廣州民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)一體化設計初探

文_譚偉 廣州開發(fā)區(qū)建設工程質(zhì)量檢測中心 傅樹威 郭兵 廣州市建筑科學研究院有限公司

廣州民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)一體化設計初探

文_譚偉 廣州開發(fā)區(qū)建設工程質(zhì)量檢測中心 傅樹威 郭兵 廣州市建筑科學研究院有限公司

太陽能作為一種清潔、高效的可再生能源得到了國內(nèi)外廣泛的推廣應用，并取得了巨大的成就。但是，太陽能技術(shù)在建筑上的應用發(fā)展到今天遇到了新的挑戰(zhàn)，究其原因是由于我們一直將二者割裂的看待，太陽能熱水系統(tǒng)不是自然的在建筑上“生根發(fā)芽”，而是被人為的“嫁接”到了建筑上。

這種高度分散的應用模式引發(fā)了最近幾年傳統(tǒng)太陽能熱水設備在城市住宅應用中的諸多問題。具體表現(xiàn)在：①不規(guī)范的自行安裝模式使太陽能產(chǎn)品無法與建筑、環(huán)境相協(xié)調(diào)，顯得雜亂無章，給城市的邊際景觀造成了視覺污染；②由于國內(nèi)標準不完善，標準不一的太陽能產(chǎn)品破壞了建筑的結(jié)構(gòu)與功能，在建筑的防水、防雷、防風、承重等方面留下了安全隱患；③屋頂采光面積有限而無法滿足全部住戶使用要求，導致屋頂所有權(quán)存在爭議，后期物業(yè)管理、維護不方便；④部分太陽能安裝管道內(nèi)大量存水、管線外露，夜間散熱大，造成用水浪費，產(chǎn)品不承壓，在高層建筑中與供水管網(wǎng)壓力不匹配，開放式儲熱水箱與非循環(huán)用水方式，易造成水質(zhì)不衛(wèi)生等問題。這些都嚴重制約了太陽能利用的發(fā)展和建筑節(jié)能的進一步實施。

本文通過對廣州市地方技術(shù)規(guī)范《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化設計標準》編制的總結(jié)，對太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化設計的全過程進行一個簡單的闡述和總結(jié)。

1 地域特色及背景

廣州地處南亞熱帶，太陽輻照量介于5400～6700 MJ/m2·a，屬于太陽能資源豐富區(qū)，夏長冬暖、炎熱潮濕，臺風及雷電雨水等自然性災害較多，采用太陽能熱水系統(tǒng)的建筑應注重防水防潮防雷電、通風隔熱、防風抗震。在太陽能熱水系統(tǒng)設備的選擇上，應重點關注防銹、防風功能，宜采用平板型集熱器、U型管式真空管集熱器和全玻璃真空管型集熱器。

隨著《廣東省民用建筑節(jié)能條例》的實施，廣東省內(nèi)具備太陽能光熱條件的建筑，都將強制要求安裝太陽能光熱設施，未按照標準進行設計的，不得通過施工圖設計文件審查和竣工驗收備案。《廣州市民用建筑節(jié)能管理試行辦法》第二十一條也提出：本市新建12層以下的居住建筑和實行集中供應熱水的醫(yī)院、學校、賓館、游泳池、公共浴室等公共建筑應當優(yōu)先采用太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設計，并按照相關規(guī)定和技術(shù)標準配置太陽能熱水系統(tǒng)。

2 太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化的設計理念

2.1 規(guī)劃設計

在規(guī)劃設計階段，除了要考慮建筑功能、場地條件、周邊環(huán)境等制約規(guī)劃設計的因素外，在確定建筑布局、朝向、間距、群體組合和空間環(huán)境時，應結(jié)合建設場地的地理、氣候、日照條件等因素，最大限度地滿足太陽能熱水系統(tǒng)設計和安裝的技術(shù)要求。設計安裝太陽能熱水系統(tǒng)的建筑單體或建筑群體，主要朝向宜為朝南偏東15°至南偏西15°的范圍內(nèi)，建筑體型及空間組合應與太陽能熱水系統(tǒng)緊密結(jié)合，為充分接收太陽輻射創(chuàng)造條件。在裝置太陽能集熱器的建筑物周圍進行景觀設施設計及環(huán)境綠化配置時，應注意避免對投射到太陽能集熱器上的陽光造成遮擋，規(guī)劃設計時應進行日照計算分析，確保集熱器在冬至日的日照時數(shù)不少于4h。

此外，規(guī)劃設計階段應根據(jù)建筑類型、用水習慣、物業(yè)管理要求、輔助能源種類、系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性能及控制系統(tǒng)的簡便可靠性等綜合因素來選擇適用的太陽能熱水系統(tǒng)類型。按照集熱與供熱水的方式，可分為三種系統(tǒng)進行規(guī)劃設計。（見表1）。

2.2 建筑設計

建筑設計應結(jié)合建筑功能及其對熱水供應方式的需求，充分考慮太陽能熱水系統(tǒng)的選型、組合方式、安裝位置，需將太陽能熱水系統(tǒng)作為建筑的組成元素，與建筑有機結(jié)合，保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，同時避免集熱器部位受建筑自身及周圍設施和綠化樹木的遮擋，對設置太陽能集熱器的部位應采取安全防護措施，避免因太陽能集熱器損壞可能對人員造成的傷害。

應用太陽能熱水系統(tǒng)的民用建筑設計應與太陽能熱水系統(tǒng)設計同步進行，建筑設計單位應完成以下工作：①根據(jù)用戶對熱水系統(tǒng)的使用需求確定太陽能熱水系統(tǒng)的選型和方式；②確定太陽能集熱器的安裝位置，協(xié)調(diào)太陽能集熱器與建筑整體及周圍環(huán)境的關系；③確定集熱器面積，進行系統(tǒng)設計；④明確太陽能集熱器在建筑立面中的構(gòu)圖要求，并在相應位置設置預埋件，為太陽能集熱器的錨固、安裝提供安全牢靠的條件；⑤確定貯水箱的位置，滿足貯水箱在其位置上的荷載要求及該位置相應的排水、防水要求；⑥確定貯水箱與太陽能集熱器之間的管道走線方式及位置，預埋防水套管并在豎向管井中預留相應的管道位置；⑦明確輔助能源設備的種類、安裝位置；⑧滿足以上系統(tǒng)設備安全、牢固安裝，便于維護檢修的要求。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

在結(jié)構(gòu)設計時，應滿足設置在建筑任何部位的太陽能熱水系統(tǒng)與建筑錨固牢靠，應確保建筑物的承載、防水等功能不受影響，還應充分考慮太陽能集熱器與建筑物共同抵御強(臺)風、暴雨、冰雹、雷電及地震等自然災害的能力，同時不得影響該建筑部位的承載、防護、保溫、防水、排水等相應功能。

表1

2.4 給排水設計

安裝太陽能熱水系統(tǒng)貯水箱、熱水機組等設備的機房或安裝地點應設排水溝、地漏等排水設施并與建筑內(nèi)的排水系統(tǒng)連接。在管線布置上，應合理布置太陽能循環(huán)管路以及冷、熱水供應管路，建筑設計時應預留所有管線的接口、通道或豎井，嚴防滲漏，盡可能減少熱水管路的長度，減少熱能耗。

2.5 電氣設計

太陽能熱水系統(tǒng)的電氣設計應滿足太陽能熱水系統(tǒng)用電負荷的分級和運行安全，設置在屋面的太陽能熱水系統(tǒng)應采取有效的防雷設計措施。由于太陽能是不穩(wěn)定的間歇能源，電氣設計時應考慮配置另一輔助形式能源的加熱設備，在陰雨天或夜晚用其補充或替代熱水的不足。

2.6 其他

太陽能熱水系統(tǒng)設計應進行技術(shù)經(jīng)濟性比較，包括太陽能保證率、太陽能熱水系統(tǒng)年節(jié)能量、太陽能熱水系統(tǒng)經(jīng)濟回收期的測算等，整體上滿足節(jié)能節(jié)水、安全衛(wèi)生、環(huán)境保護等有關規(guī)定。

3 基于一體化設計的太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化選擇

太陽能熱水系統(tǒng)設計應作為建筑給排水熱水供應設計的一部分，與太陽能專業(yè)人員協(xié)調(diào)合作設計。集熱器的位置、色澤及數(shù)量要與建筑師配合設計，在承載、控制等方面要與結(jié)構(gòu)專業(yè)、電氣專業(yè)配合設計，使太陽能熱水系統(tǒng)真正納入到建筑設計當中來。從太陽能熱水系統(tǒng)與建筑相結(jié)合的基本要求出發(fā)，要針對廣州的氣候特點，尤其是太陽輻射資源的全年變化以及全年氣溫變化的特點，充分考慮建筑物的使用功能、地理環(huán)境和當?shù)氐陌惭b條等綜合因素，選擇太陽能熱水系統(tǒng)面積、類型、色澤和安裝位置等。現(xiàn)有太陽能熱水器產(chǎn)品的尺寸規(guī)格不一定滿足建筑設計的要求，因而從有利于建筑圍護結(jié)構(gòu)一體化結(jié)合的原則出發(fā)，必須強調(diào)太陽能集熱器的規(guī)格與建筑模數(shù)相協(xié)調(diào)。

4 太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能效益評估和能效測評

在設計階段對太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟效益與環(huán)境效益進行預評估和長期監(jiān)測，能充分體現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保效益優(yōu)于常規(guī)熱水系統(tǒng)，不斷總結(jié)設計與施工的經(jīng)驗教訓，更好的推廣太陽能熱水系統(tǒng)的應用。同時可以及時發(fā)現(xiàn)運行故障，提高運行管理水平，更好地節(jié)約能源，整體上滿足節(jié)能節(jié)水、安全衛(wèi)生、環(huán)境保護等有關規(guī)定。

5 結(jié)束語

太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設計已越來越引起人們的關注，逐漸成為建筑節(jié)能的主要研究和發(fā)展方向。太陽能熱水系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)、使用者、開發(fā)商、建筑師、監(jiān)督檢測人員等各個不同群體應該緊密溝通、廣泛合作，將太陽能系統(tǒng)作為建筑的一個構(gòu)件加以考慮，與建筑同步設計、統(tǒng)一施工、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護，將太陽能熱水系統(tǒng)很好的融入到建筑之中，既提供新能源的使用又不破壞建筑的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“太陽能由零散購買逐步向工程化、源頭化的模式轉(zhuǎn)變”，將推動太陽能熱水系統(tǒng)作為標準建筑部品進入住宅，最終實現(xiàn)太陽能與建筑一體化的完美結(jié)合。