太阳能光热设备与建筑一体化设计

摘要: 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是最丰富的可利用能源，可以说是“取之不尽，用之不竭”的。但如何合理利用太阳能，降低开发和转化的成本是节能建筑中的重要任务。太阳能热水利用是成熟技术，将太阳能热水器部件与住宅总体设计紧密结合，使其成为建筑的有机组成部分是太阳能热水器今后的重要发展方向。文章结合我国太阳能光热设备在建筑中的应用状况,对太阳能光热设备与建筑一体化的概念、发展动态、设计途径与方法等内容进行了探讨。

关键词: 太阳能绿色能源一体化设计

前言

建筑能耗主要是指建筑在建造和使用过程中消耗的能源。我国目前正处于建设鼎盛期，全国每年城乡新建房屋建筑面积近2 0 亿平方米，其中8 0% 以上为高耗能建筑；既有建筑近4 0 0 亿平方米，9 5% 以上是高耗能建筑。据统计，建筑在建造和使用过程中消耗的能源占全球总能耗的5 0%，产生3 4% 的污染。近年来，我国严寒和寒冷地区（采暖地区）的城镇，平均每年新建采暖居住建筑1 亿平方米。按照目前建筑能耗水平的发展状况，预计到2020 年我国建筑能耗将达到10.89 亿吨标准煤，是2000 年的三倍多；空调夏季高峰负荷将相当于1 0 个三峡水电站满负荷供电；仅城市建筑采暖每年约排放二氧化碳1.9 亿吨，粉尘3000 万吨。国家建设部科技司研究表明，随着我国城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑能耗比重最终将上升至3 5% 左右。建筑如何节能的问题，已经受到设计和使用者的重视，成为当前影响建筑发展方向的重要因素之一。因此，近年来国际上出现了节能型建筑设计。

建筑节能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。建筑节能具体是指节约采暖供热、空调制冷、采光照明以及调节室内空气、湿度、改变居室环境质量的能源消耗，还包括利用太阳能、地热( 水) 能源的综合技术工程。

一我国太阳能光热技术的发展现状及主要问题

1 太阳能储量与分布

如何提高可再生能源的利用程度,扩大可再生能源的利用范围,已经成为了人们在新世纪的重要课题。而太阳能以其清洁、储量巨大、成本低、无地域限制和能源质量高等众多优点成为可再生能源利用的首选资源。

我国受地理位置的影响,蕴藏着丰富的太阳能资源。在我国广阔的土地上,年太阳能总辐射量超过5MJ/m2,年太阳辐照时数超过2200h的太阳能利用条件较好的地区占国土的2/3。大多数地区年平均日辐射量在4kw・h/m2以上,日辐射量最高达7kw・h/m2,我国太阳能资源的理论储量达每年1.7×1013t标准煤,故开发太阳能是实现中国可持续发展战略的有效措施之一。

2太阳能光热设备的应用及主要存在的问题

目前,我国太阳能的利用技术主体上可分两类:太阳能光伏发电和太阳能光热技术。根据我国的综合国力和消费水平,在最近几年还不可能大规模推广家用太阳能光伏发电技术。但是我国的太阳能光热利用水平已相当高,尤其是经过太阳能工作者20多年努力,我国太阳能热水器的保有量已超过2×107m2，年产量达3×106m2，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。太阳能供热水市场规模已居世界第一。可是我国建筑行业与太阳能光热设备的结合却刚刚起步,还存在着很多的问题。传统的设计方法是在屋顶上安装太阳能光热设备,这是目前最为普及的设计方法,但是它也存在诸多的缺陷。

首先,我国销售量最大的真空管太阳能光热设备大多是一种“一排黑色玻璃管头顶一个大水箱”的造型,缺乏统一设计,与建筑外观不相协调,整体性差,破坏建筑形象,严重影响了城市的景观。

其次,常规的太阳能光热设备(包括太阳能开水器、太阳能热水器、太阳能取暖装置等) 通常是在房屋建造好以后,再通过自行穿墙打洞、拉固及打膨胀螺丝等手段将太阳能光热装置固定在房顶上,不仅破坏了建筑的整体美,而且难以解决抗飓风、防冰雹、防冻和安全保护等一系列问题,同时漏水、管道的布设困难、破坏建筑防水层等问题也时有发生。

另外,高层建筑因屋顶采光面积小,从屋顶到住户热能输送距离远,损失严重,无法使用太阳能光热设备。这些难以克服的种种弊端严重制约了太阳能光热设备的进一步普及应用。在一些城市甚至出现了太阳能光热设备的情况。

二太阳能光热设备与建筑一体化设计的途径与方法

要解决以上问题,我们就不能永远停留在太阳能和建筑两个层面上去关注太阳能的应用问题,而是应该从整个社会的角度看,它是个大系统,涉及到城市景观、能源发展以及老百姓的可支付能力等一系列问题。因此必须从太阳能建筑的角度去看,这就需要将太阳能光热设备一体化设计的理念贯穿于建筑物的规划、设计、建造、使用、维护以及改造活动中,这也正是问题的关键所在。

太阳能光热设备与建筑一体化概括起来讲,就是将太阳能光热设备与建筑充分结合,改变使用中各自为政的局面,太阳能就像其他建筑部件、构件一样,最终也会成为建筑的一个部件,并实现整体外观的和谐统一。具体可以通过以下的技术措施来实现。

1一体化设计首先考虑外观与风格的问题

太阳能设备在建筑上的表现形式有两种,一种是彰式,就是说特意去表现太阳能光热设备;一种是隐式,也就是把太阳能装置藏起来,这两种都是太阳能在建筑上的应用方式,谁也不排斥谁。具体的设计原则可以表述为吸取技术美学的手法,体现各类建筑的特点,强调可识别性,利用太阳能构件为建筑增加美学趣味。另外,太阳能热水器外壳、支架、反光板的颜色需要专门定制,避免产生光污染。

2分体式太阳能光热设备是实现一体化设计的有效途径

新型大水量的分体式太阳能光热设备,将真空管或平板型太阳能集热器根据建筑设计的需要,集中或分几块布置于斜屋面上,犹天窗般美观大方,若是统一安装在阳台的栏杆外或其他南立面上也整齐有序。分体式太阳热水器另一个特点是贮热水箱不是出现在屋顶上,而是在建筑的阁楼里、阳台外、车库里或走廊的角落、卫生间、厨房等等,通常这类的贮热水箱同时就是一个300L以上的贮水式电热水器,一箱两用,或者说是“双能源”热水器,阴雨天可电加热。这种太阳光热设备外形美观,功能齐全,大流量供水,被称为“家庭热水中心”。当分体太阳光热设备的性能和价格被大多数人接受时,建筑一体化太阳能光热设备的普及就为时不远了。

3有机结合,巧妙利用

灵活的将建筑各部分构件与太阳能光热设备有机的结合在一起,巧妙高效的利用空间,使建筑可利用太阳能的部分―向阳面或屋顶得以充分利用。以下新型建筑一体化光热设备与建筑各部分构件有机结合,创造富有个性的建筑形体,为设计师提供了多种选择。

(1)天窗式太阳能集热器:光热设备完全嵌入建筑屋顶内,浑然一体。作为建筑围护构件的一部分,安置有专门设计的排水板系统和固定系统。结构的风力和承重荷载。

(2)阳台式太阳能集热器:太阳能集热设备整体放置在阳台立面上,不占用建筑空间,还可以起到阳台护栏和下层遮阳的作用,同时解决了高层建筑不能使用太阳能热水器的难题。

(3)飘板式太阳能集热器:采用轻钢免焊飘板式结构固定集热器,造型独特,立面效果突出。飘板式造型成为建筑物自有风格的完美点缀和平屋顶的独特风景。

(4）壁挂式太阳能集热器：集热器单独固定在建筑的南立面墙壁上，占用空间小，储水箱则放置在室内，热水传输管道较短，解决了高层建筑的使用问题。

(5）多功能休闲亭式太阳能集热器：集太阳能热水器、光电板和纳凉休闲功能于一体，与庭院、游泳池、花园等环境相融合。流线型设计既美观又减少结构的风力和承重荷载．

4综合考虑建筑结构、水电系统和太阳能设备的协调

新建筑在考虑太阳能设备的安装时,除需考虑结构荷载及安装固定设备的预埋件外,还应考虑冷、热水管道井的设置。管道井的大小以不小于100mm×100mm为宜。自然循环的太阳能光热设备要保证水管入墙的标高低于水箱出水标高,并且水管不能有返坡。同时,要安装好水位探头、电加热棒以及电磁阀等相关电气设备。

5同步规划设计,同步施工安装

太阳能光热设备与建筑一体化同步设计,并与建筑同步施工完成。可按太阳能设备主机安装、水电线路连接、自动控制仪安装、总体调试等施工程序完成安装(图2)。这样节省太阳热水系统的安装成本和建筑成本,一次安装到位,避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑已有结构的损害。

结语

太阳能光热系统与建筑的完美结合，是在实践的基础上不断完善的．只有在建筑设计过程中积极的配合，才能避免矛盾的产生，才能使太阳光热设备放置在合适的安装部位，满足设备热性能的要求．另外，由于管道与线路布置规范、经济，建筑有预埋防风固定构件，既方便安装，也易于保温和维修．太阳热水器对建筑的构造、观赏效果并没有带来不利影响．相信随着太阳能技术的逐步成熟和工程实践中经验的不断积累，太阳能光热技术将发挥出更大的优势，为社会做出更大的贡献．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。