長春海外學人創業園住宅建筑太陽能技術一體化設計探究

趙暉+郭格靜

長春工程學院建筑與設計學院

【摘 要】長春地區地處國家太陽能利用資源獎勵區域，其利用價值利在當代，功在千秋。海外學人創業園住宅作為地區節能建筑試點工程，結合當地氣候特征條件，依據太陽能建筑一體化設計原則，針對性提出優化建設方案，為住宅產業的可持續發展提供有益借鑒。

【關鍵詞】住宅；太陽能利用；一體化

1.太陽能光伏與建筑適配性的設計原則

建筑是一個綜合性高、復雜的系統，也是一個完整的統一體，如果將太陽能光伏發電技術與建筑相融合，同時還要保持建筑的文化特征，就必須考慮技術和美學兩方面因素，只有太陽能光伏技術與建筑設計的有機結合，才稱得上“太陽能光伏與建筑一體化”。長春海外學人創業園住宅與太陽能光伏系統的結合，其總體規劃設計必須結合長春當地地理位置、氣候特征和太陽能資源情況，同時也要確定建筑的布局、朝向、朝向、間距、群體組合方式和基地整體的空間環境，并滿足太陽能光伏系統設計安裝的技術要求。

在長春海外學人創業園住宅中，太陽能光伏與建筑一體化應用是在建筑屋面安裝太陽能電池板，應用太陽能發電，依靠建筑提供電力，兼顧節能降耗。太陽能光伏與建筑一體化有兩個顯著的特點：其一，統一性是指新建建筑的太陽能光伏系統工程的設計要與建筑同步設計、同步施工、統一規劃和同時安裝，同建筑、技術、美學融為一體，提高建筑物的整體美觀性；其二，替代性是指太陽能光伏組件及其技術的不斷更新，使其可以代替屋頂瓦片，還能夠保證建筑材料的隔熱、保溫和通風等功能。

由于城市中可以利用的空間少，而太陽能電池板與建筑屋面的結合不僅不占用地面空間，還可以節省城市土地，因此太陽能光伏發電系統在城市中應用廣泛。可見，太陽能光伏應用技術作為一種新型的技術，在建筑學已經成為一種新的可行性選擇。太陽能光伏與建筑的一體化集成設計作為BIPV的一種高級形式，對太陽能電池板要求很高，強調在保證發電量的前提條件下，并且要最大化的保持建筑外觀的和諧統一以及功能的要求。

太陽能與建筑一體化應遵循以下四種原則：

功能性原則：應包含太陽能光伏系統本身的功能和建筑本身的設計技術，不僅要保證建筑表皮美學的形式，還要保證建筑自身結構設計的安全性以及具體實施起來和操作起來的可行性。

美觀性原則：作為一名建筑師，從建筑的美觀性角度來講，太陽能電池板需要經過前期與建筑有機結合的設計，才不會成為建筑上累贅的附屬物，才不會破壞建筑的立面造型，分體式的熱水系統與建筑結合程度較好，可以將太陽能電池板看作建筑表面的構件，事先將水箱、輔助加熱器等放置在住宅悶頂內，融入到建筑中。

適宜性原則：進行熱水系統與建筑一體化設計時需要正確選擇與該建筑適配的熱水供應系統，要綜合占用空間、與建筑的結合性，筆者為此坡屋頂建筑選擇了集中——分戶式太陽能熱水系統，集中式只需整體安裝統一的太陽能電池板和儲熱水箱，維修管理由相關技術人員和物業部門實行，采用分戶計量的熱水方式，使住戶購買、安裝、維修維護方便、降低運行費用和熱水成本，同時經濟上也得到了實惠，因此，在技術上我們應該根據適宜性的原則，綜合長春地理位置，綜合小區現狀，選擇適宜嚴寒地區居住建筑的技術。

安全性原則：太陽能發電板在屋面的安裝布置應與建筑中有一定剛度的實體結構連接緊靠牢固，還需考慮自身重量給屋面帶來的荷載，保證屋面的防水保溫等性能，維修保養人員的安全保障，要設計必要的人身保護措施，將技術人員作業時將遇到的各種困難和隱患降到最低。

2.與建筑適配性的太陽能熱水系統

針對本次試點工程中住宅熱水系統的規劃設計，選擇一種合理的熱水供應方式，對整個住宅系統規劃作用重大。建筑師既要考慮住宅有好的審美性，合理定位太陽能電池板的選擇類型與具體規格，還要綜合考慮建筑群體間的日照、環境、氣候及能源等各方面對屋面太陽能系統的影響因素，最終選擇一種最適合本次試點工程屋面應用的太陽能熱水供應系統：

分戶式太陽能熱水系統是非常常見的一種熱水供應形式，各家各戶系統獨立，太陽能電池板和儲熱水箱安放位置靈活，使用方便，沒有流量分配和管理控制的問題，根據實際情況自行加熱，費用單獨核算，但太陽能電池板的利用率低，各戶使用不平衡，造價較高，適用于聯排別墅、聯排屋。

（1）集中式太陽能熱水系統：利用率高，熱水資源大家共享。系統通過屋頂太陽能電池板集電，儲存在電箱，用于給水加熱，水溫一旦達到預設值，會被送進保溫水箱儲存，方便業主使用，實現全天供水的需求。集中式的太陽能熱水系統集成化程度高，管路簡單，初期投資較少，集成化程度高，集熱資源共享，系統統一管理，省去自行維護的不便，但是分戶計量總體費用、物業管理難度大，集中式出現系統故障，不及時維修，用戶的熱水將得不到保障，且管路系統支管過長，使用時需放掉很多冷水，造成水資源過度浪費，適用于酒店、醫院、學校等民用建筑。

（2）集中——分戶式太陽能熱水系統：由太陽能電池板在屋頂集電，設備集中安放，空間浪費少，費用單獨核算，計費簡單，管理方便，但各戶之間熱損失大，資源不能互補，適用于高層住戶。

太陽能光伏熱水系統主要由太陽能電池板和蓄熱水箱構成，視具體情況配以水泵驅動。太陽能光伏發電系統中最重要的是光伏電池，研究表明，光伏電池在運行過程中，有約80%的入射太陽能被反射或被電池板直接吸收，約20%的入射太陽能被轉化成電能。

3.集中——分戶式太陽能熱水系統與建筑適配性結合方式的應用

集中——分戶式的熱水供應系統具體為集中集電，分戶供水的系統，在多層住宅中應用較多，其太陽能電池板主要布置在屋面、陽臺及南面墻等位置。集中——分戶式熱水供應系統是不需要集熱水箱和輔助能源的，只需要在各用戶悶頂處安裝各自水箱和電表即可。

多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉換效率稍低，約為20.4%，由于其材料制造簡便，節約能耗，生產成本較低，多晶硅太陽能電池近年來發展很快，其目前在太陽能光伏市場的占有率是最高的。

儲熱水箱的容積按每家用戶的平均日用水量的1～1.5倍來設計，這樣既可以滿足用戶的日常用水需求，又有一定量的熱水儲備，儲熱水箱一般放置于住宅悶頂、陽臺、廚房或衛生間等處，不需要專門的設備間和儲藏室，只需要留足夠的空間安裝、維修、更換，同時還需考慮建筑的承載力，同時做好與建筑結合處的保溫、防水和排水等措施。

住宅內熱水管線的布置要求盡可能簡短，簡短的管線布置能夠盡可能降低成本、減少熱量散失，同時需要考慮安全隱蔽、便于安裝施工和維護維修等要求。其他附件包括計量器、電表、水泵等附件安裝時要考慮冷熱水的計量器、住戶電表位置安裝的合理醒目，統一布置，便于物業管理者查看；水泵的位置設計也需要足夠的隱蔽同時預留足夠的安裝、維修和更換的空間。

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作者簡介：

趙暉（1967.04-）男，漢，長春工程學院建筑與設計學院副教授（碩導）， 研究方向：建筑設計及其理論，建筑技術。

郭格靜，長春工程學院建筑與設計學院研究生。