摘要：本文介紹了太陽(yáng)能利用在國內外建筑行業(yè)中的應用現狀，指出我國建筑行業(yè)太陽(yáng)能利用存在的問(wèn)題，提出太陽(yáng)能利用與建筑一體化設計的必要性，并對一體化設計的多種途徑進(jìn)行了歸納分析。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，建筑節能，一體化設計
前言
太陽(yáng)能作為一種可再生能源，取之不盡、用之不竭，而且對環(huán)境不會(huì )產(chǎn)生任何污染，正是由于它的諸多優(yōu)越性，許多太陽(yáng)能方面的技術(shù)正在被越來(lái)越廣泛的應用到建筑中，對太陽(yáng)能的利用已成為建筑節能的重要組成部分，建筑與太陽(yáng)能利用的"一體化設計"也逐漸引起了業(yè)內人士的高度重視。所謂太陽(yáng)能建筑一體化，就是將太陽(yáng)能系統包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以考慮，巧妙的將太陽(yáng)能系統的各個(gè)部件融入建筑之中，"相加"設計，統一施工，使太陽(yáng)能系統成為建筑不可分割的一部分。
1.國內外太陽(yáng)能利用現狀
在國外，許多政府已制定并實(shí)施將太陽(yáng)能用于公共建筑和居住建筑的計劃，如美國政府計劃到2010年在100萬(wàn)個(gè)屋頂上安裝太陽(yáng)能電池板，成為"百萬(wàn)屋頂計劃"；日本通產(chǎn)省的新太陽(yáng)能計劃（1993～2010）中也提出了2600萬(wàn)戶(hù)太陽(yáng)能住宅的推廣計劃。并且，在"一體化設計"方面也進(jìn)行了有益的探索，太陽(yáng)能利用構件由最初力圖藏而不露，轉向成為引人注目的建筑構成元素展現出來(lái)。美國國家可再生能源實(shí)驗室展示中心極富韻律的Trombe墻為展覽廳提供了被動(dòng)式采暖和自然采光，同時(shí)也塑造了極富個(gè)性的立面效果。以色列某建筑在疊錯的屋頂陽(yáng)臺盡端安放的太陽(yáng)能集熱器，與建筑巧妙結合，使其更為生動(dòng)活潑。丹麥南部Toftlund的Brundtland展覽會(huì )議中心運用了這個(gè)國家最大規模的PV光電板陣列，這些半透明的光電板與中庭屋頂玻璃相結合，既作為發(fā)電元件，又可起到遮陽(yáng)構件的作用，避免陽(yáng)光曝曬引起的過(guò)熱。陽(yáng)光透過(guò)光電板在室內造成了有趣的光影效果，隨著(zhù)季節、天氣以及每天時(shí)刻的不同而瞬息萬(wàn)變，使普通的中庭空間憑添了無(wú)限生機。Brundtland展覽會(huì )議中心由于把利用可再生能源和建筑完美結合，獲得了1995年的歐洲太陽(yáng)能獎。
以上太陽(yáng)能建筑"一體化設計"的成功案例，不但豐富了建筑空間，同時(shí)也為太陽(yáng)能利用在建筑中的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑。
我國太陽(yáng)能資源豐富，每年獲得的太陽(yáng)能約為3.6×1022J，大約相當于1.2萬(wàn)噸標準煤的發(fā)熱量，2/3國土面積太陽(yáng)能年平均輻射總量在5.9×106kJ/m2以上，而且絕大部分采暖地區均分布在長(cháng)日照區域內。豐富的資源為我國進(jìn)行太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用提供了良好的條件。
然而我國太陽(yáng)能利用在建筑行業(yè)中的應用尚處于蹣跚學(xué)步階段，雖然太陽(yáng)能熱水器在我國取得很大的發(fā)展，但戶(hù)用率依然很低，且利用方式單一，對太陽(yáng)能的利用往往以犧牲建筑立面形象為代價(jià)，對太陽(yáng)能的利用效果并不理想。咎其原因，除政策、經(jīng)濟等因素外，還與建筑行業(yè)直接相關(guān)。
我國太陽(yáng)能的利用的問(wèn)題所在是缺乏太陽(yáng)能行業(yè)和建筑行業(yè)的相互配合。許多設計單位對太陽(yáng)能利用的原理、設計方法不夠了解，對其節能意義認識不足，沒(méi)有有意識地按照利用太陽(yáng)能的原則和方法進(jìn)行設計，沒(méi)有把太陽(yáng)能利用裝置作為建筑的一部分考慮，造成建筑的土建時(shí)期沒(méi)有設置適當的預埋件，給日后太陽(yáng)能裝置的安裝造成了一定的障礙，因此，后置的太陽(yáng)能利用裝置在安裝時(shí)很可能損害建筑結構，增加不必要的荷載。同時(shí)，現有太陽(yáng)能利用設備的生產(chǎn)只考慮自身的結構和功能，沒(méi)有考慮作為建筑物的有機組成部分與建筑相結合，也不能與建筑設計整體很好地協(xié)調，外觀(guān)與造型難以適應現代建筑的要求。尤其是成片的小區采用時(shí)造成建筑立面的不協(xié)調和對城市景觀(guān)、環(huán)境的破壞，使得城市中住宅小區不愿大規模使用。因此，進(jìn)行太陽(yáng)能利用與建筑一體化設計勢在必行。
2.一體化設計的意義
建筑是一個(gè)完整的統一體，要將太陽(yáng)能技術(shù)融入到建筑設計中，同時(shí)繼續保持建筑的文化特征，就應該從技術(shù)和美學(xué)兩方面入手，使建筑設計與太陽(yáng)能技術(shù)有機結合，即"一體化設計"，將太陽(yáng)能系統包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以考慮，巧妙的將太陽(yáng)能系統的各個(gè)部件融入建筑之中，"相加"設計，統一施工，使太陽(yáng)能系統成為建筑不可分割的一部分。
經(jīng)過(guò)一體化設計的太陽(yáng)能利用方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
?。?）可以有效利用太陽(yáng)能，降低建筑用能成本。
?。?）建筑使用功能與太陽(yáng)能設施（如熱水器）有機的結合在一起，形成多功能建筑構件，巧妙高效地利用了空間。
?。?）由于經(jīng)過(guò)綜合考慮，建筑構件和設備全面協(xié)同，所以構造更為合理，有利于保證整體質(zhì)量，并減輕了建筑負荷，從而降低了建筑總造價(jià)。
?。?）有利于形成建筑外觀(guān)的和諧統一，特別是在集合住宅這類(lèi)多用戶(hù)使用的建筑中，改變了個(gè)體使用者"各自為政"的局面。
?。?）同步施工，一次安裝到位，避免后期改造工程對用戶(hù)生活造成的不便以及對建筑已有結構的損害。
3.太陽(yáng)能利用的"一體化設計"方式
3.1與墻體的一體化設計
對于多、高層建筑，外墻是與太陽(yáng)光接觸面積最大的外表面，因此應充分利用墻面收集太陽(yáng)能。當今可應用于墻體的太陽(yáng)能利用方式有以下幾種：
?。?）集熱蓄熱墻
傳統的集熱墻為提高太陽(yáng)能吸收率，一般采用黑色外表面，但這樣會(huì )影響建筑美觀(guān)，特別是大面積使用時(shí)對人們心理造成壓抑感。這時(shí)，可根據實(shí)際情況，嘗試選用其他顏色與黑色或其他深色搭配使用，豐富建筑立面，雖然犧牲了部分太陽(yáng)熱能的吸收，卻能營(yíng)造出活潑宜人的建筑環(huán)境。
為了更有效地收集太陽(yáng)能，吸熱表面可采用吸收率高、發(fā)射率低的選擇性涂層，以減少高溫吸熱表面的長(cháng)波輻射熱損失。例如北京市太陽(yáng)能研究所研制的鋁陽(yáng)極氧化涂層，其吸收比為0.92～0.96，法向發(fā)射比0.1～0.2，具有良好的選擇吸收性能。
?。?）太陽(yáng)能集熱器保溫墻板
太陽(yáng)能集熱器保溫墻板，是將集熱器與墻體進(jìn)行一體化設計。圖1所示為一種太陽(yáng)能保溫墻板類(lèi)型，將固定安裝有呈槽型拋物面狀的熱反射板的墻體依次按建筑要求排列對接，太陽(yáng)光經(jīng)密集排列的熱反射板聚焦到導熱管上，再由導熱管將所接收的熱量傳遞進(jìn)室內。這樣的保溫墻板能在立面上形成一定的韻律，經(jīng)過(guò)設計可成為良好的美學(xué)元素。
?。?）墻面附加集熱器
集熱器可作為附屬構件依附于外墻表面，并可附帶兼具其他功能，如作為陽(yáng)臺護桿，空調攔板（圖2），立面裝飾構件等。
3.2與屋面的一體化設計
建筑屋面作為集熱部件有其特有優(yōu)勢：不影響建筑立面；日照條件好，不受朝向影響，不易受遮擋，太陽(yáng)能利用率高；系統可以緊貼屋頂結構安裝，減少風(fēng)力的不利影響；集熱器可替代保溫隔熱層遮蔽屋面。
住宅中，屋頂集熱器也有一定缺陷：對于低層用戶(hù)，由于連接管道較長(cháng)，熱損失較大；集熱器的檢查和維護較為不便。
圖3為一種與建筑坡屋面組成一體的太陽(yáng)能集熱器，其主要特點(diǎn)是在做好防水處理的屋面上，鋪設屋面與集熱器共用的防滲漏的隔熱保溫層，在隔熱保溫層上方放置太陽(yáng)能集熱部件。
3.3與陽(yáng)臺的一體化設計
相比于屋頂集熱器，安裝在陽(yáng)臺的集熱設備具有便于觀(guān)察，連接管道短，熱損耗較少等優(yōu)點(diǎn)。
圖4是與陽(yáng)臺結合為一體的太陽(yáng)能熱水器，在窗框下部固定太陽(yáng)集熱器，窗框上部放置附帶保溫殼體的儲水箱，中部為窗戶(hù)，集熱器通過(guò)窗戶(hù)兩側的連接管與儲水箱連通，集熱器中的水受太陽(yáng)輻射升溫與水箱中的水循環(huán)換熱，即可提供生活熱水，也可在冬季開(kāi)啟活動(dòng)保溫后蓋向室內供暖。
這種方式可充分利用建筑結構特點(diǎn)，即利用了太陽(yáng)能，又起到封裝陽(yáng)臺的作用，不影響采光通風(fēng)，且具有重量輕，安裝簡(jiǎn)便，造價(jià)低，外形美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)。
3.4遮陽(yáng)裝置的一體化設計
將太陽(yáng)能利用構件如PV板或集熱器與遮陽(yáng)裝置構成多功能建筑構件，可有效利用空間，并降低建筑造價(jià)。在多層、高層住宅中，可將太陽(yáng)能集熱器或光伏電板與窗戶(hù)上的遮陽(yáng)蓬相結合（圖5，圖6）。這種熱水器的特征是集熱器或太陽(yáng)能光伏板安裝在托架上，通過(guò)托架固定在窗口上方，即可供給熱水，又可起到遮陽(yáng)作用。
結語(yǔ)
我國太陽(yáng)能利用在建筑行業(yè)，特別是城市建筑中的一體化設計，還處于蹣跚學(xué)步的階段。發(fā)達國家可供借鑒的一體化設計方案在我國并不完全適合，因為國外利用太陽(yáng)能的居住建筑大多數為獨立或聯(lián)排式低層住宅，而我國目前城市住宅建設的主流是多高層集合住宅。因此，在我國研究和推廣符合國情的一體化設計建筑，尤其是被動(dòng)式太陽(yáng)能多高層住宅勢在必行，這就為我們建筑師提出了新的挑戰和更高的要求。
