严寒地区绿色住宅中太阳能的应用设计研究

严寒地区绿色住宅中太阳能的应用设计研究

主要研究节能建筑设计及其技术，绿色地域建筑创作。

张广平，兰玉婷

(吉林建筑大学建筑与规划学院,长春 130118)

摘要：着重分析了太阳能在严寒地区发挥的作用,并提出了严寒地区太阳能建筑一体化设计,使其在严寒的冬季,解决更多的建筑能耗问题和环境问题,为严寒地区绿色住宅的应用设计提供一些新思路。

关键词：严寒地区；绿色建筑；多层住宅；太阳能建筑一体化

1太阳能概述

太阳通过核聚变源源不断地向地球表面辐射能量。我国地域辽阔,有着十分丰富的太阳能资源，据估算,我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ,这个数据相当于24 000亿t标准煤,亦相当于目前全世界年能源消耗量的1.3万倍,可见其可利用的潜力很大[1]。根据我国严寒地区的地理位置及太阳能资源分布的情况可知,严寒地区多属于太阳能利用较有利的地域，且与传统能源相比,太阳能免费、安全、无需开发和运输、对环境无任何污染,最重要的是太阳能是可再生能源,无枯竭危险。

2太阳能对严寒地区绿色住宅的作用

绿色建筑追求“节能、环保,与自然相融合”,严寒地区冬季寒冷漫长,气候环境决定了严寒地区对太阳能的需求性，因此，太阳能对严寒地区建筑用能创造了有利条件,也为绿色建筑在严寒地区的发展增添了动力。

2.1有利于严寒地区减少建筑能耗,节能

“节能”是严寒地区建筑师一直非常关注的问题.尽量控制建筑的体形系数,以及墙体外围护结构保温设计、外窗的气密性设计、封堵“冷桥”等一系列设计方法，都是为了降低建筑能耗。太阳能热水器就是将太阳能转化为热能,以满足家庭热水的需求，这种形式已得到认可。目前，太阳能技术在日益完善和进步,其工作原理(如图1)是将太阳能电池板所接收的太阳能转化为电能,经过逆变器直流交流的相互转换，就可以直接供居民的日常用电需求。剩余的电量还可上传至电网,从而获取相应电价收入及政府补贴，成为一举多得的节能方法。

图1　太阳能发电原理图

2.2可取代锅炉供暖,环保

雾霾期是严寒地区初冬最为严重的时期,进入冬季,建筑需要采暖,锅炉供暖需要大量燃煤,烟囱冒出浓烟,以致周边落满黑色尘屑,很难清理,同时空气质量严重下降。2014年冬,哈尔滨初冬雾霾严重,公交因此严重迷失方向,哈尔滨太平国际机场启动了黄色预警，公交车和出租车全部停止运行。学校、企业都下达了放假的通知,尽量减少出行(如图2)。同年,吉林省也发生了类似的情形。这不仅造成整个城市临近瘫痪,同时也对居民的生存条件发起了挑战。太阳能的应用可以将太阳能转化为电能,用电采暖解决了煤炭资源短缺问题,更为整个城市创造了一个良好的生活和居住环境。“环保”不仅仅是对于城市和地区而言,全球气候变暖,CO2值逐年升高,冰川融化,都和燃煤取暖有着密不可分的关系。取消锅炉燃煤供暖,由太阳能取而代之,将对严寒地区绿色建筑的发展起到极大的促进作用。

图2　哈尔滨初冬雾霾景象

3结合严寒地区太阳能住宅建筑的一体化设计

太阳能建筑一体化的概念就是在建筑设计初期,将太阳能系统作为建筑不可或缺的元素予以考虑,把太阳能技术和建筑设计有机地融合在一起,使太阳能作为建筑整体的一部分。

3.1太阳能建筑一体化设计的原则

1)要充分了解太阳能在住宅建筑中的应用条件,克服太阳能在应用过程中的不利因素,避免资源浪费,确保系统的运行效率。2)太阳能设计要充分利用建筑的外部空间,在满足功能要求的基础上,将其应用到建筑中。3)太阳能建筑不是附加在建筑之上的,而是要在建筑设计的初期就考虑在内,与建筑同步施工、同步运行,避免太阳能的二次施工给建筑带来不利的影响及损坏。4)在设计的过程中,要确保太阳能设计不可以凌驾于建筑之上,而是相辅相成地融为一体。最后，在太阳能建筑设计时,一定要尊重当地的自然气候条件,结合建筑的特点,进行设计与思考,从而总结出与本地相适应的设计方案和技术手段[2]。

3.2严寒地区多层住宅建筑一体化设计手法

严寒地区住宅建筑,与办公建筑不同,在建筑立面上应该是采用保守、实用的设计,结合严寒地区住宅设计特点的基础上,将太阳能很自然地融入到建筑的外表面,以接受大量的太阳能辐射,从而实现完美的太阳能建筑一体化设计。

1)太阳能采光顶和天窗设计。目前,严寒地区住宅的顶层多为坡屋面,避免雨雪堆积,产生顶层屋面露水和潮湿起皮现象。坡屋面顶层多为阁楼,采光面积偏小,在屋顶设置采光顶或天窗即可解决顶层阁楼的采光问题。设计时将太阳能电池板作为屋顶材料集成安装在采光顶或天窗上,屋顶是接收太阳能辐射的最佳位置,对能量的转化非常有利(如图3)。

图3　太阳能天窗设计

2)太阳能遮阳板、雨棚设计。严寒地区在进行立面设计时,由于严寒地区夏季持续的时间相对较短,冬季持续的时间偏长,因此对抗寒设计的考虑多,对御热设计的考虑少。如今,人们更多的是追求全气候周期内的居住舒适程度,再加上绿色建筑的兴起,也让设计师们将建筑设计考虑得更加全面、具体。所以，夏季抵御高温日晒,遮阳的设计要考虑在内。住宅建筑的入口是连接室内外的缓冲空间,雨蓬的设置就是为了避免人们在此处停留时遭到雨雪的侵袭,太阳能电池板可以充当遮阳板和雨蓬等建筑构件,从而接收太阳辐射(如图4)。

图4　太阳能遮阳板设计

3)太阳能建筑幕墙设计。太阳能光伏幕墙,透光效果好,与普通幕墙并无差别,幕墙设计可以大面积采光,从而得到大量的太阳能辐射。但对于严寒地区住宅而言,玻璃幕墙的实用性并不是很好,而是在公共建筑中应用的比较多,但小面积的幕墙对立面设计而言,具有一定的可行性,光伏幕墙是大量转化电能的重要形式(如图5)。

图5　太阳能建筑幕墙设计

4)太阳能立面装饰设计。建筑外立面除窗和门以外,大部分都是建筑的外墙,外墙部分的设计是太阳能利用最有发挥余力的地方。太阳能真空管集热器比较适合住宅立面的装饰设计,从改变真空管的排列方式到改变其大小、位置,都可以赋予整个建筑立面不同的风格,用心设计之后必定会为整个建筑增色不少(如图6)。

图6　太阳能立面装饰设计

4结语

综上所述,只要是可以接收阳光的建筑外围护结构基本上都可以利用太阳能,具体设计还需要建筑师根据项目实际情况进行合理设计。但不可否认,太阳能还是存在一定的不足之处:1)投资成本大,费用高；2)照射的能量分布密度小,需要占用建筑大量的表面积；3)光辐射不稳定,导致发电不稳定,能源的获得与四季、昼夜及阴晴等天气情况密切相关,当供电不足时,需要从国家电网买入；4)太阳能的寿命还会受到材料、技术等多方面的限制。

上述不利因素归因于目前太阳能技术还没有达到完全成熟的阶段,需要不断地研发新技术,以克服太阳能的不利因素,使之更好地为人类服务。太阳能在建筑中的应用必定是利大于弊,可见,太阳能建筑一体化设计在严寒地区具有切实的可行性。深入加强严寒地区太阳能住宅的应用与设计,为严寒地区绿色建筑的发展提供新思路。

参考文献

[1] 汪涌.浅议可再生能源发展的良机[J].能源环境保护,2009,23(2):46-48.

[2] 颜丰.寒冷地区多层住宅太阳能技术与建筑的一体化设计探索[D].大连:大连理工大学,2008.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.019

收稿日期：2015-06-11

作者简介：张广平(1972-)，女(汉),长春，副教授

中图分类号：TU984

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)02-0071-03

The study on solar application design in green residential building in severe cold region

ZHANG Guang-ping，et al.

(SchoolofArchitectureandUrbanPlanning，JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China)

Abstract：The article focuses on the role of soar in severe cold region，and puts forward the solar building integration design in severe cold region to solve more construction power consumption problems and environment problems in severe cold region to provide some new ideas for green residential application design in severe cold region.

Key words：severe cold region；green residential building；multi-storey residential；solar building integration