淺析太陽(yáng)能供熱與建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)★

李顯帥 楊繼清,2 王 靜 丁 江 張 瑞 肖榆涵

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500; 3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

0 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，我國(guó)的建筑能耗逐年大幅上升，已接近全社會(huì)能源消耗量的1/3，加上每年房屋建筑材料生產(chǎn)能耗約13%，建筑總能耗已達(dá)全國(guó)能源總消耗量的45%[1]。因此建筑節(jié)能勢(shì)在必行，全面貫徹建筑節(jié)能有利于從根本上促進(jìn)能源資源節(jié)約和合理利用，緩解我國(guó)能源資源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾，有利于加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源，取之不盡，用之不竭，正在被廣泛應(yīng)用于建筑中，這使得太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，成為當(dāng)下大多數(shù)建筑必不可缺的部分。然而，這也造成了大多數(shù)建筑與太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)出現(xiàn)雜亂無(wú)章、不協(xié)調(diào)等現(xiàn)象，使得建筑的美觀大打折扣。違背了建筑“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則[2]。

因此，“太陽(yáng)能與建筑一體化”設(shè)計(jì)理念逐漸重新走進(jìn)各類建筑，慢慢引起人們的重視。所謂的太陽(yáng)能與建筑一體化，就是將太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)作為建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)入建筑領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)與建筑的同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收以及后期同步管理，從而實(shí)現(xiàn)二者的完美結(jié)合，以達(dá)到建筑節(jié)能和增強(qiáng)建筑美觀的雙重效果。以云南省為例，景色優(yōu)美、四季如春，有著“彩云之南”的美譽(yù)，吸引了諸多中外游客，然而，由于受到技術(shù)、成本等因素的影響，“太陽(yáng)能與建筑一體化”案例在云南實(shí)施少之又少，原本獨(dú)具特色的建筑，映入眼簾的卻是雜亂無(wú)章的畫面，給游客留下些許遺憾。所以，太陽(yáng)能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

1 太陽(yáng)能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

近幾年，一體化在國(guó)外得到充分運(yùn)用，在德國(guó)、奧地利、瑞典、西班牙等國(guó)家，已有許多成功的案例[3]，反觀國(guó)內(nèi)，雖然也有部分成功的一體化建筑，但在全國(guó)范圍內(nèi)尚未普及。在河北省秦皇島市，“在水一方”住宅小區(qū)就充分利用一體化技術(shù)，采用陽(yáng)臺(tái)掛壁式系統(tǒng)，將太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)與住宅完美結(jié)合[3]。與傳統(tǒng)建筑相比，一體化建筑有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)與特色，但為何遲遲未能普及，通過(guò)調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能建筑一體化有著以下幾大難點(diǎn)：

1)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)尚未成熟，雖然在太陽(yáng)能熱水器方面，我國(guó)已有相當(dāng)成熟的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，但在建筑一體化領(lǐng)域，還有許多技術(shù)瓶頸尚未得突破，包括從一體化太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的研發(fā)到與建筑同步施工安裝以及后期的一些使用維護(hù)，在一定程度上還需改進(jìn)與突破。

2)開(kāi)發(fā)商的利益問(wèn)題致使一體化的實(shí)施受到嚴(yán)重阻礙，相比傳統(tǒng)的普通建筑，一體化建筑需要在成本上投入更多，這就使得房屋造價(jià)提高，相應(yīng)的造成房?jī)r(jià)上漲，購(gòu)買力將受到一定影響，但如果還保持原有價(jià)格，那相應(yīng)增加的費(fèi)用將由誰(shuí)來(lái)支付，這便成了開(kāi)發(fā)商所思考的問(wèn)題。

3)政府支持力度不夠，沒(méi)有相應(yīng)的政策來(lái)扶持，導(dǎo)致技術(shù)難以突破，建筑一體化實(shí)施嚴(yán)重受阻。

4)老百姓對(duì)此認(rèn)知不夠深，尤其在相對(duì)落后的地區(qū)，大家對(duì)一體化和建筑節(jié)能認(rèn)知甚淺，讓他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)花費(fèi)更多的錢來(lái)選擇相對(duì)環(huán)保美觀的一體化住宅，不可避免的存在一些困難。

2 太陽(yáng)能理論研發(fā)及安裝技術(shù)難點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑一體化，需要從太陽(yáng)能加熱裝置的研發(fā)和安裝技術(shù)等方面突破，通過(guò)調(diào)查走訪，結(jié)合實(shí)地建筑情況和群眾反映，總結(jié)如下。

2.1 政府的相關(guān)政策

政府出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)支持一體化技術(shù)的研發(fā)，并給予一定的資金支持，這樣百姓花相同或者更少的錢就能住上更環(huán)保節(jié)能、適宜美觀的住宅。

2.2 技術(shù)改進(jìn)

加快突破相應(yīng)的技術(shù)瓶頸，在原有技術(shù)上相應(yīng)的提高和改進(jìn)，現(xiàn)階段，主要解決安裝上遇到的諸多問(wèn)題，面對(duì)不同的住宅類型，應(yīng)有對(duì)應(yīng)的解決方法。

在供熱系統(tǒng)的安裝過(guò)程，主要從以下幾方面著手：

1)與建筑墻體結(jié)合：太陽(yáng)能供熱與墻面一體化，可以從太陽(yáng)能集熱蓄熱墻和太陽(yáng)能集熱墻保溫墻板以及墻面附加集熱器的設(shè)計(jì)幾個(gè)方面攻破。集熱蓄熱墻現(xiàn)階段主要有實(shí)體式集熱蓄熱墻、水墻式集熱蓄熱墻、快速集熱墻等幾種形式，在傳統(tǒng)的房屋建筑里，大多數(shù)選擇在墻面涂上黑色或者某種深色涂料，以此來(lái)提高太陽(yáng)的吸收率[5]。這樣的墻體能夠通過(guò)熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流等作用將大量的熱量傳遞到房屋內(nèi)部。在涂料的選擇上，為了大幅提高太陽(yáng)能的利用率，多數(shù)設(shè)計(jì)者選擇黑色的涂料，然而這也對(duì)建筑美觀造成一定程度影響，所以，設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，可以適當(dāng)加入活躍的色彩，讓建筑環(huán)境更加豐富。太陽(yáng)能集熱器保溫墻板，是在不影響主體結(jié)構(gòu)的前提下，將集熱器附著于墻體表面，將蓄水裝置安裝在墻體中，實(shí)現(xiàn)與墻體的一體化。從采光角度分析，建筑墻體有著廣闊的采光面積，不會(huì)出現(xiàn)將集熱器從屋頂移至墻體而造成集熱效果下降問(wèn)題，從建筑本身考慮，不但節(jié)約了墻體的建筑材料，更節(jié)省下房屋的空間，滿足了適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。除此之外，還可將太陽(yáng)能集熱器作為陽(yáng)臺(tái)的護(hù)欄和空調(diào)遮擋等建筑外墻構(gòu)件，達(dá)到一種材料多種用途的目的。

2)與建筑陽(yáng)臺(tái)結(jié)合：傳統(tǒng)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)集熱器安裝于屋頂，管線需要通過(guò)許多樓層才能到達(dá)每一戶人家，不但使安裝成本提高，更使得管線內(nèi)存放過(guò)多冷水，底層用戶在使用前需要將管內(nèi)存水排除，一定程度上造成時(shí)間和資源浪費(fèi)。一體化設(shè)計(jì)將集熱器置于陽(yáng)臺(tái)可以徹底解決這一問(wèn)題，減短管線并減少熱量損耗，定會(huì)成為用戶青睞的設(shè)計(jì)[4]。

3)與建筑屋面結(jié)合：當(dāng)建筑注重立面美觀時(shí)，部分墻面的一體化設(shè)計(jì)將會(huì)受到影響，這時(shí)與屋面的一體化將應(yīng)運(yùn)而生。太陽(yáng)能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)中與屋面的結(jié)合主要以坡屋面為主，而這包括小區(qū)里面的住宅和多數(shù)農(nóng)村的低層房屋建筑。首集熱置于屋頂將不受太陽(yáng)朝向的影響，不會(huì)受到其他建筑構(gòu)件的遮擋，還大大改善采光環(huán)境。在小區(qū)住宅中，只要與建筑設(shè)計(jì)、施工等同步進(jìn)行，當(dāng)前業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)初步趨于成熟，但要在農(nóng)村的瓦房中實(shí)現(xiàn)一體化，還需要克服如何穩(wěn)定而又安全的安裝等一系列問(wèn)題。好多瓦房的屋面雖然有一定的整體性，但局部的穩(wěn)定性和受壓強(qiáng)度低于平屋頂房屋，如果按平屋頂?shù)陌惭b方法定不可行，這就要求能有更合理、安全的安裝方法誕生，來(lái)提高一體化的普及率。以云南部分農(nóng)村為例，多數(shù)房屋的屋頂為瓦屋面，這直接導(dǎo)致太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)安裝于主體房屋以外，這樣的設(shè)置造成占地面積的增多和成本的提高，與太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)背道而馳。造成此類現(xiàn)象最主要的原因是缺乏相關(guān)的技術(shù)，必須找到理想的材料和合理的安裝方法才能讓傳統(tǒng)的瓦房實(shí)現(xiàn)建筑一體化。采光集熱材料的選擇需結(jié)合瓦屋面的受力情況，最大限度采用輕質(zhì)材料，同時(shí)摒棄傳統(tǒng)燒制的泥瓦，采用新型材料制作的瓦片，比如使用合成樹(shù)脂瓦，具有質(zhì)量輕、堅(jiān)韌、安裝方便等特點(diǎn)。

4)與建筑遮陽(yáng)結(jié)合：作為大多數(shù)建筑中必不可少的構(gòu)件，遮陽(yáng)系統(tǒng)起著遮擋陽(yáng)光、調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等重要作用。將太陽(yáng)能集熱器作為遮陽(yáng)構(gòu)件，可以大大減少空間，降低建筑成本。同時(shí)，將遮陽(yáng)實(shí)現(xiàn)智能化，隨著季節(jié)變化，不同的地點(diǎn)有不同的角度更正，充分提高太陽(yáng)能利用率。

2.3 一體化協(xié)同設(shè)計(jì)

除上述改進(jìn)方法，還需從這兩點(diǎn)著手實(shí)現(xiàn)一體化協(xié)同設(shè)計(jì)：首先要考慮建筑物自身環(huán)境的設(shè)計(jì)，建筑物間距和綠化帶的設(shè)置是影響日照效果的重要因素，所以應(yīng)該做到適宜間距與合理綠化；其次，困擾大多數(shù)用戶的一個(gè)難題將是天氣變化帶來(lái)的影響，當(dāng)連續(xù)陰雨天時(shí)，太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)將不能正常提供熱水。對(duì)此，我們可以將太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)與空氣能熱水器相結(jié)合，但現(xiàn)階段空氣能熱水器受環(huán)境適應(yīng)性和水箱體積影響，在部分地區(qū)普及率較低，這需要在技術(shù)上不斷改進(jìn)，做到真正的適宜節(jié)能建筑一體化。

3 太陽(yáng)能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

建筑一體化，要求建筑與設(shè)計(jì)融為一體，將太陽(yáng)能供熱裝置與建筑構(gòu)件有機(jī)結(jié)合，使其成為建筑構(gòu)件的一部分，故太陽(yáng)能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)有許多特點(diǎn)：

1)充分利用太陽(yáng)能，能夠有效降低建筑用能，符合建筑節(jié)能相關(guān)政策。

2)讓太陽(yáng)能供熱裝置與建筑本身構(gòu)件完美結(jié)合，不但節(jié)約了建筑材料、降低了空間的使用，而且使得建筑更加美觀。

3)充分與建筑墻體、陽(yáng)臺(tái)、屋面(平屋面與坡屋面)、遮陽(yáng)等自身構(gòu)件有機(jī)相協(xié)，與傳統(tǒng)住宅相比，美觀和節(jié)能得到諸多改善。

4)一體化要求與建筑同步施工，節(jié)省工序和費(fèi)用，節(jié)約工期。

5)太陽(yáng)能與建筑一體化建筑使用維護(hù)過(guò)程中相比傳統(tǒng)建筑費(fèi)用更低，使得建筑更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)與墻體、陽(yáng)臺(tái)、屋面、遮陽(yáng)的結(jié)合，可根據(jù)不同的建筑風(fēng)格進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，在充分保障美觀適用與經(jīng)濟(jì)綠色的同時(shí)，留住了建筑的名風(fēng)名俗。為深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念，太陽(yáng)能供熱有著巨大的建筑市場(chǎng)，加之人們對(duì)建筑美觀的要求不斷提高。為適應(yīng)現(xiàn)代化的各式建筑，需要對(duì)建筑材料和供熱系統(tǒng)不斷改革創(chuàng)新，這將給設(shè)計(jì)和安裝提出新的挑戰(zhàn)。