- 城市生态建设
- 文章编号：1009-6000(2003)-03-0064-06
- 中图分类号：TU111 文献标识码：A
- 作者简介：曹伟，男，宁波大学校聘教授，建筑技术与生态安全研究所所长，研究方向为城市安全及其预警系统。邮编：宁波，315211
- 太阳能利用：从生物气候建筑到自治建筑
- Solar Energy Use - From Bio-climate Building to Self-government Building
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- 曹伟
- CAO Wei
- 摘要：
太阳能是无污染、发展潜力巨大的绿色能源，建筑设计中如何有效地利用太阳能将是现代建筑技术所面临的重要课题。生物气候建筑的生态平衡和可持续发展的思想，将会给我们提供一种如何在建筑设计中有效地利用绿色能源的方法。 - 关键词：
太阳能；生物气候建筑；自治建筑； - Abstract: Solar energy is a green energy source with huge patential. How to make full use of solar energy in architecture design will be an important issue which modern architecture technology will confronts with. The idea of the ecological balance and sustainable development can provides us a means how to use this green energy effectively in building designs.
- Key words: solar energy; bio-climate building; self-government building
- 1 太阳能建筑
1.1 太阳能利用的背景
为了满足运输、工业生产以及人们追求舒适生活的需要，在短时间内，人们耗尽了几万年前储存于地球内的各种矿物能源。人们用这些能源去生产动力，其实是以高昂的代价来换取我们的舒适。
人类的整个进化过程中自觉的利用太阳能的技术或实践一直发展缓慢，只是到了近代能源出现了危机，人们才真正对太阳能这个廉价而又安全的取之不尽的能源给予关注。虽然石化燃料时代比我们预期的要久远，由于新能源的发现及能源效率的极大提高，所有有利可图的地区将被开采殆尽。当这些能源减少，我们从前学会的如何充分利用空间太阳能并将其送到地球上（或制造安全、经济、社会认可的和聚变、裂变）的方法必将重新被引入，新技术也将得到更加高效深入地推广。
人类利用太阳能的活动引起人们对生物气候建筑的广泛关注，生物气候建筑受自然的启迪，它尽可能减少对环境的破坏，关注人类健康幸福，这个问题必将被当代生物气候建筑所强调。建立必要的三重结构体系:能量、健康和幸福、可持续性，其中每个问题都将被建筑师所关注。
1.2 太阳能建筑的发展
古代建筑大都讲究坐北朝南，其实这是主动利用太阳光和热的自发意识的表现。
现代太阳能建筑的发展一般可分为三个阶段：①被动式太阳房，它是一种完全通过建筑朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理以及材料、结构的恰当选择、集取、蓄存、分配太阳热能的建筑。②主动式太阳房，它是一种以太阳集热器、管道、风机或泵、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成的太阳能供暖和空调的建筑。③“零能房屋”，它利用太阳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供暖、空调、照明、用电等一系列功能的要求。
2 太阳能利用的建筑实例分析
2.1 建筑外环境
太阳能即使在其形式转化过程中，也很少有污染，它也是无限可利用的能量—可重新再生的能源，太阳辐射既可以直接用于房间取暖，又可以以集热器的形式收集热，以电能方式—电池（光电组件）储存热。
“绿色奥运”曾经是悉尼举办奥运会的创意,有关的比赛设施尽量采用绿色技术——太阳能利用,典型的实例是位于悉尼奥林匹克大道上的太阳能照明设施, 在奥林匹克大道上，矗立着19座像起重机吊臂一样的奇怪建筑物——多功能塔，它们安装了1524块高效率的光伏电池板，每年可发电16万千瓦。除能够满足塔自身用电需要和路灯照明外，还可向当地电网售电。这套被命名为“奥林匹克大街太阳能发电系统”获得了当地1999年度优秀工程设计奖。在运动员村的629栋住宅各自安装有光电池太阳能板。这些电池板与水平面约成8度倾角。在电池板的下面，装有功率为4千瓦的电流转换器，以便把太阳电池产生的直流电转换为交流电。每块电池板的最大功率为60瓦。这套屋顶太阳能发电系统同样与地方电网联网，利用太阳能发电的灯柱白天所产生的电能供应夜间照明（见图1）。
2.2 建筑内环境
2.2.1 新德国议会大厦的太阳能利用
位于柏林的新德国议会大厦,其顶部结构不仅具有象征性的寓意,其主要功能反射并控制日光进入底部的议会院，形成自然通风系统的一部分，“天窗”同时在美学上也起着重要作用。光线、通风和自然空调被认为是德国国会大厦的痕迹。结构中还包含一系列的光电体,将其作为能源系统的一部分。自然通风与采光在较大范围内得到应用,并与先进的热回收技术结合,证明了未受污染的环境系统所具有的潜在能力（见图2、图3）。
新建的玻璃穹顶是室内设计的出发点，它使建筑向自然光和景观展开。于是这里产生了一种满足节能和自然采光要求的基本构件。穹顶被设计为一个名副其实的“天窗”。它的核心部分是一个覆盖着各种角度镜子的锥体，可以反射水平射入建筑内的光线，还有一个可移动的保护装置按照太阳运行的轨道运转，以防止过热和耀眼的阳光。穹顶同时还包含有基本的自然通风系统:建筑内部的空气因为烟囱效应而被导入穹顶。穹顶的核心部分包含有一个覆盖着镜子的锥体，以散射光线并引入室外景观。这部分中包含的另外一个机械装置能提供自然通风，与外界进行热交换，并能发电。按照其特定规律，锥体从最高处吸入热空气，这种轴向的通风和热交换使不流通的空气得以循环。
带动空气流通系统，排出空气，以及建筑遮阳设备所用的能源，由安置在南面屋顶上的太阳能电池板产生。同时，由于建筑使用者的数量经常变化，决定采用一种灵活的节能方式。这就是说，在主动加热和制冷可以进行互补的基础上获得舒适的温度。这种方式与传统方式相比，将温度的最大峰值减少了30%(如图4)。
2.2.2 法国“法国海外档案中心”
图5为建造于1996年的法国海外档案中心，位于法国普罗旺斯的艾克斯（Aix En Provence），设计师为T．拉考斯特、A.罗宾和C．古埃伊斯。这个由3位年轻的法国建筑师设计的方案，包括一个厚实的体量及其屋顶上的天窗系统，以及与环境相关的立面。阅览室的照明系统也经过了细致入微的研究，以使读者不受直射光线的照射。这栋建筑除了在整个综合体中以其极简主义的形象建立起一种匀称得体的连接之外，还是一个捕获能量的装置。被誉为捕获光线的建筑。建筑外立面的基本特征是一层严格遵循1.2米×2.4米模数的覆盖整个体量的赭石色涂层。这些模数的方格间以折叠状向室外打开，对应着一年或每天中不同时刻的风向和阳光。室内主要通过上方的14个与立面处理相呼应的梯形光井采光。同时，涂层还起到隔音和绝热的作用，使室内保持恒温。
进入建筑内部，我们看到了严格的几何形空间，空间的主角就是有规律照射的光线。在首层的门厅和展厅之间，在上层的阅览室，以及现存建筑中的管理办公室里形成了普遍的对比关系。这个扩建建筑的主要内容就是一个阅览室，一个由简单线条构成的空间，它占据了整个建筑的首层。在这个完全无隔断的房间里，没有任何会让读者分散注意力的东西;它的屋顶和墙壁都镶嵌着木板，地面也是木地板。4张大木桌占据了中央,在其一面是管理室和小卖部，另一面则是具有特别用途的桌子,可用于摆放大开本的文件和地图。室内没有直射光，而是通过屋顶和立面的开口照明。室外打开的板有两个基本功能:它们既是反射板，减少射入室内的光，同时也是吸收阳光的装置，安装着内部加热系。
因其所采用的技术和材料，这个方案赋予了中心一个新的形象。虽然是一个突出的实体，但它同时也尊重了周围的建筑，起一种和谐的对话关系。
3 生物气候建筑
生物气候建筑得益于景观学，用景观学或者说风景学的观点来决定场地的方位，从而构筑建筑物，不仅考虑美学的问题，而且还从设备的角度来决定建筑的供热、制冷和照明。因而，这种建筑充分利用大自然能源和资源，为居住者尽可能地提供最舒适、宜人的居住环境。
高层建筑中的垂直景观往往是高层建筑的绿化，这里从生物气候学的观点看，绿色植物可以吸收二氧化碳和一氧化碳，通过太阳光合作用产生氧气，为使用者提供舒适的环境与新鲜的空气。从而改善高层建筑中的微气候。
马来西亚著名建筑师杨经文将生物气候学的理念引入到高层建筑的设计中，在考虑单体高层建筑的同时，还要考虑较大环境及城市中其他建筑环境对高层建筑的影响，这就涉及城市设计也要考虑建筑与环境的生物气候学问题。建筑的朝向与阴影问题，建筑师要考虑如下因素:阳光的方向，以确定建筑的形态和阳光通道;对建筑作全年的严格的太阳控制;研究建筑与附近建筑物和植物之间的相互遮挡问题。
生物气候建筑同时考虑对人体与环境的双重保护，是由德国建筑师大力发展起来。这类建筑在破土之前，需经过勘查，以确定所在地没有地下水脉和地球磁场对人体的干扰；它完全以天然材料——木材、黏土、土砖建造而成，并从植物中提取装饰用材和着色颜料，这一潮流在德国已发展为建立“生物住宅区”。其目标是建立居民入住后就不想迁离的社区，以降低对各种能源的消耗。
按照笔者的理解可认为，生物气候建筑不仅结构形式上，而且还在功能上体现生物的自适应、自调节、自完善功能，从而带给人们舒适、安全、高效的栖息环境;在设计上它结合自然、遵从仿生学的原理、具有生态学的经济性功能；在景观上它融入环境而对环境无害。总之，生物气候建筑的设计思想最初源于节省能源的需要，继而上升到保护环境的高度。正如人们所希冀的那样:将来有一天，建筑物的结构和维护系统能根据气象和舒适度的变化而自动调节，那时将产生真正的“智能建筑”。那么这个所谓的“智能建筑”首先必须是生物气候建筑，而生物气候建筑最重要的特点是对绿色能源——太阳能的利用。生物气候建筑的设计的一个重要方面是必须遵从生物学的原理，因地制宜，充分利用太阳能等气候因素，充分开发自然资源，如阳光、风，采用“被动式太阳能设计”。
有些建筑物在变化比较大的外界环境和相对稳定的室内环境中，起着中间缓冲带的作用，进行生态气候设计时，建筑物必须能够有效地平衡或降低额外的太阳热能;当天气变冷时，建筑物还能充分利用太阳能，将大量日光引入室内，同时设法降低眩光。当建筑物处于炎热或潮湿的天气时，建筑师必须确保大量的自然通风;人工供热时也应有足够的通风。另外，建筑物内的一些物品起着吸收或释放太阳热能的作用，当昼夜间温差较大时，将形成热循环。
4 自治建筑
以充分利用自然能源为理想，包括以巧妙的设计利用自然风，而不用空调器制冷或取暖；太阳能集热器可代替煤气或电力的热水器；用风力发电，而不接收电站提供的电力。自治建筑的典范是澳大利亚的伏林德斯住宅。它有一座3千瓦的风力发电机自供电源；靠山上的一个大水箱中积存的雨水解决用水问题；太阳能装置为住宅提供热水，并带动散热器供暖。生活于其中，许多东西都不需外求，自给自足。
另外一幢具有自治功能的建筑物为图6所示的法国马赛的罗纳河口省政府大楼，又称“蓝色大楼”，有三座平行的大楼组成。其中两座大楼由一个玻璃正厅相连。第三座大楼是一个磨平的圆柱式构筑物，里面设有会馆和许多小实验室。该工程的设计充分考虑了环境的变化，把能量的消耗控制在最小的范围之内。
大楼的管理系统使用了屋顶传感器来测量温度、光线和风力，以控制遮阳百叶窗和通风，并控制楼板中的暖水和冷水管系统以及中央空调系统。
1994年建筑师待多·特霍把自己的住房设计成和向日葵一样，能在基座上转动跟踪阳光。这是德国利用高新技术设计建造的一座旋转式太阳能房屋。房屋被安装在一个圆形底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮。该房屋底座在环行轨道上以每分钟转动3厘米的速度随着太阳旋转，当太阳落山以后该房屋便反向转动，回到初始位置。屋顶太阳能电池产生的电能仅1.3%被旋转电机消耗掉，而它所获得的太阳能量相当于一般不能转动的2倍。这是欧洲第一座由计算机控制的划时代的太阳追踪住宅。德国还有一栋由太阳能研究所设计的建在弗赖堡的零能耗住宅也就是所谓的自治建筑，投入使用两年多来，能源完全自给供通风、热水所需用电，0.5千瓦时供取暖。在这栋住宅中，科学家综合采用了各种措施，如太阳能发电、热泵、氢气贮能器以及种种隔热建筑材料和建造方法。
结语
在环境恶化和能源日益不足的情况下，我们需要一种对自然既非掠夺又不是过度保护的态度:一种对有限资源加以理性运用的态度。而这时，建筑利用太阳能显得更具战略意义。无论是生物气候建筑还是自治建筑，都是以节约不可再生能源充分利用太阳能为出发点，因此，太阳能利用不应是一种单纯的意识形态，而应成为建筑可持续发展的真正经济要素。
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