太陽能集熱與住宅建筑一體化研究

萬瑞霞梁園芳瞿 明

（1蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021；2陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710075）

太陽能集熱與住宅建筑一體化研究

萬瑞霞1梁園芳2瞿 明1

（1蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021；2陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710075）

太陽能作為新能源可以在生活中為人們提供熱能和電能。太陽能集熱設(shè)備與建筑設(shè)計(jì)融為一體是發(fā)展綠色建筑的方向。太陽能集熱器的有效面積和角度的計(jì)算可以使用計(jì)算機(jī)輔助和相關(guān)規(guī)范完成。太陽能集熱與建筑一體化的設(shè)計(jì)主要分為屋頂式和外墻式兩種形式，不同的方式均具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

集熱器；太陽能；一體化；安裝形式

我國在經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)之后更加注重經(jīng)濟(jì)品質(zhì)和環(huán)境保護(hù)。在住宅建筑中為了降低建筑能耗，將太陽能引入住宅建筑，使其成為建筑本身的一部分?！疤柲芙ㄖ惑w化”的概念正在為人們所熟知，在生活中的應(yīng)用也不斷成熟[1]。為了加快這一進(jìn)程，已有《可再生能源法》、《太陽能利用系統(tǒng)與建筑結(jié)合規(guī)范》的相關(guān)法規(guī)相繼出臺(tái)。

1 太陽能在住宅建筑中的應(yīng)用

圖1 太陽能集熱器

圖2 太陽能電池板

1.1 光熱技術(shù)

太陽能是取之不盡的清潔能源，其具有蘊(yùn)藏量大和潔凈安全的優(yōu)點(diǎn)，但是因受自然條件限制，具有間斷性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。太陽能在人們的利用中主要為光熱和光伏技術(shù)兩種。光熱技術(shù)可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式利用技術(shù)，因?yàn)樘柲艿牧髅芏容^低，為了提高采集效率，我們通常使用一定技術(shù)和裝置的主動(dòng)式技術(shù)采集太陽能。常見的太陽能光熱采集裝置為真空集熱器，真空管集熱器（圖1）主要分為單通式、雙通式兩種。真空集熱器種類多樣，全玻璃真空集熱器、熱管真空管集熱器和U型管集熱器為主要產(chǎn)品。

1.2 光伏技術(shù)

1839年物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了液體產(chǎn)生的光伏效應(yīng)，使得太陽能電池發(fā)明應(yīng)用已有170多年。世界上很多國家都利用太陽能發(fā)電，發(fā)展中國家在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的村落利用太陽能供電，發(fā)達(dá)國家利用其組建微網(wǎng)改善系統(tǒng)負(fù)荷。太陽能光伏電池（圖2）主要有單晶硅電池、多晶硅電池和其它種類的光伏電池。晶體硅制作的太陽能電池是與住宅建筑實(shí)現(xiàn)一體化的主要材料[2]。

1.3 其它太陽能技術(shù)

太陽能在建筑中還可以被用來增加采光和通風(fēng)。在有的高層建筑中安裝集光器采集陽光為建筑增加光照。在一些建筑的中庭利 用“煙囪效應(yīng)”增加建筑內(nèi)部的通風(fēng)[3]。

2 采集面積和角度

國際通常使用F-CHART、TRNSYS等軟件進(jìn)行太陽能系統(tǒng)參數(shù)的仿真計(jì)算，其可以根據(jù)集熱器的瞬時(shí)特性方程及集熱器傾角，輸入當(dāng)?shù)氐木暥?、太陽輻照、環(huán)境溫度、管路損失等數(shù)據(jù)最終計(jì)算出所需要的集熱器有效面積。除此之外，還可以根據(jù)《太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中的能量平衡公式進(jìn)行近似計(jì)算[4]。

在建筑中使用太陽能集熱系統(tǒng)還需要重點(diǎn)考慮的就是其安裝的角度，這與太陽能的集熱效率密切相關(guān)。

1）平頂屋面的安裝位置：太陽能集熱設(shè)備應(yīng)符合對(duì)朝正南、南偏東或偏西不超過30度的建筑，可朝南或與建筑同向設(shè)置；對(duì)朝向正南、南偏東或偏超過30度的建筑，應(yīng)朝向正南設(shè)置。

2）坡頂屋面的安裝位置：太陽能集熱器朝向正南設(shè)置，或南偏東、偏西設(shè)置。坡形屋面安裝集熱設(shè)備時(shí)，可以充分利用坡形屋面采用嵌入式設(shè)置或順坡架空的方式設(shè)置。

3）在陽臺(tái)上或墻面上的安裝位置，應(yīng)符合：對(duì)朝南、南偏東或偏西、朝東、朝西的陽臺(tái)和建筑外墻，太陽能集熱設(shè)備可以在陽臺(tái)的欄板或墻面上。

3 設(shè)計(jì)對(duì)策及實(shí)際應(yīng)用

太陽能集熱設(shè)備與建筑的一體化，不是將集熱設(shè)備簡(jiǎn)單地安裝在建筑物上，在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮建筑的美觀不被破壞，還需考慮集熱設(shè)備的效率達(dá)到最大，使集熱設(shè)備與建筑一體化，成為不可或缺的一部分。

3.1 屋頂式

在建筑的屋頂選擇安裝集熱器是首選，但是屋頂部位一般都是建筑設(shè)計(jì)需要藝術(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位，安裝集熱器的面積非常有限。集熱器選擇在屋頂時(shí)，熱水器可以形成自然壓頭，管路容易選取，集熱器也有較大的自由度、自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)等方式。高層住宅中屋頂一般選擇設(shè)計(jì)為平頂，選擇余地較多。多層住宅常見于平頂和坡頂兩種，從實(shí)際情況看，西北地區(qū)的平頂屋面占絕大多數(shù)。

3.1.1 整體式

在屋頂安裝緊湊直插式的熱水器是比較常見的一種做法。這種系統(tǒng)每戶獨(dú)立，主要有單管式、雙管式和三管式。這種產(chǎn)品的最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，安裝容易。但是不同用戶選擇不同產(chǎn)品，安裝后建筑屋頂凌亂，破壞建筑美感。如果在建筑設(shè)計(jì)和使用時(shí)采用同一型號(hào)進(jìn)行預(yù)裝，這樣省去用戶安裝和維修的麻煩，也避免不同型號(hào)和安裝凌亂對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞。在一體化設(shè)計(jì)中提前設(shè)計(jì)電管井，統(tǒng)一設(shè)計(jì)和施工屋頂結(jié)構(gòu)，這些都會(huì)使得集熱器與建筑一體化設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)[5]。

圖3 整體式集熱器

3.1.2 分體構(gòu)架式

人們的生活質(zhì)量不斷提高，入住建筑造型舒適、環(huán)境獨(dú)特的小區(qū)是人們的首選。特別是中高檔小區(qū)，建筑外形特點(diǎn)的設(shè)計(jì)更是開發(fā)商注重的地方。在屋頂設(shè)計(jì)構(gòu)架是常見的做法，構(gòu)架的設(shè)計(jì)主要是為了建筑的美觀，是建筑裝飾的一部分。如果把構(gòu)架和太陽能集熱設(shè)備有機(jī)結(jié)合，就使得構(gòu)架技能滿足建筑美學(xué)設(shè)計(jì)，就具有一定的實(shí)用功能。這種分體式設(shè)計(jì)應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)中予以重視。這種設(shè)計(jì)改善了屋頂安裝混亂的問題，采用集中供熱的形式充分利用了屋頂?shù)目臻g，提高集熱效率，對(duì)用戶還避免了安裝和后期維護(hù)的麻煩。但是這種方式的成本會(huì)明顯高出前一種方式。

3.2 外墻式

外墻式集熱系統(tǒng)就是利用建筑的外墻或陽臺(tái)（朝南）采集太陽熱能的做法。這種方法可以有效解決高層住宅用戶因?yàn)楣苈愤^長(zhǎng)而不安裝的難題。在外墻安裝采用分體式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)為強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，并采用頂水式的管路。將熱水器的水箱放置于室內(nèi)或陽臺(tái)位置，有效減少管路的長(zhǎng)度。它的優(yōu)點(diǎn)是由于熱水器將懸掛于自家外墻或陽臺(tái)，用戶之間沒有干擾，管路短，損失少，這種系統(tǒng)和建筑結(jié)合緊密，成為建筑的一個(gè)造型元素。 外墻式因?yàn)槠洫?dú)有的優(yōu)勢(shì)，也會(huì)成為將來發(fā)展的一個(gè)方向。因?yàn)橐院蟾邔幼≌瑫?huì)越來越多，這樣放在屋頂?shù)木o湊式就無法滿足要求，只要能達(dá)到日照要求，那么安裝在自家附近的外墻式成為首選。

圖4 分體式集熱器

圖5 外墻懸掛式集熱器

3.2.1 外墻懸掛式

外墻懸掛式的集熱器安裝之后與建筑外墻平行，與地面垂直。儲(chǔ)水箱在室內(nèi)，管路通過預(yù)留孔與集熱器連接，集熱器通過墻體預(yù)埋件及掛件相連。在建筑的豎向外墻上形成了具有強(qiáng)烈韻律感的集熱器陣列，例如深紅、深藍(lán)等等，提升了建筑外墻的造型。建筑外墻預(yù)留集熱器和水箱的安裝位置。此工程可以設(shè)在兩個(gè)凸窗之間的墻面上，或者在陽臺(tái)的一角沿垂直方向上水平布置集熱器。水箱在陽臺(tái)或結(jié)合空調(diào)板布置。管線通過地面墊層進(jìn)入室內(nèi)地面。懸掛式是將系統(tǒng)功能與建筑美學(xué)結(jié)合的較好做法。其缺點(diǎn)是由于日照的角度不同，集熱效率會(huì)不同，高層住宅中的底層入戶更是可能無法使用。

3.2.2 陽臺(tái)式

住宅中的陽臺(tái)是家居生活的重要場(chǎng)所。在陽臺(tái)采用分體式強(qiáng)循環(huán)系統(tǒng)，水箱安裝于陽臺(tái)或室內(nèi)。太陽能集熱器可以放置在陽臺(tái)欄板上或?qū)⒓療崞髦苯訕?gòu)成陽臺(tái)欄板。它的優(yōu)點(diǎn)是同層使用，管路連接少，熱能利用高，安裝維修簡(jiǎn)便，同時(shí)集熱器起到遮陽的作用。低層用戶由于光線遮擋無法利用[6]。

圖6 陽臺(tái)式集熱器

3.2.3 遮陽式

外墻式還可考慮與遮陽功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)。這種熱水器將集熱器安裝在窗口的遮陽架上，在遮陽的同時(shí)還可以為用戶提供熱水，有效利用空間，同時(shí)設(shè)備與建筑實(shí)現(xiàn)了一體化。在使用中應(yīng)該注意一些技術(shù)問題：一是確保安裝牢固；二是玻璃集熱器上方應(yīng)防護(hù)，以免設(shè)備損壞。

4 結(jié) 語

在太陽能的利用中，如果能夠?qū)⑻柲芎妥≌ㄖ行ЫY(jié)合，能夠使我們的生活環(huán)境更加綠色。在人類面臨日益嚴(yán)重的能源危機(jī)情況下，對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重大的社會(huì)意義。

[1]趙玉文．21世紀(jì)我國太陽能利用發(fā)展趨勢(shì),中國電力[J]．2000．(9),75-77．

[2]殷志剛．太陽能光伏發(fā)電材料的發(fā)展現(xiàn)狀,可再生能源[J]．2008,(5),7-20．

[3]范軍．太陽能在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究．[D]．同濟(jì)大學(xué)．2003．

[4]王國棟．太陽熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合的相關(guān)問題初探,太陽能建筑[J]．2005．(2),19-31．

[5]劉曉燕,余學(xué)江．半固定式太陽能集熱器角度研究[J]．低溫建筑技術(shù)．2011．(2),33．

[6]張軍杰．住宅建筑太陽能一體化構(gòu)造設(shè)計(jì)．[D]．天津大學(xué)．2006．

Research on the integration of solar heat collection and residential building

As a new energy,solar energy can provide people with heat and electricity．The integration of solar heat collection equipment and architectural design is the direction of the development of green building．The calculation of the effective area and angle of the solar collector can be accomplished by computer aid and related specifications．The design of solar heat collection and building integration is divided into two types: roof and exterior wall．

collector；solar energy；integration；installation form

TK519

B

1003-8965(2017)03-0031-03

2016院級(jí)技術(shù)積累項(xiàng)目，J2016-01。