太陽能光熱設備與建筑一體化設計

陶志禮

摘要: 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，也是最豐富的可利用能源，可以說是“取之不盡，用之不竭”的。但如何合理利用太陽能，降低開發和轉化的成本是節能建筑中的重要任務。太陽能熱水利用是成熟技術，將太陽能熱水器部件與住宅總體設計緊密結合，使其成為建筑的有機組成部分是太陽能熱水器今后的重要發展方向。文章結合我國太陽能光熱設備在建筑中的應用狀況,對太陽能光熱設備與建筑一體化的概念、發展動態、設計途徑與方法等內容進行了探討。

關鍵詞: 太陽能綠色能源一體化設計

前言

建筑能耗主要是指建筑在建造和使用過程中消耗的能源。我國目前正處于建設鼎盛期，全國每年城鄉新建房屋建筑面積近2 0 億平方米，其中8 0% 以上為高耗能建筑；既有建筑近4 0 0 億平方米，9 5% 以上是高耗能建筑。據統計，建筑在建造和使用過程中消耗的能源占全球總能耗的5 0%，產生3 4% 的污染。近年來，我國嚴寒和寒冷地區（采暖地區）的城鎮，平均每年新建采暖居住建筑1 億平方米。按照目前建筑能耗水平的發展狀況，預計到2020 年我國建筑能耗將達到10.89 億噸標準煤，是2000 年的三倍多；空調夏季高峰負荷將相當于1 0 個三峽水電站滿負荷供電；僅城市建筑采暖每年約排放二氧化碳1.9 億噸，粉塵3000 萬噸。國家建設部科技司研究表明，隨著我國城市化進程的加快和人民生活質量的改善，我國建筑能耗比重最終將上升至3 5% 左右。建筑如何節能的問題，已經受到設計和使用者的重視，成為當前影響建筑發展方向的重要因素之一。因此，近年來國際上出現了節能型建筑設計。

建筑節能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的資源和最小的能源消費代價取得最大的經濟和社會效應。建筑節能具體是指節約采暖供熱、空調制冷、采光照明以及調節室內空氣、濕度、改變居室環境質量的能源消耗，還包括利用太陽能、地熱( 水) 能源的綜合技術工程。

一我國太陽能光熱技術的發展現狀及主要問題

1 太陽能儲量與分布

如何提高可再生能源的利用程度,擴大可再生能源的利用范圍,已經成為了人們在新世紀的重要課題。而太陽能以其清潔、儲量巨大、成本低、無地域限制和能源質量高等眾多優點成為可再生能源利用的首選資源。

我國受地理位置的影響,蘊藏著豐富的太陽能資源。在我國廣闊的土地上,年太陽能總輻射量超過5MJ/m2,年太陽輻照時數超過2200h的太陽能利用條件較好的地區占國土的2/3。大多數地區年平均日輻射量在4kw?h/m2以上,西藏日輻射量最高達7kw?h/m2,我國太陽能資源的理論儲量達每年1.7×1013t標準煤,故開發太陽能是實現中國可持續發展戰略的有效措施之一。

2太陽能光熱設備的應用及主要存在的問題

目前,我國太陽能的利用技術主體上可分兩類:太陽能光伏發電和太陽能光熱技術。根據我國的綜合國力和消費水平,在最近幾年還不可能大規模推廣家用太陽能光伏發電技術。但是我國的太陽能光熱利用水平已相當高,尤其是經過太陽能工作者20多年努力,我國太陽能熱水器的保有量已超過2×107m2，年產量達3×106m2，是世界上生產太陽能熱水器最多的國家。太陽能供熱水市場規模已居世界第一。可是我國建筑行業與太陽能光熱設備的結合卻剛剛起步,還存在著很多的問題。傳統的設計方法是在屋頂上安裝太陽能光熱設備,這是目前最為普及的設計方法,但是它也存在諸多的缺陷。

首先,我國銷售量最大的真空管太陽能光熱設備大多是一種“一排黑色玻璃管頭頂一個大水箱”的造型,缺乏統一設計,與建筑外觀不相協調,整體性差,破壞建筑形象,嚴重影響了城市的景觀。

其次,常規的太陽能光熱設備(包括太陽能開水器、太陽能熱水器、太陽能取暖裝置等) 通常是在房屋建造好以后,再通過自行穿墻打洞、拉固及打膨脹螺絲等手段將太陽能光熱裝置固定在房頂上,不僅破壞了建筑的整體美,而且難以解決抗颶風、防冰雹、防凍和安全保護等一系列問題,同時漏水、管道的布設困難、破壞建筑防水層等問題也時有發生。

另外,高層建筑因屋頂采光面積小,從屋頂到住戶熱能輸送距離遠,損失嚴重,無法使用太陽能光熱設備。這些難以克服的種種弊端嚴重制約了太陽能光熱設備的進一步普及應用。在一些城市甚至出現了強制拆除太陽能光熱設備的情況。

二太陽能光熱設備與建筑一體化設計的途徑與方法

要解決以上問題,我們就不能永遠停留在太陽能和建筑兩個層面上去關注太陽能的應用問題,而是應該從整個社會的角度看,它是個大系統,涉及到城市景觀、能源發展以及老百姓的可支付能力等一系列問題。因此必須從太陽能建筑的角度去看,這就需要將太陽能光熱設備一體化設計的理念貫穿于建筑物的規劃、設計、建造、使用、維護以及改造活動中,這也正是問題的關鍵所在。

太陽能光熱設備與建筑一體化概括起來講,就是將太陽能光熱設備與建筑充分結合,改變使用中各自為政的局面,太陽能就像其他建筑部件、構件一樣,最終也會成為建筑的一個部件,并實現整體外觀的和諧統一。具體可以通過以下的技術措施來實現。

1一體化設計首先考慮外觀與風格的問題

太陽能設備在建筑上的表現形式有兩種,一種是彰式,就是說特意去表現太陽能光熱設備;一種是隱式,也就是把太陽能裝置藏起來,這兩種都是太陽能在建筑上的應用方式,誰也不排斥誰。具體的設計原則可以表述為吸取技術美學的手法,體現各類建筑的特點,強調可識別性,利用太陽能構件為建筑增加美學趣味。另外,太陽能熱水器外殼、支架、反光板的顏色需要專門定制,避免產生光污染。

2分體式太陽能光熱設備是實現一體化設計的有效途徑

新型大水量的分體式太陽能光熱設備,將真空管或平板型太陽能集熱器根據建筑設計的需要,集中或分幾塊布置于斜屋面上,猶天窗般美觀大方,若是統一安裝在陽臺的欄桿外或其他南立面上也整齊有序。分體式太陽熱水器另一個特點是貯熱水箱不是出現在屋頂上,而是在建筑的閣樓里、陽臺外、車庫里或走廊的角落、衛生間、廚房等等,通常這類的貯熱水箱同時就是一個300L以上的貯水式電熱水器,一箱兩用,或者說是“雙能源”熱水器,陰雨天可電加熱。這種太陽光熱設備外形美觀,功能齊全,大流量供水,被稱為“家庭熱水中心”。當分體太陽光熱設備的性能和價格被大多數人接受時,建筑一體化太陽能光熱設備的普及就為時不遠了。

3有機結合,巧妙利用

靈活的將建筑各部分構件與太陽能光熱設備有機的結合在一起,巧妙高效的利用空間,使建筑可利用太陽能的部分—向陽面或屋頂得以充分利用。以下新型建筑一體化光熱設備與建筑各部分構件有機結合,創造富有個性的建筑形體,為設計師提供了多種選擇。

(1)天窗式太陽能集熱器:光熱設備完全嵌入建筑屋頂內,渾然一體。作為建筑圍護構件的一部分,安置有專門設計的排水板系統和固定系統。結構的風力和承重荷載。

(2)陽臺式太陽能集熱器:太陽能集熱設備整體放置在陽臺立面上,不占用建筑空間,還可以起到陽臺護欄和下層遮陽的作用,同時解決了高層建筑不能使用太陽能熱水器的難題。

(3)飄板式太陽能集熱器:采用輕鋼免焊飄板式結構固定集熱器,造型獨特,立面效果突出。飄板式造型成為建筑物自有風格的完美點綴和平屋頂的獨特風景。

(4）壁掛式太陽能集熱器：集熱器單獨固定在建筑的南立面墻壁上，占用空間小，儲水箱則放置在室內，熱水傳輸管道較短，解決了高層建筑的使用問題。

(5）多功能休閑亭式太陽能集熱器：集太陽能熱水器、光電板和納涼休閑功能于一體，與庭院、游泳池、花園等環境相融合。流線型設計既美觀又減少結構的風力和承重荷載．

4綜合考慮建筑結構、水電系統和太陽能設備的協調

新建筑在考慮太陽能設備的安裝時,除需考慮結構荷載及安裝固定設備的預埋件外,還應考慮冷、熱水管道井的設置。管道井的大小以不小于100mm×100mm為宜。自然循環的太陽能光熱設備要保證水管入墻的標高低于水箱出水標高,并且水管不能有返坡。同時,要安裝好水位探頭、電加熱棒以及電磁閥等相關電氣設備。

5同步規劃設計,同步施工安裝

太陽能光熱設備與建筑一體化同步設計,并與建筑同步施工完成。可按太陽能設備主機安裝、水電線路連接、自動控制儀安裝、總體調試等施工程序完成安裝(圖2)。這樣節省太陽熱水系統的安裝成本和建筑成本,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。

圖2設備施工進程圖

結語

太陽能光熱系統與建筑的完美結合，是在實踐的基礎上不斷完善的．只有在建筑設計過程中積極的配合，才能避免矛盾的產生，才能使太陽光熱設備放置在合適的安裝部位，滿足設備熱性能的要求．另外，由于管道與線路布置規范、經濟，建筑有預埋防風固定構件，既方便安裝，也易于保溫和維修．太陽熱水器對建筑的構造、觀賞效果并沒有帶來不利影響．相信隨著太陽能技術的逐步成熟和工程實踐中經驗的不斷積累，太陽能光熱技術將發揮出更大的優勢，為社會做出更大的貢獻．

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。