高層居住區太陽能與建筑一體化技術的應用

左海敏

1 太陽能與建筑一體化技術的背景

隨著社會的發展和人們生活水平的提高,人們對住房的質量要求也越來越高,寬敞、舒適、設施齊全(如熱水、采暖、制冷等設施)的住房已成為大勢所趨。然而,我國目前的能源供給形式并不容樂觀,且每年都需要進口大量石油,人均能源占有量遠遠低于世界平均水平,而且常規礦物能源日益減少,但能源總需求卻在不斷增加。在這種情況下,一方面要提倡節能降耗,另一方面要加快開發利用可再生能源,以解決能源緊張的問題。為此國家出臺了《中華人民共和國節約能源法》《中華人民共和國可再生能源法》《民用建筑節能條例》等有關法律法規。為了促進我省建設領域節能工作全面開展,加快民用建筑太陽能熱水系統一體化技術應用的步伐,根據國家GB 50364-2005民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范、GB/T 18713-2002太陽能熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范等標準規范的規定,保定市建設局于2007年4月下發了《關于推廣應用太陽能熱水系統》,河北省建設廳于2008年10月13日下發了《關于執行太陽能熱水系統與民用建筑一體化技術的通知》,文件要求新建、改建及主體工程尚未完成的居住建筑必須采用太陽能熱水系統與建筑一體化技術,做到統一規劃、同步設計、同步施工,與建筑工程同時投入使用。

太陽能與建筑一體化技術就是把太陽能的利用納入環境的總體設計,把建筑、太陽能熱水技術和美學融為一體,太陽能設施成為建筑的一部分,相互間有機結合,取代傳統太陽能熱水器對結構所造成的影響,利用太陽能設施完全取代或部分取代房屋的圍護結構,減少成本、提高效益,太陽能與建筑一體化屬于一項綜合性技術,涉及太陽能利用、建筑、流體分布等多種技術領域,是多層面參與和合作的綜合性事業,需要國家政策法規部門、建筑主管部門、太陽能廠商、房地產開發商、建筑設計單位的共同努力。現就日照、太陽能熱水系統形式、熱水量計算、集熱器面積計算、集熱器布置等方面做如下分析和探討。

2 保定地區太陽能資源概況

保定市位于東經 115°30′,北緯 38°51′,冬至日正午 12 時太陽高度角為 27°45′,日出至日落時長為 10 h 26 min;夏至日正午12時太陽高度角為74°36′,日出至日落時長為 15 h 58 min;春分(秋分)日正午12時太陽高度角為51°21′,日出至日落時長為13 h 2 min;按我國的太陽能資源區劃規定,保定市屬于太陽能資源較富區,年平均日太陽輻照量14 933 kJ/m2。

3 太陽能熱水系統分類及系統設計選用

1)集中供熱水系統。集中供熱水系統是采用集中的太陽能集熱器和集中的貯水箱供給一棟或幾棟建筑物所需熱水的系統。

2)集中—分散供熱水系統。集中—分散供熱水系統是采用集中的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給一棟建筑物所需熱水的系統。

3)分散供熱水系統。分散供熱水系統是采用分散的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給各個用戶所需熱水的小型系統。按系統運行方式區分主要包括以下三種:a.自然循環直接系統;b.自然循環間接系統;c.強制循環間接系統;根據各個系統的特點,10層及以下住宅推薦采用分散的自然循環直接系統,11層及以上住宅推薦采用分散的自然循環間接系統或集中—分散供熱水系統。以下主要討論在高層居住區應用較為普遍的分散布置的自然循環間接系統。

4 集熱器安裝方位、角度及面積補償

太陽能集熱器接受的太陽輻射分為直射輻射、散射輻射、地面反射輻射。按直射輻射計算的集熱板安裝角度即傾角(集熱板與水平面的夾角)為0.9Φ(Φ為當地緯度)。但綜合考慮三種輻射,集熱板安裝角度一般按當地緯度 Φ±10°。安裝角度為 Φ,可獲得全年最大輻射量,Φ+10°可獲得冬季最佳輻射量,Φ-10°可獲得夏季最佳輻射量。

表1 補償系數 Rs %

方位角宜按正南向,可在偏西 30°～偏東30°范圍內。

方位角、傾角超出以上范圍的應進行補償,補償系數 Rs可參考表1。補償后的集熱板面積為:計算集熱板面積/Rs。Rs≥90%,可不補償。

5 分戶太陽能熱水系統的管路布置

當分戶太陽能熱水系統的貯熱水箱設在陽臺內,集熱器外掛在南向陽臺外及外墻處時,集熱器到貯熱水箱的熱媒循環管需建筑專業預留DN100鋼套管,貯熱水箱與廚房衛生間連接的冷熱水管一般均在墊層內埋地敷設,系統流程見圖1。

當日常使用水量經常小于貯熱水箱的容水量時,采用電輔助加熱設于用水點附近的方式可以減少加熱的水量,更有利于節約用電,節省運行費用。

6 集熱器與建筑的結合

設計應把集熱器作為建筑組成部分,不應認為是建筑的附著物,而應作為建筑部件,融入整個設計中,并應綜合考慮日照、安裝、維護、結構安全、構造安全、產品特性、建筑風格。

平屋面對建筑形象影響較小,布置方面更傾向于技術要求。但現在設計中裝飾性屋架常出現,可考慮集熱管與屋架結合,見圖2。

坡屋面時集熱器一般與斜屋面結合,采用架空和嵌入兩種方式。

集熱器與立面的結合,一般選擇陽臺欄板(或欄桿)處、外墻面,可把集熱管作為桿件組織在整個建筑立面中(見圖3～圖5)。

7 太陽能與建筑一體化技術的應用前景

一般情況下,保定地區安裝真空管太陽能集熱器每平方米每年可提供能量約900 kWh,如果安裝2 m2集熱器,則一年可提供能量約1 800 kWh,若電價按 0.6元/kWh計算,則一年可節約電費1 080元。經過各界人士的不斷努力,太陽能與建筑的結合越來越緊密,太陽能熱水系統的安裝率也越來越高,目前我國太陽能熱水器的戶用比率約為5%,而且其他方面的應用如采暖、制冷、太陽能房等,也得到了較快的發展。但是,我國太陽能熱水系統的普及率與應用水平較發達國家的差距仍很大。這就需要我們不斷努力,逐步實現太陽能熱水器部件的建筑一體化,將太陽能熱水器在建筑中的應用發揮到最大限度,使太陽能熱水系統在建筑節能方面做出更大貢獻,并推動節能建筑的發展。

[1] GB/T 18713-2002,太陽能熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范[S].

[2] GB 50364-2005,民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范[S].

[3] DBJT 02-48-2006,民用建筑太陽能熱水系統安裝[S].

[4] 張云霞,朱 琨.太陽能在西北地區建筑中利用的可行性研究[J].山西建筑,2008,34(17):246-247.