳能这种最丰富、最便捷、无污染的能源来进行采暖制冷、供应热水和进行光电转换，以满足人们生活的需要，同时达到减少和不用矿物燃料的目的。对于建筑师来讲，太阳能建筑一体化的设计就是要在建筑设计的同时，要考虑两个方面的问题，一是考虑太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响，包括建筑物的使用功能，围护结构的特性，建筑体型和立面的改变;二是考虑太阳能利用的系统选择，太阳能产品与建筑形体的有机结合。
1、太阳能建筑对建筑设计的要求
(1)对方位的要求。太阳能建筑对方位的要求是为了使建筑物尽量多和快的得到太阳能辐射热，在冬季太阳能辐射热在9时—15时是全天辐射热的90%左右，因此，在这段时间内要保证足够的日照时间是非常重要的，为了充分发挥太阳能辐射热的效能，可根据太阳能建筑的特征进行方位调整。例如，学校的教室上午希望室温尽快上升，而夜间室内无人，可将方位角南偏东5度—15度;住宅建筑由于夜间住人，下午尽量使太阳能辐射热进入室内，可将方位角南偏西5度—15度。
(2)对建筑表面积和体型的要求。从利用太阳能的角度考虑，应使南墙面吸收较多的太阳能辐射热，且尽可能的大于其它向外散失的热量，以将这部分热量用于补偿建筑的净负荷。如果我们使除南墙面之外的其它的热工质量是相同的，则不难看出，建筑的净负荷是与面积的大小成正比的。因此，从节能建筑的角度考虑，对建筑节能的效果以外围护结构总面积越小越好这一标准来评价是不够的，而应以南墙面足够大，其他外表面尽可能小为标准来评价，即表面面积系数(建筑物其它外表面面积之和与南墙面积之比)，这就是被动式太阳能建筑对围护结构面积的要求。除此之外，还要用建筑物的表面面积系数来研究建筑体型对节能的影响，从获得更多的太阳能辐射热，降低能耗的观点来看，长轴朝向东西的长方体体型最好，正方形次之，长轴朝向南北的长方体体型的建筑节能效果最差。
(3)对围护结构材料和构造的要求。我国新节能标准，对围护结构的节能已做了明确的规定，这在进行太阳能建筑设计时必须遵守，以保证太阳能的有效利用。太阳能建筑对围护结构材料和构造的要求，包括外墙与屋面的保温方式、材料选择、构造做法要满足热工性能指标及保证良好的保温、蓄热性能;由于窗户的耗热量与空气渗透耗热量相加约占房屋全部耗热量的50%以上，是建筑节能的薄弱环节，要加强对门窗节能的综合研究，使窗户在墙面上尽可能成为得热构件;同时在严寒和寒冷地区的采暖建筑中的地面也应增加保温措施。我国已兴建的被动式太阳能建筑物结合地理位置、太阳能资源、建筑性质、经济状况等因素在上述几方面都积累了经验。
2、太阳能技术在建筑物中的应用
(1)太阳能热水器。现在我国是世界上太阳能热水器产量最多的国家，同时也是最大的热水器市场。太阳能热水器已形成了规模产业，技术日趋完善，现主导产品是全玻璃真空管太阳能热水器，并向光、电智能化方向发展。现在突出的问题是，由于太阳能热水器体量较大和在屋顶的无序安装，影响了到建筑物的屋顶保温、隔热、防水和建筑物的景观效果。往往也由于热水器在屋面的管道过长，冬季出现结冻现象，影响热水器的正常使用。
(2)太阳能低温热水地板。太阳能低温热水地板是利用低温热水为热媒，利用太阳能集热器作为热源的一种采暖方式。全玻璃真空管集热器是低温热水地板的主要集热器，这种集热器在用于太阳能热水器及提供生活热水上，已基本能满足要求。但对建筑物提供采暖用热水则必须保证每天24小时连续供暖，而且要性能稳定，目前完全依靠太阳能很难做到，必须配备利用常规能源的辅助热源及完善的控制设备。常规能源的辅助热源一般是指利用城市热网、区域锅炉或小型燃气(油)锅炉提供的高温水。因此，在不同地区和不同类型的建筑中应用太阳能地板辐射采暖时，必须根据当地太阳能资源条件、常规能源供应情况、建筑功能、热负荷和周围环境条件等因素，做综合经济分析，以确定适宜的辅助热源和合理的太阳能供暖率，进行优化设计。
(3)太阳房采暖系统。太阳房采暖系统分为主动式和被动式。主动式太阳能系统主要有集热器、管道、储热物质、散热器并配有风机、水泵等机械设备组成，这种太阳房投资大、维护费用高。被动式太阳房的集热方式比较简单，可以利用墙体、窗户等作为集热构件，以建筑物本身作为蓄热体，用自然循环代替主动式系统的风机、水泵等机械设备，被动式太阳房集蓄热构件与建筑构件为一体，一次性投资少、运行费用低，但这种集热方式受昼夜温度波动较大。太阳能集、蓄热构件设计是被动式太阳能设计的核心，它包括直接得热系统和间接得热系统。直接得热系统的工作原理是，冬季让太阳辐射热直接从南面窗射入房间内部，用楼板层、墙及家具设备等作为吸热和储热体，当室温低于这些储热体表面温度时，这些物体就会象一个大的低温辐射器那样向室内供暖;间接得热系统有集热、蓄热墙和毗连日光间等形式，这种装置的主要工作原理是利用设在墙体本身的集热、蓄热材料，集蓄太阳热能，使太阳能辐射热通过传导、辐射和对流，把热量送到室内。集热、蓄热墙又按其热量的传导、辐射和对流的不同，形成了多种形式，如实体式集热蓄热墙、快速集热墙、花格式集热墙、相变材料集热蓄热墙等。 夏季则通过构造措施隔绝太阳能辐射热进入室内。
三、建筑与太阳能一体化设计的建议
1、明确建筑师的责任
建筑师在建筑节能的工作中担负着重要的责任。随着国家建筑节能政策的落实，这一点越来越被广大的建筑师认识和接受，但如何将节能的设计理念贯穿和融入建筑作品之中，是需要重点解决的问题。因此，要加强这方面的引导和培训;沟通和密切设计单位与生产商、开发商的联系;在高等院校对建筑系的学生要开设这方面的课程;在注册建筑师的继续教育中增加这方面的内容等，以培养建筑师的意识和能力。
2、进一步完善相应的标准法规
由建筑设计和太阳能方面的专家共同研究制定太阳能产品与建筑结合的相关技术标准和规范。特别是目前应用最广的太阳能热水器与建筑结合的标准，标准主要包括《建筑物配制太阳能热水器技术措施》 ，《建筑物配制太阳能热水器标准图集》等，使建筑设计、产品开发和建筑施工的都进入规范化的轨道。
3、要提高太阳能产品的技术水平和适应性
要加强科研攻关，解决产品中存在的档次低、系统运行可靠性差和使用操作复杂的技术难题。开发产品要充分考虑屋顶、阳台和南立面等建筑部位的特点，同时增强产品的适应性和通用性，并作到与电源或其它热源相结合，实现自动化、智能化运行。
4、制定优惠政策调动各方面的积极性
利用太阳能是实现建筑节能目标的主要措施之一，必将有效降低建筑能耗指标，为社会带来显著的经济、社会、环保效益。因此，政府应鼓励在建筑物上安装太阳能产品的优惠政策，调动社会各界利用太阳能产品的积极性。
文章作者：泰安市精致施工图审查有限公司 孙建军
参考文献
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