现代建筑设计中的太阳能建筑技术及应用

太阳能建筑是指用太阳能代替部分常规能源为建筑物提供采暖、热水、空调、照明、通风、动力等一系列功能，以满足或部分满足人们生活和生产需要的建筑。

太阳能建筑的发展大致可分为三个阶段：

第一阶段：被动式太阳能建筑。它是一种不采用太阳能集热设备和任何其他机械动力，完全通过建筑朝向、周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理、建筑材料和结构的恰当选择、集取蓄存分配太阳能的建筑。

第二阶段：主动式太阳能建筑。它是一种以太阳能集热器、管道、风机、水泵、散热器及贮热装置等组成的太阳能采暖系统或与吸收式制冷机组组成的太阳能采暖和空调的建筑。工作介质由风机或水泵输送。

第三阶段：零能耗房屋。利用太阳能电池等光电转换设备提供建筑所需的全部能源，完全用太阳能满足建筑采暖、空调、照明、用电等一系列功能要求的建筑。近年来，发达国家已有相当发展水平的零能耗房屋，真正做到清洁、无污染。零能耗房屋是21世纪太阳能建筑的发展趋势。

（一）被动式太阳能建筑及技术

1.被动式太阳能建筑设计的基本原则

（1）合理的选址。被动式太阳能利用不只限于太阳能充足的地区。虽然不同地区太阳能年辐射总量不同，对太阳能利用的要求也不同，但只要建筑设计和太阳能保证率选取合理，大多地区都能起到明显的节能环保作用和经济效果。在太阳能年辐射总量一定的条件下，建筑的选址也对太阳能利用产生很大影响。建筑选址应遵循争取冬季最大日照原则；结合当地气候条件，合理布局建筑群，在建筑周边形成良好的风环境；并通过改造建筑周边自然环境如植被和水体以改善建筑周边微气候。

（2）合理的朝向。建筑朝向选择的原则是冬季尽量增加得热量，夏季尽量减少得热量，因此一般选取正南±15°以内。

（3）通过遮阳调节太阳得热量。冬季尽量多获取阳光和夏季减少阳光的照射是个矛盾的问题，因此，可设计合理的遮阳设施加以解决。

（4）在适当位置设置蓄热体。蓄热体的作用是减小室内温度波动，提高环境舒适性。例如，冬季可在中午阳光强烈时吸收并储存部分热量，使室内温度不至于过高，到夜间将热量缓慢释放回房间，维持房间温度稳定。蓄热体可分为原有蓄热体和附加蓄热体两类。原有蓄热体指墙、地板、家具等建筑原有组成部分；附加蓄热体可以是附加的结构墙，也可以是放置于特殊结构内的卵石、水等非建筑材料。

（5）墙体、屋面、地板和门窗的保温。保温材料在冬季可以减少热量的损失，夏季又可以减少热量的吸收。在被动式太阳能建筑中，是减少室内负荷、提高太阳能保证率的重要措施。保温材料应采取防潮隔潮措施以保持保温性能。

（6）封闭空间应有一定的空气流通。提高房间的密封性来减少空气渗透，是重要的节能手段，但同时也会造成室内空气质量的下降。从空气调节的角度讲，按建筑用途应保持一定的新风量，在被动式太阳能建筑的设计阶段不可忽视此部分的设计工作。

（7）提供高效、适当规模、适应环境的辅助加热系统。太阳能的特点之一是不稳定性。因此，一般不宜选用100%的太阳能保证率，否则不但造成投资的巨大浪费，也会造成经常性的能源过剩导致的浪费。通常的做法是按一定的太阳能保证率进行太阳能利用系统的设计，然后加以辅助加热装置，可以寻求到投资和资源利用的平衡点。而辅助加热系统可以有多种选择，可根据工程实际情况和当地能源状况综合选定。

2.被动式太阳能建筑基本集热方式

被动式太阳能建筑集热方式很多。目前主要有两类分类方式：按传热过程分类和集热方式分类。按传热过程可分为直接受益式和间接受益式。直接受益式是指阳光透过窗户直接射入房间转化为室内得热；间接受益式是指阳光不直接进入房间，而是先照射到集热部件上，再通过空气循环将热量带入室内。

按集热方式分类，被动式太阳建筑可被分为五类：直接受益式、集热蓄热式、附加阳光间式、屋顶蓄热池式和对流环路式。

（1）直接受益式。

如图2-4所示，阳光射入室内后，首先使地面和墙体温度升高，进而以对流和热辐射作用加热室内空气和其他围护结构，另外一部分热量被储存在地面和墙体中，待夜间缓慢释放出来维持室内空气温度。此种方式利用南立面的单层或多层玻璃作为直接受益窗，利用建筑围护结构进行蓄热。该方法系统结构简单，与建筑窗结构和功能结合紧密，易于设计和施工，不会对建筑外观造成不良影响。但室温随光照条件波动性较大，且白天室内光线较强，室内舒适性稍差。该结构在设计过程中，受到限制条件较大，且需要解决夜间室内保温及夏季减小室内得热的问题，较适合于冬季晴天较多的地区。

图2-4　直接受益式太阳房

采用该方式需要注意以下几方面的问题：首先，建筑朝向在正南±30°以内，以利于冬季集热；其次，需要充分考虑所处地区的气候条件，根据建筑热工条件选择适宜的窗口面积、玻璃层数、玻璃种类、窗框材料和结构参数；再次，为减小夜间通过窗结构引起的对流和辐射损失，需要采用保温帘等做好夜间保温措施；最后，为避免引起夏季室内过热或增加制冷负荷，该方式宜与遮阳板配合使用。

（2）集热蓄热墙式。

1956年，法国学者中文名（Trombe）等提出Trombe墙的概念，Trombe墙由玻璃盖板和集热墙两部分组成，集热墙的表面涂有吸收涂层以增强吸热能力，集热墙的上方和下方以及玻璃墙的顶端设有可开启的通风孔（图2-5）。如图2-6所示，冬季时集热墙上下通风孔打开，玻璃盖板顶端通风孔关闭，空气只能在Trombe墙与室内循环流动。集热墙吸收太阳辐射后温度上升，加热玻璃盖板与集热墙之间的空气，被加热后的空气密度降低，经集热墙顶部的通风孔流入室内，同时室内被冷却的空气由底部通风孔流入Trombe墙。空气通过自然对流的作用将集热墙吸收的热量源源不断地送入室内房间。夜间将所有通风孔关闭，减小热量向室外散发。夏季时集热墙上方通风孔闭合，集热墙下方与玻璃盖板顶端通风孔打开，玻璃墙与蓄热墙之间的空气被加热后由玻璃盖板顶端通风孔流向室外，房间因此形成负压，并在此作用下不断吸入房间北侧温度较低的空气，起到自然通风的作用。与直接受益式相比，该集热方式显然属于间接受益式，集热蓄热墙式加热方式使室温波动幅度较小，冬夏均可发挥作用。

集热蓄热墙易与建筑结构相结合，不占用室内可用面积。与直接受益窗结合，可充分利用南墙集热。

集热墙墙体可选用混凝土、砖、石料等材料，起到蓄热作用，减小室内温差波动幅度，提高室内环境舒适性。近年来化学能储热和相变材料蓄热的应用日益得到重视。相变蓄热材料具有热容量大、相变温度恒定的优点，可减轻蓄热墙体的重量，减小室内温度的波动，但存在造价偏高、性质不稳定的缺陷。

图2-5　集热蓄热墙式太阳房

图2-6　集热蓄热墙式太阳房在冬夏季的白天与夜间的工作情况

集热蓄热墙在设计时，需要注意以下几方面的问题：第一，需要综合考虑建筑性质和结构特点，选择合适的立面组合形式；第二，根据性能、成本、使用环境的条件，选择适宜的玻璃墙材料和层数，以及选择性吸收涂层的材料；第三，综合功能性和经济性分析，选择合理的蓄热墙材料和厚度；第四，选择适宜的空气间层厚度与通风孔位置及开口面积，确保空气流通顺畅；第五，合理确定隔热墙体的厚度，避免夏季增加过多的空调负荷，或冬季保温性能差的问题；第六，集热蓄热墙应该便于操作，方便安装和维修。

（3）附加阳光间式。

如图2-7所示，用墙或窗将室内空间隔开，向阳侧与玻璃幕墙组成附加阳光间，其结构类似于被横向拉伸的集热蓄热墙。附加阳光间可以结合南廊、入口门厅、封装阳台等设置，增加了美观性与实用性。由于可用面积较大，可用于栽培花卉或植物，因此也被称为“附加温室式太阳房”。该种结构具有集热面积大、升温快的特点，在阳光充足时甚至可能出现过热的现象，因此要合理设置与室内连接的门或窗结构并适时开启，使得热及时流向室内。而在夜间，由于玻璃幕墙面积较大，辐射散热较多，因此要及时阻断与室内的空气流通。夏季为避免温室效应，需要进行遮阳或打开幕墙做好通风。若阳光间栽种了植物，则晚间由于湿度较大可能出现结露现象，因此也需要适时进行通风。

图2-7　附加阳光间式太阳房

在多层建筑中，还可以利用附加阳光间与置于屋顶和地面的风管结合向非阳光间供暖。南向阳光间空气受热后上升进入置于屋顶的风管，流入北侧或其他非阳光间，加热室内的空气。非阳光间的空气在热压作用下经地面风管流向阳光间被加热。空气如此循环流动便可使其他非朝阳房间得到供热，其机理类似于Trombe集热蓄热墙。

附加阳光间在设计时，需要注意以下几方面的问题。首先，合理确定玻璃幕墙的面积和层数，以充分利用太阳能资源，夜间需做好保温工作；其次，夏季应该采取有效的遮阳与通风措施，减少室内空调负荷；最后，合理组织附加阳光间与室内空气循环流动，防止在阳光间顶部出现“死角”。

（4）屋顶蓄热池式。

如图2-8所示，在屋顶安设吸热蓄热材料作为蓄热池，冬季时白天蓄热材料吸收太阳辐射并蓄热，通过屋顶结构以类似辐射采暖的方式将热量传向室内，夜间需要盖上保温盖板，减少蓄热体向周围环境的辐射和对流换热，靠蓄热向室内供热。夏季时，夜晚使蓄热池暴露于空气中，将热量散发于环境中，白天盖上保温盖板，屋顶结构就可以以辐射供冷的方式降低室内温度。此种结构冬夏都可起到调节室内温度的作用，适用于冬季不太冷、夏季较为炎热的低纬度地区。蓄热材料可用贮水塑料或相变材料，因要放置于屋顶，此方法适用建筑类型有限，同时需要频繁操作屋顶的保温盖板，因此，实际应用较少。

图2-8　屋顶蓄热池式太阳房

（5）对流环路式。

如图2-9所示，集热器通过风道与室内房间及蓄热床相通，被加热的空气可直接送入室内房间或通过蓄热床储存，以便需要时再进行放热。由于结构特性，空气集热器安装高度低于蓄热结构，而蓄热床一般布置在房间地面下方，因此，集热器一般安装于南墙下方，比较适合存在一定斜度的南向坡地上的建筑使用。此种结构蓄热体位置合理，应用效果较好，但系统结构复杂，成本较高。

图2-9　对流环路式太阳房

以上五种被动式太阳能建筑集热方式各有其优缺点及适用条件，需要在设计过程中综合考虑气候、地理位置、光照条件、建筑结构等进行选择，也可选用两种或更多集热方式组成混合系统，更加充分地利用太阳能资源。此外，主被动相结合的太阳能建筑也得到越来越多的发展和应用。

3.被动式太阳能建筑集热方式的选择

在建筑设计阶段，设计者需要综合多方面因素选择适宜的太阳能利用方式，其主要影响因素有如下几点。

（1）房间的用途。房间的用途直接影响太阳能利用的时间参数。对于白天使用的房间，例如办公室、教室等场所，应优先选择直接受益窗或附加阳光间式，使太阳能可以直接得到有效利用。为减小辐照变化对室内湿度波动的影响，宜配合蓄热墙一同使用。对于卧室一类夜间使用的房间，可选用集热蓄热墙式、对流环路式结构，白天以集热蓄热为主，可以不使热空气向室内流通以减少不必要的浪费，夜间再使蓄热体与房间之间的空气流通，通过空气将热量转移至所需要的房间。

（2）气象因素。气象因素与纬度、海拔高度、太阳年辐照量等因素有关。一般来讲，低纬度地区太阳高度角常年较高，天气晴好时光照条件较好，室外年平均气温较高，对保温有利，但这类地区对采暖要求一般较低。高纬度地区冬季太阳能高度角较低，相应太阳辐照量也较低，环境气温也较低，对保温和防冻有严格的要求。另外，沿海地区湿度较大，阴雨天气较多，也会对太阳能利用造成不利影响。因此在建筑设计过程中，要充分考虑不同集热器的适用条件并加以选择。例如，在北方可使用双层窗或双层玻璃集热器，以提高集热器工作温度，保证集热性能。对于采暖期阴雨天较少的地区，可优先采取直接受益窗、附加阳光间的结构，对于阴雨天气稍多的地区，可以选用热损失相对较小的集热蓄热墙的方式。

（3）经济因素。经济性指标是工程应用中的重要指标。被动式太阳能建筑的目标之一就是通过太阳能的利用降低常规能源的消耗，节约长期运行情况下的能耗开支，但会增加建筑的初投资。集热方式要综合考虑经济能力、初投资与长期回报的关系，以及未来技术发展趋势，做出合理选择。

（4）其他影响因素。被动式太阳能建筑的设计还受许多其他因素的影响，例如，法规政策方面的影响。某些地区政府对太阳能利用有特殊的补助或鼓励政策，可能有助于降低太阳能利用成本。指导性的规范或政策将对设计提供指导，降低设计的难度。直接受益式建筑的开窗面积通常需要考虑建筑抗震方面的设计要求，往往不可过大。

4.被动式降温设计

和被动式采暖一样，太阳能建筑的夏季冷负荷也可通过被动式降温设计加以解决。通过精良的建筑设计、良好的建筑施工以及合适的材料选择，可以使所有地区的建筑实现通风降温，大幅度减小夏季的空调冷负荷，起到明显的节能效果。

被动式降温方法主要有以下几种方式：减少内部热量的产生、抑制外部热量的进入和释放建筑内部积蓄的热量。

（1）减少内部热量的产生。

减少白炽灯的使用，尽量利用自然采光等方法可以减少照明引起的室内热负荷，在建筑节能领域是通常的做法。使用高效的设备，可能的话使设备在早上或晚上使用而避开中午使用，将在室内使用的设备移至室外等方法也是控制室内热负荷的有效手段。

（2）控制外部热量的进入。

在制冷季节，房间的热量主要来自室外，故在被动式降温设计中控制外部热量的进入是非常有效的。

① 避免使用两层通窗和天窗。窗地比过大会导致过多热量进入室内，两层通窗和天窗的作用尤为突出。夏季应尽可能地采用遮挡的方法减少室内的直射辐射的热，百叶窗、遮阳板、挑檐等都是实用的选择。通过植物进行自然遮阳也是很好的选择，并且植物的蒸腾作用还可以降低建筑周围的空气温度，也有助于减少向室内的传热。通过植物遮阳，落叶树是最好的选择，夏季它们枝繁叶茂能使屋面和南墙处于荫凉中，冬季则叶落枝零，太阳辐射可以照进室内提供热量。

② 墙面和屋面颜色。浅色墙面能反射阳光，从而降低得热量。屋面结构产生的影响较屋面颜色的影响大得多，保温良好的屋面对减少室内夏季热负荷作用明显。在夏季炎热地区，在屋面安装抗辐射材料能有效阻挡从屋面渗入室内的热量。

③ 选用Low-E玻璃。Low-E玻璃具有对可见光的高透过性和对红外辐射的高反射性，能有效降低玻璃的总传热系数，减少通过玻璃的热传导。

④ 减少空气渗透。从外围护结构缝隙进入室内的热量在外部得热量中占很大比例，而控制空气渗透的成本低且能通过每年节省的费用得到补偿。低空气渗透率同样也对冬季保温有积极作用。

（3）排除建筑蓄热。

① 自然通风。

自然通风的原理是利用建筑内部空气温度差所形成的热压和室外风力在建筑外表面所形成的风压，在建筑内部产生空气流动，进行通风换气。建筑中自然通风方式主要有三种：一是穿越式通风，即我们常说的“穿堂风”。它是利用风压进行通风的，如图2-10（a）所示。室外空气从建筑一侧的开口（如门窗）流入，从另一侧的开口流出。穿越式通风方式一般应用于建筑进深较小的部位，否则建筑内空气流动阻力过大，会造成通风不畅。二是烟囱式通风，即我们常说的“垂直拔风”。如图2-10 （b）所示，烟囱式通风主要利用热压进行通风，可以有效解决建筑进深较大、无穿堂风时的通风问题。三是单侧局部通风。如图2-10 （c）所示，空气的流动是由于房间内的热压效应、微小的风压差和湍流。单侧局部通风一般应用于房间通风。

图2-10　建筑中自然通风方式

自然通风是使用非常广泛的一种通风方式，可以有效带走室内的部分热量，而无须任何化石能源的消耗和能源费用的支出，故在建筑设计阶段应尽可能地采用。

② 太阳能烟囱（风塔）。

太阳能烟囱既可由重质材料，如混凝土或土坯建造而成（重质材料制成的太阳能烟囱通常被称为“风塔”），也可由轻薄的金属板材制成，烟囱上部凸出屋面一定高度。如图2-11所示，在室外有风的情况下，太阳能烟囱（风塔）能捕捉高于地面l0m以上的风，这些风比流经地面的风更凉爽，并将这些更凉爽的风送入室内，以改善室内环境。如图2-12所示，在中东地区，如埃及在风塔中设置装水的陶壶和活性炭格栅制成的蒸发降温设施，可实现对室内空气的降温加湿，改善室内环境。

图2-11　太阳能烟囱（风塔）

图2-12　埃及捕风塔的蒸发冷却

在室外无风情况下，太阳能烟囱（风塔）利用合理的风帽设计和捕风口朝向在烟囱口形成负压，可将室内热气及时排出。如图2-13所示，太阳光晒热太阳能烟囱上部的结构，蓄存在烟囱上部的热量加热烟囱内的空气，空气受热上升，形成热虹吸；在热虹吸的作用下，热空气被抽到顶部排向室外，凉爽的空气从房屋冷侧的开口流进补充。到了夜晚，白天烟囱吸收并蓄存的热量继续促成这种排风，将室内热空气排向室外。为加强太阳能烟囱的热虹吸作用，太阳能烟囱上部面向太阳的部位是透明的，可让阳光透射到烟囱内，加热烟囱，但要避免透射入建筑内部的太阳光线过多，以免增加制冷负荷。此外，太阳能烟囱通常还设有可以开闭的风门，在无须通风，如冬季采暖季节时可以关闭。

图2-13　太阳能烟囱通风原理

③ 双层玻璃幕墙。

双层玻璃幕墙根据幕墙面层封闭形式可分为封闭式和开放式两种，封闭式幕墙面层具有阻止空气渗透和雨水渗漏的功能，而开放式幕墙面层与之相反。封闭式双层玻璃幕墙根据通风方式又可分为内循环和外循环体系，实质都是在双层玻璃之间形成温室效应，夏季将温室内的过热空气排出室外，冬季把太阳热能有控制地排入室内，使冬夏两季节约大量能源。在夏季为防紫外线和强热辐射需要设置遮阳设施。与其他传统幕墙体系相比，双层玻璃幕墙的最大特点在于其独特的结构，具有环境舒适、通风换气的功能，保温隔热和隔声效果非常明显。

内循环双层玻璃幕墙构造如图2-14所示，外层幕墙封闭，内层幕墙与室内有进、出风口连通，使得双层幕墙通道内的空气可与室内空气进行循环。外层幕墙采用断热型材，玻璃常用中空玻璃或Low-E中空玻璃，内层幕墙玻璃常用单片玻璃，空气腔宽度通常在150～300mm。

图2-14　内循环双层玻璃幕墙示意图

外循环双层玻璃幕墙通常可分为整体式、廊道式、通道式和箱体式。整体式：空气从底部进入、顶部排出，空气在通道中没有分隔，气流方向为从底部到顶部。廊道式：每层设置通风道，层间水平有分隔，无垂直换气通道。通道式：空气从开启窗进入，从风道中排出，幕墙透气窗与通风道可交替使用，层间共用一个通风道。箱体式：每个箱体设置开启窗，水平及垂直均有分隔，每个箱体都能独立完成换气功能。

④ 地下新风预冷管道。

地下新风预冷管道被埋在地下，可被动利用，也可用风机将室外空气引入室内，空气流过地下经土壤自然冷却后送入室内，提供自然通风和被动式降温，如图2-15所示。地下预冷管有开放式和封闭式两种形式。开放式的空气引入室内后通过窗户排向室外；封闭式系统中，空气引入室内后，又由风机送入地下经冷却后重新送回室内。

图2-15　地下新风预冷管道(www.xing528.com)

⑤ 阁楼和整体式风机。

设有通风设施的阁楼能降低顶棚进入室内的热量，从而降低室内的制冷负荷。阁楼的通风可采取被动式，也可以采取主动式。更为有效的是整体式风机，它造价低廉易于安装，适用于室外空气温度低于室内时，通常用于夜间降温。冬季则需要进行密闭和保温处理，以防止室内热量流失。

⑥ 蓄热体。

在某些情况下，蓄热体也有助于被动式降温，当室内气温高于蓄热体温度时蓄热体吸热，反之放热，这一性能有助于冬季采暖和夏季降温。在制冷季节，建筑内的蓄热体将来自内部和外部的热量吸收和储存起来，在夜间开窗，白天被蓄热体吸收的热量被室外进来的凉爽空气带走。在干热气候区，例如沙漠，内部蓄热体效果非常明显，因为这类地区中午气温非常高，而夜间气温会骤降。

5.蓄热体设计

在被动式太阳能建筑中，蓄热体是非常重要的组成部分，所起的作用也非常明显。太阳能的特点之一是辐照量每天都在变化，每天的不同时刻也不同。蓄热体在稳定室内温度，提高建筑热舒适性方面起着不可替代的作用。

（1）蓄热体的作用与要求。

在被动式太阳能建筑中，蓄热体的作用是吸收太阳辐射的热并将部分热量储存起来，白天起到减小室温随太阳辐照波动，稳定室温的作用，夜间可起到释放白天吸收的热量向室内供热，起到延迟放热的作用。蓄热体应具备以下条件：单位质量或体积蓄热量大、有较高的换热系数、材料及容器成本低、对容器无腐蚀、易于获取和加工、持久耐用。

（2）蓄热材料的分类。

蓄热材料按材料在吸热释热前后是否发生相变可分为显热蓄热材料和相变蓄热材料两类。

显热蓄热是指通过物质温度的上升或下降来吸收或释放热量，在此过程中物质的形态没有发生变化。建筑设计中常用的显热蓄热材料有水、混凝土、砂、砖、卵石等。其中，以水为蓄热材料在太阳能利用领域中最为常见。水的比热容较大，且无毒无腐蚀，价格最为低廉，与生活联系紧密，但需要容器和管路，以及考虑容器和管路的布置。混凝土、砂、砖、卵石等材料的比热容比水小很多，但这些材料通常可作为建筑构件承载建筑结构上的功能，且不需要容器，方便进行建筑整合设计。

相变蓄热材料是指通过物质的相态变化来吸收或释放热量的材料。在太阳能利用领域，一般用固—液相变或固—固相变储存热量。相变蓄热材料的优点主要有以下两个方面：首先，大多数相变蓄热材料相变温度比较稳定或波动范围较小，可使流通介质温度在较小范围内波动，提高环境舒适度；其次，物质发生相变时相变潜热较大，因此只需要较少的相变蓄热材料即可储存大量的热，有利于减轻蓄热材料引起的重量负荷。其缺点在于，多数材料具有一定的腐蚀性，对容器的耐腐要求较高；相变材料通常价格较高，使系统成本增加。

（3）相变蓄热材料的种类。

无机相变材料，主要有结晶水合盐、熔融盐、金属或合金。结晶水合盐是中、低温相变蓄热材料中常用的材料，它的特点是体积蓄热密度大、相变潜热大、熔点稳定、价格便宜、热导率通常大于有机相变材料。常见材料有K2CO3-Na2CO3熔盐、CaCl2·6H2O、Na2HPO4·12H2O等。无机相变材料在使用过程中可能会出现过冷、相分离等现象而影响正常使用，通常可通过加入少量成核添加剂加以解决。

有机相变材料，主要有石蜡、脂肪酸、某些高级脂肪烃、醇、羧酸、某些聚合物等有机物。这些相变材料发生相变时体积变化小，过冷度轻，无腐蚀，热效率高，近年来得到了广泛的研究。

复合相变蓄热材料是指相变材料和高熔点支撑材料组成的混合蓄热材料。与普通单一成分的蓄热材料相比，它不需要封装容器，减少了封装的成本和难度，减小了容器的传热热阻，有利于相变材料与传热流体之间的换热。因此，研制复合相变蓄热材料是近年来材料科学的热门课题。但复合相变蓄热材料在使用过程中存在相变潜热下降、在长期使用过程中容易变性等缺点，制约了目前的应用。

（4）相变蓄热材料的选用原则。

相变材料以其优异的储热密度和恒温性能，得到人们越来越多的关注。理想的相变蓄热材料应具备以下性质：

① 热力学性能。有适当的相变湿度；具有较大的相变潜热；具有较大的导热和换热系数；相变过程中体积变化小。

② 动力学性能。凝固过程中过冷度没有或很小，或很容易通过添加成核添加剂得以解决；有良好的相平衡特性，不会产生相分离。

③ 化学性能。化学性质稳定，以保证蓄热材料较长的使用寿命；对容器无腐蚀作用；无毒、不易燃易爆、对环境无污染。

④ 经济性能。制取方便，来源广泛，价格便宜。

在被动式太阳能建筑中，寻找能满足上述所有条件的材质存在一定困难。因此，在相变蓄热材料的选择上首先考虑具有适宜相变温度和较大相变潜热的材料。

相变材料与建筑材料的结合工艺主要有：a.将相变蓄热材料用容器封装后置于建筑材料中；b.将相变蓄热材料渗入多孔介质建筑材料中使用（例如水泥混凝土试块等）；c.将相变材料混入建筑材料中使用；d.将有机相变蓄热材料乳化后添加到建筑材料中。

（5）蓄热体设计要点。

① 墙、地面等蓄热体应采用比热容较大的物质，如石、混凝土等，或采用相变蓄热材料或水墙。蓄热体表面不应铺设地毯、壁毯等附着物，以免蓄热结构失效。

② 直接接受太阳能辐射的墙或地面应采用蓄热体。蓄热体位置如图2-16所示。蓄热体地面宜采用黑色表面，以利于增大对可见光的吸收率。

图2-16　蓄热体位置

③ 利用砖石材料作为蓄热材料的墙体或地面，其厚度宜在100～200mm。以水墙为蓄热体时，应尽量增大其换热面积。

④ 对于不同的被动式太阳能建筑，需要采取不同的保温方式用于夜间保温，减少蓄热体的对流和辐射损失。

6.被动式太阳能建筑的热工设计

根据应用条件和精度要求的不同，被动式太阳能建筑的热工设计方法可分为精确法和概算法两种。

精确法是基于房间热平衡建立起来的动态被动式太阳能建筑传热数学模型，对其进行逐时模拟计算以分析热工性能的方法。动态数学模型可以根据具体建筑的结构和部件参数进行耦合分析，找出影响建筑热工性能的主要和次要因素，预测其长期节能效应，并在此基础上对结构进行优化设计，帮助设计者确定最适合的设计参数及良好的整体性能。精确法适用于任何类型的结构，尤其对于结构复杂或参考条件不全导致无法应用概算法进行计算的建筑，可通过精确法进行分析。但精确法需要对每个建筑或结构分别建立数学模型，建模和计算工作量大。精确法适合利用计算机进行编程求解，或利用已有的商业模拟软件进行分析，以减少设计人员的工作量，提高设计工作效率。

概算法是根据已知条件，将常用结构及参数绘制成由不同参数控制的曲线图或表格，设计人员在使用时可直接通过图或表查出所需的数值的方法。例如，可以通过查表的方式查得建筑所在地区的太阳能辐照值、采暖期室外计算温度、保温结构参数，再结合选定的太阳能集热方式、集热器面积、蓄热体特性等参数，即可通过查图、表，然后进行简单计算得出所需要的集热器面积，或者在给定集热器面积条件下，得出该建筑的节能率，或采暖期所需要的辅助供热量。概算法的特点是简便易行，计算结果存在一定误差，但由于数据是根据大量经验和计算得出，因此，结果一般可满足工程设计需要。但概算法仅适用于结构简单或相关部件数据充足的条件。对于建筑结构复杂，或选用部件为非常用部件，参数不方便查到的情况下则无法应用。常用的概算法是负荷集热比法，具体过程可参考《太阳能建筑设计》等文献。

（二）太阳能与建筑一体化技术

主动式太阳能建筑和零能耗房屋主要采用太阳能利用装置，并采取一定的技术措施来为建筑提供能源。通过与建筑同步设计、同步施工，使太阳能利用系统完美地融入建筑，做到美观性和功能性统一，实现建筑节能。

太阳能与建筑一体化结合，具有很多优势和重要意义。首先，把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，取代了传统太阳能的结构所造成的对建筑外观形象的影响；其次，太阳能设施安装在建筑屋顶、阳台、南立面墙上，不需要额外占地，节省了大量的土地资源；再次，太阳能与建筑一体化结合，就地安装，就地发电上网和供应热水，节省了系统成本；最后，太阳能产品噪声小，没有污染物排放，不消耗常规能源，是清洁的绿色能源。

1.光热建筑一体化技术

（1）太阳能集热器的安全性要求。

① 充分考虑建筑结构特点，确保所选安装位置有足够的荷载承受能力，预埋件有合理的结构和足够的强度。集热器在使用过程中，若发生脱落甚至高空跌落事件，可能造成非常严重的灾难性后果。因此，在建筑设计阶段应合理安排预埋件的位置，确保安装稳定牢固，同时尽量减小风荷载、雪荷载对集热器产生的不良影响。预埋件本身应选用优质材料，保证足够的强度和使用寿命，同时做好防水和防腐处理。

② 太阳能集热器有避雷保护。太阳能集热器中使用了大量的金属材料，且位于室外使用，若没有防雷保护措施，则雷电可能会沿管路进入室内，威胁用户的人身安全。因此，集热器及与其连接的金属管路也应接入建筑防雷系统中。

③ 集热器与屋面结合时，需要结合排水进行设计，以保证屋面正常排水，避免积水对集热器和屋面造成不良影响。

④ 集热器周围应尽量留出一定的维修空间，方便进行养护和维修。

（2）太阳能与建筑的具体结合方式。

① 太阳能集热器与平屋顶结合。在平屋顶上安装太阳能集热器是最简单的一种方式，太阳能集热部件与建筑结构相关性较小，设计难度最低，一般不对建筑外观构成不良影响。太阳能集热器通过支架或基座固定于屋面上，设计时要着重考虑屋面的防水、保温结构。集热器无须或较少考虑其他建筑构件遮光的影响，只需设置合理间距，集热器间无相互遮挡即可。

② 太阳能集热器与坡屋顶相结合。将太阳能集热器安装于南向坡屋顶上，在设计时就要充分考虑太阳能组件的安装需要，倾角可由集热器倾角决定，以减小设计和安装的难度，提高建筑外观美感。与平屋顶安装方式相比，坡屋顶一般可用面积要小于前者，设计和安装难度加大，对屋顶防水、保温、布瓦等提出更高要求。

③ 太阳能集热器与遮阳板相结合。我国南方部分地区习惯使用遮阳板以减少夏季室内负荷，若用太阳能集热器代替遮阳板，则可在遮阳的同时回收利用太阳能，同时保留原地区的建筑风格。采用此种方法时需要注意，集热器尺寸的计算和选择要兼顾冬季采光的要求，一般集热面积不大，管路在屋顶布置时还需要考虑室内美观方面的要求。

④ 太阳能集热器与墙面结合。此种方法可解决屋顶可用采光面积不足的问题，适合高层建筑用户使用，一般安装于建筑南立面的窗间、窗下等位置。但由于南立面通常有窗、阳台等结构，可用面积较为零散，需要进行合理的设计来为集热器预留充足的空间，同时合理选择阳台等结构的位置以避免遮挡的问题出现。结构施工时需要预埋固定锚件和管路，并对管路做好防水和保温。

2.光伏建筑一体化技术

光伏建筑一体化是指将太阳能光伏电池组件与建筑外围护结构相结合，以充分利用建筑表面进行光伏发电，为建筑自身或其他用电场合提供电力供应。光伏与建筑结合通常有两种方式，一种是光伏附着设计（BAPV），即将光伏组件通过支架等结构使其附着于建筑构件外表面，以进行太阳能光伏利用的方法。一种是光伏集成设计（BIPV），即将太阳能光伏组件与建筑构件有机结合成为复合构件，使复合构件兼具光伏电池与建筑构件的作用并分别满足相应的性能要求。

太阳能建筑一体化设计与传统意义上的建筑表面光伏利用的区别在于：首先，太阳能建筑一体化设计要求光伏系统与建筑结构同步设计、同步施工、同步投入使用，在设计阶段即将光伏组件与建筑作为整体考虑，做到建筑、技术、美学的统一，综合考虑建筑整体的美观、光伏组件的安装位置与预埋结合件、利用光伏组件代替部分外装饰材料以及整体的保温和防水等功能。传统的后安装方式虽然也可起到一定的节能减排作用，但其对建筑整体外观影响较大，还会出现破坏外墙结构、安装和维修不便、安全隐患大等问题，在一定程度上制约了太阳能光伏利用的发展。太阳能光伏建筑一体化则有望从根本上解决上述问题，推动太阳能建筑的发展和普及。

（1）太阳能光伏建筑一体化的优点。

① 充分利用城市太阳能资源。电能是最高品质的能源，充分利用太阳能发电技术可提高太阳能利用的品质和效率，缓解越来越突出的城市用电紧张状况；

② 削峰填谷作用。我国大部分地区用电情况为白天高夜间低，目前城市供电公司用峰谷分时电价的计费方案鼓励分时用电维持供电平稳，但无法从根本上解决问题。采用太阳能光伏发电作为补充供电，则有很强的时间匹配性，可以进一步降低白天电网的供电压力，尤其在夏季空调用电量大时光伏发电量也较高，起到降低供电峰值的作用，具有可观的社会效益；

③ 减少电力损失。光伏建筑一体化，可使光伏发电实现原地发电原地使用，大大减少了输送过程中的电力损失，降低能源利用成本，提高能源利用效率；

④ 代替部分建筑结构，降低综合投资。将太阳能光伏组件与建筑进行一体化设计，可利用光伏组件代替部分建筑外围结构，例如利用太阳能瓦代替传统瓦片，或利用光伏遮阳板代替常规遮阳板，或减小部分外墙装饰等，与后安装方式相比，降低了建筑与太阳能光伏组件的综合投资。

（2）太阳能光伏建筑一体化的设计要点。

太阳能光伏与建筑一体化设计过程中，除要考虑光伏性能与建筑性能以外，还需要进行综合分析与整体规划，以充分发挥一体化设计的优势。其内容主要表现在以下几个方面：

① 建筑所处的地理位置和气象条件。这些参数是建筑设计和太阳能利用系统都需要考虑的原始资料，因此在一体化设计过程中，需要针对特定的自然条件分别进行建筑结构和太阳能光伏组件的设计，然后将建筑作为整体，分别校核建筑结构与光伏组件是否满足相应的设计要求，若不满足则需要返回进行修正并重新校核。对于高度较高的建筑，要特别注意风压对光伏组件安全性的影响。

② 建筑朝向及周边环境。光伏一体化设计的建筑宜采取朝南或南偏东的方向。处于建筑群中的建筑，应根据周围建筑的高低、间距等计算适宜布置光伏组件的最低位置，并在最低位置以上设计和安装光伏组件。对于较低处易于被建筑、绿化等遮挡或日照时数较少的位置则不适合布置光伏组件。

③ 建筑的功能、外形和负荷要求。建筑一体化设计的任务之一就是将光伏系统与建筑外表面进行综合考虑和设计，提高建筑整体的协调性与视觉效果，做到功能与外观的协调与统一，并尽量做到避免产生遮挡光伏组件的情况。同时，还要了解负载的类型、功率大小、运行时间等，对负载做出准确的估算。

④ 光伏组件的计算与安装。综合考虑建筑的外观、结构等因素，选择适宜的安装位置与角度。光伏组件发生很小的遮挡也会对整体性能产生很大的影响，因此在设计阶段要特别注意光伏组件的安装位置和角度的选择，并据此设计支架或固定结构。

⑤ 配套的专业设计。太阳能光伏电池组件除需要满足自身性能及安全性要求外，在进行光伏建筑一体化设计过程中，还需要结合建筑整体进行建筑结构安全、建筑电气安全的分析和设计，满足建筑整体上的防火、防雷等安全要求，实现真正意义的光伏建筑一体化。

（3）光伏建筑一体化的建筑设计规划原则。

① 与太阳能利用一体化的建筑，其主要朝向宜朝南（以北半球为例），不同朝向的系统发电效率不同，因此要结合当地纬度条件和建筑体型及空间组合，为充分利用太阳能创造有利条件。

② 与太阳能光伏一体化设计的建筑群，建筑间距应满足该地区的日照间距的要求，在规划中建筑体的不同方位、体型、间距、高低及道路网的布置，广场绿地的分布等都会影响到该地区的微气候，影响建筑的日照、通风和能耗。为合理地规划小区，确保每栋建筑的有效日照和最大程度地接收太阳能，可利用“太阳能围合体”对建筑形态进行控制。“太阳能围合体”方法是对特定的区域空间，通过调整围合建筑各方面的法线方向，使建筑在不遮挡邻近建筑物日照的情况下达到最大的体积容积。

③ 在光伏一体化建筑周围设计景观设施及周围环境配置绿化时，应避免对投射到光伏组件上的阳光造成遮挡。

④ 建筑规划时要综合考虑建筑的地理位置、气候、平均气温、降雨量、风力大小等因素，建筑物本身和所在地的特点共同决定光伏组件的安装位置与方式，及对系统的性能和经济性产生影响。

（4）光伏建筑一体化的建筑美学设计。

太阳能光伏建筑一体化并非简单机械地将光伏组件安装于建筑外表面，而是在建筑的方案设计阶段就将光伏系统作为建筑的重要组成部分纳入设计中来，根据光伏组件的颜色、结构等特征与建筑进行整合设计，使光伏系统与建筑无论功能还是形态，都形成完整统一协调的整体。所谓建筑一体化设计，不仅仅指结构上的一体化设计，还需要考虑建筑美学因素，从而实现功能与外观的完美统一。

太阳能一体化设计涉及太阳能光伏利用、建筑等多个技术领域，因此在进行一体化设计的时候，需要多学科人员的协作与跨学科的设计方法。太阳能光伏建筑一体化的中心问题是解决太阳能光伏组件与现代建筑设计之间的矛盾。在进行光伏系统设计时，主要的目标是让光伏组件有最佳的朝向，使光伏效率最大化。但结合建筑设计考虑，因为受到建筑造价、适宜的楼层面积、日光的控制和美观等方面的问题影响，实际上很难做到光伏效率最大化。要想在光伏建筑一体化、结构和技术的问题之间寻找出一个平衡点是很困难的，因为这种平衡会因不同项目的不同情况而有所差异，如气候、预算、美学等方面的因素。下面主要探讨光伏系统在建筑外表面的设计中需要考虑的一些因素。

① 与建筑的有机结合。要使光伏组件与建筑有机结合在一起，需要在建筑设计的开始阶段，就把光伏组件作为建筑的一个有机组成部分进行共同设计。将光伏组件融入建筑设计中，从色彩和风格等方面做到完美的统一。

② 增加建筑的美感。光伏组件通常被安装在建筑外表面的突出部分，以避免建筑结构在其上产生阴影，因此它们是最容易被看到的。在光伏组件的选择上，单晶硅、多晶硅和非晶硅在视觉上产生不同的效果，光伏组件的几何特性、颜色和装框系统等美学特点也会影响建筑的整体外观。通过变换太阳能电池的种类和位置，可以获得不同颜色、光影、反射度和透明度等令人惊奇的效果。建筑师可以根据实际情况，充分动用不同组合实现多样的艺术效果，使建筑获得常规材料难以达到的美感。

③ 合适的比例和尺度。光伏组件的比例和尺度应符合建筑的比例和尺度特性，这将对光伏单体组件的尺寸选择产生影响。

④ 文脉。建筑文脉强调单体建筑是群体建筑的一部分，注重建筑在视觉、心理、环境上的沿承性。在光伏建筑一体化设计方面，文脉就体现在光伏组件与建筑性格的吻合上。建筑性格是一种表达建筑物的同类性的特性，一个建筑的性格，是建筑物中那些显而易见的所有特点综合起来形成的。例如，在现代风格的建筑上，光伏组件更能体现现代感和科技感。而在一个历史建筑中，瓦片状的光伏组件比大尺度的光伏组件更能保留建筑的风格。