建筑表皮与太阳能设计的一体化

【摘 要】建筑表皮设计要求更加生态节能,而太阳能正是当今应用最为广泛的生态能源,本文就如何将建筑表皮与太阳能设计一体化进行了探讨,包括太阳能与建筑一体化应用中存在的问题,以及太阳能与建筑表皮一体化设计的具体应用进行了分析.

【关 键 词 】建筑表皮 太阳能 设计一体化

一、引言

传统意义上的建筑围护系统逐渐被人们成为建筑表皮系统.随着时代的发展,建筑表皮的设计要求更加生态、节能、绿色.我们在追求建筑物本身功能的同时,也要求建筑表皮更符合可持续发展的原则.为了追求更加生态绿色的建筑设计方式,太阳能技术成为目前应用最广泛的节能技术.太阳能技术利用在建筑中的综合利用具有非常重要的作用.未来建筑将大量应用太阳能技术来减少常规能源的依赖,从而达到建筑节能的必然趋势,目前我国的太阳能利用技术在建筑中的应用仍不完善,还有很多需要改进的方面.

二、太阳能与建筑一体化应用中存在的问题

虽然国内对太阳能技术业已进行了全方位研究,但是建筑与太阳能系统的结合仍然普遍存在很多问题：

（1）利用形式单一.1999年全世界的太阳能热水器面积达5400万m2,我国高达到400万m2,居全球之首.但光伏发电为全世界太阳能光伏1/150.因此,我国建筑利用太阳能以光热为主,其使用方式、使用时段单一,基本利用真空管热水器生产热水；北方地区冬季基本不能使用.

（2）安装使用粗放.国内虽然鼓励大规模使用太阳能热水器,但安装缺乏统一规划：热水器规格各异、位置参差不齐、管道布置零乱、施工困难,太阳能装置易破坏屋顶防水层.无预设管道,管线长期暴露；建筑的防水、防雷、防风、承重方面造成安全隐患.

（3）设计缺乏考虑.建筑师对于太阳能利用技术与建筑本身相互结合欠缺考虑.建筑外观处于杂乱无章的无序状态,形成视觉污染.

三、太阳能与建筑表皮一体化的具体应用

太阳能与建筑一体化是建筑节能的重要途径,也是科技水平的综合运用.它是将太阳能利用技术与先进的建筑节能技术和节能产品等优化组合,调整建筑耗能比例结构、提高太阳能保证率,为建筑提供采暖、制冷和热水,营建低能耗、高舒适性的使用环境.

(一)光电系统与表皮结合

主动式太阳能建筑往往由于建筑师设计与施工方安装不同步不协调而显得相互间格格不入.“一体化设计,统一施工”就是建筑方案设计之初,将光伏电池系统作为美学一部分纳入设计思路中,并做到从技术层面使之可行、可用,从艺术方面可观、可赏.

光伏电池的物理特性为隔热保温,防水防潮,可作为玻璃幕墙成为建筑表皮的一部分；当光伏电池位于屋顶与墙壁等护结构时,彩色光模块与造型光模块可以成为屋面或墙体的构成材料,不仅节约外装,同时使建筑外观更具魅力.

光伏系统与建筑表皮一体化的优点有：

（1）建筑物的表皮能为光伏系统提供足够的面积,不需要额外的占地面积,而且省去了光伏系统的支撑结构和输电费用；

（2）光伏部件是建筑物总构成的一部分,除了发电功能外,还是建筑物耐候的外部装饰材料,从而节省安装和材料费用.如果安装光伏系统被集成到建筑施工过程中,可大大降低安装成本.

（3）对电网起到调峰作用,对于大多数商业、办公建筑来说,白天是用电的高峰时期,同时也是光伏系统工作的时间.

（4）光伏系统的外观与现代建筑追求的视觉效果非常协调,甚至能够强化建筑物的现代感和建筑质量.

（5）光伏系统与建筑表皮的优化集成能够在很大程度上改善建筑表皮特别是透明建筑表皮的热工性能.

从以上介绍不难看出,建筑表皮洗头工与光伏系统的结合将是未来建筑的发展趋势之一.

(二)辐射板技术建筑一体化

利用太阳能为建筑空间供热制冷不仅只有真空管热水系统,还有更为先进的辐射板一体化技术.在建筑的墙面和屋顶上安装具有选择性吸收涂层的辐射板,提高建筑护结构的保温隔热性能,利用太阳能、空气源和低温太空源,建立超低能耗的可再生能源综合利用建筑,既可降低建筑所需能耗,又可减少对大气和环境的污染.辐射板系统可以满足建筑的外观材质与颜色的需要,管道藏于墙内,可替代暖气与空调,做到与建筑表皮融为一体.

(三)结构与构件蓄热

为了贮存热量,把建筑物的围护结构里皮,装以蓄热材料,作成“特隆布墙”,将蓄热体直接设置在南面窗户的后面,当蓄热体吸收太阳辐射,加热后能再通过辐射和对流方式加热房间内部空气.新型建筑外墙双层中空玻璃可以同时起到太阳热水器的作用,玻璃40%的面积是透明的,余下部分被盘旋状的可以通水的铜管以及银反射管所覆盖,覆盖物位于玻璃内层双层中空玻璃可以吸收太阳能,并把水加热,对于一个大楼来说,仅仅利用外墙玻璃就能把热水问题解决,每年可节省大量的电力和煤气.

(四)太阳能与建筑表皮一体化――采光、遮阳

据统计,建筑的空调系统与公共建筑的照明耗费的能源数据相当惊人.国内建筑由于文化传统考虑自然通风与采光,但国外一直以来崇尚机械通风采光.在节能为首的基础上,越来越多建筑师通过不同的采光与遮阳手段展现建筑的魅力.当前遮光材料应用广泛,可以为建筑的表皮提供各种介质：玻璃、混凝土、金属材料、电池等；处理手段也较多,主要是依靠建筑物自身的空间布置以及特殊而巧妙的处理,使热流生产自然循环,从而对太阳能进行吸收、传递和存贮.在夏季又可产生反射与阻尼太阳能的作用,达到冬暖夏凉的效果.

1.导光系统与表皮结合

通过外部构件的设置,使得外部光线合理的引入内部空间,避免强光,同时也为背光侧引入太阳光.这样就使整个建筑呈现一种类似于“暖水保温瓶”的现象,在一定程度上实现了建筑物的单向热传导性,降低建筑内热能或冷能的流失,减少建筑的整体能耗.

2.遮阳系统与窗结合

在室外或室内甚至双层体系中增加可调遮光百叶或安装倾斜角度可控的钢制遮阳板.此类建筑的前期投入并不比普通建筑高很多,但在长期运营过程中,却能取得很好的节能效益.

四、总结

现代建筑表皮设计更趋生态、绿色和节能,太阳能更是目前应用最为广泛的生态能源,将太阳能与建筑表皮进行一体化设计,满足了生态节能的要求.太阳能与建筑表皮的应用具体体现为光电系统与表皮结合、辐射板技术建筑一体化、结构与构件蓄热以及采光遮阳上的应用,当然太阳能与建筑一体化设计还有很多方式,需要在今后的工作中加以探索和研究,发现更新的技术,使建筑设计更加生态、环保.

【参考文献】

[1]宣晓东.太阳能光伏技术与建筑一体化应用初探[D].合肥工业大学硕士学位论文.2007.

[2]艾明星.变相储能材料的研究[D].河北工业大学硕士学位论文.2003.

[3]张扬.建筑遮阳设计研究[D].同济大学硕士学位论文.2006.