解读太阳能住宅——以国际太阳能十项全能作品为例

■ 李杨露西 Yangluxi Li

0 引言

国际太阳能十项全能竞赛 （Solar Decathlon，SD）被誉为“太阳能界的奥运会”，它是由美国能源部发起并主办的，以全球高校为参赛单位的太阳能建筑科技竞赛。借助世界顶尖研发、设计团队的技术与创意，将太阳能利用、建筑节能、自动化等多种技术紧密结合起来，建造并运行一座功能完善、零碳环保、生态节能、可持续性的太阳能住宅。国际太阳能十项全能竞赛的宗旨是希望通过竞赛加快太阳能产业的产学研融合与交流，从而达到推进太阳能技术的创新发展及广泛应用。

从2001年开始，SD大赛在美国和欧洲共成功举办了5次，吸引了近百所大学参加。大赛期间，各大学代表队设计并搭建完全由太阳能供能的“太阳能住宅”，住宅内的所有运行能量完全由太阳能设备供给，从而实现“零能耗”甚至“负能耗”。大赛评委会从住宅的建筑设计、建筑物理环境调控、能源、舒适性等10个方面全面综合地给出评分，最后通过10个单项评比确定最终排名。整个大赛充分体现了参赛队所在国家或地区太阳能行业科研领域的最新成果和应用水平，也是各国展示自身住宅节能与新能源技术成果的良好平台。

2011年，SD国际大赛引入中国，同年4月28日，SD中国全球启动仪式在“中国煤都”山西大同隆重召开，大同市也以此次赛事为契机，实现传统黑色产业向新型绿色产业、原始化石能源向现代再生能源、污染高碳城市向洁净低碳城市的华丽转身。

表1 SD2001年－2011年十项评分内容比较

1 十项全能介绍

“太阳能十项全能”的名称源于竞赛评比的10个方面，在历届的SD大赛中，10项内容均有差异，分值的比重也有变化，如表1所示。通过比较这五届SD竞赛的10个得分项比例可以看到每届的竞赛分数均有调整，有合并也有拆分，将一些相对不重要的分项合在一起，同时将另外一些重要的分项拆分出来，作出一个单项以提高分会比重，由此也可以了解到当前世界太阳能应用技术的一个导向。例如，从2005年起，将第一项中的可居住性取消了，从2009年又将建筑设计的分值从200分降为100分，2007年取消了文档记录的分值，与其他包括建筑围护结构、室内环境控制、能源利用的分析等并入工程建造中。2009年的竞赛中将原先“太阳能出行”一项中“通过太阳产生电能提供电动车出行”的要求并入“净流量”中，占到了50分，2011年则取消此项要求，而是将造价的可负担性单列一项。对历年“十项全能”的评分内容统分分析后，发现建筑设计、交流（网站建设）、舒适度、热水及能源平衡几个单项在历届竞赛评分中始终占据主导地位。

太阳能十项全能竞赛涉及到建设设计、建筑节能工程设计、照明设计、给水排水、居住适宜性、市场可行性等诸多方面，需要各方面协调配合，与建筑设计很好地融为一体，通过优化组合达到建筑节能与太阳能利用的最佳模式，因而需要设计团队中各个领域的队员全力配合，以达到总体最优。从历年来10项内容的构成可以看出，通过太阳产生尽可能多的能源并提高能源利用效率以提供房屋的各项活动始终是竞赛评分中的核心，并且逐步明确了设计理念：通过创新技术和综合可持续性设计策略，来应对零能耗太阳能住宅所面临的环境、社会和经济方面的挑战[1]。

根据对历年参赛作品的总结分析，关于太阳能住宅的设计策略主要集中在以下两种：①被动式太阳建筑设计策略，包括：合理的形体组合、良好的自然通风、充分的吸收太阳能、高效的热存存储与转换；②主动式太阳建筑设计策略，包括：太阳能光热系统、太阳阳光热系统、太阳能技术与建筑一体化设计。同济大学和天津大学作为中国代表队参加过太阳能住宅SD大赛，本文将对同济大学的参赛作品“竹屋”和天津大学的参赛作品“Sunflower”从各个不同的角度进行全面分析。

2 中国参加SD竞赛的太阳能住宅作品

2.1 同济大学设计的太阳住宅——“竹屋”

2011年9月，在华盛顿特区邻近杰弗逊纪念堂的潮汐湖畔，同济大学代表队参加了第五届太阳能十项全能竞赛，参赛作品为：“太阳能竹屋”。在造型上采用的是“院落”这一中国北方传统的居住模式，结合赛场条件将庭院面向河流，充分体现出了中国传统水乡民居特色，同时也能改善室外环境的微气候。“竹屋”最大的特点就是将中国古典建筑元素与太阳能光伏技术巧妙地整合在一起，采用了中国传统建筑中的“反宇”造型，形成曲线的屋顶，既能实现光伏发电板发电效率的最大化，又有利于自然通风，还可以自然排水，并且竹子是中国传统的建筑材料，取材方便，生态环保，废弃物可以有效地回收降解(图1、2)。

同济大学的太阳能住宅“竹屋”集成了多项被动式、主动式建筑节能技术：建筑外墙面与内墙面均采用生态竹子，墙体装有高性能的新型真空保温板；对安装在屋顶的光伏发电系统，结合实际情况进行优化；具有最高保温水准的真空+中空的玻璃外窗；室内墙表面采用了最新的相变材料用于缓和室内温度变化，增强居住舒适感；在光伏组件背部设置散热或热回收装置或散热风道，既回收热量，又确保高发电效率；将太阳能热水集热器与熟泵空调机组，集成为多热源一体化节能型综合设备系统等。此外，居室内环境监测、能源管理、设备管理等全部实现了数字化、信息化、可视化，住宅的产能、能耗、居住环境等数据信息能实时直观展示，并且实现利用3G手机等移动终端设备进行随时“掌控”(图3)。

在建设设计方面，“竹层”采用反宇屋面作为太阳光伏和光热系统的承载面，同时也是太阳能采集系统中最重要的部分。反宇屋面源于中国传统住宅屋顶的反宇意向，同时反宇屋面造型，可以尽可能的增加建筑太阳接收面，进而产生尽可能多的电能。在太阳能的采集方面，“竹屋”采取了主动式太阳和被动式辅助技术相结合的策略[3]。

屋面太阳能光电系统分为三个层次：太阳能单晶硅光伏电池板，曲线空腔风道，屋面刚性防炎保温体系，太阳能板风冷空腔拔风可以有效地为太阳能板降温进而提高其发电效率。在太阳能光热系统方面，HVAC系统将太阳热水系统和空调系统结合到一起，并且通过回收空调废热来热水，有效地提高了能源的利用效率。

在“竹屋”的设计过程中，同济大学团队也融入了众多被动式的节能手段来降低建筑的能耗，改善居住环境，如真空保温板和相变材料被应用到“竹层”的围护结构中，利用这两种材料的热阻性能和根据温度改变物理形态的特征，可以有效地减少室外温度变化对室内产生的影响。真空保温板主要运用在“竹层”的屋顶、墙面和地板上，其保温性能相当于传统聚苯板保温材料的10倍以上。相变材料具有较高的固液态转换温度存储功能，在室外温度高于室内温度时，它能从固态转化为液态从而吸收储存热能，而在温度低于其转温度时，它由液态转换为固态并释放大量热量。

“竹屋”在设计建造中也融入了团队中同济大学计算机信息与技术专业成员的智慧，在他们的努力下，“竹层”实现信息化智能控制，住宅的产能、能耗、环境等数据能在显示屏上显示，并能在3G手机上呈现。据估算，该太阳能屋自产能源是自耗能源的近三倍，多余能源还可并入城市电网，实现了真正的“负能耗”。

2.2 天津大学设计的太阳能住宅——“Sunflower”

天津大学在SD2010竞赛的作品——“Sunflower”是第一个入围并成功参加太阳能十项全能竞赛的亚洲作品，并且获得了“十项全能精神奖”。

在设计理念与风格方面，天津大学团队在设计上努力寻找着中国建筑特色，利用适宜性技术创造一个舒适的居住空间，突出“天人合一”的中国古典哲学和人文特征，尽可能引入中国传统建筑和人文元素，以及自然采光、通风、绿化庭院等自然元素，形成安静、舒适、绿色、节能、可持续的居住空间。

在建筑设计中，天津大学团队将中国北方四合院、云南“一颗印”和皖南民居“马头墙”这些中国民居传统元素有机、协调地融入到方案中，白墙黛瓦、花格窗、马头墙……等元素在传承文脉的同时进行了创新，结合太阳能应用技术，有效地实现建筑的零能耗与可持续发展[4](图4～6)。

在太阳能利用方面，“Sunflower”采用主动式与被动式相结合的方式，在建筑设计中遵循“适宜技术”的原则，首先充分利用被动式策略，优化建筑的热工性能，促进自然采光通风，并在此基础上，采用相对低价高效的太阳能主动利用技术，结合能量存储和自动控制技术，达到零能耗的要求[6]。

在“被动式”策略方面，建筑平面采用紧凑的矩形，最大限度地减少冬季热损失。中庭成为一个可控的室内外环境的缓冲空间，夏季提供遮阳并促进自然通风，冬季白天成为太阳房，晚上提供保温。作为一个采光井，中庭能够为周围的空间提供柔和的自然采光，从而极大地减少了照明用电和室内光环境舒适性。

在“主动式”策略方面，“Sunflower”采用太阳能电、热联合系统。屋面获得太阳辐射较多，采用国内效率最高(18.9%)的单晶硅PV电池；辐射量较少的外墙面则选用性价比较高的多晶硅PV电池。整个光电系统在竞赛期间共发电346kWh，除满足自身所需电力154kWh外，还向电网输送192kWh电量。光热系统采用天津大学的专利技术“建筑一体化太阳能辐射板”，通过综合利用太阳能和太空低温及空气源，满足冬季采暖和夏季制冷要求，并与真空管集热器一起提供生活热水。屋顶PV电池板下设辐射板，既能降低PV板温度，提高发电效率，同时收集余热用于热水。

与国外一些花费巨资昂贵的“高技术”方案相比，“SunfIower”太阳房采用了价格相对低廉的适宜性技术策略。因此，它作为一个原型，经过改进和发展，可能在中国的城市和农村中得到推广，具有比较广泛的适应性[7]。

3 结语

2013年，将太阳能、节能技术与住宅设计紧密结合的SD国际大赛将首次来到亚洲，落户“中国煤都”大同。太阳能十项全能竞赛的目的是借助世界顶尖研发、设计团队的创意，将太阳能、节能与建筑设计以一体化的新方式紧密结合，来证明即使单纯靠太阳能的住宅一样可以是功能完善、舒适而且具有可持续性的居住空间，从而促进节能减排的技术发展和实践进步[8]。SD大赛进入中国同时也具有非凡的意义。①提高公共意识：竞赛对世界公众开放，其成果作为“居住实验室”可以更直观地提高公众对可再生能源、最新节能技术和设施及产品的认识，增强公众绿色消费、节能减排、可持续发展的理念；②锻炼学生：在可再生能源在建筑中的应用、新能源在未来生活中的作用等方面，给在校大学生一个特别的实践机会。通过对竞赛的参与来培养未来节能建筑设计师；③助推产业：竞赛有助于提高太阳能建筑的吸引力，通过工业化建造技术的创新与太阳能利用新技术的的有机整合，加快太阳能技术与建筑融合的一体化进程，加速太阳能应用领域的深度创新以及市场推广的进程。

中国对SD大赛的参与及举办，促进了我国与国际社会在新能源技术和应用领域的交流与合作。同时，可以此为契机贯彻绿色、清洁、环保的理念，促进传统能源向新能源的转型和升级。也希望能探索出更多新能源、清洁能源的新思路、新技术和新模式。

[1]李苑，宋晔皓. “太阳能十项全能”竞赛(SD)简述[J].建筑技艺，2011(9).

[2]http://www.chinala.net/show.asp?id=2198.

[3]余中奇，叶曼“.竹屋”——太阳能生态住宅实践[J].建筑技艺，2011(9).

[4]高辉. SUNFLOWER，永远向着太阳[J]太阳能，2011(2).

[5]http://www.gkong.com/item/news/2010/04/46846.html.

[6]孙昊天.太阳能十项全能竞赛建筑设计研究[D]天津大学建筑学院，2010,9.

[7]杨向群，高辉.零能耗太阳能住宅建筑设计理念与技术策略[J]建筑学报，2011(8).

[8]李之涵.太阳能界奥运会[J]中国经济信息，2011(19).