浅析高层建筑太阳能设计

摘要：本文分析了高层建筑太阳能设计存在的问题，介绍了太阳能热水与建筑一体化，提出了高层建筑建筑太阳能热系统建筑设计的方法。

关键词：高层建筑；太阳能设计

中图分类号：TU201文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

可再生能源的建筑应用势在必行；建筑太阳能热水系统技术成熟可靠；太阳能资源“一般”以上的地区具有较好的利用价值———制备热水可以节省至少70%的传统能源；高层建筑建筑太阳能热水系统多种解决方案备选。建筑师是高层建筑建筑太阳能热水系统与建筑一体化成功的关键，我们期待在建筑师的努力下，高层建筑太阳能热水系统的设计达到与建筑的完美结合，成为建筑组成不可缺少的优美元素。

1 高层建筑太阳能设计存在的问题

1.1 居住建筑太阳能热水系统的安装使用基本上以单个太阳能热水器为主，安装凌乱，影响建筑外观和城市市容市貌的美观。

1.2 居住建筑小区整体安装使用太阳能热水系统的比率非常低，尤其是房地产开发项目开发商一般不主动采用，而被要求采用时，也会尽量少安装。究其原因，主要是近年来我国住宅建筑无论是房开项目或职工住宅，均以高层建筑为主，30 层的住宅建筑非常普遍。有限的建筑屋面或者根本不能满足全楼的热水所需要的集热器面积，解决的办法有哪些？开发商不清楚，建筑师也不清楚。这一情况成为太阳能热水系统建筑应用的瓶颈。

2 太阳能热水与建筑一体化

2.1 太阳能资源

根据我国太阳能资源可利用的情况，可分为四类：Ⅰ类根据以青藏高原为代表的资源丰富带，年辐照量在 6 700 MJ/㎡以上；Ⅱ类为资源较富带，年辐照量在 5 400～6 700 MJ/㎡之间；Ⅲ类为资源一般带，年辐照量在 4 200～5 400MJ/㎡之间；Ⅳ为资源贫乏带，年辐照量在4 200 MJ/㎡以下。我国大部分地区为Ⅰ～Ⅲ类，具有良好的太阳能资源。

2.2 太阳能热水系统工作原理

太阳能热水系统是将太阳能转化为热能制备热水的一种装置，由太阳能集热器、保温水箱、连接集热器和水箱的管路、控制系统和辅助加热系统等组成。目前市场上，太阳能热水系统集热器基本为两大类，一是真空管太阳能集热器，一是平板太阳能集热器。两种类型各有特点，适应不同的地区和不同功能的建筑。而且，产品更新频率越来越快，与建筑的需求越来越贴切。

2.3 太阳能热水与建筑一体化概念

太阳能热水系统与建筑一体化是指：太阳能热水系统与建筑物完美结合，并实现功能和外观的统一协调。就是在建筑规划和方案设计之初，就将太阳能热水系统纳入建筑设计，做到统一规划、同步设计、同步施工、同步验收并与建筑同时使用。太阳能热水系统与建筑一体化的实现，不仅保证热水系统的整体质量，同时材料综合利用，减轻建筑荷载，降低造价；不仅提高设备的利用效率，而且建筑使用功能与太阳能热水系统有机结合，高效利用空间；不仅避免结构损害，更易于形成良好的建筑形象和城市容貌。

3 高层建筑建筑太阳能热系统建筑设计

3.1 一体化方式

3.1.1 集热器与坡屋顶的结合

坡屋面是近十几年来住宅建筑设计的主流型式，在此类建筑型式的太阳能与建筑一体化设计中，主要是利用南向坡面。宜根据集热器接收阳光的最佳角度，即当地纬度±10 来确定坡屋面的坡度。若建筑设计对坡屋面的造型或空间有特殊要求，也可根据坡屋面的坡度调整集热器的角度，与坡屋顶嵌合组成一体的平板太阳能集热器。由于屋面面积有限，集热器与屋面结合的方式，常用于多层及低层建筑，高层靠近屋面的楼层。

3.1.2 集热器与平屋顶的结合

在住宅平屋面上设置集热器，对住宅的朝向无特殊要求，集热器布置方式有两种，其一，集热器直接安装在屋面上，集热器支架与屋面的连接构造应简便，系统管线易于隐蔽，且屋面便于上人安装维护。集热器应整齐有序排列，前后两排应留有足够的间距，可满足在冬至日时至少 4 h 的集热器日照条件。但是，由于集热器直接安装在屋面上，占据了屋面空间，必要时要考虑留出消防通道；如果热水水箱为集中式，体积比较大，可能影响建筑外观，可考虑遮挡或将水箱布置在地下室，另外由于集热器的支架直接安装在屋面，做好防水尤其重要。另一种方式，集热器架空屋面之上安装，架空的刚架采用钢结构刚架或钢筋混凝土刚架。集热器不仅可以安装在刚架的顶部，还可以安装在刚架的南侧及东侧、西侧，以增加集热器面积；此方式保持了屋面原有的使用功能，架空的集热器顶棚还具有遮阳的作用；架空刚架的可塑性大，建筑师还能够创造出多样的造型，丰富建筑效果。

3.1.3 集热器与墙面的结合

外墙是太阳光接触面积最大的外表面，在较高纬度地区，将太阳能集热器与南面外墙一体式设计，具有不错的太阳能利用效率，在高层建筑中，把集热器设置在建筑外墙面上具有管线短，安装、检修方便的优点，且能补充屋面上摆放集热器面积的不足，较适于局部热水系统的管理、维护。但对于纬度较低的地区，平板太阳能集热器与墙壁立面紧贴，光线入射角度较小，不利于太阳能光热的吸收和转换，故需将集热器作为附属构件依附于外墙表面，与墙壁立面形成一定的夹角。

3.2 系统选择

在了解太阳能热水与建筑结合的方式后，接着建筑师要解决的问题就是根据住户热水的需求，选择与项目相适应的系统。常用的太阳能热水系统归纳起来大约有 3 种。

3.2.1 集中集热、集中供热、分户计量系统、集中辅助加热———集中式

该系统不仅集热器集中集热，热水箱也是集中水箱，但分户计量，辅助加热系统也为集中式，辅助热源可以为空气源热泵或电加热。

3.2.2 集中集热、分户储热、分户辅助加热系统———集中—分散式

该系统太阳能集热板集中集热，热水箱分散安装到各住户，辅助加热方式和热源由用户自行确定。

3.2.3 户式太阳能热水系统

户式太阳能热水系统也称为分散式或户式，是一种以住户为单位安装的太阳能热水系统。根据热水系统结构不同，又可以分为“一体式”———集热器和水箱合为一体和“分体式”———集热器和水箱分离。一体式的系统，可以安装在建筑的阳台或外墙壁，辅助热源一般使用系统自带的电加热。分体式的集热板可以安装在建筑的阳台或外墙壁，水箱可以选择热水用量较大的位置就近安装，一般安装在阳台的角落、外墙面，如何做到美观大方，就是建筑师的创意了。分体式的辅助热源比较灵活，电加热、燃气加热、空气源热泵加热都可行。但空气源热泵设备投资较大。

3.3 太阳能热水系统选择

综上所述，建筑师必须根据项目的性质和具体条件，择优选择。考虑的问题如下：

3.3.1 根据项目的热水使用要求和当地太阳能辐照强度选择太阳能热水系统。在上述 3 种系统中进行预选。

3.3.2 进行太阳能热水系统的经济性分析。对系统的设备成本、运行成本、预期的节能潜力进行生命周期内的经济分析，并与非太阳能热水系统比较，保证系统的经济可行；

3.3.3 确定集热器在建筑上的安装位置。首先确定集热器的面积：规划和建筑方案设计阶段，建筑师可以自行估算，根据太阳能资源的情况，可按每户需要的面积估算集热板面积，或者请太阳能热水系统供应企业提供(施工图阶段必须由太阳能热水系统供应企业提供)。集热器的安装位置应避免遮挡、足够安全、便于安装与清洁维护，因为灰尘和杂物对系统效率的影响甚至可以达到50%。

3.3.4 管网的布置应尽量缩短集热器和水箱的距离，减少热损失；提倡管道明装，便于检修。

3.3.5 选择控制系统，确保日常运行的安全和稳定。

4 结语

我国已进入城镇化快速发展时期，每年建筑面积达到20亿㎡，今后至少要增加 300 亿 ㎡的建筑面积才能满足人口增长和城镇化的需要。过去 30 年全国城镇化水平每提高1%需新增能耗 6000万吨标煤。如果城镇化的发展模式不及时向低碳生态绿色转型，将使我国城镇化过程成为资源环境过度消耗的过程，严重制约和影响我国经济社会的可持续发展。建筑节能减排的途径主要是开源节流，节流就是减少传统能源的消耗，开源就是开发建筑应用的可再生能源。利用太阳能制备建筑使用的热水就是其中一种可再生能源利用方式。在居住建筑能耗中，热水能耗占比为10%～14%，太阳能热水系统的使用，节能潜力非常巨大。

参考文献：

[1]王有为.山雨欲来风满楼———解读绿色建筑发展[J].生态城市与绿色建筑,2010(3).

[3]徐伟.可再生能源建筑应用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.