太陽能光熱設(shè)備與建筑一體化設(shè)計

陶志禮

摘要: 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，也是最豐富的可利用能源，可以說是“取之不盡，用之不竭”的。但如何合理利用太陽能，降低開發(fā)和轉(zhuǎn)化的成本是節(jié)能建筑中的重要任務(wù)。太陽能熱水利用是成熟技術(shù)，將太陽能熱水器部件與住宅總體設(shè)計緊密結(jié)合，使其成為建筑的有機組成部分是太陽能熱水器今后的重要發(fā)展方向。文章結(jié)合我國太陽能光熱設(shè)備在建筑中的應(yīng)用狀況,對太陽能光熱設(shè)備與建筑一體化的概念、發(fā)展動態(tài)、設(shè)計途徑與方法等內(nèi)容進行了探討。

關(guān)鍵詞: 太陽能綠色能源一體化設(shè)計

前言

建筑能耗主要是指建筑在建造和使用過程中消耗的能源。我國目前正處于建設(shè)鼎盛期，全國每年城鄉(xiāng)新建房屋建筑面積近2 0 億平方米，其中8 0% 以上為高耗能建筑；既有建筑近4 0 0 億平方米，9 5% 以上是高耗能建筑。據(jù)統(tǒng)計，建筑在建造和使用過程中消耗的能源占全球總能耗的5 0%，產(chǎn)生3 4% 的污染。近年來，我國嚴寒和寒冷地區(qū)（采暖地區(qū)）的城鎮(zhèn)，平均每年新建采暖居住建筑1 億平方米。按照目前建筑能耗水平的發(fā)展狀況，預計到2020 年我國建筑能耗將達到10.89 億噸標準煤，是2000 年的三倍多；空調(diào)夏季高峰負荷將相當于1 0 個三峽水電站滿負荷供電；僅城市建筑采暖每年約排放二氧化碳1.9 億噸，粉塵3000 萬噸。國家建設(shè)部科技司研究表明，隨著我國城市化進程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，我國建筑能耗比重最終將上升至3 5% 左右。建筑如何節(jié)能的問題，已經(jīng)受到設(shè)計和使用者的重視，成為當前影響建筑發(fā)展方向的重要因素之一。因此，近年來國際上出現(xiàn)了節(jié)能型建筑設(shè)計。

建筑節(jié)能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的資源和最小的能源消費代價取得最大的經(jīng)濟和社會效應(yīng)。建筑節(jié)能具體是指節(jié)約采暖供熱、空調(diào)制冷、采光照明以及調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣、濕度、改變居室環(huán)境質(zhì)量的能源消耗，還包括利用太陽能、地熱( 水) 能源的綜合技術(shù)工程。

一我國太陽能光熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題

1 太陽能儲量與分布

如何提高可再生能源的利用程度,擴大可再生能源的利用范圍,已經(jīng)成為了人們在新世紀的重要課題。而太陽能以其清潔、儲量巨大、成本低、無地域限制和能源質(zhì)量高等眾多優(yōu)點成為可再生能源利用的首選資源。

我國受地理位置的影響,蘊藏著豐富的太陽能資源。在我國廣闊的土地上,年太陽能總輻射量超過5MJ/m2,年太陽輻照時數(shù)超過2200h的太陽能利用條件較好的地區(qū)占國土的2/3。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4kw?h/m2以上,西藏日輻射量最高達7kw?h/m2,我國太陽能資源的理論儲量達每年1.7×1013t標準煤,故開發(fā)太陽能是實現(xiàn)中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有效措施之一。

2太陽能光熱設(shè)備的應(yīng)用及主要存在的問題

目前,我國太陽能的利用技術(shù)主體上可分兩類:太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱技術(shù)。根據(jù)我國的綜合國力和消費水平,在最近幾年還不可能大規(guī)模推廣家用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。但是我國的太陽能光熱利用水平已相當高,尤其是經(jīng)過太陽能工作者20多年努力,我國太陽能熱水器的保有量已超過2×107m2，年產(chǎn)量達3×106m2，是世界上生產(chǎn)太陽能熱水器最多的國家。太陽能供熱水市場規(guī)模已居世界第一。可是我國建筑行業(yè)與太陽能光熱設(shè)備的結(jié)合卻剛剛起步,還存在著很多的問題。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是在屋頂上安裝太陽能光熱設(shè)備,這是目前最為普及的設(shè)計方法,但是它也存在諸多的缺陷。

首先,我國銷售量最大的真空管太陽能光熱設(shè)備大多是一種“一排黑色玻璃管頭頂一個大水箱”的造型,缺乏統(tǒng)一設(shè)計,與建筑外觀不相協(xié)調(diào),整體性差,破壞建筑形象,嚴重影響了城市的景觀。

其次,常規(guī)的太陽能光熱設(shè)備(包括太陽能開水器、太陽能熱水器、太陽能取暖裝置等) 通常是在房屋建造好以后,再通過自行穿墻打洞、拉固及打膨脹螺絲等手段將太陽能光熱裝置固定在房頂上,不僅破壞了建筑的整體美,而且難以解決抗颶風、防冰雹、防凍和安全保護等一系列問題,同時漏水、管道的布設(shè)困難、破壞建筑防水層等問題也時有發(fā)生。

另外,高層建筑因屋頂采光面積小,從屋頂?shù)阶魺崮茌斔途嚯x遠,損失嚴重,無法使用太陽能光熱設(shè)備。這些難以克服的種種弊端嚴重制約了太陽能光熱設(shè)備的進一步普及應(yīng)用。在一些城市甚至出現(xiàn)了強制拆除太陽能光熱設(shè)備的情況。

二太陽能光熱設(shè)備與建筑一體化設(shè)計的途徑與方法

要解決以上問題,我們就不能永遠停留在太陽能和建筑兩個層面上去關(guān)注太陽能的應(yīng)用問題,而是應(yīng)該從整個社會的角度看,它是個大系統(tǒng),涉及到城市景觀、能源發(fā)展以及老百姓的可支付能力等一系列問題。因此必須從太陽能建筑的角度去看,這就需要將太陽能光熱設(shè)備一體化設(shè)計的理念貫穿于建筑物的規(guī)劃、設(shè)計、建造、使用、維護以及改造活動中,這也正是問題的關(guān)鍵所在。

太陽能光熱設(shè)備與建筑一體化概括起來講,就是將太陽能光熱設(shè)備與建筑充分結(jié)合,改變使用中各自為政的局面,太陽能就像其他建筑部件、構(gòu)件一樣,最終也會成為建筑的一個部件,并實現(xiàn)整體外觀的和諧統(tǒng)一。具體可以通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)。

1一體化設(shè)計首先考慮外觀與風格的問題

太陽能設(shè)備在建筑上的表現(xiàn)形式有兩種,一種是彰式,就是說特意去表現(xiàn)太陽能光熱設(shè)備;一種是隱式,也就是把太陽能裝置藏起來,這兩種都是太陽能在建筑上的應(yīng)用方式,誰也不排斥誰。具體的設(shè)計原則可以表述為吸取技術(shù)美學的手法,體現(xiàn)各類建筑的特點,強調(diào)可識別性,利用太陽能構(gòu)件為建筑增加美學趣味。另外,太陽能熱水器外殼、支架、反光板的顏色需要專門定制,避免產(chǎn)生光污染。

2分體式太陽能光熱設(shè)備是實現(xiàn)一體化設(shè)計的有效途徑

新型大水量的分體式太陽能光熱設(shè)備,將真空管或平板型太陽能集熱器根據(jù)建筑設(shè)計的需要,集中或分幾塊布置于斜屋面上,猶天窗般美觀大方,若是統(tǒng)一安裝在陽臺的欄桿外或其他南立面上也整齊有序。分體式太陽熱水器另一個特點是貯熱水箱不是出現(xiàn)在屋頂上,而是在建筑的閣樓里、陽臺外、車庫里或走廊的角落、衛(wèi)生間、廚房等等,通常這類的貯熱水箱同時就是一個300L以上的貯水式電熱水器,一箱兩用,或者說是“雙能源”熱水器,陰雨天可電加熱。這種太陽光熱設(shè)備外形美觀,功能齊全,大流量供水,被稱為“家庭熱水中心”。當分體太陽光熱設(shè)備的性能和價格被大多數(shù)人接受時,建筑一體化太陽能光熱設(shè)備的普及就為時不遠了。

3有機結(jié)合,巧妙利用

靈活的將建筑各部分構(gòu)件與太陽能光熱設(shè)備有機的結(jié)合在一起,巧妙高效的利用空間,使建筑可利用太陽能的部分—向陽面或屋頂?shù)靡猿浞掷?。以下新型建筑一體化光熱設(shè)備與建筑各部分構(gòu)件有機結(jié)合,創(chuàng)造富有個性的建筑形體,為設(shè)計師提供了多種選擇。

(1)天窗式太陽能集熱器:光熱設(shè)備完全嵌入建筑屋頂內(nèi),渾然一體。作為建筑圍護構(gòu)件的一部分,安置有專門設(shè)計的排水板系統(tǒng)和固定系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)的風力和承重荷載。

(2)陽臺式太陽能集熱器:太陽能集熱設(shè)備整體放置在陽臺立面上,不占用建筑空間,還可以起到陽臺護欄和下層遮陽的作用,同時解決了高層建筑不能使用太陽能熱水器的難題。

(3)飄板式太陽能集熱器:采用輕鋼免焊飄板式結(jié)構(gòu)固定集熱器,造型獨特,立面效果突出。飄板式造型成為建筑物自有風格的完美點綴和平屋頂?shù)莫毺仫L景。

(4）壁掛式太陽能集熱器：集熱器單獨固定在建筑的南立面墻壁上，占用空間小，儲水箱則放置在室內(nèi)，熱水傳輸管道較短，解決了高層建筑的使用問題。

(5）多功能休閑亭式太陽能集熱器：集太陽能熱水器、光電板和納涼休閑功能于一體，與庭院、游泳池、花園等環(huán)境相融合。流線型設(shè)計既美觀又減少結(jié)構(gòu)的風力和承重荷載．

4綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)、水電系統(tǒng)和太陽能設(shè)備的協(xié)調(diào)

新建筑在考慮太陽能設(shè)備的安裝時,除需考慮結(jié)構(gòu)荷載及安裝固定設(shè)備的預埋件外,還應(yīng)考慮冷、熱水管道井的設(shè)置。管道井的大小以不小于100mm×100mm為宜。自然循環(huán)的太陽能光熱設(shè)備要保證水管入墻的標高低于水箱出水標高,并且水管不能有返坡。同時,要安裝好水位探頭、電加熱棒以及電磁閥等相關(guān)電氣設(shè)備。

5同步規(guī)劃設(shè)計,同步施工安裝

太陽能光熱設(shè)備與建筑一體化同步設(shè)計,并與建筑同步施工完成?？砂刺柲茉O(shè)備主機安裝、水電線路連接、自動控制儀安裝、總體調(diào)試等施工程序完成安裝(圖2)。這樣節(jié)省太陽熱水系統(tǒng)的安裝成本和建筑成本,一次安裝到位,避免后期施工對用戶生活造成的不便以及對建筑已有結(jié)構(gòu)的損害。

圖2設(shè)備施工進程圖

結(jié)語

太陽能光熱系統(tǒng)與建筑的完美結(jié)合，是在實踐的基礎(chǔ)上不斷完善的．只有在建筑設(shè)計過程中積極的配合，才能避免矛盾的產(chǎn)生，才能使太陽光熱設(shè)備放置在合適的安裝部位，滿足設(shè)備熱性能的要求．另外，由于管道與線路布置規(guī)范、經(jīng)濟，建筑有預埋防風固定構(gòu)件，既方便安裝，也易于保溫和維修．太陽熱水器對建筑的構(gòu)造、觀賞效果并沒有帶來不利影響．相信隨著太陽能技術(shù)的逐步成熟和工程實踐中經(jīng)驗的不斷積累，太陽能光熱技術(shù)將發(fā)揮出更大的優(yōu)勢，為社會做出更大的貢獻．

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。