淺談建筑太陽能一體化設計

呂永強

如果歌德的名言“建筑是凝固的音樂”這句話體現出了建筑形式的魅力,是對建筑外在美的肯定,那么建筑是否節能、環保,則是建筑內在美的體現。只有做到了內在美與外在美、形式美與內容美的統一,才符合科學發展觀要求。

在環境破壞日益嚴重和能源危機的今天,如何開發利用環保節能的建筑配套成品就成了焦點話題。一直以來,太陽能等可再生能源在建筑技術上的完美應用都是企業不懈的追求,太陽能與建筑結合創造的低能耗高舒適度的健康居住環境,可以讓生活更自然更環保,對實現可持續發展具有重大意義。太陽能作為一種免費、清潔的能源,太陽能與建筑的結合也在建筑中尤其是住宅建設中越發顯現其不可替代的地位,并成為住宅建設中的一個最新亮點。

建筑是能源消耗大戶,建筑耗能占我國總耗能的30%左右,而生活熱水在建筑耗能中的比重是18%。而當前我國有400億m2的既有建筑,其中99%是沒有應用太陽能的高能耗建筑,每年新建的20億m2建筑,其中95%是高能耗建筑。21世紀我國面臨著經濟高持續發展與節能環保的雙重課題。利用再生清潔能源——太陽能,解決全部或部分家用熱水用電,減少商品能源的消耗,節能環保意義重大。太陽能與建筑完美結合,可為太陽能利用提供廣闊的市場,也是實現建筑節能的一條重要途徑。

1 太陽能一體化的含義

太陽能建筑一體化是不是把太陽能用于建筑,或者把二者“相加”在一起就可以,答案是否定的。中國太陽能學會太陽能和建筑結合專業委員會籌備組負責人袁瑩教授的回答是:“所謂太陽能與建筑一體化不是簡單的‘相加',而是要通過‘相加'整合出一個嶄新的答案。也就是說,建筑應該從開始設計時,就將太陽能系統包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以考慮,巧妙地將太陽能系統的各個部件融入建筑之中,使太陽能系統成為建筑不可分割的一部分,而不是讓太陽能成為建筑的附加構件。”

以分體式太陽能熱水系統為例,太陽能集熱板或太陽能集熱管是暴露在屋頂上的,在設計時就要想辦法讓太陽能熱水器暴露在外面的部分實現建筑構件化,使之與建筑融為一體,成為與坡屋面、墻面、陽臺、窗子等建筑構件相匹配的另一種構件。太陽能系統要作為建筑構件元素來考慮,與建筑的屋面、墻面、陽臺、窗戶有機結合在一起進行整合設計。這樣,太陽能熱水系統科技內容的加入就會使建筑呈現出一種新的造型與外觀,增強建筑的表現力。

2 推廣設計原則

推廣太陽能與建筑一體化設計和施工應注意以下幾個方面。首先,應因地制宜,先行試點,有計劃、有步驟地推廣運用。太陽能具有一定的地域選擇性。盡管目前的太陽能已經能夠適應多天缺少陽光、最低氣溫零下6℃氣候條件下的使用。但是太陽能在我國一些地區(如高寒和晴天天數少的地區)還不具備應用條件。另一方面,太陽能熱水器技術在多層次住宅中的使用已經比較成熟,但在小高層、高層住宅中,還缺少成功的案例。在太陽能技術的推廣應用中,不能采取一刀切的辦法,應因地制宜,在符合太陽能使用日照系數條件的地區,對熱水供應有長期穩定需求的公共和居住建筑,在技術條件和環境條件允許的情況下,應積極優先采用太陽能熱水系統。

2.1 技術條件

技術條件指太陽能熱水系統在工程應用中的合理性,宜從技術和經濟兩方面進行綜合評價。

2.2 環境條件包括現場條件和熱水設計條件

1)現場條件是指安裝地點緯度、月平均太陽輻射量、日照時間、環境溫度、安裝場地面積及形狀、遮擋情況、建筑物承載力。

2)熱水條件包括:熱水用水溫度、熱水日用水量、熱水用水位置、冷水供水方式、水壓、溫度等。

2.3 太陽能的設計與工程設計統一規劃、同步設計、同步施工

1)規劃上,應考慮集熱器的安裝對日照的影響和建筑物對集熱器的遮擋。2)外觀上,建筑專業設計應根據建筑類型、使用要求確定太陽能熱水系統的類型、安裝位置、色調,實現太陽能熱水系統與建筑完美結合。3)結構上,妥善解決太陽能熱水系統安裝可能存在的問題,確保建筑物的承重、防水等不受影響;太陽能集熱器應具有抗風、冰雪、冰雹等能力。4)給排水專業上本著節水節能、經濟合理、安全簡便、利于計量等原則,選擇太陽能熱水系統。5)系統運行安全、可靠、穩定,便于維護管理。

3 太陽能熱水系統設計

太陽能熱水系統設計應符合建筑給排水設計,系統供水水溫、水壓和水質符合現行國家標準。以下是工程中太陽能熱水系統與不同類型建筑結合的幾種常見做法。

3.1 集中集熱—分戶計量—直接換熱系統

集中集熱—分戶計量—直接換熱系統適合多層、小高層、高層住宅,每一套系統集中一套太陽能集熱系統,每戶一臺換熱式雙能源水箱,集熱式太陽能系統相當于一個公共的熱源部分對每戶供熱。每戶使用自己的自來水和電輔助加熱。其優缺點:1)優點:不受樓層高限制,并可以實現太陽能熱能資源共享,可根據樓面建筑情況靈活布置,最容易實現與建筑協調管理維修方便,運行可靠。2)缺點:系統供熱統一,用戶用熱量會存在不均,并需要物業統一管理維護。

3.2 集中集熱—集中供熱水

集中集熱—集中供熱水適用于高級賓館、學校、酒店等公共建筑洗浴和熱水集中供應場所。本太陽能以中央控制器對集中循環水箱進行加熱控制,通過溫度探頭對熱量傳輸控制。集熱器布置高于水箱,靈活,水箱隱蔽,不影響建筑美觀,且保溫性能好,熱損失少。

3.3 分戶集熱—分戶水箱—自然循環系統

集熱器與水箱分離,集熱器放置在陽臺、建筑外立面等位置,可與建筑完美結合。系統傳熱工質通過自然熱力循環,系統的集熱循環為開放式運行,易于安裝、維護,初始投資相對較低。系統方案特點:1)集熱與儲熱分離,易于實現系統與建筑立面結合安裝。2)儲熱水箱壁掛式安裝,不占陽臺空間。3)每戶一套獨立系統,分戶計量,可實現無線控制。4)集熱循環管路就近布置,結構簡潔。5)適用于小戶型建筑。

4 太陽能與建筑一體化的優點

1)建筑的使用功能與太陽能設施有機結合(如熱水器),形成多功能的建筑構件,巧妙高效地利用建筑空間。同步設計、施工,避免后期安裝對用戶生活造成不便和對建筑外保溫以及結構的損害。2)形成統一協調的建筑形式。太陽能設施構件化和建筑融合為一體,協調和諧,構造合理,形成完整統一的建筑外觀。3)我國太陽能資源豐富,太陽能與建筑一體化為太陽能利用產業的發展開辟了廣闊的應用前景。

5 結語

隨著經濟建設的發展,如何為消費者創造經濟節能、綠色環保的條件,給我們每一個設計者提出了更高、更緊迫的要求,讓我們充分發揮主力軍的優勢和作用,為提高太陽能集中供熱與建筑一體化在建筑領域中廣泛應用,與各界共同努力,攜手奮進。

[1]發改環資[2004]2505號,節能中長期專項規劃[Z].

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

[3]韋 亮.談主動式太陽能技術在建筑中的應用[J].山西建筑,2008,34(9):260-261.