嚴寒地區(qū)綠色住宅中太陽能的應用設計研究

嚴寒地區(qū)綠色住宅中太陽能的應用設計研究

主要研究節(jié)能建筑設計及其技術，綠色地域建筑創(chuàng)作。

張廣平，蘭玉婷

(吉林建筑大學建筑與規(guī)劃學院,長春 130118)

摘要：著重分析了太陽能在嚴寒地區(qū)發(fā)揮的作用,并提出了嚴寒地區(qū)太陽能建筑一體化設計,使其在嚴寒的冬季,解決更多的建筑能耗問題和環(huán)境問題,為嚴寒地區(qū)綠色住宅的應用設計提供一些新思路。

關鍵詞：嚴寒地區(qū)；綠色建筑；多層住宅；太陽能建筑一體化

1太陽能概述

太陽通過核聚變源源不斷地向地球表面輻射能量。我國地域遼闊,有著十分豐富的太陽能資源，據估算,我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018kJ,這個數據相當于24 000億t標準煤,亦相當于目前全世界年能源消耗量的1.3萬倍,可見其可利用的潛力很大[1]。根據我國嚴寒地區(qū)的地理位置及太陽能資源分布的情況可知,嚴寒地區(qū)多屬于太陽能利用較有利的地域，且與傳統(tǒng)能源相比,太陽能免費、安全、無需開發(fā)和運輸、對環(huán)境無任何污染,最重要的是太陽能是可再生能源,無枯竭危險。

2太陽能對嚴寒地區(qū)綠色住宅的作用

綠色建筑追求“節(jié)能、環(huán)保,與自然相融合”,嚴寒地區(qū)冬季寒冷漫長,氣候環(huán)境決定了嚴寒地區(qū)對太陽能的需求性，因此，太陽能對嚴寒地區(qū)建筑用能創(chuàng)造了有利條件,也為綠色建筑在嚴寒地區(qū)的發(fā)展增添了動力。

2.1有利于嚴寒地區(qū)減少建筑能耗,節(jié)能

“節(jié)能”是嚴寒地區(qū)建筑師一直非常關注的問題.盡量控制建筑的體形系數,以及墻體外圍護結構保溫設計、外窗的氣密性設計、封堵“冷橋”等一系列設計方法，都是為了降低建筑能耗。太陽能熱水器就是將太陽能轉化為熱能,以滿足家庭熱水的需求，這種形式已得到認可。目前，太陽能技術在日益完善和進步,其工作原理(如圖1)是將太陽能電池板所接收的太陽能轉化為電能,經過逆變器直流交流的相互轉換，就可以直接供居民的日常用電需求。剩余的電量還可上傳至電網,從而獲取相應電價收入及政府補貼，成為一舉多得的節(jié)能方法。

圖1　太陽能發(fā)電原理圖

2.2可取代鍋爐供暖,環(huán)保

霧霾期是嚴寒地區(qū)初冬最為嚴重的時期,進入冬季,建筑需要采暖,鍋爐供暖需要大量燃煤,煙囪冒出濃煙,以致周邊落滿黑色塵屑,很難清理,同時空氣質量嚴重下降。2014年冬,哈爾濱初冬霧霾嚴重,公交因此嚴重迷失方向,哈爾濱太平國際機場啟動了黃色預警，公交車和出租車全部停止運行。學校、企業(yè)都下達了放假的通知,盡量減少出行(如圖2)。同年,吉林省也發(fā)生了類似的情形。這不僅造成整個城市臨近癱瘓,同時也對居民的生存條件發(fā)起了挑戰(zhàn)。太陽能的應用可以將太陽能轉化為電能,用電采暖解決了煤炭資源短缺問題,更為整個城市創(chuàng)造了一個良好的生活和居住環(huán)境?！碍h(huán)?！辈粌H僅是對于城市和地區(qū)而言,全球氣候變暖,CO2值逐年升高,冰川融化,都和燃煤取暖有著密不可分的關系。取消鍋爐燃煤供暖,由太陽能取而代之,將對嚴寒地區(qū)綠色建筑的發(fā)展起到極大的促進作用。

圖2　哈爾濱初冬霧霾景象

3結合嚴寒地區(qū)太陽能住宅建筑的一體化設計

太陽能建筑一體化的概念就是在建筑設計初期,將太陽能系統(tǒng)作為建筑不可或缺的元素予以考慮,把太陽能技術和建筑設計有機地融合在一起,使太陽能作為建筑整體的一部分。

3.1太陽能建筑一體化設計的原則

1)要充分了解太陽能在住宅建筑中的應用條件,克服太陽能在應用過程中的不利因素,避免資源浪費,確保系統(tǒng)的運行效率。2)太陽能設計要充分利用建筑的外部空間,在滿足功能要求的基礎上,將其應用到建筑中。3)太陽能建筑不是附加在建筑之上的,而是要在建筑設計的初期就考慮在內,與建筑同步施工、同步運行,避免太陽能的二次施工給建筑帶來不利的影響及損壞。4)在設計的過程中,要確保太陽能設計不可以凌駕于建筑之上,而是相輔相成地融為一體。最后，在太陽能建筑設計時,一定要尊重當地的自然氣候條件,結合建筑的特點,進行設計與思考,從而總結出與本地相適應的設計方案和技術手段[2]。

3.2嚴寒地區(qū)多層住宅建筑一體化設計手法

嚴寒地區(qū)住宅建筑,與辦公建筑不同,在建筑立面上應該是采用保守、實用的設計,結合嚴寒地區(qū)住宅設計特點的基礎上,將太陽能很自然地融入到建筑的外表面,以接受大量的太陽能輻射,從而實現完美的太陽能建筑一體化設計。

1)太陽能采光頂和天窗設計。目前,嚴寒地區(qū)住宅的頂層多為坡屋面,避免雨雪堆積,產生頂層屋面露水和潮濕起皮現象。坡屋面頂層多為閣樓,采光面積偏小,在屋頂設置采光頂或天窗即可解決頂層閣樓的采光問題。設計時將太陽能電池板作為屋頂材料集成安裝在采光頂或天窗上,屋頂是接收太陽能輻射的最佳位置,對能量的轉化非常有利(如圖3)。

圖3　太陽能天窗設計

2)太陽能遮陽板、雨棚設計。嚴寒地區(qū)在進行立面設計時,由于嚴寒地區(qū)夏季持續(xù)的時間相對較短,冬季持續(xù)的時間偏長,因此對抗寒設計的考慮多,對御熱設計的考慮少。如今,人們更多的是追求全氣候周期內的居住舒適程度,再加上綠色建筑的興起,也讓設計師們將建筑設計考慮得更加全面、具體。所以，夏季抵御高溫日曬,遮陽的設計要考慮在內。住宅建筑的入口是連接室內外的緩沖空間,雨蓬的設置就是為了避免人們在此處停留時遭到雨雪的侵襲,太陽能電池板可以充當遮陽板和雨蓬等建筑構件,從而接收太陽輻射(如圖4)。

圖4　太陽能遮陽板設計

3)太陽能建筑幕墻設計。太陽能光伏幕墻,透光效果好,與普通幕墻并無差別,幕墻設計可以大面積采光,從而得到大量的太陽能輻射。但對于嚴寒地區(qū)住宅而言,玻璃幕墻的實用性并不是很好,而是在公共建筑中應用的比較多,但小面積的幕墻對立面設計而言,具有一定的可行性,光伏幕墻是大量轉化電能的重要形式(如圖5)。

圖5　太陽能建筑幕墻設計

4)太陽能立面裝飾設計。建筑外立面除窗和門以外,大部分都是建筑的外墻,外墻部分的設計是太陽能利用最有發(fā)揮余力的地方。太陽能真空管集熱器比較適合住宅立面的裝飾設計,從改變真空管的排列方式到改變其大小、位置,都可以賦予整個建筑立面不同的風格,用心設計之后必定會為整個建筑增色不少(如圖6)。

圖6　太陽能立面裝飾設計

4結語

綜上所述,只要是可以接收陽光的建筑外圍護結構基本上都可以利用太陽能,具體設計還需要建筑師根據項目實際情況進行合理設計。但不可否認,太陽能還是存在一定的不足之處:1)投資成本大,費用高；2)照射的能量分布密度小,需要占用建筑大量的表面積；3)光輻射不穩(wěn)定,導致發(fā)電不穩(wěn)定,能源的獲得與四季、晝夜及陰晴等天氣情況密切相關,當供電不足時,需要從國家電網買入；4)太陽能的壽命還會受到材料、技術等多方面的限制。

上述不利因素歸因于目前太陽能技術還沒有達到完全成熟的階段,需要不斷地研發(fā)新技術,以克服太陽能的不利因素,使之更好地為人類服務。太陽能在建筑中的應用必定是利大于弊,可見,太陽能建筑一體化設計在嚴寒地區(qū)具有切實的可行性。深入加強嚴寒地區(qū)太陽能住宅的應用與設計,為嚴寒地區(qū)綠色建筑的發(fā)展提供新思路。

參考文獻

[1] 汪涌.淺議可再生能源發(fā)展的良機[J].能源環(huán)境保護,2009,23(2):46-48.

[2] 顏豐.寒冷地區(qū)多層住宅太陽能技術與建筑的一體化設計探索[D].大連:大連理工大學,2008.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.019

收稿日期：2015-06-11

作者簡介：張廣平(1972-)，女(漢),長春，副教授

中圖分類號：TU984

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)02-0071-03

The study on solar application design in green residential building in severe cold region

ZHANG Guang-ping，et al.

(SchoolofArchitectureandUrbanPlanning，JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China)

Abstract：The article focuses on the role of soar in severe cold region，and puts forward the solar building integration design in severe cold region to solve more construction power consumption problems and environment problems in severe cold region to provide some new ideas for green residential application design in severe cold region.

Key words：severe cold region；green residential building；multi-storey residential；solar building integration