使建筑增值的陶瓷太陽(yáng)能房頂

許建華，王啟春，修大鵬，趙之彬，孫啟正，曹樹(shù)梁

（山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014）

1 陶瓷太陽(yáng)能房頂符合建筑發(fā)展的要求

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50364-2005）提出：“當(dāng)前太陽(yáng)能熱水器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與建筑脫節(jié)，太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品往往自成系統(tǒng)，作為后置設(shè)備在建筑上安裝和使用，即便是新建建筑物考慮了太陽(yáng)能熱水器，也是簡(jiǎn)單的疊加安裝，必然對(duì)本來(lái)是完整的建筑形象和構(gòu)件造成一定程度的損害，同時(shí)其設(shè)置位置和管線布置也難以與建筑平面功能及空間布局相協(xié)調(diào)，安全性也受到影響；太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合，就是把太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)產(chǎn)品作為建筑構(gòu)件安裝，使其與建筑有機(jī)結(jié)合；需要從建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始，考慮設(shè)計(jì)、安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，包括外觀上的協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)集成、布局和管線系統(tǒng)等方面做到同時(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)施工安裝?！?/p>

房頂是離人類最近、最容易獲得陽(yáng)光的場(chǎng)所，制造太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)放在建造好的房頂上，不如將整座房頂一次建造成與建筑一體化、具有傳統(tǒng)房頂功能、造價(jià)與傳統(tǒng)建筑相當(dāng)、主要部件壽命與建筑相當(dāng)，同時(shí)具有收集陽(yáng)光功能的陶瓷太陽(yáng)能房頂。陶瓷太陽(yáng)能房頂采用中空黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板為太陽(yáng)能集熱體，黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板以普通陶瓷為基體，立體網(wǎng)狀釩鈦黑瓷為表面層，兩者經(jīng)1 200℃以上高溫?zé)Y(jié)為整體瓷質(zhì)制品，也稱作復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板，簡(jiǎn)稱陶瓷太陽(yáng)板。

2 陶瓷太陽(yáng)能房頂與建筑結(jié)構(gòu)一體化

傳統(tǒng)兩面坡或四面坡瓦片房頂由三角形空間、屋面板（結(jié)構(gòu)層）、下找平層、下防水層、保溫層、細(xì)石混凝土鋼筋網(wǎng)找平層（上找平層、持釘層）、順?biāo)畻l、掛瓦條、平瓦（上防水層）、正脊、斜脊、天溝、挑檐、檐口封邊瓦、檐口擋箅、檐口通風(fēng)條等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有一定的濕法施工工程量。

陶瓷太陽(yáng)能房頂由一面坡屋面板、混凝土邊框、下找平層、下防水層、帶錨樁件的剛性墊板、保溫層、陶瓷太陽(yáng)板、硅橡膠連接短管、上下匯集管、快接件、30 mm空氣層、鋼化玻璃板（上防水層）構(gòu)成，干法施工，一般稱作剛性墊板錨樁支撐結(jié)構(gòu)陶瓷太陽(yáng)能房頂。

傳統(tǒng)瓦片房頂采用兩面坡或四面坡屋面板為結(jié)構(gòu)層，陶瓷太陽(yáng)能房頂采用一面坡屋面板為結(jié)構(gòu)層，陶瓷太陽(yáng)能房頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)層就是原房頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)層，稱作與原房頂共用結(jié)構(gòu)層。傳統(tǒng)房頂采用聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、酚醛樹(shù)脂泡沫板或者現(xiàn)澆珍珠巖水泥保溫層等，陶瓷太陽(yáng)能房頂一般采用聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、酚醛樹(shù)脂泡沫板保溫層，稱作與原房頂共用保溫層。傳統(tǒng)房頂與陶瓷太陽(yáng)能房頂都采用防水卷材作為下防水層，傳統(tǒng)房頂采用脊瓦、平瓦、封邊瓦等作為上防水層，陶瓷太陽(yáng)能房頂采用鋼化玻璃板作為上防水層，稱作與原房頂共用防水層。玻璃板之間用不銹鋼S鉤固定，玻璃板與混凝土邊框用不銹鋼直角鉤固定，硅酮膠密封。

陶瓷太陽(yáng)能房頂與原房頂共用結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層，與建筑同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工安裝，不論外觀還是整體上都能同建筑與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，風(fēng)格統(tǒng)一、安全可靠、性能穩(wěn)定、布局合理，是兼具太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)功能的太陽(yáng)能房頂。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)作為建筑構(gòu)件與建筑有機(jī)結(jié)合為整體，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)一體化。

3 陶瓷太陽(yáng)能房頂與建筑成本一體化

傳統(tǒng)房頂夏季晴天上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)房頂溫度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到70℃左右，整座房頂成為蓄熱體，到下半夜房頂仍然在散熱，冬天傳統(tǒng)房頂是大面積的散熱面，所以多數(shù)房頂有三角形空間用于進(jìn)一步保溫、隔熱。陶瓷太陽(yáng)能房頂夏天進(jìn)入房頂?shù)钠鹗妓疁厥?0℃左右，至下午4點(diǎn)左右加熱的目標(biāo)是50～60℃生活熱水，并且達(dá)到預(yù)期溫度的熱水全部自動(dòng)進(jìn)入保溫水箱，房頂中沒(méi)有水，房頂蓄熱大幅度減少，冬天房頂吸熱，從根本上提高了房頂?shù)母魺?、保溫效果。鋼化玻璃板搭接固定密封，陶瓷太?yáng)能房頂?shù)母魺?、保溫、防水、防風(fēng)性能明顯優(yōu)于普通房頂，可以將三角形空間轉(zhuǎn)化為有效的居住面積，轉(zhuǎn)化為北屋和儲(chǔ)物間。山東省巨野縣核桃園鎮(zhèn)，吳平坊村的新農(nóng)村建設(shè)中，采用陶瓷太陽(yáng)能房頂將每戶三角形空間轉(zhuǎn)化為40 m2北屋和26 m2斜坡儲(chǔ)物間，增加建筑面積的價(jià)值超過(guò)增加墻壁和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的費(fèi)用，使單位建筑面積造價(jià)下降，使建筑物明顯增值，這種增值在別墅和城市建筑中更會(huì)成倍放大。

目前農(nóng)村建筑通常不按照建筑標(biāo)準(zhǔn)建造房頂，多是在下防水層上鋪水泥層，在水泥層上直接貼粘土瓦，房頂?shù)脑靸r(jià)與性能都大幅度下降。山東省巨野縣核桃園鎮(zhèn)吳平坊村采用陶瓷太陽(yáng)能房頂，經(jīng)初步核算，由于增加了建筑面積，每平方米造價(jià)可以低于原設(shè)計(jì)造價(jià)，使建筑增值，使陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與建筑成本一體化。這也是陶瓷太陽(yáng)能房頂受到當(dāng)?shù)鼐用駳g迎的主要原因之一。

陶瓷太陽(yáng)能房頂使整座房頂成為具有了提供能量、保溫、隔熱、防水、防風(fēng)性能優(yōu)良的房頂，并使房頂增加了使用價(jià)值。

4 陶瓷太陽(yáng)能房頂主要部件與建筑壽命一體化

陶瓷太陽(yáng)板效率高、壽命長(zhǎng)、無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)放射性、不腐蝕、不老化、不衰減、陽(yáng)光吸收比0.94，是全瓷質(zhì)太陽(yáng)能集熱體，也是新型建材；保溫材料、剛性墊板、鋼化玻璃是傳統(tǒng)建材，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷太陽(yáng)能房頂?shù)闹饕考c建筑壽命一體化。

目前采用兩種保溫材料，一種是單層酚醛樹(shù)脂泡沫板，另一種下面是聚苯乙烯擠塑板，上面是聚氨酯泡沫板，都屬于常用的建筑材料。錨樁結(jié)構(gòu)組件可以調(diào)整高度，陶瓷太陽(yáng)能房頂內(nèi)十分干燥，從使用幾年后的效果看，鍍鋅螺栓組件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何生銹的跡象。陶瓷太陽(yáng)板是中空陶瓷板，陶瓷太陽(yáng)板之間熱水的流通采用專門(mén)定制的進(jìn)口硅橡膠管，連續(xù)5年使用沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象，近期建造的陶瓷太陽(yáng)能房頂?shù)墓柘鹉z管上面加蓋了鍍鋅鐵皮，以阻擋陽(yáng)光直接照射。陶瓷太陽(yáng)能房頂及建筑內(nèi)使用的管道采用薄壁不銹鋼管，連接件采用鑄鐵快接件，鑄鐵快接件內(nèi)原橡膠密封圈全部換為專門(mén)定制的硅橡膠密封圈，原鐵墊圈不適用于薄壁不銹鋼管，全部換為專用的鐵墊圈。

陶瓷太陽(yáng)能房頂已經(jīng)試用、使用數(shù)年時(shí)間，從理論上說(shuō)陶瓷太陽(yáng)板可以與建筑同壽命，陶瓷太陽(yáng)能房頂主要部件是常用的建筑材料，可以實(shí)現(xiàn)與建筑壽命一體化。陶瓷太陽(yáng)能房頂是一種設(shè)備，也是建筑的一部分，與普通設(shè)備、房頂一樣，也需要必要的維護(hù)、維修。

陶瓷太陽(yáng)能房頂?shù)慕ㄔ?、使用、維護(hù)、維修需要有上下平臺(tái)、上下通道、四周欄桿。陶瓷太陽(yáng)能房頂是一面坡房頂，坡底和坡頂都設(shè)計(jì)有平臺(tái)，一般下平臺(tái)在南面，上平臺(tái)在北面；在坡房頂上下平臺(tái)之間設(shè)有臺(tái)階通道，下平臺(tái)與房間之間也有通道；平臺(tái)外側(cè)和房頂兩側(cè)設(shè)有欄桿，上述平臺(tái)也是陽(yáng)臺(tái)。

山東省巨野縣核桃園鎮(zhèn)吳平坊村的陶瓷太陽(yáng)能房頂建筑都是7戶聯(lián)排住宅，原設(shè)計(jì)二層，改房頂設(shè)計(jì)為陶瓷太陽(yáng)能房頂后成為三層。每戶一、二層各80 m2，三層是40 m2北屋和26 m2斜頂儲(chǔ)物間，采用每戶單獨(dú)通道，每戶采用52 m2陶瓷太陽(yáng)板，擁有獨(dú)立太陽(yáng)能系統(tǒng)。也可以建造10戶聯(lián)排經(jīng)濟(jì)型住宅，每戶一、二層各50 m2，三層是25 m2北屋，10戶共用一個(gè)通道，全房頂滿鋪陶瓷太陽(yáng)板，房頂利用率比較高，每戶采用49 m2陶瓷太陽(yáng)板，擁有獨(dú)立太陽(yáng)能系統(tǒng)。

5 陶瓷太陽(yáng)能房頂?shù)闹饕猛?/h2>

陶瓷太陽(yáng)能房頂可以使陽(yáng)光利用最大化，為各種建筑提供熱水、取暖、空調(diào)；充分利用可再生能源，為節(jié)能減排，減少霧霾天氣做出貢獻(xiàn)；降低建筑和相關(guān)設(shè)備建設(shè)成本、降低建筑物運(yùn)行成本。

目前主要可以為獨(dú)立住宅即農(nóng)居、別墅、城鄉(xiāng)結(jié)合部的獨(dú)戶住宅等提供部分冬天取暖的熱能、全年生活熱水；為廠礦企業(yè)的車間、倉(cāng)庫(kù)、辦公樓及養(yǎng)殖業(yè)等提供部分冬天取暖、全年生活熱水；為城市住宅樓、公共建筑、服務(wù)業(yè)、學(xué)校、機(jī)關(guān)、賓館、飯店、游泳池等提供部分或全部熱水。

黃淮地區(qū)如黃河以南及淮河流域目前多數(shù)農(nóng)村地區(qū)沒(méi)有取暖或取暖設(shè)備，可能涉及上億人口。如山東菏澤地區(qū)目前農(nóng)村人口800萬(wàn)左右，歷史上冬天不取暖，冬天室內(nèi)溫度甚至低于室外，一年四季敞開(kāi)大門(mén)過(guò)日子，冬天平均氣溫0℃左右或以下。2014年2月5～10日，平地雪厚400 mm，夜間最低溫度零下10℃，歷年來(lái)當(dāng)?shù)囟纠夏耆怂劳雎时容^高。陶瓷太陽(yáng)能房頂熱水能量可以儲(chǔ)存5～10 d，可以使相同面積的普通房間在取暖季節(jié)平均室溫達(dá)到10℃以上，至少可以提供1～2間房間的取暖。隨著生活水平提高，長(zhǎng)江流域居民也正在逐步產(chǎn)生發(fā)展冬季取暖的愿望。

我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)，冬天主要依靠燒煤取暖，白天室溫大多在12℃左右，夜間封爐后室溫下降，平均室溫10℃左右或以下。我國(guó)北方地區(qū)獨(dú)立住宅的陶瓷太陽(yáng)能房頂一般可以為相同面積的普通房間提供50%左右的取暖能量，也可以為少量房間提供更高比例的取暖能量，目前北方農(nóng)村家庭多為1～2間房間取暖。

陶瓷太陽(yáng)能房頂要達(dá)到房頂陽(yáng)光利用最大化的效果，應(yīng)該盡量采用全面積陶瓷太陽(yáng)能房頂。如20層住宅樓，電梯間放在北面，戶均建筑面積100 m2,垂直20戶共同擁有房頂面積100 m2左右，斜面大于平面，戶均陶瓷太陽(yáng)能房頂采光面積可以達(dá)到5 m2左右，即便考慮到房頂至一層的主熱水管道恒溫循環(huán)消耗，戶均有效采光面積的實(shí)際效果也可以達(dá)到4 m2左右，考慮到傳統(tǒng)普通單臺(tái)太陽(yáng)能熱水器采光面積一般是2 m2左右，所以陶瓷太陽(yáng)能房頂應(yīng)該可以提供20層住宅樓住戶生活熱水。

調(diào)整單位面積加熱水量，如濟(jì)南地區(qū)每平方米加熱30 L水量，夏季晴天陶瓷太陽(yáng)能房頂水溫可以達(dá)到100℃。根據(jù)記錄，2013年夏季49 d水溫達(dá)到100℃，每天可以維持1～4 h，大量能量和水資源轉(zhuǎn)化為蒸汽。溫水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)可以將75℃以上熱水轉(zhuǎn)換為8～10℃冷水，風(fēng)機(jī)盤(pán)管可以將冷水轉(zhuǎn)換為冷風(fēng)，提供空調(diào)制冷。小型溫水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)價(jià)格過(guò)高，而制冷機(jī)的功率與價(jià)格不是同比例增加。如目前10 kW近10萬(wàn)元，100 kW約23萬(wàn)元，400 kW約34萬(wàn)元，800 kW約45萬(wàn)元。一般新農(nóng)村的公共建筑、工廠建筑密度比較高，夏天采用聯(lián)戶或聯(lián)棟的方式，大面積陶瓷太陽(yáng)能房頂可以提供大量熱水，可以采用大功率制冷機(jī)向各戶或各棟建筑的風(fēng)機(jī)盤(pán)管提供制冷冷水。比如對(duì)數(shù)百戶新農(nóng)村社區(qū)每戶提供2 kW的制冷能量，戶均投資額1萬(wàn)元以下可能是今后的努力方向，公共建筑、工廠建筑可以用這種方式向部分建筑提供制冷能量，這種方式的本質(zhì)是集中式空調(diào)。陶瓷太陽(yáng)能房頂空調(diào)利用的開(kāi)發(fā)可能為夏天過(guò)剩的熱水和能量找到利用途徑。

6 發(fā)展中的陶瓷太陽(yáng)能房頂

陶瓷太陽(yáng)板陽(yáng)光吸收比0.94，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.92，陶瓷太陽(yáng)能房頂日有用得熱量8.6 MJ，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)7.0 MJ；陶瓷太陽(yáng)能房頂是多年以來(lái)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑一體化不斷改進(jìn)、發(fā)展的一種應(yīng)用形式，可以實(shí)現(xiàn)與建筑一體化，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、干法施工、建造成本比較低，增加建筑面積，可以使建筑增值。