建筑一体化设计中可再生能源技术运用分析

引言：建筑一体化设计，是指在建筑的初始设计阶段，便将建筑结构、空间功能、能源系统、环境条件等要素综合、充分考量，进行整体设计。这种设计模式相较于传统的设计，能够使建筑本身、内部结构、电气设备在布局、应用、能源消耗方面的传统局限性被打破，提高建筑的综合性能。在进行建筑一体化设计时，设计人员需要重点考虑对风能、太阳能、水循环系统等可再生能源技术的运用，在确保建筑正常运转、功能得到保障的同时，尽可能降低建筑能耗，助力实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标。

1. 建筑一体化设计中可再生能源技术的应用瓶颈

1.1 风能应用的结构适配矛盾

建筑物对周围风场的扰动作用会对其造成极大的变化，其周边的流动作用非常复杂。由于建筑表面尾流涡的影响，将会对风电效率有一定程度的影响；建筑物周边的屋顶由于分离作用使有效流速大幅下降。风力机组可能会出现由于其本身频率和建筑物本身的共振问题，存在振动能量传递至建筑物零部件造成零部件的损坏问题；同时设计师需要通盘考虑通风的设计和风力发电机组的设备安装，一般将建筑风机或风塔置于建筑物体外常常会造成在立面布局上的一般化甚至破坏了立面的设计语言等，建筑能源应用和建筑艺术呈现出不可调和的矛盾。

1.2 太阳能系统集成空间冲突

太阳能光伏系统吸热能量收集性能与光伏系统安装的倾角及角度成直接关系，建筑进行外型设计想要创造曲型和不规则的屋面造型，极大地阻截了光伏系统最佳安装倾角调整的需求。太阳能光热系统也存在集成困难，例如在阳台上安装的集热管无法安装到建筑外墙或屋面上，外露集热管破坏建筑立面性和自身重量又增大结构荷载。太阳能热能储能设备需要占用建筑设备层的层高，一般的蓄热水箱设备体积往往占据主要建筑功能的空间。

1.3 水循环系统布局局限

雨水利用装置及系统与主体建筑排水存在空间配置问题，雨水收集管道竖直穿过建筑幕墙会破坏外幕墙围护的气密性。屋面中水处理系统由于需要适当深度的地下埋设以保障处理效果，建筑地下室基础桩群排布密度又决定了处理池的埋深不能过大。屋面蒸发冷却设备又面临受力问题，对于大跨度小荷载的屋面设备自重和水体的荷载不足以由该结构屋面承受。

2. 建筑一体化设计中可再生能源技术的针对性应用方案

2.1 风能- 建筑协同技术的运用

为了平衡空气流动与建筑安全性之间的冲突，充分发挥建筑能量体系的功能作用，需要从整体上解决其不利气流与保障建筑安全之间的内在矛盾性问题。被动式导风措施合理地改变建筑形状，协调自然风的合理流动。通过在建筑外立面的运用设计有不同形状和层次的导风翼片，使得主动地影响和调节边界层流流动变化的情况，使紊流变为可控流动，文丘里通风管道也是采用无缝连接的方式，将中庭空间与文丘里风道连接，并且利用流体的加压技术，加强和提升了室内风能的效果。这种措施同时降低了机械通风设备能耗，同时提供不高于建筑主体结构频率的可运用风源捕获给屋顶微型风机提供充足有效的气流，主动式风力机采用与空气流动方式相仿的仿生叶状设计，合理限制风机转动速度范围，避免出现对主体建筑结构造成的干扰。设备传动装置也采用具有高阻尼性质的弹性基座，防止在使用过程中的机械振动增大导致机械传递效率降低，风机支撑系统与太阳能光热装置进行空间化的布置，在进行整体用房太阳能辐射需求评估和空间太阳能光热设计时，需要对于相关空余空间的布置进行统一协调，使支撑架与传力管线进行统一布置，充分利用和利用好建筑屋顶的空间。后续导风翼片改为智能变角装置，根据实时的风速动态地改变导风翼片的开口状态，提高风力机组对于不同低风速下的气流捕捉效果[1]。

2.2 太阳能- 建筑共生技术的运用

光伏装置高度内化于建筑的围护，将发电玻璃——碲化镉代替一般的建筑外围护材料，依然保持必要的透光性，在建筑的外围护上布满分散式的能源单元。屋顶曲面采用伸缩滑轨支架，精密调节的机构可实时跟踪太阳的高度角，调节光伏板的角度，确保光电捕获的最佳性能值。阳台栏杆构件创新融合空心真空集热管，外壳金属材料兼具结构防护与光热转换，可消除外部挂件对建筑视觉的干扰。太阳能热能存储采用纳米相变微胶囊技术，储热材料是特殊的微胶囊粒子，在建筑保温砂浆中均匀地混入，使墙体同属于保温隔热和热能存储的核心部分。屋顶部分放置光伏板的部分经历风压荷载计算，在特殊轻量化铝合金支架系统下，可抵御极端天气条件下破坏结构的挑战。太阳能电力传输线路与强、弱电井道同步同步沿建筑物内部结构骨架预埋在建筑的结构墙体空间中保障电气安全，太阳能热水管道系统优先借建筑设备的管井布线，使大量热水传输路径的热损大大降低。设备监控系统终端与建筑的能源控制系统深度对接，根据光照状况和建筑负荷状况自动地在光伏发电优先和光热供应优先间切换。集热器表面附有自清洁的涂层材料，减轻由于积灰导致的性能损失。

2.3 水循环- 建筑嵌合技术的运用

设计雨水收集系统时，应当结合建筑外围护体系，将外饰幕墙面竖向装饰边线设计成空腔导水条，檐口引流器将雨水引向垂直导水沟槽内，沟槽外侧金属单元保持外立面形态，内侧包裹着食品级 PE 管道实现水的隔离处理。导水槽与玻璃框交接采用硅酮密封胶填充解决外饰面水密性问题。生活灰水处理设备紧密结合建筑基础，打桩施工期间同时预埋 HDPE 生物反应微生物层净化管，将桩体深度作为厌氧和好氧两部分组成的深度处理处理途径，净化后的水经过紫外线灭菌后，由微型泵输送至屋面喷嘴。喷嘴装置与阳光板遮阳百叶杆件共用抱箍式支座，百叶角度调节联动调整喷水口径范围大小。蒸发冷却采用微米级水幕，在单个水嘴上的供水量控制在 0.8L/min 以内，保证屋顶结构荷载的安全。输水管道采用超薄铝合金材质及钢管材质埋设在墙体缝隙间，将管线埋设避免管线外露对内部空间使用的侵占。中庭建筑设置循环水幕幕墙装置，水沿双层玻璃夹胶水槽形成动态湿度调节介质。风道系统嵌合导流气流装置增强水幕蒸发效率 [2]。水循环利用的技术关键在于将水与建筑形体相互融合，建筑自身成为水资源的利用与收集的载体，将用水需求和使用空间的结构形式之间建立起共生共存的关系。

结语：综上所述，在建筑一体化设计过程中，若要有效运用可再生能源技术，设计人员首先需要明确风能、太阳能、水循环系统这三项具体的能源类型与建筑之间的关联——通过科学布局，可增加建筑对自然风的利用程度；通过科学利用建筑外立面面积，布置太阳能光伏发电板，以及增大建筑内部的光照面积，可提高对太阳能的利用率；在建筑群中布置雨水收集、过滤系统，可降低对市政供水的依赖程度，提高水资源利用率。未来，可探索智能技术与可再生能源技术的协同运用，从而进一步提高建筑一体化的设计水平。

参考文献：

[1] 蕫雪莹 , 徐钰桐 . 可再生能源技术在建筑一体化设计中的应用 [J]. 新城建科技 ,2025,34(04):52-54.

[2] 张子安 . 风光互补可再生能源与建筑一体化设计研究 [D]. 东南大学 ,2023.

作者简介：姓名：赵文武；性别：男；出生年月：1999.05 ；籍贯：云南省昭通市；民族：汉；最高学历：研究生；研究方向：新能源科学工程