廣州民用建筑太陽能熱水系統一體化設計初探

文_譚偉 廣州開發區建設工程質量檢測中心 傅樹威 郭兵 廣州市建筑科學研究院有限公司

廣州民用建筑太陽能熱水系統一體化設計初探

文_譚偉 廣州開發區建設工程質量檢測中心 傅樹威 郭兵 廣州市建筑科學研究院有限公司

太陽能作為一種清潔、高效的可再生能源得到了國內外廣泛的推廣應用，并取得了巨大的成就。但是，太陽能技術在建筑上的應用發展到今天遇到了新的挑戰，究其原因是由于我們一直將二者割裂的看待，太陽能熱水系統不是自然的在建筑上“生根發芽”，而是被人為的“嫁接”到了建筑上。

這種高度分散的應用模式引發了最近幾年傳統太陽能熱水設備在城市住宅應用中的諸多問題。具體表現在：①不規范的自行安裝模式使太陽能產品無法與建筑、環境相協調，顯得雜亂無章，給城市的邊際景觀造成了視覺污染；②由于國內標準不完善，標準不一的太陽能產品破壞了建筑的結構與功能，在建筑的防水、防雷、防風、承重等方面留下了安全隱患；③屋頂采光面積有限而無法滿足全部住戶使用要求，導致屋頂所有權存在爭議，后期物業管理、維護不方便；④部分太陽能安裝管道內大量存水、管線外露，夜間散熱大，造成用水浪費，產品不承壓，在高層建筑中與供水管網壓力不匹配，開放式儲熱水箱與非循環用水方式，易造成水質不衛生等問題。這些都嚴重制約了太陽能利用的發展和建筑節能的進一步實施。

本文通過對廣州市地方技術規范《民用建筑太陽能熱水系統建筑一體化設計標準》編制的總結，對太陽能熱水系統建筑一體化設計的全過程進行一個簡單的闡述和總結。

1 地域特色及背景

廣州地處南亞熱帶，太陽輻照量介于5400～6700 MJ/m2·a，屬于太陽能資源豐富區，夏長冬暖、炎熱潮濕，臺風及雷電雨水等自然性災害較多，采用太陽能熱水系統的建筑應注重防水防潮防雷電、通風隔熱、防風抗震。在太陽能熱水系統設備的選擇上，應重點關注防銹、防風功能，宜采用平板型集熱器、U型管式真空管集熱器和全玻璃真空管型集熱器。

隨著《廣東省民用建筑節能條例》的實施，廣東省內具備太陽能光熱條件的建筑，都將強制要求安裝太陽能光熱設施，未按照標準進行設計的，不得通過施工圖設計文件審查和竣工驗收備案。《廣州市民用建筑節能管理試行辦法》第二十一條也提出：本市新建12層以下的居住建筑和實行集中供應熱水的醫院、學校、賓館、游泳池、公共浴室等公共建筑應當優先采用太陽能熱水系統與建筑一體化設計，并按照相關規定和技術標準配置太陽能熱水系統。

2 太陽能熱水系統與建筑一體化的設計理念

2.1 規劃設計

在規劃設計階段，除了要考慮建筑功能、場地條件、周邊環境等制約規劃設計的因素外，在確定建筑布局、朝向、間距、群體組合和空間環境時，應結合建設場地的地理、氣候、日照條件等因素，最大限度地滿足太陽能熱水系統設計和安裝的技術要求。設計安裝太陽能熱水系統的建筑單體或建筑群體，主要朝向宜為朝南偏東15°至南偏西15°的范圍內，建筑體型及空間組合應與太陽能熱水系統緊密結合，為充分接收太陽輻射創造條件。在裝置太陽能集熱器的建筑物周圍進行景觀設施設計及環境綠化配置時，應注意避免對投射到太陽能集熱器上的陽光造成遮擋，規劃設計時應進行日照計算分析，確保集熱器在冬至日的日照時數不少于4h。

此外，規劃設計階段應根據建筑類型、用水習慣、物業管理要求、輔助能源種類、系統技術經濟性能及控制系統的簡便可靠性等綜合因素來選擇適用的太陽能熱水系統類型。按照集熱與供熱水的方式，可分為三種系統進行規劃設計。（見表1）。

2.2 建筑設計

建筑設計應結合建筑功能及其對熱水供應方式的需求，充分考慮太陽能熱水系統的選型、組合方式、安裝位置，需將太陽能熱水系統作為建筑的組成元素，與建筑有機結合，保持建筑統一和諧的外觀，并與周圍環境相協調，同時避免集熱器部位受建筑自身及周圍設施和綠化樹木的遮擋，對設置太陽能集熱器的部位應采取安全防護措施，避免因太陽能集熱器損壞可能對人員造成的傷害。

應用太陽能熱水系統的民用建筑設計應與太陽能熱水系統設計同步進行，建筑設計單位應完成以下工作：①根據用戶對熱水系統的使用需求確定太陽能熱水系統的選型和方式；②確定太陽能集熱器的安裝位置，協調太陽能集熱器與建筑整體及周圍環境的關系；③確定集熱器面積，進行系統設計；④明確太陽能集熱器在建筑立面中的構圖要求，并在相應位置設置預埋件，為太陽能集熱器的錨固、安裝提供安全牢靠的條件；⑤確定貯水箱的位置，滿足貯水箱在其位置上的荷載要求及該位置相應的排水、防水要求；⑥確定貯水箱與太陽能集熱器之間的管道走線方式及位置，預埋防水套管并在豎向管井中預留相應的管道位置；⑦明確輔助能源設備的種類、安裝位置；⑧滿足以上系統設備安全、牢固安裝，便于維護檢修的要求。

2.3 結構設計

在結構設計時，應滿足設置在建筑任何部位的太陽能熱水系統與建筑錨固牢靠，應確保建筑物的承載、防水等功能不受影響，還應充分考慮太陽能集熱器與建筑物共同抵御強(臺)風、暴雨、冰雹、雷電及地震等自然災害的能力，同時不得影響該建筑部位的承載、防護、保溫、防水、排水等相應功能。

表1

2.4 給排水設計

安裝太陽能熱水系統貯水箱、熱水機組等設備的機房或安裝地點應設排水溝、地漏等排水設施并與建筑內的排水系統連接。在管線布置上，應合理布置太陽能循環管路以及冷、熱水供應管路，建筑設計時應預留所有管線的接口、通道或豎井，嚴防滲漏，盡可能減少熱水管路的長度，減少熱能耗。

2.5 電氣設計

太陽能熱水系統的電氣設計應滿足太陽能熱水系統用電負荷的分級和運行安全，設置在屋面的太陽能熱水系統應采取有效的防雷設計措施。由于太陽能是不穩定的間歇能源，電氣設計時應考慮配置另一輔助形式能源的加熱設備，在陰雨天或夜晚用其補充或替代熱水的不足。

2.6 其他

太陽能熱水系統設計應進行技術經濟性比較，包括太陽能保證率、太陽能熱水系統年節能量、太陽能熱水系統經濟回收期的測算等，整體上滿足節能節水、安全衛生、環境保護等有關規定。

3 基于一體化設計的太陽能熱水系統的優化選擇

太陽能熱水系統設計應作為建筑給排水熱水供應設計的一部分，與太陽能專業人員協調合作設計。集熱器的位置、色澤及數量要與建筑師配合設計，在承載、控制等方面要與結構專業、電氣專業配合設計，使太陽能熱水系統真正納入到建筑設計當中來。從太陽能熱水系統與建筑相結合的基本要求出發，要針對廣州的氣候特點，尤其是太陽輻射資源的全年變化以及全年氣溫變化的特點，充分考慮建筑物的使用功能、地理環境和當地的安裝條等綜合因素，選擇太陽能熱水系統面積、類型、色澤和安裝位置等。現有太陽能熱水器產品的尺寸規格不一定滿足建筑設計的要求，因而從有利于建筑圍護結構一體化結合的原則出發，必須強調太陽能集熱器的規格與建筑模數相協調。

4 太陽能熱水系統的節能效益評估和能效測評

在設計階段對太陽能熱水系統的節能經濟效益與環境效益進行預評估和長期監測，能充分體現太陽能熱水系統的節能環保效益優于常規熱水系統，不斷總結設計與施工的經驗教訓，更好的推廣太陽能熱水系統的應用。同時可以及時發現運行故障，提高運行管理水平，更好地節約能源，整體上滿足節能節水、安全衛生、環境保護等有關規定。

5 結束語

太陽能熱水系統與建筑一體化設計已越來越引起人們的關注，逐漸成為建筑節能的主要研究和發展方向。太陽能熱水系統生產企業、使用者、開發商、建筑師、監督檢測人員等各個不同群體應該緊密溝通、廣泛合作，將太陽能系統作為建筑的一個構件加以考慮，與建筑同步設計、統一施工、統一管理、統一維護，將太陽能熱水系統很好的融入到建筑之中，既提供新能源的使用又不破壞建筑的結構，實現“太陽能由零散購買逐步向工程化、源頭化的模式轉變”，將推動太陽能熱水系統作為標準建筑部品進入住宅，最終實現太陽能與建筑一體化的完美結合。