太陽能建築

太陽能建築應用的目標是利用太陽能來滿足建築物的用能需求，包括供暖、空調、生活熱水、照明、家用電器等方面的能源供給。根據應用技術不同，太陽能建築應用可以分為熱利用技術的建築應用和光伏技術建築應用2大類，每一類技術根據其技術內容不同又可進一步細分。受技術發展水平和經濟性等因素的影響，每種技術的發展歷史、技術成熟度、產業支撐情況都不盡相同。技術經濟性的差異決定了太陽能在建築中應用水平和規模的不同。目前，部分技術如太陽能熱水技術，在我國已開始進入規模化應用階段，但太陽能建築應用在綜合利用、一體化建設等方面還有許多問題需要解決和完善。 ^[2] 

利用太陽輻射加熱房屋，從人類第一次建造住宅就已經開始了，公元前 4世紀，古希臘科學家亞里士多德(

Aristotle)就曾經提出房屋“北面窗户要小，南面窗户要大，並且要有水平伸出的檐，冬季暖和，夏天可以遮陽”。最早的有記載的被動式太陽能採暖試驗是美國馬薩諸塞州的摩爾斯(E．S．Morse)教授於1881 年使用“表面塗黑的，瓦裝在玻璃下面，玻璃固定在房子向陽的一面，牆上有孔，整個設計使得房間裏的冷空氣從瓦的下邊排出房間，然後在玻璃與瓦之間被加熱上升的空氣在頂部重新壓迫進入房間”。 ^[1] 

學術界把太陽能建築按其有無機械動力分為主動式太陽能建築和被動式太陽能建築兩大類。但是由於太陽輻射具有時空不連續性的特點，為了獲取舒適穩定的室內熱環境，通常在建築中需要同時使用被動式和主動式太陽能聯合的方式甚至添加輔助能源。 ^[1] 

主動式太陽能建築的供熱系統一般由集熱、儲熱、散熱部件、循環管道設備及控制系統組成。它是一種通過高效集熱裝置——太陽能集熱器來收集獲取太陽能，並與風機或泵、管道、末端散熱設備及儲熱裝置等組成的強制循環太陽能供暖系統或者與吸收式製冷機組成的太陽能空調及供熱系統。它對太陽能的利用效率高，不僅可以供熱、供熱水、還可以供冷，而且室內温度穩定舒適，日波動小，儲存時間長、功率大、使用方便、便於控制，在發達國家應用非常廣泛。但因為它存在着設備複雜、先期投資偏高等缺點，因此，目前在我國還未得到大面積推廣。

主動式太陽能系統按傳熱介質又可分為空氣循環系統、水循環系統和水、氣混合系統。

被動式太陽能建築是通過建築朝向、平面佈局及外部形態的合理佈置、內部空間和外部形體的巧妙處理、建築構造的合理設計、建築材料的合理選擇，使得其以自然運行的方式獲取、儲存和利用太陽能的一類建築。被動式太陽房不需藉助風機、泵和複雜的控制系統對太陽能進行收集、貯藏和再分配。窗、牆、樓板等建築的基本要素，除滿足傳統的建築功能需要（圍護和支撐作用）外，還負擔着熱能的貯存和釋放作用。一座建築的各個組成部分同時要滿足建築學的、結構的和能量的三方面需求。每一個被動式太陽能採暖系統至少要有兩個構成要素：朝南向的玻璃集熱器和通常由砌塊、岩石或水等保温材料組成的能量儲存構件。

被動式太陽能建築又可分為：

在房屋的朝陽面設置大面積雙層玻璃窗，利用室內的地面和牆體，作為蓄熱體吸收太陽能。蓄熱體可用混凝土、磚、石等材料，表面最好用深色。白天蓄熱，夜間利用所蓄熱能供暖。

將朝陽牆面做成裝水的牆體，牆外設玻璃幕牆，兩者之間留出空氣隔層。在冬季的白天，陽光把水牆加熱後向室內散熱﹔夜晚關閉活動的隔熱保温板，使已蓄熱的水牆能保證室內熱量不致散失。夏季還可利用水牆作為隔熱牆之用，防止輻射熱入室。

將朝陽牆面做成厚重實牆，外塗黑色，外層設玻璃幕牆，兩者之間留出空氣隔層。實牆上留出適當的採光面積，上、下留洞口。白天室內的冷空氣通過下部洞口，進入空氣隔層受熱上升，經由上部洞口進入室內，如此形成對流循環，室內温度即可不斷提高。夜間將洞口關閉，並下簾幕，使室內熱量不致散失。夏季開啓厚牆和玻璃幕牆上的小窗，可通風降温。

在房屋外部建一玻璃温室，與室內有洞口相通。白天太陽將温室加熱後，實牆已蓄熱，熱量即散入室內。實牆也可設計成隔熱用的水牆。温室也可以作為一個附加的、陽光充足的空間，作為生活起居之用，可以種菜、栽花或作室內綠化，但在夏季要有遮陽措施。

在屋頂上用透明材料做成水袋或水池，上蓋活動式隔熱保温板。在冬季的白天，將保温板拉開，太陽將水加熱，夜間關閉保温板。水有較大的熱容，可持續向室內散熱。夏季的白天大部分陽光被保温板所反射，其餘被水吸收，水袋或水池起隔熱作用﹔夜間打開保温板，使之散熱、降温。

1.集熱系統

即通過各種手段收集太陽的輻射熱能。

主要方式：通過建築構件本身、附加獨立式集熱器（如太陽能熱水器、太陽能空氣集熱器等）。

2.蓄熱系統

即將集熱系統收集的熱能儲存起來的裝置系統。

主要方式有：

通過建築構件本身（簡單經濟）；

水筒蓄熱系統，利用水的比熱大和可充分對流換熱原理；

卵石倉蓄熱系統，利用熱空氣通過卵石縫隙將熱能傳遞給卵石達到蓄熱效果；

太陽能建築(15張)

相變材料蓄熱系統，利用物質固液狀態轉化中需要大量相變熱的原理；

利用地下土壤蓄熱系統（防空洞）。

3.分配系統

主要方式：自然散熱、板式散熱器、地板盤管、風機對流、風機循環、風機空氣介質輸送分配。

4.輔助熱源

根據蓄熱系統不同，輔助熱源不同

利用建築構件本身蓄熱時，幾乎可用任何方式輔助供熱。

水體蓄熱，採用鍋爐、電、天然氣；

卵石倉蓄熱和相變材料蓄熱時，採用空氣加熱器；

5.控制系統

基本為自動控制，利用恆温器和儀表盤，保持系統運轉效率。 ^[3] 

主動式太陽能建築靠常能(泵、鼓風機)運行的系統，由集熱器、蓄熱器、收集迴路、分配迴路組成，通過平板集熱器，以水為介質收集太陽熱。吸熱升温的水，貯存於地下水櫃內，櫃外圍以石塊，通過石塊將空氣加熱後送至室內，用以供暖。如將蓄熱器埋於地層深處，把夏季過剩的熱能貯存起來，可供其他季節使用。

被動式太陽能建築用建築物的一部分實體作為集熱器和貯熱器，利用傳熱介質對流分配熱能的系統。被動式太陽能系統利用建築材料的吸熱性、蓄熱性和傳熱介質的對流收集熱能，貯存熱能，分配熱能。被動式太陽能系統在冬季吸收熱能作為供暖的熱源，在夏季把建築物內的熱量散發出去，作為調節室內温度的冷源。

由於太陽能熱力系統的發展與建築緊密相連，需有建築業的大力支持與配合。在市場經濟條件下不能完全依靠行政手段來強行推廣，我們必須通過努力，研發設計出令建築商能主動接受和配合的太陽能熱力系統，或與建築相結合的技術解決方案，讓太陽能熱力系統成為建築不可分割的一部分，以滿足與建築相結合的需要。以下是世界各地令人驚歎的太陽能建築一覽。

位於印度孟買的蛋形辦公樓是一座令人印象深刻的可持續建築。它利用了被動式太陽能設計，

能夠通過減少熱增益來調整建築內部的温度。辦公樓由太陽能電池板和屋頂的風力渦輪機提供能量，它甚至能夠獨立收集水分進行花園灌溉。

居民建築的屋頂是由設置成完美角度的光伏板構成，但是它們也可以作為一個巨大的遮陽傘。所以即使日照非常強烈的時候，下面的居民也能享受涼爽的温度。

迪拜以其怪異的建築風格聞名於世，現在的最新趨勢是可持續設計。很少有設計樣本超越格拉夫特建築事務所的建築師建造的垂直村落。垂直村落設計的精髓在於，它如何在最大化收穫太陽能的同時保持建築物涼爽。

這座驚人的太陽能塔是專門為里約熱內盧的2016年奧運會設計的，它將被安裝在Cotunduba島上，而且將成為里約熱內盧的標誌性建築。它代表着里約熱內盧為打造史上第一屆“零碳奧運”所做出的努力。

體育館通常都損耗大量的能量，而且通常被用作可持續建築的反面典型。然而台灣的這座龍型體育館是一個例外，它的電能100%由外側的太陽能電池板提供。高雄的這座體育館足以為3300個照明燈和2個巨型顯示屏供電。

建築師為芝加哥設計的這座大廈幾乎全部被太陽追蹤太陽能電池板所覆蓋，它們就像向日葵一樣追隨太陽的移動。這些太陽能電池板經過了精心安置，在為建築遮陽的同時不會影響人們的視野。 ^[4] 

中國太陽能建築發展環境日趨良好。在中國，1998年5月29日簽署加入《京都議定書》，2006年12月1日批准施行《可再生能源法》，2007年8月31日發佈《中國可再生能源中長期發展規劃》，2008年4月1日正式實施《節約能源法》，2008年10月1日開始實施《建築節能條例》。“節能減排”、“節能省地”成為建築行業點擊率最高的詞語之一。這一切都在向人們昭示：中國的房屋建設及其能源問題已成為中國社會的全局問題，太陽能建築在中國的發展逐漸受到社會各界的廣泛關注。 ^[5] 

江蘇、山東、河北、海南、雲南等省，北京、上海、深圳、大連等市已經在新建12層以下居住建築以及辦公建築、學校、醫院、賓館等公共建築中開始強制推行太陽能熱水系統，因此，應用太陽能熱水系統完全可以成為國家層面的建築節能強制要求，從而讓50%或65%的建築節能目標包含更多的內涵。 ^[6] 

在中國太陽能與建築一體化技術已基本成熟的條件下，太陽能與建築一體化是中國太陽能利用行業發展的必然趨勢。中國政府對CO2減排國際義務的承諾和科學發展觀的落實，以及不斷加強的建築節能全民意識和日益成熟的房地產市場環境，促進了建築節能完整利益鏈與市場化運行機制的形成，為建築利用太陽能提供了良好機遇。可以肯定，未來的建築市場將是節能減排的市場，太陽能建築將迎來快速發展的春天。