太阳能建筑设计原理论文.doc

硕士研究生非笔试课程考核报告（以论文或调研报告等形式考核用） 2009 至 2010 学年 第 二 学期考核课程： 太阳能建筑设计原理 提交日期： 2010 年 07 月 06 日报告题目： 太阳能建筑设计原理及实例分析 考核成绩考核人姓 名 赵小晴 学 号 2009050205 年 级 2009级 专 业 建筑技术科学 所在学院 建筑城规学院 山东建筑大学研究生处制太阳能建筑设计原理及实例分析赵小晴（山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101）摘要：本文从新能源利用与建筑节能的关系入手，分析了太阳能利用在建筑节能中重要性，进而重点阐述了太阳能建筑设计原理，并以“太阳谷“为例，详细分析了日月坛微排大厦、蔚来城小区等建筑单体及建筑组群在太阳能利用及建筑节能方面的设计手法。关键词：太阳能；设计原理；建筑节能0.引言建筑节能是技术进步的重要标志；新能源利用是建筑可持续发展的重要步骤。建筑节能主要采取以下四项措施：1）减少建筑物的外表面积2）重视围护结构设计3）正确控制窗墙面积比4）加强其他部分的保温隔热措施其它一些部位的保温隔热措施。5）采用其他节能控制措施，综合实现节能目标节能、新能源的应用是一个综合性应用技术。节能、新能源建筑要得到全面发展，就应该解决好如下问题。1）具有良好的节能措施。新能源的利用是以节能措施为依托的，建筑围护结构的保温性能就显得很重要。因此，外墙、外门窗、与外界接触的楼板等部位的保温措施，要满足国家、地方、行业节能设计标准和技术规程。2）要解决热能综合利用的控制技术。单独的太阳能、地热能利用都有一定的局限性。新能源的应用要根据当地的自然资源状况，进行综合利用。如果再加上必要的辅助热源，那么，节能、新能源建筑将在任何条件下都能为室内提供满意的热源。综合热能控制技术就是根据建筑物的室内温度要求和热源的供给情况，自动转换对房间的热量供给，以达到房间温度稳定。根据目前自动化控制技术的发展，热工材料、热交换设备、热敏元器件的技术进步，低成本地解决这些问题是可能的。3）节能、新能源最适用的应该是太阳能，而节能、太阳能的利用对建筑物的外观影响较大。在建筑设计中，解决建筑立面、屋面收集阳光的外观设计，不仅关系到热能效率，同时也关系到建筑物的整体美观。今后，新型节能建筑，只会以更低的能量消耗，享受着比现在更好、更舒适、更清洁的室内环境。而它的社会意义要远远大于这些。1.太阳能建筑设计原理太阳能建筑分为主动式、被动式两类。使用机械装置收集、蓄存太阳能，并在需要时向房间提供热能的建筑，被称为主动式太阳能建筑；根据当地气象条件，在基本不增加机械设备的条件下，通过建筑布局、构造处理、选择适当热工材料，使建筑本身能够吸收、蓄存太阳能量，从而达到采暖、空调、供给热水的建筑，称为被动式太阳能建筑。太阳能建筑平面布局应尽可能将长边做为南北方向。使集热面处于真南(非磁南)方向300以内，并根据当地的气象条件地理位置做适当调整，以得到最满意的阳光辐射能。集热蓄热墙间接受热是被动式太阳能建筑的一种方式。如图1所示，它充分利用南向太阳辐射量大的特点，在南墙面上加一层透光外罩，使透光外罩与墙体之间形成一道空气层。为了使透光外罩内最大限度得到太阳辐射能，在空气层内壁表面涂有吸热材料。当太阳的幅射能照射的时候，加热了空气层内的空气和墙体，这时吸收到的热量分为两部分。一部分气体加热后利用温差形成气流，通过与室内相连的上下通风口，与室内空气进行循环对流，从而使室内温度上升；另一部分使墙体受热后，利用墙体的蓄热能力贮存热量，当夜间到来的时候，使墙体贮存热量向室内辐射，从而达到昼夜采暖的目的。夏季到来的时候，如图2所示，将透光外罩内的空气层与室外连接的通风口打开，与室内相连的通风口关闭。室外通风口的上部通向大气，下部通风口最好处于与周围空气温度低的位置相连(如阴凉地段、地下空间等)。这样，当空气层的温度加热后，气流迅速向上部通风口流动，将热空气排向室外，随着空气的流动，通过下部通风口的凉空气引入空气层，这时空气层内的温度低于室外温度，室内热量通过墙体向空气层散热，从而达到夏季降低温度的作用。从被动式太阳能工作原理看出，材料在太阳能建筑中占重要位置。透光材料：过去采用玻璃，透光率一般在65%85%，而现在采用采光板，透光率可达92%。蓄热材料：采用具有一定厚度的墙体、或改变墙的材质(如采用水墙做蓄热体)以增加墙体的蓄热。另外，增加贮热间也是一种蓄热方法，贮热间的传统做法，是将卵石堆放在贮热间内，热空气流过贮热间时加热卵石，等到夜间、阴雨天时，可将卵石散出的热量再输送到室内。由于被动式太阳能建筑简单易行，太阳能建筑得到广泛应用，象多层建筑、通信台站、道班、民宅等。目前，高层建筑也应用这一原理：将玻璃幕墙分层设置，在外墙楼板上下联接处设可控式进出风通口。这样，既应用了太阳能又美化了立面，是太阳能技术的具体体现。主动式太阳能建筑就是利用机械设备将收集到的热能输送到各个房间。这样，就可以扩大太阳能的吸收面，如屋顶、坡面、院落等凡是太阳辐射强的地方，都可以做太阳能的吸收面。同时还可以在需要的地方设置贮热间。可以将采暖系统、热水供应系统组成一体，应用有效的热能控制设备，使太阳能利用更加合理。图3图6展示一个主动式太阳能采暖的运行过程。该系统装有两台风机，一台是太阳能集热器风机，另一台是供暖风机。当依靠太阳辐射直接采暖时，如图3所示，两台风机都运行，使房间里的空气直接进入太阳能集热器。然后，再回到房间(若阴雨天时间较长考虑到热量不够时，可在系统图示位置设辅助加热器)，此时，贮热间不工作。热空气系统使用电动风门控制气流，直接采暖时，空气控制器中两个电动风门转到使空气流向房间位置。在太阳能集热器出口处设热水盘管可以使房间的热水供应系统与太阳能采暖系统成为一体。当太阳能集热器收集到的热量超过房间的需要时，如图5所示，集热器风机开动而采暖机风机停止。通向房间的电动风门关闭。从太阳能集热器出来的热空气向下流向贮热间卵石层，把热量贮存在卵石里，直至卵石层全部被加热，使贮热间蓄热达到饱和为止。当夜间没有太阳辐射时，就要从贮热间里取热。如图4所示，此时关闭空气控制器中第一个电动风门，打开第二个电动风门，启动供暖风机，使房间的空气循环由下向上通过贮热间卵石层加热，再返回到供暖调节系统。当贮热间有足够热量时，进入空气调节器的空气温度只比从太阳能集热器直接出来的气温低一点。这一过程将持续到贮热间卵石层的热量差不放完。然后，若设有附助加热器时，可启动助附加热器。如果贮热间卵石层热量已饱和，或者夏季无采暖要求时，如图6所示，太阳能集热器仍然工作，用于加热使用热水供给系统。太阳能建筑种类很多，工作原理基本一致。有些建筑以水做媒介进行热交换。这样，系统内的所有设备在同样热效应的条件下，体积大大减少，同时还可以与其它能源共同使用一个采暖系统，这是采用水做媒介的最大特点。另一类能源是采用地热做热源。工作过程是将地下水热量提取后，通过采暖系统将热量送到房间；制冷时反向运行，工作原理如同空调机组。它的缺点是，机组连续工作时间较长时，热量有可能供应不足。因此，在地热资源丰富的地区比较适用。2.太阳能建筑实例分析2.1太阳能产业集群-中国太阳城德州的太阳能产业萌芽于10年前。德州市政府采取政策拉动、服务推动、典型带动等举措，每年投入1亿元以上，每年以20%以上速度递增，从而催生壮大了太阳能产业。目前德州已发展太阳能以及相关企业100余家，从业人员3万多人。太阳能热水器产量占到山东省的70%以上，产值占全国太阳能行业总产值的10%左右。去年全市生产太阳能热水器120多万平方米，实现销售收入20亿元、利税突破2亿元。2005年8月底，德州市委召开常委扩大会议，提出打造“中国太阳城”、“中国太阳谷”的战略构想。为此，德州市结合编制“十一五”计划，把发展阳光经济、打造“中国太阳城”“中国太阳谷”纳入国民经济和社会发展总体规划，把太阳能推广利用纳入党委政府重要议事日程。科学制定了“中国太阳城”短期和中长期发展规划、“中国太阳谷”园区规划，确定分阶段推进“中国太阳城”建设，2005年为策划宣传、规划启动阶段，20062007年为迅速扩张、重点突破阶段，20072010年为全面推进、发展提高阶段。力争在抢抓发展机遇上先人一步，在整合全球资源上先人一步，在打造产业群体上先人一步，扶持一批太阳能企业，壮大一个太阳能产业，把太阳能开发利用培植成全市第一大支柱产业、第一个绿色百亿产业。到2010年，建设太阳能小区500个，太阳能村庄500个，太阳能及相关产业产值达到500亿元，市场份额占到全国的1/3，成为世界范围内太阳能普及率最高、科研水平最强、生产能力最大、市场份额最多的地区。德州市政府成立了实施“中国太阳城”、“中国太阳谷”战略推进委员会，市委市政府主要领导任主任，有关市级领导任副主任，相关部门负责同志任成员。 2005年9月16日，“中国太阳城”命名仪式在德州市举行，中国太阳能学会、中国资源综合利用协会、中国农村能源行业协会联合授予德州市“中国太阳城”称号。德州的太阳能产业链也延伸到真空集热管、太阳能电池组件、光伏发电系统、太阳能照明系统、太阳能交通灯、温屏节能玻璃、太阳能一体化建筑等系列产品，路灯安装到上海、安庆、呼伦贝尔、郑州、西沙永兴岛等几十个城市地区，光伏发电系统即将进入意大利的罗马。2.2功能美学主义打破常规21世纪的到来使人们从工业时代转到了信息时代，有建筑业的权威人士曾说过:21世纪的高消费就是回归大自然。那么21世纪建筑师的职能或者说建筑设计的行为将会发生怎样的变化呢?在思考这个问题时，首先要考虑的是:不同地区、不同人群的生活状况将会怎样变化?社会状况又将如何变化呢，对于这些问题我们应该从城市、建筑和人居环境等相关方面来思考。而基于我国目前的建筑现状，尤其是很多大中城市明亮的玻璃幕墙成了代表高档与尊贵的“建筑时尚”成为越来越多的城市建筑竞相模仿的流行“时装“但是这种建筑不仅不环保，而且非常浪费能源。太阳谷打破常规建筑美学建筑全部采用节能减排技术，不仅讲求建筑外形的美观、独特性，还配以相应功能装饰。日月坛、蔚来城等采用的太阳能飘板，包含许多太阳能元素，在装饰的基础上为建筑提供热水、公共照明用电。在日月坛的选材方面舍弃常规外墙饰面.选择建筑保温涂料，不仅美观还具有较好的保温作用。蔚来城会所立面采用玻璃幕墙添加水幕的设计，减少夏天太阳辐射降低室内温度，起到遮阳作用。建筑美学与建筑功能完美结合.必将是对常规建筑形态的一种挑战，功能化概念的提出必将改变建筑的能源浪费问题。以“日月坛”、“蔚来城”为代表的节能建筑必将成为未来的建筑模式并得以发展和推广。由理筑耗能变为产能住宅与公共建筑的采暖、空调、照明和家用电器等设施消耗了全球约11%的能源主要是化石能源。建筑物在使用能源的过程中排放出大量的CO2、NOx、悬浮颗粒物和其它污染物，影响人体的健康和动植物的生存；世界各国房屋能源使用中所排放的CO2，大约占到全球10%，排放总量的13%。其中住宅大体占21.3%，公共建筑占l3%。全球一温室效应正在加剧着地球的生存危机。2.3日月坛微排大厦 2009年12月24日，圣诞夜，全球最大太阳能办公大楼于山东德州太阳谷正式启用。这座名为“日月坛微排大厦”的太阳能大楼，总建筑面积达到7.5万平方米，集展示、科研、办公、会议、培训、宾馆等功能于一身，采用全球首创太阳能热水供应、采暖、制冷、光伏发电等与建筑结合技术，是目前世界上最大的集太阳能光热、光伏、建筑节能于一体的高层公共建筑。图7日月坛微排大厦“日月坛微排大厦”是2010年第四届世界太阳城大会的主会场。它把太阳能综合利用技术与建筑节能技术相结合，不但完善了太阳能应用技术标准体系、研发了一批具有自主知识产权的太阳能系列产品，还为太阳能规模化推广应用提供了宝贵的技术支持，整体突破了普通建筑常规能源消耗巨大的瓶颈，综合应用了多项太阳能新技术，如吊顶辐射采暖制冷、光伏发电、光电遮阳、游泳池节水、雨水收集、中水处理系统、滞水层跨季节蓄能等技术，使多项节能技术发挥应用到极致。“罩着玻璃盒子，套着钢铁的膀子，空着建筑身子”，住房和城乡建设部副部长仇保兴曾这样形容中国建筑的能源浪费情况。目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。专家指出，要实现可持续性发展的目标，推广节能建筑、减少建筑能耗是至关重要的。面对全球变暖、常规能源的压力，世界各国都在竭力寻找替代能源，太阳能因为清洁环保、易于推广、潜力巨大等因素而备受关注。在建筑节能领域，太阳能的应用成为比较成熟的技术之一，因此，走太阳能与建筑结合的节能之路迫在眉睫。2008年7月，中国可再生能源学会、中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会、中国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会等三大权威机构联合命名“皇明太阳谷”为“中国太阳谷”，旨在通过加大对太阳能产业重点技术研发的支持，将中国太阳能产业发展成具有核心竞争力、全球领先的优势产业。 屋面、外墙采用了聚苯保温板，整体传热系数大大降低，比节能标准低30%左右；尤其是门窗、天窗和幕墙，采用了温屏节能玻璃和BIPV温屏光伏组件，传热系数降低为国家节能标准的一半，而且隔热、隔音、防结藉留;太阳能高效遮阳系统，使得夏季实现高效遮阳，冬季实现阳光采暖，相当于安了一台自动空调；光伏并网发电系统发电t预计达到20kw。整体节能70%，加上60%采暖、制冷，节能效率高达88%!远远高于国家公共建筑节能50%的设计标准。每年可节约标准煤2640吨、节电660万度，减少污染物排放8672.4吨。2.4蔚来城国家级可再生能源建筑应用示范工程 2006年，“蔚来城”被国家建设部、财政部列入了第一批可再生能源示范工程，成为了“国家级可再生能源建筑应用示范工程”。蔚来城位于德州市河东新城，最大限度的利用太阳能光照，充分利用太阳能技术，采用了世界上先进的地源热泵空调系统、太阳能+地源热泵空调系统、太阳能游泳池系统、太阳能热水系统、太阳能光电光伏系统、自然通风系统、生态污水处理系统等十大人居科技，使所有住户均能得到智能化的居住环境，达到节能、节材、最优资源利用的目的。太阳能将提供生活热水和游泳池水加热的节能率为70%以上，太阳能和地热能将提供小区会所的空调制冷能耗的65%以上，光伏发电系统的发电量将达到120kw，节能效果异常显著。除了上述独具特色的日月坛，以及理想的未来人居光合住宅“蔚来城”以外，中国太阳谷内还建有各类太阳能建筑、太阳能生产区、太阳能检测技术中心、太阳能光电应用、太阳能博物馆科技馆、主题公园等项目。作为全球可再生能源应用、示范、推广的基地，在全球能源紧缺的形势下，中国太阳谷必将成为中国新能源布局的重点关注对象，在皇明太阳能集团近期规划中也明确指出:把“中国太阳谷”打造成世界级可再生能源的五大中心:即:世界级可再生能源制造物流中心、世界级可再生能源研发检测技术中心、世界级可再生能源科普教育示范中心、世界级可再生能源观光旅游中心、世界级可再生能源会议交流中心。 图8 蔚来城鸟瞰图 图9 蔚来城小区游泳池鸟瞰图“中国太阳谷”打造成世界级可再生目前，中国可再生能源的推广与运用在世界太阳能热利用方面已是遥遥领