長春海外學(xué)人創(chuàng)業(yè)園住宅建筑太陽能技術(shù)一體化設(shè)計(jì)探究

趙暉+郭格靜

長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院

【摘 要】長春地區(qū)地處國家太陽能利用資源獎(jiǎng)勵(lì)區(qū)域，其利用價(jià)值利在當(dāng)代，功在千秋。海外學(xué)人創(chuàng)業(yè)園住宅作為地區(qū)節(jié)能建筑試點(diǎn)工程，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鳁l件，依據(jù)太陽能建筑一體化設(shè)計(jì)原則，針對(duì)性提出優(yōu)化建設(shè)方案，為住宅產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有益借鑒。

【關(guān)鍵詞】住宅；太陽能利用；一體化

1.太陽能光伏與建筑適配性的設(shè)計(jì)原則

建筑是一個(gè)綜合性高、復(fù)雜的系統(tǒng)，也是一個(gè)完整的統(tǒng)一體，如果將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與建筑相融合，同時(shí)還要保持建筑的文化特征，就必須考慮技術(shù)和美學(xué)兩方面因素，只有太陽能光伏技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，才稱得上“太陽能光伏與建筑一體化”。長春海外學(xué)人創(chuàng)業(yè)園住宅與太陽能光伏系統(tǒng)的結(jié)合，其總體規(guī)劃設(shè)計(jì)必須結(jié)合長春當(dāng)?shù)氐乩砦恢?、氣候特征和太陽能資源情況，同時(shí)也要確定建筑的布局、朝向、朝向、間距、群體組合方式和基地整體的空間環(huán)境，并滿足太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的技術(shù)要求。

在長春海外學(xué)人創(chuàng)業(yè)園住宅中，太陽能光伏與建筑一體化應(yīng)用是在建筑屋面安裝太陽能電池板，應(yīng)用太陽能發(fā)電，依靠建筑提供電力，兼顧節(jié)能降耗。太陽能光伏與建筑一體化有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：其一，統(tǒng)一性是指新建建筑的太陽能光伏系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)要與建筑同步設(shè)計(jì)、同步施工、統(tǒng)一規(guī)劃和同時(shí)安裝，同建筑、技術(shù)、美學(xué)融為一體，提高建筑物的整體美觀性；其二，替代性是指太陽能光伏組件及其技術(shù)的不斷更新，使其可以代替屋頂瓦片，還能夠保證建筑材料的隔熱、保溫和通風(fēng)等功能。

由于城市中可以利用的空間少，而太陽能電池板與建筑屋面的結(jié)合不僅不占用地面空間，還可以節(jié)省城市土地，因此太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中應(yīng)用廣泛?？梢姡柲芄夥鼞?yīng)用技術(shù)作為一種新型的技術(shù)，在建筑學(xué)已經(jīng)成為一種新的可行性選擇。太陽能光伏與建筑的一體化集成設(shè)計(jì)作為BIPV的一種高級(jí)形式，對(duì)太陽能電池板要求很高，強(qiáng)調(diào)在保證發(fā)電量的前提條件下，并且要最大化的保持建筑外觀的和諧統(tǒng)一以及功能的要求。

太陽能與建筑一體化應(yīng)遵循以下四種原則：

功能性原則：應(yīng)包含太陽能光伏系統(tǒng)本身的功能和建筑本身的設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅要保證建筑表皮美學(xué)的形式，還要保證建筑自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性以及具體實(shí)施起來和操作起來的可行性。

美觀性原則：作為一名建筑師，從建筑的美觀性角度來講，太陽能電池板需要經(jīng)過前期與建筑有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)，才不會(huì)成為建筑上累贅的附屬物，才不會(huì)破壞建筑的立面造型，分體式的熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合程度較好，可以將太陽能電池板看作建筑表面的構(gòu)件，事先將水箱、輔助加熱器等放置在住宅悶頂內(nèi)，融入到建筑中。

適宜性原則：進(jìn)行熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)需要正確選擇與該建筑適配的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，要綜合占用空間、與建筑的結(jié)合性，筆者為此坡屋頂建筑選擇了集中——分戶式太陽能熱水系統(tǒng)，集中式只需整體安裝統(tǒng)一的太陽能電池板和儲(chǔ)熱水箱，維修管理由相關(guān)技術(shù)人員和物業(yè)部門實(shí)行，采用分戶計(jì)量的熱水方式，使住戶購買、安裝、維修維護(hù)方便、降低運(yùn)行費(fèi)用和熱水成本，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上也得到了實(shí)惠，因此，在技術(shù)上我們應(yīng)該根據(jù)適宜性的原則，綜合長春地理位置，綜合小區(qū)現(xiàn)狀，選擇適宜嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑的技術(shù)。

安全性原則：太陽能發(fā)電板在屋面的安裝布置應(yīng)與建筑中有一定剛度的實(shí)體結(jié)構(gòu)連接緊靠牢固，還需考慮自身重量給屋面帶來的荷載，保證屋面的防水保溫等性能，維修保養(yǎng)人員的安全保障，要設(shè)計(jì)必要的人身保護(hù)措施，將技術(shù)人員作業(yè)時(shí)將遇到的各種困難和隱患降到最低。

2.與建筑適配性的太陽能熱水系統(tǒng)

針對(duì)本次試點(diǎn)工程中住宅熱水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，選擇一種合理的熱水供應(yīng)方式，對(duì)整個(gè)住宅系統(tǒng)規(guī)劃作用重大。建筑師既要考慮住宅有好的審美性，合理定位太陽能電池板的選擇類型與具體規(guī)格，還要綜合考慮建筑群體間的日照、環(huán)境、氣候及能源等各方面對(duì)屋面太陽能系統(tǒng)的影響因素，最終選擇一種最適合本次試點(diǎn)工程屋面應(yīng)用的太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)：

分戶式太陽能熱水系統(tǒng)是非常常見的一種熱水供應(yīng)形式，各家各戶系統(tǒng)獨(dú)立，太陽能電池板和儲(chǔ)熱水箱安放位置靈活，使用方便，沒有流量分配和管理控制的問題，根據(jù)實(shí)際情況自行加熱，費(fèi)用單獨(dú)核算，但太陽能電池板的利用率低，各戶使用不平衡，造價(jià)較高，適用于聯(lián)排別墅、聯(lián)排屋。

（1）集中式太陽能熱水系統(tǒng)：利用率高，熱水資源大家共享。系統(tǒng)通過屋頂太陽能電池板集電，儲(chǔ)存在電箱，用于給水加熱，水溫一旦達(dá)到預(yù)設(shè)值，會(huì)被送進(jìn)保溫水箱儲(chǔ)存，方便業(yè)主使用，實(shí)現(xiàn)全天供水的需求。集中式的太陽能熱水系統(tǒng)集成化程度高，管路簡單，初期投資較少，集成化程度高，集熱資源共享，系統(tǒng)統(tǒng)一管理，省去自行維護(hù)的不便，但是分戶計(jì)量總體費(fèi)用、物業(yè)管理難度大，集中式出現(xiàn)系統(tǒng)故障，不及時(shí)維修，用戶的熱水將得不到保障，且管路系統(tǒng)支管過長，使用時(shí)需放掉很多冷水，造成水資源過度浪費(fèi)，適用于酒店、醫(yī)院、學(xué)校等民用建筑。

（2）集中——分戶式太陽能熱水系統(tǒng)：由太陽能電池板在屋頂集電，設(shè)備集中安放，空間浪費(fèi)少，費(fèi)用單獨(dú)核算，計(jì)費(fèi)簡單，管理方便，但各戶之間熱損失大，資源不能互補(bǔ)，適用于高層住戶。

太陽能光伏熱水系統(tǒng)主要由太陽能電池板和蓄熱水箱構(gòu)成，視具體情況配以水泵驅(qū)動(dòng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的是光伏電池，研究表明，光伏電池在運(yùn)行過程中，有約80%的入射太陽能被反射或被電池板直接吸收，約20%的入射太陽能被轉(zhuǎn)化成電能。

3.集中——分戶式太陽能熱水系統(tǒng)與建筑適配性結(jié)合方式的應(yīng)用

集中——分戶式的熱水供應(yīng)系統(tǒng)具體為集中集電，分戶供水的系統(tǒng)，在多層住宅中應(yīng)用較多，其太陽能電池板主要布置在屋面、陽臺(tái)及南面墻等位置。集中——分戶式熱水供應(yīng)系統(tǒng)是不需要集熱水箱和輔助能源的，只需要在各用戶悶頂處安裝各自水箱和電表即可。

多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率稍低，約為20.4%，由于其材料制造簡便，節(jié)約能耗，生產(chǎn)成本較低，多晶硅太陽能電池近年來發(fā)展很快，其目前在太陽能光伏市場的占有率是最高的。

儲(chǔ)熱水箱的容積按每家用戶的平均日用水量的1～1.5倍來設(shè)計(jì)，這樣既可以滿足用戶的日常用水需求，又有一定量的熱水儲(chǔ)備，儲(chǔ)熱水箱一般放置于住宅悶頂、陽臺(tái)、廚房或衛(wèi)生間等處，不需要專門的設(shè)備間和儲(chǔ)藏室，只需要留足夠的空間安裝、維修、更換，同時(shí)還需考慮建筑的承載力，同時(shí)做好與建筑結(jié)合處的保溫、防水和排水等措施。

住宅內(nèi)熱水管線的布置要求盡可能簡短，簡短的管線布置能夠盡可能降低成本、減少熱量散失，同時(shí)需要考慮安全隱蔽、便于安裝施工和維護(hù)維修等要求。其他附件包括計(jì)量器、電表、水泵等附件安裝時(shí)要考慮冷熱水的計(jì)量器、住戶電表位置安裝的合理醒目，統(tǒng)一布置，便于物業(yè)管理者查看；水泵的位置設(shè)計(jì)也需要足夠的隱蔽同時(shí)預(yù)留足夠的安裝、維修和更換的空間。

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作者簡介：

趙暉（1967.04-）男，漢，長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院副教授（碩導(dǎo)）， 研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論，建筑技術(shù)。

郭格靜，長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院研究生。