嚴寒地區(qū)辦公建筑太陽能技術應用研究

趙 暉

（長春工程學院建筑與設計學院，吉林 長春 130012）

伴隨著中國綜合國力的提升，各地公共建筑如雨后春筍般的涌現(xiàn)，鱗次櫛比的高樓大廈確實給城市的風貌帶來巨大的改觀.但人類所依賴的石油、天然氣、煤炭等礦物能源也以驚人的速度被消耗.［1－3］

太陽能作為一項古老而新興的能源，具有其他傳統(tǒng)礦物類能源所無法比擬的優(yōu)勢，太陽能技術已經(jīng)在許多領域的應用上取得了長足的發(fā)展，在發(fā)達國家建筑領域的應用也有多年歷史［4］.我國近幾年太陽能技術在建筑上的應用也取得一定的成果，不過與發(fā)達國家相比還有很大的差距［5］.本文以辦公類建筑為研究對象，結合翔實的數(shù)據(jù)信息和實態(tài)調(diào)研資料，歸納總結嚴寒地區(qū)辦公建筑的能耗特征，結合辦公建筑的功能特點，進一步探討太陽能技術的應用方法及具體設計方案，以期為一線建筑設計人員提供設計依據(jù).

1 太陽能技術在辦公建筑設計中的應用

為了研究太陽的活動規(guī)律與公共建筑之間的關系，我們分別從建筑的總體布局與建筑單體2個方面加以分析.從建筑總體來看，建筑作為獨立的使用對象，其所處的位置、形狀、表面積的大小都會影響到太陽輻射量的接收；另一方面，辦公建筑作為一種特殊的建筑類型其自身特有的功能要求也決定了其特有的建筑形式.如何將這2個方面的影響因素有效地結合在一起，發(fā)揮其雙重效應是本文重點討論的內(nèi)容.

1.1 建筑的總體布局

不同的形式下的建筑布局吸收太陽輻射的差別較大.假定太陽輻射條件相同，利用計算機模擬軟件，觀測不同平面關系的建筑物，對比分析接收太陽輻射的特征及差異.我們使用的DOE模擬軟件是近年比較成熟的由建筑師研發(fā)的仿真建筑設計技術，具有快速、高效、操作簡單、測試結果可靠、直接的特點.

擬設條件：

（1）測試地點選擇在具有北方寒地氣候特征的長春地區(qū)；

（2）建筑布局選擇板式、圍合式、點式“L”式及“T”式不同風格的平面關系；

（3）點式采用開放式大空間辦公模式，其他形式選用廊式組合關系，建筑棟深為14m；

（4）建筑面積設定10000m2；

（5）擬建地點為處于開放區(qū)域的獨棟建筑.

1.2 建筑的選址要求

建筑的選址首先應考慮建筑與環(huán)境的關系，充分利用自然地形地貌，保護原有自然環(huán)境.選址應首先考慮當?shù)氐淖匀坏匦蔚孛玻浴吧侥纤敝枴睘檫x址原則，充分利用自然通風，避免布置在夏季主導風向陰影區(qū)內(nèi)（如被山地或高大建筑物所遮擋）.

（1）充分考慮由于空氣流動所造成的太陽輻射溫度的變化，例如：呈“U”型布置的組團形式，其開口位置應面向主導風向.呈行列布置時，可將平面錯開布置，或與主導風向成40°～50°偏角，有效地利用自然通風帶走室內(nèi)的熱空氣，有利于緩解建筑能耗（見圖1）.

（2）低層建筑布置在主導風向迎風面的位置，利于接收夏季主導風.在區(qū)域規(guī)劃時，采取北高南低的布置原則，更有利于獲取充足的日照.處理建筑與環(huán)境關系上，由皮亞諾設計的澳大利亞吉巴歐文化中心便是一個典型的案例（見圖2）.該建筑位于新喀里多尼亞島的東部，當?shù)貧夂蜓谉?，四季多風.皮亞諾正是結合了當?shù)貍鹘y(tǒng)的棚屋建筑形式，挖掘其與環(huán)境的親和方式，結合當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和氣候特點，提取出“編織”的構筑模式.10個接近圓形的單體順勢展開，迎向海島的主導風向，利用風壓帶動室內(nèi)空氣流動，并結合建筑技術處理，實現(xiàn)全面的被動自然通風，取得了良好的建筑節(jié)能效果.

圖1 鋸齒形建筑防熱分析圖

1.3 建筑體型系數(shù)的影響

（1）優(yōu)化設計建筑外包面積指標

將豐富多樣的建筑形體簡化為單體長方體或幾個長方體的組合，這一點從實際工程角度出發(fā)是可行的，進而分析實際構成因素，減少建筑表面積.

（2）建筑周長的影響

建筑體型系數(shù)與周長關系為

（1）式中：H為建筑的高度；S為建筑的基底面積；x為建筑的周長.假定在建筑高度和基底面積為定值的前提下，體型系數(shù)與周長間的變化關系體現(xiàn)為隨著周長的變化，體型系數(shù)的差異較大，而建筑周長的變化往往是隨著建筑平面的變化而產(chǎn)生的，因此，建筑設計時應盡量規(guī)則平面關系，減少周長.

（3）建筑總長的影響

（4）建筑棟深的影響

建筑棟深對體型系數(shù)的影響同上.

（5）建筑高度的影響

建筑體型系數(shù)與建筑高度關系為

（6）最佳的節(jié)能體型設計

通過對影響建筑節(jié)能體型系數(shù)的因素推導，發(fā)現(xiàn)僅依據(jù)其中的單一因子做定論是不夠嚴謹?shù)?，必須綜合考慮，確定最佳的節(jié)能體型.

式中：ma為建筑長度（m為長寬比，m≥1的有理數(shù)）；V為建筑的體積.

當建筑體積為定值時，建筑高度與體型系數(shù)呈現(xiàn)為一種幾何曲線關系.而每條曲線的最低點即為與之相對應的最佳體型系數(shù).

由此可見，在建筑的總體積為定值的前提下，每選擇一個長寬比m，就有一個與之相對應的最佳節(jié)能體型存在.因此，依據(jù)理論公式推導，得出建設指導意見如下［7］：

（1）適當加大建筑棟深；

（2）選擇規(guī)則的建筑平面形式；

（3）加大建筑體量.

通過對6種不同的平面形式的對比分析（見表1）：平面形式為圓形時，體型系數(shù)最小，以下依次為正方形、長方形及其他形式.隨體型系數(shù)的增加，單位體積的傳熱量也相應增加.因此，在可能的情況下，選擇近圓形或正方形的平面對建筑節(jié)能是最有利的.

表1 平面形式體型系數(shù)與耗熱量比值（建筑高度16.8m，底面積500m2）

1.4 太陽能建筑體型系數(shù)的設計原則

不同的氣候特征條件對不同的建筑形式的能耗將產(chǎn)生直接的影響.通過對建筑形式與體型系數(shù)的研究，我們針對建筑形式的控制，提出建設性意見，以達到節(jié)約能源的目的.而對于辦公建筑太陽能的利用來講，僅此是不夠的，與太陽輻射特點還有直接的關系，因此，綜合考慮相關因素得出如下原則：

（1）建筑造型設計的原則

太陽能建筑應具有鮮明的節(jié)能意識特征，設計初期就要引入節(jié)能觀念，充分考慮建筑技術與太陽能技術的結合，體現(xiàn)太陽能技術建筑一體化特色，空間處理應避免過于分散、隨意、過多的變化［7］.

（2）建筑形式組合的原則

建筑平面設計應與模數(shù)制相結合，盡量減少外墻面積.特別是高層及超高層建筑，由于自身體量較龐大，完全可以通過控制體型系數(shù)，為更好的利用太陽能發(fā)揮關鍵作用.

1.5 太陽能建筑構造設計方案

太陽能在建筑上的應用方式可分為被動式、主動式.其中被動式分為傳統(tǒng)被動式和主動型被動式.以長春地區(qū)太陽能建筑的發(fā)展研究現(xiàn)狀考慮，被動式太陽能利用方案可有效結合地域氣候特征展開，建筑師可通過建筑朝向、體型、內(nèi)部空間及特定的建筑構造方案實現(xiàn)被動式的采暖降溫.基本集熱方式分為直接受益窗、集熱蓄熱墻、附加陽光間、對流環(huán)路式、水蓄熱屋頂.其中直接受益窗和附加陽光間技術簡單，效果顯著，而且與建筑設計結合緊密.針對長春地區(qū)冬季采暖特點，完全依靠太陽能作為冬季采暖的方式短期實現(xiàn)有一定的困難，但作為輔助采暖措施還是切實可行的，因此，本文重點對太陽能輔助采暖供熱方案進行了設計研究（見圖3）.

圖3 太陽能輻射地板原理及構造示意圖

采用太陽能低溫輻射地板作為輔助采暖措施，長春地區(qū)現(xiàn)階段采用地熱采暖的方式非常普遍，因此，在陽光充足的時候采用太陽能集熱器為地板輻射提供熱量，在采暖用熱不足的情況下，利用城市集中供熱系統(tǒng)或電加熱的方式加熱，力爭太陽能輔助供熱系統(tǒng)供熱量可占傳統(tǒng)供熱量的10%～20%為本研究的目標.

2 結束語

本文研究工作中實地調(diào)研現(xiàn)有的辦公建筑獲得大量的第一手資料，通過總結分析得出困擾嚴寒地區(qū)辦公建筑節(jié)能降耗的關鍵問題，并針對問題展開研究，尋求利用太陽能技術解決辦公建筑高能耗的途徑和方法.針對性的提出嚴寒地域特性的辦公建筑太陽能技術應用方案，得到的研究成果歸納如下：

（1）嚴寒地區(qū)辦公建筑的節(jié)能設計指導方案，以冬季采暖為主，局部兼顧遮陽設計.

（2）太陽能的具體利用方式分為被動式、主動式2種方式.從我國目前的技術及經(jīng)濟現(xiàn)狀出發(fā)，應優(yōu)先考慮發(fā)展傳統(tǒng)被動式、主動型被動式的太陽能應用技術，主動式利用作為太陽能應用的必然趨勢.

（3）針對建筑圍護結構及建筑構配件提出太陽能技術建筑一體化優(yōu)化設計策略.

［1］安德雷.被動太陽能技術在建筑設計中的若干應用方法研究［D］.北京：清華大學，2007.

［2］JI J，YI H，PEI G，et al.Study of PV－trombone wall installed in a fenestrated room with heat storage［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27：1507－1515.

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［5］王艷紅.太陽能熱利用技術與建筑一體化［J］.能源技術，2010，31（1）：45－48.

［6］鄭文暉.建筑節(jié)能氣候設計方法研究 ［D］.杭州：浙江大學建筑工程學院，2003.

［7］張程，黃惟，鄭新風.太陽能熱水系統(tǒng)與高層住宅建筑一體化設計實例解析——以“景城御琴灣”小區(qū)為例［J］.華中建筑，2010（4）：75－78.