建筑與太陽能技術一體化設計

劉閩敏 金曉東

1 中國住宅建筑目前使用太陽能技術的現(xiàn)狀

節(jié)約能源,充分利用太陽能已經(jīng)得到大家的公認,在建筑中卻沒有法律法規(guī)的規(guī)定和大多數(shù)設計人員的認可?，F(xiàn)在建筑中的太陽能技術使用情況是設計者和使用者的脫節(jié)。一方面設計人員在設計時并沒有考慮到太陽能設備的安裝與使用,另一方面居民卻有安裝太陽能設備的需求。在這種情況下導致了一系列問題的產(chǎn)生：首先,在屋頂安裝眾多不同大小、顏色的太陽能熱水器,會破壞小區(qū)的環(huán)境、城市的景觀;其次,由于是住戶獨立安裝,設計時又未考慮安裝位置,極易造成熱水器跌落傷人和屋頂破碎,嚴重的還要導致滲漏;再則,多層式或小高層、高層的住宅樓,也沒有一個可供安裝的地方或是安裝空間不夠全部住戶使用。

最后委員提出的解決方案是建議采用太陽能熱水器與建筑一體化的設計。

2 一體化設計的概念和優(yōu)點

2.1 “建筑與太陽能技術一體化設計”的概念

“一體化設計”是指在建筑規(guī)劃設計之初,就將太陽能利用納入設計內(nèi)容,統(tǒng)一設計、施工、調(diào)試、驗收后交由用戶使用。一體化設計是一種為了實現(xiàn)共同利益,綜合了多方面的考慮以及一些看似與設計無關的因素的設計過程,其目標是以比所有組成元素總和更低的成本,取得更好的性能和多方面的利益。這個過程涉及到把太陽能利用的策略融入到傳統(tǒng)設計準則中,如建筑形式、功能和成本等等。成功的一體化設計的關鍵是太陽能行業(yè)和建筑行業(yè)的共同參與?，F(xiàn)在考慮的建筑與太陽能技術一體化主要是太陽能熱水系統(tǒng)(熱水器)與建筑一體化、太陽能光伏技術與建筑一體化及其他一些節(jié)能構件與建筑一體化。

2.2 一體化設計的優(yōu)點

1)由于經(jīng)過綜合考慮,建筑構件和設備全面協(xié)同,所以構造更為合理,有利于保證整體質(zhì)量;

2)綜合使用材料,從而降低了總造價,并減輕了建筑荷載;

3)建筑的使用功能與太陽能的利用有機地結合在一起,形成多功能的建筑構件,巧妙高效地利用了空間;

4)同步施工、一次安裝到位,避免后期施工對用戶生活造成的不便以及對建筑已有結構的損害;

5)如果采用集中使用安裝,還有利于平衡負荷和提高設備的利用效率;

6)經(jīng)過一體化設計和統(tǒng)一安裝的太陽能利用裝置,在外觀上可達到和諧的統(tǒng)一,特別是在集合住宅這類多用戶使用的建筑中,改變了個體使用者各自為政的局面,易于形成良好的建筑視覺形象。

3 太陽能技術與建筑一體化設計的途徑與存在的問題

3.1 與屋面的一體化設計

屋面是太陽能設備一體化設計的最佳位置：日照好,不受朝向影響,不易受到遮擋;不影響住宅立面;系統(tǒng)可以緊貼屋頂結構安裝,減小風力的不利影響;集熱氣可替代保溫隔熱層遮蔽屋面,并且較好的解決了安全問題。

目前太陽能構件在屋頂上的安裝方式可分兩種類型：

1)太陽能構件與建筑屋頂系統(tǒng)相對分離。

這種方式太陽能設備一般作為后加設備構件,不承擔屋頂系統(tǒng)在保溫、隔熱、防水、結構等方面的功用,系統(tǒng)只有發(fā)電、造型方面的要求,目前此種方式應用較廣。

2)太陽能構件與建筑屋頂系統(tǒng)結合為一體。

這種系統(tǒng)較復雜,但系統(tǒng)綜合效率較高,是由太陽能瓦板、空氣間隔層、屋頂保溫層、結構層構成的復合屋頂。太陽能光電瓦板是太陽能光電池與屋面瓦板結合形成的一體化產(chǎn)品,它由安全玻璃或不銹鋼薄板作基層,并用有機聚合物將太陽能電池包起來。這種瓦板既能防水,又能抵御撞擊,且有多種規(guī)格。此種系統(tǒng)既可得到電能又可得到熱能,為防止屋頂過熱,在光電板下留有空氣隔層,并設有熱回收裝置。

3.2 與墻的一體化設計

對于多、高層建筑來說,外墻是與太陽光接觸面積最大的外表面?，F(xiàn)在太陽能與墻體一體化的方法主要有集熱蓄熱墻、透明絕熱材料以及附加于墻面的集熱器,甚至于太陽能光電幕墻系統(tǒng)。

目前太陽能構件在墻體上的安裝方式可分兩種類型：

1)墻體系統(tǒng)(圍護或結構)與太陽能構件相對分離。這種方式系統(tǒng)作為后加設備構件,不承擔墻體系統(tǒng)在保溫、隔熱、圍護、結構等方面的功用,系統(tǒng)只有發(fā)電、美觀方面的作用,太陽能構件是獨立的,沒有和墻體材料復合。目前此種方式應用較廣。

2)墻體系統(tǒng)(主要指其圍護作用)與太陽能構件相結合(太陽能電力墻)。電力墻是太陽能光電池與建筑材料相結合構成一種可用來發(fā)電的外墻貼面,既具有裝飾作用,又可為建筑物提供電力能源。

3.3 與陽臺的一體化設計

安裝在陽臺上的集熱設備具有便于察看,連接管道短,土建工程量少等優(yōu)點。如果集熱器與陽臺結合合理,還能豐富立面的構圖。

3.4 與遮陽裝置的一體化設計

將太陽能構件與遮陽構件的功能相結合,可以形成多功能的構件,實現(xiàn)建筑與太陽能技術一體化。

3.5 與小區(qū)景觀的一體化設計(在地面集中布置)

此種方式如能多套系統(tǒng)并聯(lián),通過控制中心統(tǒng)一調(diào)配,將會得到較大量、穩(wěn)定的熱水供應,尤其適合住宅小區(qū)使用,但需要占用一定的土地面積,如和小區(qū)景觀結合一體化設計,則會達到“事半功倍”的效果。

3.6 存在的問題

1)住宅中,安裝在屋頂上的集熱器存在著一些缺陷：對于下部樓層的用戶,由于連接管道較長,熱損失大,住戶上屋頂檢查或維護較為困難,帶來住宅底層太陽能用戶使用的問題,并且各家各戶暴露在外的管道雜亂無章,破壞了建筑原有形象。

2)高層住宅安裝太陽能設備還存在一些困難。首先,高層住宅住戶多,需要的集熱板面積大,屋頂面積遠遠不能滿足要求;其次,高層住宅的各層采光差距較大,如果采取墻、陽臺、遮陽等一體化方式,各戶對于太陽能的利用還是會有很大差距。

3)安裝在墻面、陽臺等位置的太陽能裝置如果不能和建筑很好的結合,容易落下傷人。

4 解決措施

首先,要根據(jù)不同建筑的情況選擇不同的太陽能熱水系統(tǒng)供水方式,供水方式有分戶式、單元式、整棟式、區(qū)域式等幾種。供水范圍越小,需要的管理維護越少,但相應的會提高造價。對于高層住宅來說,底層用戶太陽輻射低,且供熱管線長,因此是分層供熱還是集中供熱,是集體供熱還是分戶供熱,需要根據(jù)實際情況采取不同措施。其次,關于高層住宅屋頂受太陽能輻射面積不夠的情況,需要利用外墻、陽臺及遮陽裝置等,需要對太陽能裝置進行設計,使其構件化、標準化,與其他建筑構件能較好的結合在一起。在設計之初就考慮好太陽能裝置的安裝。

5 展望

太陽能系統(tǒng)與住宅建筑的一體化設計是多學科、多方面參與合作的綜合性事業(yè),需要太陽能技術專家、建筑師、建筑材料等相關專業(yè)人士以及房地產(chǎn)開發(fā)商共同參與、共同努力、共同創(chuàng)造,而并不僅僅靠建筑師在設計時的考慮。太陽熱水系統(tǒng)生產(chǎn)廠家也對太陽能建筑進行了很多積極而有意義的探索,很多經(jīng)驗和實例值得我們建筑師借鑒和學習。希望通過相關人士的通力合作,能夠實現(xiàn)太陽能技術從形態(tài)和功能上都與建筑完美的結合。

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