【摘要】太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源,目前的建筑设计,很多都采用太阳能,这是一种符合市场需求的设计领域。要在最大程度上实现太阳能利用与建筑物设计的完美结合,不断实现建筑的舒适要求以及能源方面的相关要求。保证太阳能在民用建筑的应用是非常必要的,它能够充分降低建筑能源消耗,达到节约能源的目的。本文对太阳能在建筑设计中的应用做了介绍。
【关键词】太阳能；建筑设计；太阳能发电；节约能源
1 前言
太阳能与传统的石化燃料能源相比,太阳能是最为理想的可再生能源,它是取之不尽、用之不竭的能源。由于太阳的辐射输出,使得光子能量在很大程度上被转化为人类需要的各种资源。尤其是光能转化为人类需要的电能。电能可以通过一定的方式转化为动能以及热能等各种形式的能源。我们只有充分利用自然界中的太阳能,才能满足人类生活的要求,才可以从多角度为人类造福,不断创造出更好的社会生活质量,因此发展太阳能技术在建筑中的应用是非常必要的。随着常规能源的日益紧张以及环保的呼声愈来愈强,可再生能源的重要性凸显,受到了国家的关注和扶持。而太阳能是永不枯竭的清洁能源,有着矿物能源不可比拟的优越性。我国的太阳能资源丰富,60%以上的地区具有丰富的太阳辐照量,年日照时数可达2200h。开发和利用太阳能,既是近期急需的能源补充,又是低碳、环保的要求。所以,将太阳能应用于建筑物,会获得很好的节能和环保效益。
2 太阳能技术的概述
2.1 工作原理
太阳能是全球普遍推广的一种洁净、环保的能源。太阳能热利用系统中,接受太阳能辐射并向水传递热量的部件,称为太阳能集热器。太阳能热水系统通过太阳能集热器吸收太阳可见光和近红外光（简称短波段）,将冷水加热供给居民进行使用。其主要特点是经济实惠、高效节能、安全、卫生、无污染,具有良好的经济效益和社会效益。
2.2 集热器分类及其特点
目前在市场上占主导地位的太阳能热水系统主要有金属平板型、全玻璃真空管和真空热管三种太阳能集热器,各种太阳能集热器各有优缺点。
2.2.1 金属平板型太阳能集热器：
板芯采用铜铝复合工艺将两铝片与一根铜管轧制在一起,达到两种金属完全融合,再用高压气体将铜管吹胀,吸热涂层采用阳极氧化工艺,优点是热效率高,产热水量大、可承压、耐空晒,水在铜管内加热,质量稳定可靠,免维护,缺点是不具有抗冻能力,热损耗大。
2.2.2 全玻璃真空管太阳能集热器：
其主要原理是太阳光透过外玻璃管照射内管吸涂层上,将太阳能转换为热能,然后加热管内的水,由于夹层是真空,有效地降低向外热辐射损失,真空管具有较强的抗冻能力,热损耗较少,效率较高。
2.2.3 真空热管太阳能集热器：
实质是真空玻璃管与平板式的结合,包括：热管、吸热板、真空管。太阳透过玻璃照射到集热板上,将热管里的工质加热汽化,工质汽化后上升到顶端冷凝端,在这里被液化,同时放出热量,以此加热水,工质又重新流下,如此循环,不断将热量从太阳光中转运到水中。真空热管太阳能集热器有很强的抗冻能力,适合在冬天气温为0℃至-40℃的地区使用,可承压,耐空晒,不易爆管,热容量小,启动快,可用于产高温热水、开水,缺点是成本较高。
3 太阳能在现代建筑设计中的应用
目前建筑业是经济发展的重要产业,也是消耗能源较多的行业。尤其是现在住宅不仅仅是一个遮风避雨的场所,人们所追求的是建立在自然环境持续和谐发展基础上的优越的生活环境,即建筑中充分利用绿色能源,尽可能的减少建筑的能源消耗,在保护环境的前提下尽可能的因地制宜,合理利用当地的优势条件发展合宜建筑。太阳能作为绿色洁净能源的使用对建筑行业来说是一种全新的发展思路。目前太阳能在建筑设计中的应用主要有太阳能发电、太阳能热水器、太阳能空调及太阳能采暖等,至于太阳能发电在建筑中的应用因其技术限制,导致造价太高,不太适合广泛的推广。下面我们将着重论述太阳能热水系统：太阳能热水系统主要是由太阳能集热系统和热水供应系统构成,包括了太阳集热器、贮水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器、水泵设备和附件。其中太阳能集热系统又是太阳能热水系统特有的组成部分,是太阳能是否能得到合理利用的关键。那么怎样充分利用太阳能,充分发挥太阳能热水系统的功效呢?
3.1 首先我们在思维上要接受绿色建筑的概念,在建筑设计阶段就要把洁净能源的创意和思维与建筑的设计相结合。
3.2 太阳能集热系统是太阳能利用的关键,因此我们在建筑设计中要运用太阳能热水系统的话,首先要做的就是尊重权威的质检部门出具的检测报告,在结合数据中的性能参数,再根据建筑物所在地的太阳能资源与气象条件进行优化设计,确保太阳能集热系统的长期稳定运行。
3.3 太阳能热水系统已形成了成熟的理论系统和实际构造,但很多传统的建筑没有给太阳能热水器预留空间,这会阻碍太阳能热水器的推广和发展,因此在设计建筑时要充分考虑到太阳能热水器预留空间。
3.4 为保证太阳能热水系统的设计合理,建筑设计单位和太阳能热水系统设计单位都应共同参与设计。同时太阳能热水器的安装应该要满足建筑功能和建筑防护要求,做到太阳能热水器与建筑有机结合,与周围环境相协调。
4 满足“绿色建筑”应具备的基本原则
4.1 节约建筑能耗。太阳能建筑无疑是节约常规能源消耗的,它的能量来源是源源不断传输到地球上的太阳能,通过建筑设计手段使建筑自身应用太阳能采光、供暖同时维持建筑的能耗,或者凭借一定的设备来储热、发电并用以满足用户的居住需要。
4.2 节约资源消耗。太阳能建筑的结构、材料可以成为环境循环系统的一部分,促进能源材料的循环利用,某些人工调节的手段必然带来的对天然建材、生态环境的破坏。
4.3 尊重基地环境。太阳能是一种无污染的能源,太阳能建筑自身的运营能耗不会产生对周围环境的破坏,在能源利用的方面要充分顾及基地环境。
4.4 满足用户的要求。充足日照对人体可以产生直接作用,在满足人类对阳光与生俱来的亲和性的同时,还可以满足人的健康需求并给人以能量。与之相反,人工控制下不间断的建筑室内气候,无法给人们带来阳光所营造的舒适度和美感。
4.5 设计结合气候。太阳能建筑的设计建造必然是结合建筑所在场地气候的,因为一年四季、白天和夜晚,不同地点的气候条件不同,太阳的辐射强度也不同,想要充分地利用太阳能必须结合当地日照条件。比如在夏季或炎热地区,以通风、遮阳的方式建造“自然冷房”做到隔热与室内温度的自然冷却；在寒冷地区或冬季,利用自然的方式或设备把太阳能导入室内,并使之得以保持,形成“自然暖房”。
4.6 整体的设计观。对于太阳能建筑来说,将绿色原则相对于环境被当作一个整体来实施的前景是乐观的,太阳能作为自然界中最丰富的可再生能源之一,对人类社会的可持续发展具有重要意义。太阳能技术在建筑中的利用是当今太阳能利用的主要潮流和趋势之一,值得大力推广。在其具体应用方向上,应该特别注意提高效率,重视太阳能与建筑的一体化设计。
5 结束语
随着科技水平的不断提高,可再生能源将会逐渐替代化石类能源,并占据越来越大的比例,和有限的化石燃料能源相比,太阳能是最为理想的可再生能源之一,随着常规能源的日益枯竭和因过度开发带来的系列环境问题,我们应该坚持走可持续发展道路,加快技术研究,充分开发和利用太阳能。所以对太阳能进行一定程度的开发利用是必要的趋势,将太阳能应用在建筑中,可以取得良好的节能、环保效益。
注：原文发表在2014年第4期《建筑遗产》
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