太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化的實(shí)踐與思考

張全華

1 太陽能集熱器的背景與分類及平板集熱器的優(yōu)勢

利用太陽能的輻射熱，可以用于夏熱冬冷的地區(qū)建筑的集中采暖，還可以用來給建筑集中供應(yīng)生活熱水。我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)相對其他發(fā)達(dá)國家來說起步較晚，但由于產(chǎn)品并非特別復(fù)雜再加上國內(nèi)需求龐大，因而我國太陽能熱水器發(fā)展很快，從1979年以前的一片空白到20世紀(jì)末，已成為世界最大生產(chǎn)國和使用國，但是在太陽能的熱利用上，我國人均使用面積還是處在較低水平，并且與建筑的結(jié)合程度不密切，所以太陽能與建筑一體化必將是建筑師在建筑設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

太陽能集熱器產(chǎn)品主要有以下四種:全玻璃真空管式、熱管式和U形管式、平板式幾種。全玻璃真空管式，效率高，四季均可提供生活熱水，但與平板式集熱器相比，存在可能發(fā)生爆管的問題。熱管式效率高，系統(tǒng)較成熟，無安全隱患，但對水質(zhì)要求較高，造價高。U形管式，熱效率較高(與全玻璃真空管式相比稍低)，無安全隱患，但系統(tǒng)不夠成熟，造價較高[1］。

平板集熱器整體性好，壽命長，故障少，安全隱患、成本造價低，由于采用排空防凍技術(shù)，從而很好的解決了平板集熱器系統(tǒng)冬季不能使用的缺憾。

同時平板集熱器還具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)無真空度要求，熱性能穩(wěn)定，整體性好，使用壽命長。2)系統(tǒng)中，水或工質(zhì)在金屬流道內(nèi)流動，不接觸玻璃蓋板，不會出現(xiàn)因驟冷、驟熱引起爆管導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。3)可以實(shí)現(xiàn)緊湊式或無間隙安裝，在生產(chǎn)熱水的同時，還具有保溫、隔熱、遮光，防水的傳統(tǒng)屋面功能，這就為取代部分或全部屋面構(gòu)件提供了基礎(chǔ)。4)集熱器形狀結(jié)構(gòu)可靈活設(shè)計(jì)，尺寸可與建筑材料的模數(shù)和建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到較好的相容性。5)承壓性能好，可使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

所以，綜合考慮，在本項(xiàng)目中選擇平板式太陽能集熱器，下面將對平板集熱器的面積進(jìn)行計(jì)算。

2 室內(nèi)熱負(fù)荷的選取及計(jì)算太陽能集熱器的面積

由Ecotect模擬分析可得屋頂冬季1月份屋頂?shù)奶栞椛錇?13 W/m2。

對于太陽能集熱器面積的計(jì)算，有多種計(jì)算方式。本計(jì)算選取其中一種較為簡單實(shí)用的計(jì)算公式:

其中，Ac為太陽能集熱器面積為建筑物的供暖熱負(fù)荷，W·h;α為太陽能保證率，如不考慮輔助熱源，則取100%;JT為平均日太陽輻射量，W/m2;ηcd為集熱器的年平均集熱效率，%;ηL為貯熱水箱和管路的熱損失率，%。

1)建筑物的供暖熱負(fù)荷QN的確定。供暖熱負(fù)荷采用軟件Ecotect軟件模擬分析，根據(jù)對本項(xiàng)目的建模和各個邊界條件和建筑材料特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合武漢地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)模擬計(jì)算可以得到一年中各個月份的總的供暖熱負(fù)荷:在全年的項(xiàng)目熱負(fù)荷中以1月，2月，11月，12月的值較大，分別為:2 803 kW·h，1 332 kW·h，1 065 kW·h，2 215 kW·h，因此將該4個月作為設(shè)計(jì)供暖期符合實(shí)際要求。對于供暖熱負(fù)荷數(shù)據(jù)的選取，取1月份最大的供暖熱負(fù)荷來計(jì)算太陽能集熱器的面積。

2)其他參數(shù)的選擇。對于其他參數(shù)，即太陽能保證率α、集熱器的年平均集熱效率ηcd以及貯熱水箱和管路的熱損失率ηL均可按照經(jīng)驗(yàn)值選取，在此分別取100%，52%和15%。

3)文中選取了屋頂和南墻面，分別對其計(jì)算太陽能集熱器面積進(jìn)行計(jì)算。

4)屋頂面積計(jì)算結(jié)果。從表1中可以看出，為了節(jié)省成本應(yīng)該盡量在太陽輻射多的方向安裝太陽能集熱器。因此，首先根據(jù)以上分析的參數(shù)以及屋頂?shù)奶栞椛淞窟M(jìn)行計(jì)算可以得到，若全部安裝在屋頂所需的太陽能集熱器面積，可以看出，以1月，2月，3月，11月，12月份的太陽輻射和熱負(fù)荷不同分別計(jì)算出所需的太陽能集熱器的面積，可以看到，1月份需要的熱負(fù)荷最大，太陽輻射最小，即需要的太陽能熱水器面積最大，為106m2，3月份需要的熱負(fù)荷最小，太陽輻射最大，即需要的太陽能熱水器面積最小，為59m2，所以要使得室內(nèi)熱能量提供達(dá)到最大狀態(tài)，如果太陽能集熱器全部選擇安裝在屋頂?shù)脑?，?yīng)該選擇1月份對應(yīng)的106m2。

表1 屋頂太陽能集熱器面積計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5)南墻面積計(jì)算結(jié)果。由表2可以看出，以1月，2月，3月，11月，12月份的太陽輻射和熱負(fù)荷不同分別計(jì)算出所需的太陽能集熱器的面積，可以看到，1月份需要的熱負(fù)荷最大，太陽輻射最小，即需要的太陽能熱水器面積最大，為133m2，11月份需要的熱負(fù)荷最小，太陽輻射最大，即需要的太陽能熱水器面積最小，為61m2，所以要使得室內(nèi)熱能量提供達(dá)到最大狀態(tài)，如果太陽能集熱器全部選擇安裝在南墻的話，應(yīng)該選擇1月份對應(yīng)的133m2。

表2 南墻太陽能集熱器面積計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

6)東、西墻面積計(jì)算結(jié)果。由表3可以看出，以1月，2月，3月，11月，12月份的太陽輻射和熱負(fù)荷不同分別計(jì)算出所需的太陽能集熱器的面積，可以看到，1月份需要的熱負(fù)荷最大，太陽輻射最小，即需要的太陽能熱水器面積最大，為218m2和233m2，11月份需要的熱負(fù)荷最小，太陽輻射最大，即需要的太陽能熱水器面積最小，為91m2和87m2，所以要使得室內(nèi)熱能量提供達(dá)到最大狀態(tài)，如果太陽能集熱器全部選擇安裝在東、西墻面的話，應(yīng)該對東西墻面所需要的太陽輻射之和再進(jìn)行計(jì)算。

從南墻面、東西墻面和屋頂?shù)姆治隹梢缘玫?，由于屋頂平面所接收到的太陽輻射要大于南墻面和東、西墻面，在屋頂安裝太陽能集熱器所能得到的太陽輻射最大，需要的集熱器面積最小，所以在項(xiàng)目中，選擇屋頂安裝太陽能集熱器最為經(jīng)濟(jì)。

表3 東、西墻太陽能集熱器面積計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

綜上所述，在太陽能平板熱水器的布置中，選擇1月份對應(yīng)的106m2的太陽能熱水器能達(dá)到室內(nèi)最大的熱量，但是在2月，3月，11月，12月份室內(nèi)不需要那么多熱量的情況下造成很大部分的熱水浪費(fèi)，所以，應(yīng)該同時考慮到采暖季1月，2月，11月，12月份的太陽輻射不同來布置，以免造成太陽能平板熱水器的浪費(fèi)。

[1]曹 偉.廣議建筑節(jié)能—太陽能與建筑一體化設(shè)計(jì)[M］.北京:中國電力出版社，2008.

[2]劉閩敏，金曉東.建筑與太陽能技術(shù)一體化設(shè)計(jì)[J］.山西建筑，2010，36(13):231-232.