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陜西土木建筑網首頁 > 建筑論文 > 建筑設計 > 結合太陽能應用技術的綠色建筑設計

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摘要：作為一種重要的可再生能源，太陽能是綠色建筑能量來源的最佳選擇。建筑師應該具備生態的觀念，發揮專業特長，將太陽能應用技術與建筑設計、城市規劃有機地結合起來尋求適宜的可持續發展之路。...

結合太陽能應用技術的綠色建筑設計

梁銳張群劉加平

（1.西安美術學院建筑環境藝術系，陜西西安 710065；

2.西安建筑科技大學建筑學院，陜西西安 710055）

1.應用太陽能技術是綠色建筑的必然選擇

在可再生的能源中，太陽能有明顯優越性，它取之不盡、用之不竭，不產生污染環境的副產品。

我國陸地表面每年接受的太陽能相當于1700億噸標準煤，太陽能在建筑中的應用前景十分廣闊。如果對太陽能進行全面的開發利用，可以從多角度為人類造福，創造更好的個人和社會生活質量。因此，在建筑中應用太陽能技術是綠色建筑邁向可持續發展的必然選擇。

雖然并不是所有應用太陽能技術的建筑都可以被稱為“綠色建筑”，但是設計合理的太陽能建筑很容易滿足“綠色建筑”應具備的基本原則：

節約建筑能耗(Conserving Energy)——太陽能建筑無疑是節約常規能源消耗的，它的能量來源是源源不斷傳輸到地球上的太陽能。通過建筑設計手段使建筑自身應用太陽能采光、供暖同時維持建筑的能耗，或者憑借一定的設備來儲熱、發電并用以滿足用戶的居住需要。

節約資源消耗(Minimizing New Resource)——太陽能建筑的結構、材料可以成為環境循環系統的一部分，促進能源材料的循環利用，避免某些人工調節的手段必然帶來的對天然建材、生態環境的破壞。

尊重基地環境(Respect for Site)——太陽能是一種無污染的能源，太陽能建筑自身的運營、能耗不會產生對周圍環境的破壞，在能源利用的方面充分顧及基地環境。

滿足用戶的要求(Respect for Users)——充足日照對人體可以產生直接作用，在滿足人類對陽光與生俱來的親和性的同時，還可以滿足人的健康需求并給人以能量。，與之相反，人工控制下不間斷的建筑室內氣候，無法給人們帶來陽光所營造的舒適度和美感。

設計結合氣候(Working with Climate)——太陽能建筑的設計建造必然是結合建筑所在場地氣候的，因為一年四季、白天和夜晚、不同地點的氣候條件不同，太陽的輻射強度也不同，想要充分地利用太陽能必須結合當地日照條件。比如在夏季或炎熱地區，以通風、遮陽的方式建造“自然冷房”做到隔熱與室內溫度的自然冷卻；在寒冷地區或冬季，利用自然的方式或設備把太陽能導入室內，并使之得以保持，形成“自然暖房”。

整體的設計觀(Holism)——雖然現在很難發現有建筑將這些原則綜合運用到一項設計中去，但是對于太陽能建筑來說，將這些綠色原則相對于環境被當作一個整體來實施的前景是樂觀的。

2.結合太陽能應用技術的綠色建筑設計

太陽能技術在建筑中的應用的范圍很廣，人類有意識地在建筑中應用太陽能已有很久遠的歷史，總是選擇在日照豐富的地方營造舒適的建筑環境。

根據整體的設計原則，建造完善的太陽能生態建筑需要多工種的配合，要結構、設備、建筑物理、建筑材料等學科的通力協作才能得以實現。在太陽能建筑設計中，建筑師設計起著統領作用，協調各專業，發揮自身特長，將建筑設計與太陽能應用技術巧妙而有機地結合起來。應用太陽能技術的建筑和城市規劃可以在美學、技術、功能上達到最完美的平衡，形成較完善的生態建筑體系。

應用太陽能技術的建筑常常被分為主動式太陽能建筑和被動式太陽能建筑。

2.1在主動式太陽能建筑中發揮建筑設計的作用

主動式太陽能建筑通過集熱設備獲取、儲存和利用太陽能，然后由熱媒將熱量傳入建筑物內分配使用。它對太陽能的利用率高、功率大，便于控制，但是需要一定的設備投入并占用一定的室外空間。

由此，與太陽能應用相關的許多技術都可以應用在主動式太陽能建筑中，例如太陽能集熱器、太陽能發電系統、自然采光、光化學制氫等。這些復雜的設備設計超出了建筑師的工作范圍，但是具備生態與整合觀念的建筑師可以結合建筑結構、形體、色彩、材料，考慮并調整它們與太陽能設備的關系，使建筑的外觀更加豐富多彩，達到最好的綜合效果。

在設計中靈活運用這些設計手法的太陽能建筑，在滿足節能、節約資源耗費的生態建筑要求的同時，還可以通過為住戶營造在美學上賞心悅目的建筑外環境來體現生態建筑“與建筑環境相協調”、“滿足用戶要求”的原則。

2.2在被動式太陽能建筑中發揮建筑設計的作用

在被動式太陽能建筑中應用太陽能技術，可以使建筑師找到更廣闊用武之地。被動式太陽能建筑通常不依靠任何機械手段，通過調整建筑的朝向，選擇適當的建筑材料，巧妙處理建筑的空間和形體，進行合理的建筑構造設計等手段使建筑物自然地應用太陽能供暖、采光并維持建筑的能耗。

因此建筑師有充分的空間可以發揮自己的專長，合理而有效地安排建筑空間、形體，并利用高效率的技術滿足同樣的功能需要，可以應用的手段有：

（1）通過調整建筑的形體安排建筑的朝向、采光

不同建筑的形體對陽光利用效果不同，可以設計相應的建筑形式與外觀。例如，朝南傾斜的三角形體量有利于充分吸收太陽能；采用立方體等體型系數較小的形式可以減少冬季熱散失。為了最大限度吸收太陽熱輻射，建筑師可以安排建筑在東南和西南暴露盡可能大的面積，以對角線為南北方向放置。太陽能建筑由于采用了一定的特定技術，而在形式表現方面受到較大的限制，往往具有呆板的幾何形狀，缺乏表現力，可以采用比例和諧優美的纖長的形式，南向立面的展開意味著吸收太陽能輻射面積能夠增加很多。

在這種情況下，根據不同的形體劃分建筑內部空間與安排使用更是師建筑師的責任。

（2）設計美觀大方的毗連溫室

附加陽光間是一種多功能的房間，可以讓人在寒冷的季節有置身于大自然的感覺，同時它也是為毗連的房間供熱的一種有效設施。

建筑師完全可以設計美觀大方的陽光間，并合理劃分陽光間與其毗鄰房間的功能。如，坡頂部分加設傾斜玻璃，在形式上追求了變化的同時大大增加了集熱量；還可以在陽光間種植植物，作為休息、娛樂空間；為陽光間附加保溫、隔熱設施，讓它一年四季都做為宜人的空間。

（3）通過建筑設計手段形成自然通風

太陽能在建筑中的應用不但要在冬季保溫隔熱，還要在夏季達到防暑降溫的效果。以體現綠色建筑“設計結合氣候”的原則。

在一般地區的炎熱季節，設計以水院和綠蔭為中心的建筑空間，由熱壓力差形成的空氣運動，將干熱空氣引入封閉庭院，掠過水體和綠茵，得到良好的降溫、加濕和凈化，由此使庭院和室內環境涼爽而適宜。

在多風少雨的高海拔干熱地區，設計風管、地下室和綠化庭院，風壓造成空氣在風管、地下室和綠化庭院中的流動和調節，可以創造舒適的微氣候，增加庭院戶外活動的吸引力。

（4）其他

可以發揮專業建筑知識，對形體、色彩比較單一的水墻、儲熱墻進行色彩、外觀上的美化處理。

2.3太陽能在城市規劃與城市設計中的應用

在城市規劃中，太陽能的應用非常重要。在這一階段中只有考慮節能和建筑密度的問題，才能在城市建設中充分發揮場地和當地日照條件的優勢。因為建筑密度關系到生活環境的優劣，并影響到建筑日照間距的要求。在居住區規劃中，每種住宅平面因素對住宅建筑密度和太陽能都會產成不同的影響，地面反射對建筑立面的有效影響通過朝向、場地坡度和單元長寬比表現出來，因此當建筑密度增加時，由于建筑物的遮擋，要使每個居住單元都獲得充足的陽光就比較困難。

在城市設計中，應當具備全面整體的設計觀念，在設計工作中將太陽能應用技術納入整體考慮，在不同的設計條件下靈活應用。例如在住宅新區規劃設計中，通過電業系統為整個住區安裝與建筑屋面結合的，大功率光電PV系統，可以實現光電PV系統的標準化及屋面PV系統的預制化。

3 我國建筑設計中的太陽能應用技術現狀與思考

3.1太陽能應用技術在我國建筑設計中的現狀

開發、利用可再生、無污染能源的重要性與迫切性已經被意識到，我國在這方面做了大量的有益探索。大量應用太陽能技術并帶“綠色”標志的建筑被創造出來。但是在實踐過程中還有許多不盡人意的地方，現有的“太陽能建筑”并沒有完全體現其生態性。

使用太陽能技術的建筑能否算得上真正的“綠色建筑”？首先，在建筑中使用太陽能光電板發電技術，見圖4，為設計樓的某些獨立部分提供電能。這是對太陽能的先進的應用，但是其造價高昂，維護費用不菲。在不利于在我國推廣的同時，還消耗大量的人力、財力追求所謂節能效果顯然是得不償失的。

如前所述，“綠色建筑”應滿足六點要求——節約建筑能耗(Conserving Energy)；節約資源消耗(Minimizing New Resource)；保護場地周邊自然生態環境(Respect for Site)；尊重居住者的使用要求(Respect for Users)；設計結合氣候(Working with Climate)；整體的設計觀(Holism)。不是所有的建筑都可以帶上“綠色”的標簽，在我國許多所謂的節能建筑并沒有做到真正的節能。

3.2期望與建議

建筑師面臨著許多與國情有關的困惑，例如，是否所有太陽能建筑都是生態建筑；在現有的“太陽能建筑”中是否真的可以發揮建筑師的作用……，由此也引發了建筑師的思考。

首先，我國家并不發達，在太陽能建筑技術的應用上，應優先利用適宜性技術。主動式太陽能建筑雖然對太陽能的利用率高，但設備復雜、技術要求嚴，因此投資較大，而額外耗費大量的資源來刻意地追求太陽能技術的應用，顯然是違背綠色生態原則的。這樣在不恰當的地點、不恰當地應用太陽能技術的建筑不能被稱為生態建筑。因此應當在我國——尤其是偏遠地區，積極主動地推廣被動式太陽能技術。這樣通過建筑師的力量來營造建筑與生活環境才能真正順應我國現有的國情，以切實可行的小投入得到高的回報，體現綠色建筑精神。

其次，關注傳統文化與傳統建筑不但體現著綠色的生態精神，而且是切實可行能長遠發展的。在建筑設計中，吸收傳統建筑技術，尊重地域氣候，應用太陽能改善建筑周圍的小氣候，實現自然通風與采光，減少機械通風與照明，才是最經濟、最有效的設計思路。

最后，在綠色生態設計原則中，“整體的設計觀”是一條重要的原則。全面整體地分析解決問題變得越來越重要，爭取在城市建筑、住宅開發、開敞公共空間、基礎設施等方面形成應用太陽能技術的生態綜合體，將太陽能整體納入到城市設計中應該成為未來的一個重要的設計主題。

基金項目：國家“十一五”科技支撐計劃課題（2006BAJ04A18）

參考文獻：

[1]西安建筑科技大學綠色建筑研究中心[M].綠色建筑. 北京：中國計劃出版社，1999.

[2]謝空，白梅，鄧康.太陽能與建筑一體化設計體會[J].工業建筑，2008(2)：114-118.

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[4]托馬斯·赫爾佐格，吳蔚.從太陽能設計到城市設計[J] .建筑學報，2000(12) ：9-11.

[5]胡紹學，宋海林. “生態建筑”研究綠色辦公建筑—清華大學設計中心樓(伍威權樓)設計實踐和探索[J] .建筑學報，2000(5) ：10-17.

(本文來源：陜西省土木建筑學會文徑網絡：文徑尹維維編輯劉真審核)