小议太阳能利用与建筑表皮的设计

太阳能建筑表皮设计要素

1)建筑表皮设计的技术要素。太阳能的利用与建筑表皮的结合，需要考虑几个技术要素:负载调查以及所用电量的估算，从而便于确定系统安装所需要的安装容量;综合当地的天气状况和气候条件，结合建筑的表皮美观要求以及节能方案的特点，确定相关组件的安装环境、角度的设置和系统的背板降温以及通风状况的设计，保证系统的转换效率;组件的选择以及数量的设计、遮挡间距的设计、倾角的设计、组件的连接方式设计以及安装节点的设计等等;便于安装和维护，保证安装部位的荷载符合结构设计的荷载要求，保证相关组件的安装并且不对建筑形成不利影响;系统运行的检测、评价以及反馈优化等设计。

2)美学设计要素。首先，相关构件的几何形态与建筑表皮的系统关系，相关构件的几何形态应与建筑的整体观感和功能的需求，研究相关构件与整体比例以及尺度的协调程度，从而达到协调统一以及相互融合的对比关系和效果;其次，相关构件的自身形态设计，太阳能相关构件的色彩、机理以及构造特征和组件的不同排列、组合，实现了不同功能的设计;最后，太阳能构件对建筑性能也产生了影响，建筑表皮是太阳能容易聚热的部位，也是室内采光性能较好的区域，由此在太阳能设备的安装过程中，应综合考虑室内的采光需求以及建筑热辐射的影响。

太阳能利用与建筑表皮的设计分析

1)建筑表皮的材料创新。建筑表皮的材料创新是实现能源利用以及建筑节能的有效方式。同时随着建筑行业的持续发展和建筑材料的持续创新，建筑设计当中，温度感应材料、绝热玻璃、光电感应材料以及气凝胶涂材料等建筑材料层出不穷，同时随着建筑技术的发展而处于持续的发展和创新，为太阳能在建筑表皮的结合和利用奠定了发展的基础。例如，在长城公社下的“竹舍”这一设计当中，其建筑所使用到的竹材全都来源于长城脚下的竹林，并通过将竹材与现代施工建筑材料当中的玻璃、材料钢等多种形式进行穿插组合，同时辅以设计手法，创造出来了别有特色的建筑表皮，实现了建筑表皮的创新。

2)太阳能表皮的多层化结构。太阳能利用与建筑表皮结合的创新多采用两层技术，使用的双层外表皮的围护结构，是通过适当的调整最外层从而保证室内的空间获得良好的通风以及采光条件，提高室内空间的舒适程度，同时也能降低建筑能源的消耗，也在一定程度上解决了自然采光与建筑节能之间的矛盾。但是双层结构从生态上而言具有较好的效果，然而其建筑用材以及相关建筑的建设材料并不十分环保，经济性能也相对较差。例如，法规建筑公司在靠近巴黎的贝桑库尔所设计的被动式节能房屋，该房是通过屋顶的太阳能电板提供能量。建筑由两层结构构成，建筑内部是钢以及落地玻璃，而建筑的外表皮使用的是天然竹材，并将整个框架使用实木板进行包括，将规格统一且可折叠的百叶窗安装在落地窗的外部，为房屋提供了阴凉和光照条件。

3)太阳能的利用与建筑表皮结合。太阳能的光伏电池通过建筑表皮安装和使用为太阳能与建筑的结合和应用提供了条件。可选择斜顶、外墙、平台等以及相关构件为结合形式。建筑的斜顶可将原有的屋顶作为一个建筑平台，而在平台上的安装需要特殊的安装结构作为支撑，外墙由于其自身的结构形式以及较高的能见度，致使其安装技术相对而言较为困难。建筑的结构形式涉及多种建筑结构和部件，例如门廊、栏杆扶手、百叶窗以及天窗等多种形式，不同的安装构件需要不同的技术进行支撑。

a．斜顶。斜顶建筑在住宅当中较为常见，只要建筑朝向是面向南北方向就较为适合安装太阳光伏电池系统。并且倾斜角度为30°～40°的PV板能获得最大的太阳能。当前有几种太阳能光伏电池系统:一种是将特殊的屋顶夹固定在屋顶的瓦片上，并沿着垂直方向进行安装;另一种是使用特殊的金属板代替普通瓦片，将水平框架安装在金属板上。这种安装方式使电池模板后面与屋顶之间保持一定空隙，从而能解决建筑通风的问题。

b．平顶。平顶PV系统能在支持结构的辅助下确定最佳安装位置，并且安装系统的倾斜角度还可以按照特殊的要求以及特殊的位置进行调整。同时还可以安装单轴或双轴系统，从而使PV板能随着太阳的运动而转向，保持与太阳的最佳角度。具有三种安装系统:首先，可以使用简单机械原理支撑平顶上的PV系统;其次，还可以使用轻型可调节式的PV系统;最后，还可以使用与建筑屋顶元素与PV系统相结合的一体化系统。

c．外墙。在建筑的外墙中使用PV板时，不仅能将PV电池模板附着在水泥结构的表面，也可在某种形式上代替当前使用较为广泛的玻璃幕墙系统。然而，在垂直外墙上直接使用PV系统无法达到最佳的采光效果。虽然在建筑外墙上，尤其是在东西朝向的外墙表面上使用PV系统能获得一定数量的太阳能量，但其收集的效果与当地所处的维度密切相关，由此在建筑外墙上使用PV系统需要精确的数字模型对太阳光的辐射以及阴影位置进行测算和计算，从而使所安装的系统达到最佳效率。（本文作者：李思 单位：湖北工程学院城市建设学院）