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摘要：本文介绍了太阳能利用在国内外建筑行业中的应用现状，指出我国建筑行业太阳能利用存在的问题，提出太阳能利用与建筑一体化设计的必要性，并对一体化设计的多种途径进行了归纳分析。 关键词：太阳能，建筑节能，一体化设计 前言 太阳能作为一种可再生能源，取之不尽、用之不竭，而且对环境不会产生任何污染，正是由于它的诸多优越性，许多太阳能方面的技术正在被越来越广泛的应用到建筑中，对太阳能的利用已成为建筑节能的重要组成部分，建筑与太阳能利用的"一体化设计"也逐渐引起了业内人士的高度重视。所谓太阳能建筑一体化，就是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，巧妙的将太阳能系统的各个部件融入建筑之中，"相加"设计，统一施工，使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分。 1.国内外太阳能利用现状 在国外，许多政府已制定并实施将太阳能用于公共建筑和居住建筑的计划，如美国政府计划到2010年在100万个屋顶上安装太阳能电池板，成为"百万屋顶计划"；日本通产省的新太阳能计划（1993～2010）中也提出了2600万户太阳能住宅的推广计划。并且，在"一体化设计"方面也进行了有益的探索，太阳能利用构件由最初力图藏而不露，转向成为引人注目的建筑构成元素展现出来。美国国家可再生能源实验室展示中心极富韵律的Trombe墙为展览厅提供了被动式采暖和自然采光，同时也塑造了极富个性的立面效果。以色列某建筑在叠错的屋顶阳台尽端安放的太阳能集热器，与建筑巧妙结合，使其更为生动活泼。丹麦南部Toftlund的Brundtland展览会议中心运用了这个国家最大规模的PV光电板阵列，这些半透明的光电板与中庭屋顶玻璃相结合，既作为发电元件，又可起到遮阳构件的作用，避免阳光曝晒引起的过热。阳光透过光电板在室内造成了有趣的光影效果，随着季节、天气以及每天时刻的不同而瞬息万变，使普通的中庭空间凭添了无限生机。Brundtland展览会议中心由于把利用可再生能源和建筑完美结合，获得了1995年的欧洲太阳能奖。 以上太阳能建筑"一体化设计"的成功案例，不但丰富了建筑空间，同时也为太阳能利用在建筑中的发展开辟了新途径。 我国太阳能资源丰富，每年获得的太阳能约为3.6×1022J，大约相当于1.2万吨标准煤的发热量，2/3国土面积太阳能年平均辐射总量在5.9×106kJ/m2以上，而且绝大部分采暖地区均分布在长日照区域内。丰富的资源为我国进行太阳能的开发利用提供了良好的条件。 然而我国太阳能利用在建筑行业中的应用尚处于蹒跚学步阶段，虽然太阳能热水器在我国取得很大的发展，但户用率依然很低，且利用方式单一，对太阳能的利用往往以牺牲建筑立面形象为代价，对太阳能的利用效果并不理想。咎其原因，除政策、经济等因素外，还与建筑行业直接相关。 我国太阳能的利用的问题所在是缺乏太阳能行业和建筑行业的相互配合。许多设计单位对太阳能利用的原理、设计方法不够了解，对其节能意义认识不足，没有有意识地按照利用太阳能的原则和方法进行设计，没有把太阳能利用装置作为建筑的一部分考虑，造成建筑的土建时期没有设置适当的预埋件，给日后太阳能装置的安装造成了一定的障碍，因此，后置的太阳能利用装置在安装时很可能损害建筑结构，增加不必要的荷载。同时，现有太阳能利用设备的生产只考虑自身的结构和功能，没有考虑作为建筑物的有机组成部分与建筑相结合，也不能与建筑设计整体很好地协调，外观与造型难以适应现代建筑的要求。尤其是成片的小区采用时造成建筑立面的不协调和对城市景观、环境的破坏，使得城市中住宅小区不愿大规模使用。因此，进行太阳能利用与建筑一体化设计势在必行。 2.一体化设计的意义 建筑是一个完整的统一体，要将太阳能技术融入到建筑设计中，同时继续保持建筑的文化特征，就应该从技术和美学两方面入手，使建筑设计与太阳能技术有机结合，即"一体化设计"，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，巧妙的将太阳能系统的各个部件融入建筑之中，"相加"设计，统一施工，使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分。 经过一体化设计的太阳能利用方案，具有以下优点： （1）可以有效利用太阳能，降低建筑用能成本。 （2）建筑使用功能与太阳能设施（如热水器）有机的结合在一起，形成多功能建筑构件，巧妙高效地利用了空间。 （3）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，并减轻了建筑负荷，从而降低了建筑总造价。 （4）有利于形成建筑外观的和谐统一，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。 （5）同步施工，一次安装到位，避免后期改造工程对用户生活造成的不便以及对建筑已有结构的损害。 3.太阳能利用的"一体化设计"方式 3.1与墙体的一体化设计 对于多、高层建筑，外墙是与太阳光接触面积最大的外表面，因此应充分利用墙面收集太阳能。当今可应用于墙体的太阳能利用方式有以下几种： （1）集热蓄热墙 传统的集热墙为提高太阳能吸收率，一般采用黑色外表面，但这样会影响建筑美观，特别是大面积使用时对人们心理造成压抑感。这时，可根据实际情况，尝试选用其他颜色与黑色或其他深色搭配使用，丰富建筑立面，虽然牺牲了部分太阳热能的吸收，却能营造出活泼宜人的建筑环境。 为了更有效地收集太阳能，吸热表面可采用吸收率高、发射率低的选择性涂层，以减少高温吸热表面的长波辐射热损失。例如北京市太阳能研究所研制的铝阳极氧化涂层，其吸收比为0.92～0.96，法向发射比0.1～0.2，具有良好的选择吸收性能。 （2）太阳能集热器保温墙板 太阳能集热器保温墙板，是将集热器与墙体进行一体化设计。图1所示为一种太阳能保温墙板类型，将固定安装有呈槽型抛物面状的热反射板的墙体依次按建筑要求排列对接，太阳光经密集排列的热反射板聚焦到导热管上，再由导热管将所接收的热量传递进室内。这样的保温墙板能在立面上形成一定的韵律，经过设计可成为良好的美学元素。 （3）墙面附加集热器 集热器可作为附属构件依附于外墙表面，并可附带兼具其他功能，如作为阳台护杆，空调拦板（图2），立面装饰构件等。
3.2与屋面的一体化设计 建筑屋面作为集热部件有其特有优势：不影响建筑立面；日照条件好，不受朝向影响，不易受遮挡，太阳能利用率高；系统可以紧贴屋顶结构安装，减少风力的不利影响；集热器可替代保温隔热层遮蔽屋面。 住宅中，屋顶集热器也有一定缺陷：对于低层用户，由于连接管道较长，热损失较大；集热器的检查和维护较为不便。 图3为一种与建筑坡屋面组成一体的太阳能集热器，其主要特点是在做好防水处理的屋面上，铺设屋面与集热器共用的防渗漏的隔热保温层，在隔热保温层上方放置太阳能集热部件。
3.3与阳台的一体化设计 相比于屋顶集热器，安装在阳台的集热设备具有便于观察，连接管道短，热损耗较少等优点。 图4是与阳台结合为一体的太阳能热水器，在窗框下部固定太阳集热器，窗框上部放置附带保温壳体的储水箱，中部为窗户，集热器通过窗户两侧的连接管与储水箱连通，集热器中的水受太阳辐射升温与水箱中的水循环换热，即可提供生活热水，也可在冬季开启活动保温后盖向室内供暖。
这种方式可充分利用建筑结构特点，即利用了太阳能，又起到封装阳台的作用，不影响采光通风，且具有重量轻，安装简便，造价低，外形美观等优点。 3.4遮阳装置的一体化设计 将太阳能利用构件如PV板或集热器与遮阳装置构成多功能建筑构件，可有效利用空间，并降低建筑造价。在多层、高层住宅中，可将太阳能集热器或光伏电板与窗户上的遮阳蓬相结合（图5，图6）。这种热水器的特征是集热器或太阳能光伏板安装在托架上，通过托架固定在窗口上方，即可供给热水，又可起到遮阳作用。 
结语 我国太阳能利用在建筑行业，特别是城市建筑中的一体化设计，还处于蹒跚学步的阶段。发达国家可供借鉴的一体化设计方案在我国并不完全适合，因为国外利用太阳能的居住建筑大多数为独立或联排式低层住宅，而我国目前城市住宅建设的主流是多高层集合住宅。因此，在我国研究和推广符合国情的一体化设计建筑，尤其是被动式太阳能多高层住宅势在必行，这就为我们建筑师提出了新的挑战和更高的要求。 |
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