太陽能建筑一體化示范工程設計實踐

江蘇省徐州市新型建筑實用技術應用中心 ■ 何水清

一 安徽省安慶市太陽能建筑一體化設計

1 工程概況

安慶“香樟里·那水岸”項目，小區總占地108畝，規劃建筑面積19.67萬m2，由17幢高層、小高層及臨街2層商業裙方組成，總住戶1060戶。全小區工程，經國家住房和城鄉建設部康居示范工程達標驗收，“住宅成套技術”、“規劃設計”、“建筑設計”、“施工組織管理”4項驗評體系全部被評為“優秀”。同時根據國家《住宅性能評定技術標準》，認定小區住宅在適應性能、安全性能、耐久性能、環境性能、經濟性能上達到“AA級”標準。這是安徽省第一個通過國家住宅性能定為AA級標準的項目，填補了安徽在AA級住宅建設方面的空白。

2 技術方案

實施工程的某公司和清華陽光太陽能設備公司合作，在對國內多個高層太陽能建筑進行考察研究基礎上，對通用的太陽能系統進行實破性的大膽改進和創新，增設了管道循環系統、智能控制系統和分時加熱系統，首創國內高層高效聯集式太陽能建筑一體化系統。充分采用光電兩用、分戶計量、定時控制、加壓循環等有效措施，很好地解決了“三大循環”難題，即集熱器與集熱水箱的循環、集熱水箱與保溫水箱的循環、住戶管道冷水與集熱水箱的循環。

該系統具體運行原理為：自來水進口處電磁閥打開，將集熱水箱加滿，集熱器在陽光的照射下開始工作。當集熱器上端水溫探頭測得集熱器水溫達到60 ℃時(此溫度可調節)，集熱器和集熱水箱之間的水泵開始工作，將集熱器的熱水打到集熱水箱里。當集熱器水溫低于50℃ (此溫度可調節)時，反反復復將集熱水箱加熱。當集熱水溫探頭測得水箱達到60℃ 時(此溫度可調節)，集熱水箱下端的電磁閥自動打開，將集熱水箱里熱水頂到保溫水箱；當集熱水箱上端水溫低于50℃時，進水電磁閥自動關閉，集熱器與集熱水箱繼續按上述流程工作，不斷將保溫水箱加滿。如遇陰雨天或太陽光照不足、水溫不高時，集熱水箱里面的加熱器開始工作，利用夜間峰谷電自動加熱。如保溫水箱多日不使用，水溫下降至不能使用時(探頭測得水溫低于45℃)，保溫水箱和集熱水管之間的循環泵開始工作，將保溫水箱的低溫熱水輸到集熱水箱再加熱。同時，考慮高層住宅管道冷水較多，將設在底層的水溫探頭設置一定溫度(一般為35℃)，當感測水溫低于設定溫度時，熱水管道上方循環泵就會自行啟動，把管道冷水抽到集熱水箱內；當管道水溫達到45 ℃時(可調節)，循環泵便停止工作，循環的次數和時間都可調整，徹底解決了管道冷水以及冷熱水箱交換問題，確保每戶都能用上即開即熱的清潔低廉的太陽能熱水。此外，考慮到住戶日常使用管理等問題，在每個住戶熱水進水處安裝一個磁卡熱水表，先充值后使用(IC充值卡)，整個過程實現運行，大大降低了物業管理的麻煩。

3 應用效果和示范意義

小區太陽能集面積達到3050m2，住宅應用覆蓋率100%，示范面積14.53萬m2，確保了每戶熱水使用量在0.2t/天以上，具有安全、節能、環保、不占室內空間、業主免維護和使用成本低的顯著優勢。小區主要設備配置見表1。自首批業主入住以來，熱水單價平均按5.6元/t收取，IC卡計量收費，住戶預存金額，逐日扣除，多用多付費，少用少付費，不用不付費，使用方便，性能可靠，深受好評。該技術系統也獲得國家財政部、住建部可再生能源建筑應用示范項目資金支持。

隨著國家對省地節能環保住宅建設的支持和鼓勵，高層住宅太陽能利用具有廣闊前景，高層住宅建造量不斷攀升。從全國太陽能熱水器家庭普率不足10%來看，太陽能熱水器具有巨大的市場潛力。商層住宅太陽能熱水器屬于一次性投資，維護簡單方便，不擾民，不增加住戶負擔，且安全可靠。綜合計算，太陽能熱水器總體成本最少，并且隨著能源價格的不斷提升，太陽能熱水器的應用，其經濟效益和社會效益更加明顯。

以每天提供20t熱水為例，燃氣、燃油、電加熱和太陽能系統相差較小。而從15年的使用總費用(含水、氣、電費)來看，太陽能熱水器的費用比燃氣熱水器要小得多，并且，燃氣和電價呈逐年上升趨勢。顯然，從長期使用的角度來看，使用太陽能熱水器非常經濟實惠。如果將太陽能熱水器替代電熱水器，三口之家每年至少可節省電費約600元。而如果一家一戶安裝一個太陽能熱水器，約需設備投資3500～5000元，使用期間存在維護費用支出。但對于高層高效聯集式太陽能建筑一體化系統工程，其設計費用、設備投入、運行系統等加起來，平均每戶約攤成本費用4500元，對住戶來說，免維護終身受益。更為重要的是，高層高效聯集式太陽能建筑一體化系統可不受天氣影響，做到一年四季24h均衡。

表1 主要設備配置表

投資對比分析，以加熱1t水為例，自來水溫按15 ℃加熱到55℃ ，需40000千卡的熱量，對燃氣、燃油、電加熱和太陽能系統分析對比：初步測算提示，太陽能熱水器一次裝置投資比燃氣熱水器、電熱水器要高，但它們15年的裝置總投資費用供應熱水，讓居住更健康，讓生活更舒適。

4 改進的方向

“香樟里·那水岸”項目實施，針對項目不完善，需在以下兩個方面改進：

(1)將太陽能和建筑更為完美的結合。針對太陽能集熱器和屋頂結合問題，將平面屋頂改為斜坡屋頂，把太陽能集熱管鑲嵌在屋面中，實現建筑、技術和美學融為一體，達到適用、經濟、安全、美觀的目的，進一步增強建筑的表現力。

(2)深化太陽能綜合利用。在做好太陽能建筑一體化的同時，將單純使用太陽能熱水器，走向太陽能綜合利用的全面發展，重點發展太陽能地板采暖技術和太陽能照明技術，實現建筑的低能耗與舒適健康性的充分結合，為房地產市場創造一種全新的開發模式。

二 江蘇省徐州市不同住宅類型的太陽能熱水系統的設計

通過太陽能光熱利用技術，為用戶提供價廉的熱水，是解決能源緊張同提高居民生活舒適度矛盾的有效方法。

1 工程概況

徐州市某住宅小區位于市區城南新城開發區，總建筑面積為234.085萬m2，其中住宅面積為190.638萬m2，包括45棟3層別墅、25棟多層(6層局部躍7層)、16棟高層(7～11層局部躍層)，均采用太陽能熱水供應系統。

2 太陽能設計的難點

太陽能熱水器受天氣影響較大，到達某一地面的太陽輻射強度，因受地區、氣候、季節和晝夜變化等因素影響，時強時弱，時有時無，給使用帶來不少困難。在高層建筑中屋面的建筑面積一般無法滿足整棟樓的熱水供應，而且只能采用集中供熱的給水方式來解決分戶供水壓力不足的問題，并且要增加熱水計量水表，使小區物業管理復雜。

3 本工程住宅建筑熱水系統的選擇

(1)別墅

別墅是高檔住宅建筑，各戶獨立，私密性好，宜考慮每戶設置獨立的太陽能熱水系統。別墅的套內衛生間數量較多，人均用水量大且用水不均勻性較大，但人均屋面面積大，而且一般市政供水壓力滿足別墅的直接供水，可考慮屋面設置太陽能系統。為了保證別墅供熱能力的持久性，在地下室安裝有輔助加熱設備。別墅熱水供應由燃氣熱水器和太陽能熱水器聯合供給，熱水經太陽能預熱后再進入燃氣熱水器，出水溫度設定為60℃并設循環回水，保證主管循環。當遇到天氣等問題使水溫達不到設定的出水溫度時，由輔助加熱設備進行加熱。

(2)多層住宅

多層住宅屋面面積一般夠集熱用，采用屋面集熱，即太陽能熱水器放置于屋頂。本工程多層住宅采用太陽能熱水器和電熱水器相結合的熱水供應系統(也可采用于然氣熱水器)，以滿足住戶在任何時候都可使用熱水。

(3)小高層住宅

小高層住宅屋面面積相對較緊張，如屋面面積不足時可考慮采用南陽臺設置太陽能集熱板。對于小高層的建筑考慮3種太陽能的安裝方式。

方案一：1～5層采用市政壓力直接供水，太陽能安裝于陽臺；6層以上由公建地下室恒壓變頻供水，太陽能安裝于屋頂。由于1～5層安裝在陽臺上，對建筑立面有一定影響，并且會對用戶產生一種新的污染——光污染。

方案二：1～頂層由恒壓變頻供水，太陽能安裝于屋頂。但需增設恒壓變頻供水一套，原泵房要大一倍。

方案三：將太陽能集熱器中布置在屋頂，儲熱水箱分散布置，采用熱交換的方式供給用戶熱水，系統原理見圖1。

圖1 小高層太陽能熱水系統原理

本系統是集熱部分和儲熱部分完全分離，在二者之間增加了分集水器(或緩沖集熱水罐)部分，這3部分通過管路構成密閉承壓的泵送循環，實現熱量的收集與轉移，通過泵送循環高溫熱媒，與各戶儲熱水箱之間進行隔離換熱，為住戶提供生活熱水，每戶各自獨立的承壓儲熱水箱，內部配有電輔助加熱系統以保證用水的舒適度。當用戶使用熱水時，控制器1探測分戶水箱的水溫，當溫度滿足用戶使用溫度時，循環不運行；當溫度低于用戶使用要求時，控制器1自動打開分戶水箱前的電動閥，并運行循環泵，供給用戶足夠的熱源來滿足用戶的需求。當儲熱水箱不能提供足夠的熱量時，控制器2會啟動更多太陽能集熱板的循環泵提高儲熱水箱的溫度，來滿足更多用戶同時使用熱水的要求。天氣條件不佳時，控制器1和控制器2測定分戶水箱、儲熱水箱和太陽能集熱板3處的水溫，當3處溫度不能達到用戶使用要求時，控制器將啟動分戶水箱內的電輔助加熱設備為用戶提供足夠的生活熱水。

本系統的特點為：集熱部分集中布置，儲熱水箱分散布置，既提高了系統與建筑結合的適應性，也提高了系統使用效率；集中布置的集熱器構成的集熱單元供整個系統公用，因此降低了使用成本，可有效克服前期入住率較低的影響，最大效率地利用集熱單元；儲熱水箱分戶放置，實現水、電的分戶計量，便于后期的物業管理和維護；系統采用的是間接換熱的方式，保證熱水的衛生、潔凈；太陽能放置屋頂不會對用戶產生光污染。

上述3種小高層的太陽能供給熱水方案，前兩種都有很多弊病，而且會產生新的光污染，方案三是目前最便捷、最節能的熱水供應方式，并且不會產生前兩種安裝方式的問題，由于它的智能化，方案三的前期投資較大，但在后期的管理和維護上都很便捷。綜合比較，本工程選擇方案三。

4 簡述

通過對住戶太陽能熱水使用情況的調查，居民反映當日照條件很好時，龍頭出水溫度很高，天氣一般時也能正常使用太陽能，到冬季，由于設有輔助加熱設施，也能舒適地使用熱水。

三 天津市高層住宅一體化應用太陽能熱水器的幾種策略

在高層住宅中一體化應用太陽能熱水系統，首先要解決兩大問題：一是選擇合適的系統；二是選擇適宜的安裝位置。太陽能熱水范圍主要分為集中供熱水系統、集中－分散供熱水系統和分散供熱水系統3大類。現在應用在高層住宅中的分體式熱水器采用的就是分散供熱水系統。這種系統使用靈活，一般由住戶自己安裝、管理，但由于各戶間用熱水量不平衡，因此不能充分利用太陽能集熱設施。另外由用戶自己選擇不同品牌的熱水器安裝易造成位置分散、立面凌亂，造價也較高。集中－分散供熱水系統也是由住戶自己管理、使用，但高層住宅中應用就存在管路距離遠、熱損失大、水箱占用室內使用面積的缺點。集中供熱水系統相比其他兩種供熱水系統有節約投資、用戶間用水量可平衡、集熱器較易有序列布置等優點，但需有集中管理維護及分戶計量的措施。綜合來說，最適合高層住宅的集中供熱水系統。

而從適合集熱器安裝的部位分析，高層住宅的屋頂由于其位置高、遮擋少、安裝維修方便、易于和熱水器結合成為太陽能應用的首選位置，僅次于屋頂的部位就是南向高處的墻面和陽臺，充分利用這幾個部位是結合的重點。

1 屋頂集中式

這種做法適用于各種類型的高層住宅。主要利用屋頂構架架空設置集熱器。架空構架處于建筑最高點，遮擋少，集熱效率高，而且集熱器面積不完全受屋頂限制。采用集中供熱水系統，能平衡用戶間用水量，相應減少一定的集熱面積，解決了高層住宅應用太陽能熱水器存在的主要問題。具體做法如下：

(1)系統

采用以單元或整棟樓為單位的集中供熱水系統。針對冬季使用太陽能不足的問題，采用天然氣熱水爐輔助加熱。這種系統為間接式熱交換、強迫式雙循環的分離式承壓系統，不怕凍，不會造成集熱器結垢，即使有集熱器損壞，系統仍能正常運行。同時集中式系統可平衡用戶之間的用水量，非常適合集合住宅的形式，能有效和高效地利用太陽能，管理和維修都較方便。

(2)集熱器形式和位置

采用平板式集熱器或U形管真空管太陽能集熱器單元陣列。單元可集成管線、集熱管等組成集熱器模塊，在工廠內預制好現場安裝即可。集熱器不是直接安裝在屋面上，而是安裝在利用下部的原結構升出屋面形成的構架上。構架可用混凝土或鋼結構做成傾斜或水平，細長密集的集熱管作為里面的小構架，和外部框架形成整體，成為建筑的特色。同時，集熱管還能作為屋頂的遮陽構架，使原本純裝飾的構件多功能化，樣式多樣化。

(3)水箱

集中供熱水系統的水箱可設在樓、電梯間上面，這樣對屋面使用沒有影響，當然也可 根據情況設置在屋面其他位置。根據負荷大小可每單元或每棟樓設一個水箱，這樣水箱的容積適宜，對結構影響小。集熱器和水箱之間的管線較短，熱損失少。同時增設干管循環，解決低屋用戶管道冷水過多問題。

(4)管道井的設置

通過適當加大建筑已有的設備管道井解決水箱和用水點的連接管道安裝空間。這樣就不用在各戶內另設，減少對住戶干擾，增加了戶內使用面積。

(5)經濟性分析

以18層單元式高層住宅為例，計算參數按每單元共36戶，每戶3人，每人每天用水量50L，每100L水需集熱器1m2選取。這樣集器面積約需55m2，水箱容積約5.4t，根據某品牌U形集熱真空管的價格測算，系統造價約3000元/m2，土建增加約3萬元，年運行費用約5000元，每噸45 ℃熱水綜合成本約8元，相比普通電熱水器一般每噸20多元的成本來說，每單元每年省電費用約2.8萬元，綜合測算后投資回收期約7.5年。

這種做法的主要優點為：一是實現了熱水器和建筑的完美結合，構架本身就是建筑造型的一部分，而且造型靈活多變，可有各種不同的組合方式；二是完全解決了高層住宅使用問題。通過設干管循環和減壓措施(減壓閥)解決低層用戶管道內冷水過多和超壓問題，設熱計量表計量每戶用水量；三是簡化了復雜的技術銜接。太陽能熱水器廠家在架空的框架內可根據實際需要安裝集熱器，不必擔心對屋面的防水、保溫和結構破壞等問題，同時解決了太陽能熱水系統使用年限和建筑壽命方面的矛盾；四是屋頂的架空構架是一個多功能的生態構架，構架的安裝不影響屋頂空間的使用，下方仍然是居民的活動場所和消防通道。另外集熱器構架在夏季會成為良好的遮陽構件，改善頂層住戶的居住品質，構架又成為一個生態構件，同時還有利于居民的室外活動。太陽能集熱器既有實際功能，又成為建筑構件，還滿足了形式的需要，這樣它的存在就會更具合理性。

除了屋頂空間，高處的南向墻面和陽臺也是日照時數較長的部位。因此為了充分利用這一區域，就出現了別外一種較好的應用策略：兩段式。

2 兩段式

這種做法適用于各種層數的單元式或通廊式高層住宅。實際上是對住宅上下分別采取不同的處理方式：低層部分的熱水供應采用統一放在屋頂上的集中供熱水系統；而中高層部分則采用獨立的分體式熱水器放在每戶的南向陽臺或墻面上。主要做法如下：

(1)系統

上下分別采用不同的系統形式。下部由于日照時間不足，無法同層使用太陽熱水器，因此采用集中供熱水系統。住宅上部則采用以每戶為單位的分散供熱水系統。

(2)集熱器形式和位置

集中供熱水系統集熱器同屋頂集中式一樣采用承壓式的平板太陽能集熱器或真空管太陽能集熱器單元陣列。分散供熱水系統的集熱器則結合陽臺或墻面安裝，可設在陽臺的欄板、陽臺窗戶兩側、墻面的窗間墻位置等，通過豎向有韻律的布置達到與建筑的較好結合。

圖2 兩段式

(3)水箱

集中供熱水系統的水箱間位置及做法也同屋頂集中式。分散供熱水系統的水箱則設在每戶的陽臺內或結合空調室外機放置，這樣集熱器和水箱的距離較近，熱損失較少。

圖3 兩段式上部的幾種安裝方法

(4)管道井的設置

集在式系統與用水點聯系也是通過加大建筑內的原有設備管道井，上部的分散式供熱水系統則不需專門的管道井。

這種策略的優點：一是不同的系統形式分別解決了不同部位用戶的太陽能利用和屋頂集熱面積不足的矛盾問題；二是不同的處理方式和建筑都達到了較好的結合。缺點是：分散式的使用、管理、維護對用戶有干擾；二是這種方式對塔式高層住宅不太適宜；另外集中式也存在后期因費用問題帶來的糾紛問題。

3 均分式

這種做法主要適用12層以上的單元或通廊式高層住宅。實際上是把高層住宅豎向轉化為幾個多層住宅的疊加，利用每隔幾層在南向外墻設一水平懸挑隔板的方式解決太陽能熱水器的放置。這樣既有效地利用了南向外墻，解決了低層部分的使用，又使住宅在豎向分為幾段，形成有韻律的外部景觀。主要做法如下：

(1)系統

采用集中－分散供熱水系統，輔助電加熱。這種做法是把整個高層建筑豎向均分為幾個獨立系統，每個系統均為分體承壓、強制循環。

(2)集熱器形式和位置

這種做法的集熱器也是采用串并聯的平板或真空管集熱器，傾斜或垂直、有規則地安裝在從南向外墻懸挑的隔板上，作為下部幾層的集中集熱區。水平隔板每隔5～6層設置一道，出挑寬度約700mm，這樣在整個立面上就形成了幾條橫向的水平分隔帶。隔板既能安裝集熱器，也可作為檢修的通道，同時還能作為下層的遮陽板。

圖4 均分式

(3)水箱

每戶水箱設在南向陽臺凹槽內或結合空調室外機放置，這樣水箱和集熱器的距離相對較短，熱量損失較少。

(4)管道井的設置

結合單元陽臺設置的凹槽作為導熱介質管道井進入各用戶水箱的管道井，這樣集熱器和水箱連接較直接，對戶內使用也沒有影響。

這種策略的優點：用戶自己使用，避免了后期的費用問題糾紛；另外每隔5～6層作為一個系統，連接管道短，熱損失少，安裝檢修方便，集熱管和建筑結合緊密，成為建筑的一個造型元素；同時隔板還有一定的遮陽作用。缺點：住宅的凹凸變化不應過多，管理、維護對局部用戶有干擾，對陽臺較小的用戶來說也有一定的影響。

上述3種策略共同的部分就是從管道井或水箱進入室內用水點的處理。具體做法為：在現澆樓板上做墊層時沿墻、沿地預留5cm深溝槽。可把太陽能熱水管道結合暖氣供回水管道或自來水管道共同鋪設在溝槽內，太陽能熱水管道可采用AL-PPR鋁塑管。鋪設完畢后，溝槽用蛭石等輕質材料做保溫填充至墊層上平，最后墊層上統一有2cm面層做法。這種做法雖然地面易產生裂縫，但用戶一般要對地面進行二次處理，所以問題并不突出。