簡論太陽能熱水系統與建筑一體化技術的有效應用

谷秀志

（北京建筑材料科學研究總院北京100024）

簡論太陽能熱水系統與建筑一體化技術的有效應用

谷秀志

（北京建筑材料科學研究總院北京100024）

人們使用太陽能由來已久，特別是近些年，隨著電子智能的不斷發展，太陽能熱水系統的應用越來越廣泛，其生態價值和經濟價值也不斷受到黨和政府的高度重視。本文立足于太陽能與建筑一體化的實際情況，深入探討如何同時施工和設計太陽能熱水系統與建筑，以此實現雙方的一體化，從而實現建筑節能的目的，為在建筑上太陽能的利用拓展更大的發展空間。

太陽能；建筑；一體化；節能2015年11月，我國部分省份遭遇到嚴重霧霾侵襲，上百個大中型城市的空氣受到污染，嚴重危害到人民群眾的身體健康。加大節能降耗的力度，實現能源消耗強度下降，已經勢在必行。太陽能的擴大使用不斷被各級政府和民眾提及。太陽能作為清潔可再生能源取之不盡用之不竭，是人類未來最可靠、最期盼的能源之一。

目前，對于太陽能的利用主要集中在生活熱水方面，太陽能熱水系統已經成為在太陽能利用中最成熟、最廣泛的應用技術，尤其是其在產業化方面具有的無可比擬的經濟競爭力，使得該系統已經成為熱帶、亞熱帶以及溫帶人類必不可少的生活組成部分，在亞寒帶及寒帶的應用也取得了不錯的效果。太陽能熱水系統的使用除天氣情況外，限制更少，如果在初裝上得當，后期只有少量的維護成本，相比于燃氣、電熱水器的長期付費使用，具有非常大的優勢。以此可以看出，太陽能熱水系統在初裝上的重要意義以及商業價值，而初裝最重要的一部分就是如何實現與建筑的一體化。

1　太陽能熱水系統與建筑一體化應用的理念

太陽能與建筑一體化的內容涵蓋多個方面，最主要的目的在于將太陽能光熱系統作為建筑整體的一部分去建設。這其中不僅要求不能破壞和影響建筑的外觀與結構，而且要達到節能和滿足使用功能的目的。因此，一個主要的理念就是將太陽能熱水系統的設計與建筑設計同步考慮，達到兩者的和諧統一。在設計中，其核心的部分就是集熱器的放置，涵蓋面積、角度、美觀等多個因素，只有使得集熱器的安裝與建筑物的屋面形式相符合，才能達到集熱器成為屋面的一部分，較好實現一體化目標。另一個重要的組件是太陽能熱水系統水箱的合理放置，房屋面的承重問題是需要考慮的問題，同時還要兼顧考慮怎樣與建筑相結合。要恰當解決這個問題，一般采用三種方式，（1）為避免建筑外觀的破壞，加砌與建筑外觀一致的護攔，將之放置在建筑屋頂露天平臺的樓梯間上。（2）在沒有屋頂露天平臺的其他單元，為了在建筑外面看不到熱水箱，保持建筑外觀協調和諧，可以在樓梯間頂部專門設計一個放置熱水箱閣樓，這樣也可以增加整個建筑的美觀度。（3）針對別墅的建筑，為了良好的隱蔽性，符合外部美觀的需要，一般將熱水箱放置在地下車庫，既可以方便日后的維修，又可以完美的利用好空間。

2　是推動太陽能產業的有效途徑

據統計，我國占國土面積2/3左右的地區，年日照時數超過2200h，這是極為豐富太陽能資源。正是基于此，政府在太陽能的利用上一直非常重視，將太陽能光熱利用納入建筑節能范疇，可以說，這為太陽能熱水系統建筑一體化的發展奠定了基礎。依據我國《2000—2015年新能源和可再生能源產業發展規劃》要求，到2020年，我國太陽熱水器保有量達到5.0×108m2。由此可見，在實現建筑節能目標的進程中，太陽能光熱技術的廣泛應用起著至關重要的作用。

太陽能熱水器在設計之初，就已經將建筑當作不可缺少的元素加以考慮。（1）外觀上考慮到集熱器和水箱的問題，在建設布置上就要求達到與屋頂調和統一，尤其是重視使太陽能集熱器成為陽臺或墻面建筑的一部分。（2）結構上考慮到建筑的承重、防水等功能，妥善解決了太陽能熱水器的安裝問題,并充分考慮了太陽能熱水器抵御自然災害的能力。（3）管路的布置上如何減少熱水管路的長度問題是一個技術重點，這就需要考慮好太陽能循環管路、冷熱水供應管路的布置，其基礎就是要在建筑上事先留出所有管路的接口和通道。（4）運行上要保證方便快捷的安裝、檢修，同時實現運行的安全和穩定也很重要，還要盡可能實現系統的智能化和自動控制，這些都要將建筑物的各類因素考慮進去。總之，只有實現上述四個方面與建筑的完美結合，才是真正的太陽能與建筑一體化，才能推動整個系統和行業的快速發展。

但是，由于長期處于不完善的發展階段，加之行業的迅速壯大，在太陽能各類產品應用中，出現了系統和形式相對都比較單一的情況。還有部分企業，由于沒有真正太陽能與建筑一體化應用的理念進行操作，只考慮了自身的因素，而忽視了與建筑的結合，導致了太陽能熱水器的安裝沒有規則，這些都嚴重影響了建筑的結構安全及外部形象。因此，開發和利用太陽能產品變的相當迫切，如若能統一考慮建筑物與太陽能熱水設施，將其進行有機結合，這樣做的結果就是既能提供生活便利，又能保證建筑物的整體性和美觀性不受破壞。

3　太陽能熱水系統與建筑結合方式的確定

太陽能與建筑的結合模式直接受到太陽能熱水系統的運行方式的確定的影響。

3.1太陽能集熱器與平屋頂的有機結合

平屋頂有其自身特點，在集熱器放置上有很大優勢。可以采用兩種形式，（1）在支座內預埋鋼板,上面焊接螺栓固定熱水器，也就是鋼筋混凝土支座與結構層一起澆筑。其中最重要的就是做好支座防水。支座防水的重點在于附加防水層，在設計上需要做空鋪，這個寬度不應小于250 mm。值得注意的是，在收頭處理時，雨水可能會從開口處滲入防水層下部，要注意避免這個問題。防止卷材防水層收頭翹邊，可以應用壓條釘固定或用密封材料封嚴卷材防水層。（2）針對后加熱水器,可以使用預制混凝土支座。現在比較實用而且經常使用的支座，一般在200 mm的高度、寬度。在建筑支座時，要注意伸出屋面的管線,通過預埋穿屋面套管來實現，這個套管可采用鋼管或PVC管材。另外，應預留凹槽以助于用密封材料封嚴套管四周的找平層。

3.2太陽能集熱器與坡屋頂的結合

3.2.1屋頂飄板太陽能系統設計

這種設計不僅可以滿足太陽能采暖要求，而且還能滿足制冷需求。在結構上，采用屋頂架設飄板鋼結構。在系統上，采用儲熱水箱、溴化鋰吸收式制冷機組、太陽能集熱器系統、管路配件及控制系統。集熱系統采用的504臺熱管型集熱器，主要是20支2.1m真空管，外形尺寸2277mm×1606mm，輪廓采光面積為2.90m2共分成6套系統，采光面積可以達到1461m2；這里面需要使用制冷功率為141kW的溫水型吸收式制冷機2臺，9t的集熱水箱和防過熱水箱各1個。在運行上，由于集熱器安裝在建筑屋頂飄板上，熱量通過集熱器收集，再經板式換熱器換到集熱水箱內，產生高溫熱水。夏季制冷時，吸收式溴化鋰制冷機獲得水泵輸送的83℃～88℃的高溫熱水，分水器收到機組產生的7℃～12℃冷凍水，室內的制冷采用風機盤管系統進行。冬季采暖時，熱量通過集熱器收集，通過板式換熱器將熱量換到集熱水箱內，然后直接供給用戶冬季采暖，從而在小區內能源的綜合可持續利用方面發揮重大作用。

3.2.2墻面式集熱系統

將墻面集熱器安裝在陽臺之間墻面外側的挑板上，放置300L水箱于墻面集熱器后的挑板上。墻面集熱器可以分為外掛式和內嵌式兩種。外掛式墻面集熱器外形尺寸為2153mm×2960mm，輪廓采光面積為5.396m2，采用34支1.9m真空管的U型管。內嵌式墻面集熱器外形尺寸為2030mm×2760mm，輪廓采光面積為5.076m2，采用32支1.8m真空管的U型管。墻面式集熱系統選用U型管墻面太陽能集熱器為集熱元件，為了達到每天為用戶提供300L熱水的目的，需要采用溫差強制循環方式。同時，因為不同天氣的變化，要保證熱水供應，每個系統應配有室內機。另外，在陰雨天太陽能不足時，可開啟2.4kW電加熱確保熱水使用。

3.2.3陽臺壁掛式集熱系統

該系統主要由貯熱水箱、影屏智控系統、集熱器、室內機及其管路配件組成，可以將貯熱水箱安裝在陽臺內。太陽能熱水系統的集熱元件可采用U型管，為溫差強制循環系統，每日為用戶提供300L熱水，將影屏智控系統集電視、太陽能智能控制儀表以及多媒體影音于一體，實現系統可控全自動運行。陽臺壁掛式太陽能熱水系統可以將集熱器安裝在建筑一步臺外墻，為達到輪廓采光面積1.876m2以上，需采用3片12支2.1m真空管的U型管，外形尺寸為994mm×1990mm。另外，也可以采用2片15支2.1m真空管U型管，外形尺寸為1234mm×2290mm，從而將集熱器安裝在封閉陽臺外側，這樣能夠達到輪廓采光面積2.356m2。

4　結語

“太陽能與建筑一體化”在太陽能利用中占有非常重要的地位，而太陽能熱水器作為太陽能利用的主要方向，實現其與建筑的一體化，對于我國建筑節能及太陽能熱利用領域，技術難題的突破可以發揮重要的作用。可以說，太陽能熱水器與建筑一體化是太陽能熱水器發展的必由之路。只有在建筑設計之初，我們充分認識到太陽能熱水器系統是建筑中不可或缺的組成部分，從而將其包含的所有內容巧妙地融入建筑設計之中,才能夠真正實現太陽能熱水系統與建筑一體化技術的廣泛應用，才能不斷促進我國太陽能使用的規范化、制度化，才能為節能社會、和諧社會作出更大的貢獻。

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