淺析太陽能供熱與建筑一體化協(xié)同設(shè)計★

李顯帥 楊繼清,2 王 靜 丁 江 張 瑞 肖榆涵

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500; 3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

0 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，我國的建筑能耗逐年大幅上升，已接近全社會能源消耗量的1/3，加上每年房屋建筑材料生產(chǎn)能耗約13%，建筑總能耗已達全國能源總消耗量的45%[1]。因此建筑節(jié)能勢在必行，全面貫徹建筑節(jié)能有利于從根本上促進能源資源節(jié)約和合理利用，緩解我國能源資源供應(yīng)與經(jīng)濟社會發(fā)展的矛盾，有利于加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。太陽能作為一種可再生的清潔能源，取之不盡，用之不竭，正在被廣泛應(yīng)用于建筑中，這使得太陽能供熱系統(tǒng)走進千家萬戶，成為當(dāng)下大多數(shù)建筑必不可缺的部分。然而，這也造成了大多數(shù)建筑與太陽能供熱系統(tǒng)出現(xiàn)雜亂無章、不協(xié)調(diào)等現(xiàn)象，使得建筑的美觀大打折扣。違背了建筑“安全、適用、經(jīng)濟、美觀”的原則[2]。

因此，“太陽能與建筑一體化”設(shè)計理念逐漸重新走進各類建筑，慢慢引起人們的重視。所謂的太陽能與建筑一體化，就是將太陽能供熱系統(tǒng)作為建筑的標準體系進入建筑領(lǐng)域，實現(xiàn)與建筑的同步設(shè)計、同步施工、同步驗收以及后期同步管理，從而實現(xiàn)二者的完美結(jié)合，以達到建筑節(jié)能和增強建筑美觀的雙重效果。以云南省為例，景色優(yōu)美、四季如春，有著“彩云之南”的美譽，吸引了諸多中外游客，然而，由于受到技術(shù)、成本等因素的影響，“太陽能與建筑一體化”案例在云南實施少之又少，原本獨具特色的建筑，映入眼簾的卻是雜亂無章的畫面，給游客留下些許遺憾。所以，太陽能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計勢在必行。

1 太陽能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計現(xiàn)狀分析

近幾年，一體化在國外得到充分運用，在德國、奧地利、瑞典、西班牙等國家，已有許多成功的案例[3]，反觀國內(nèi)，雖然也有部分成功的一體化建筑，但在全國范圍內(nèi)尚未普及。在河北省秦皇島市，“在水一方”住宅小區(qū)就充分利用一體化技術(shù)，采用陽臺掛壁式系統(tǒng)，將太陽能供熱系統(tǒng)與住宅完美結(jié)合[3]。與傳統(tǒng)建筑相比，一體化建筑有著無可比擬的優(yōu)點與特色，但為何遲遲未能普及，通過調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)太陽能建筑一體化有著以下幾大難點：

1)國內(nèi)相關(guān)技術(shù)尚未成熟，雖然在太陽能熱水器方面，我國已有相當(dāng)成熟的技術(shù)與經(jīng)驗，但在建筑一體化領(lǐng)域，還有許多技術(shù)瓶頸尚未得突破，包括從一體化太陽能供熱系統(tǒng)的研發(fā)到與建筑同步施工安裝以及后期的一些使用維護，在一定程度上還需改進與突破。

2)開發(fā)商的利益問題致使一體化的實施受到嚴重阻礙，相比傳統(tǒng)的普通建筑，一體化建筑需要在成本上投入更多，這就使得房屋造價提高，相應(yīng)的造成房價上漲，購買力將受到一定影響，但如果還保持原有價格，那相應(yīng)增加的費用將由誰來支付，這便成了開發(fā)商所思考的問題。

3)政府支持力度不夠，沒有相應(yīng)的政策來扶持，導(dǎo)致技術(shù)難以突破，建筑一體化實施嚴重受阻。

4)老百姓對此認知不夠深，尤其在相對落后的地區(qū)，大家對一體化和建筑節(jié)能認知甚淺，讓他們在短時間內(nèi)花費更多的錢來選擇相對環(huán)保美觀的一體化住宅，不可避免的存在一些困難。

2 太陽能理論研發(fā)及安裝技術(shù)難點

實現(xiàn)太陽能與建筑一體化，需要從太陽能加熱裝置的研發(fā)和安裝技術(shù)等方面突破，通過調(diào)查走訪，結(jié)合實地建筑情況和群眾反映，總結(jié)如下。

2.1 政府的相關(guān)政策

政府出臺相關(guān)政策，鼓勵支持一體化技術(shù)的研發(fā)，并給予一定的資金支持，這樣百姓花相同或者更少的錢就能住上更環(huán)保節(jié)能、適宜美觀的住宅。

2.2 技術(shù)改進

加快突破相應(yīng)的技術(shù)瓶頸，在原有技術(shù)上相應(yīng)的提高和改進，現(xiàn)階段，主要解決安裝上遇到的諸多問題，面對不同的住宅類型，應(yīng)有對應(yīng)的解決方法。

在供熱系統(tǒng)的安裝過程，主要從以下幾方面著手：

1)與建筑墻體結(jié)合：太陽能供熱與墻面一體化，可以從太陽能集熱蓄熱墻和太陽能集熱墻保溫墻板以及墻面附加集熱器的設(shè)計幾個方面攻破。集熱蓄熱墻現(xiàn)階段主要有實體式集熱蓄熱墻、水墻式集熱蓄熱墻、快速集熱墻等幾種形式，在傳統(tǒng)的房屋建筑里，大多數(shù)選擇在墻面涂上黑色或者某種深色涂料，以此來提高太陽的吸收率[5]。這樣的墻體能夠通過熱傳導(dǎo)、輻射和對流等作用將大量的熱量傳遞到房屋內(nèi)部。在涂料的選擇上，為了大幅提高太陽能的利用率，多數(shù)設(shè)計者選擇黑色的涂料，然而這也對建筑美觀造成一定程度影響，所以，設(shè)計者在選擇材料時，可以適當(dāng)加入活躍的色彩，讓建筑環(huán)境更加豐富。太陽能集熱器保溫墻板，是在不影響主體結(jié)構(gòu)的前提下，將集熱器附著于墻體表面，將蓄水裝置安裝在墻體中，實現(xiàn)與墻體的一體化。從采光角度分析，建筑墻體有著廣闊的采光面積，不會出現(xiàn)將集熱器從屋頂移至墻體而造成集熱效果下降問題，從建筑本身考慮，不但節(jié)約了墻體的建筑材料，更節(jié)省下房屋的空間，滿足了適用、經(jīng)濟、美觀的原則。除此之外，還可將太陽能集熱器作為陽臺的護欄和空調(diào)遮擋等建筑外墻構(gòu)件，達到一種材料多種用途的目的。

2)與建筑陽臺結(jié)合：傳統(tǒng)太陽能供熱系統(tǒng)集熱器安裝于屋頂，管線需要通過許多樓層才能到達每一戶人家，不但使安裝成本提高，更使得管線內(nèi)存放過多冷水，底層用戶在使用前需要將管內(nèi)存水排除，一定程度上造成時間和資源浪費。一體化設(shè)計將集熱器置于陽臺可以徹底解決這一問題，減短管線并減少熱量損耗，定會成為用戶青睞的設(shè)計[4]。

3)與建筑屋面結(jié)合：當(dāng)建筑注重立面美觀時，部分墻面的一體化設(shè)計將會受到影響，這時與屋面的一體化將應(yīng)運而生。太陽能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計中與屋面的結(jié)合主要以坡屋面為主，而這包括小區(qū)里面的住宅和多數(shù)農(nóng)村的低層房屋建筑。首集熱置于屋頂將不受太陽朝向的影響，不會受到其他建筑構(gòu)件的遮擋，還大大改善采光環(huán)境。在小區(qū)住宅中，只要與建筑設(shè)計、施工等同步進行，當(dāng)前業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)初步趨于成熟，但要在農(nóng)村的瓦房中實現(xiàn)一體化，還需要克服如何穩(wěn)定而又安全的安裝等一系列問題。好多瓦房的屋面雖然有一定的整體性，但局部的穩(wěn)定性和受壓強度低于平屋頂房屋，如果按平屋頂?shù)陌惭b方法定不可行，這就要求能有更合理、安全的安裝方法誕生，來提高一體化的普及率。以云南部分農(nóng)村為例，多數(shù)房屋的屋頂為瓦屋面，這直接導(dǎo)致太陽能供熱系統(tǒng)安裝于主體房屋以外，這樣的設(shè)置造成占地面積的增多和成本的提高，與太陽能供熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢背道而馳。造成此類現(xiàn)象最主要的原因是缺乏相關(guān)的技術(shù)，必須找到理想的材料和合理的安裝方法才能讓傳統(tǒng)的瓦房實現(xiàn)建筑一體化。采光集熱材料的選擇需結(jié)合瓦屋面的受力情況，最大限度采用輕質(zhì)材料，同時摒棄傳統(tǒng)燒制的泥瓦，采用新型材料制作的瓦片，比如使用合成樹脂瓦，具有質(zhì)量輕、堅韌、安裝方便等特點。

4)與建筑遮陽結(jié)合：作為大多數(shù)建筑中必不可少的構(gòu)件，遮陽系統(tǒng)起著遮擋陽光、調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等重要作用。將太陽能集熱器作為遮陽構(gòu)件，可以大大減少空間，降低建筑成本。同時，將遮陽實現(xiàn)智能化，隨著季節(jié)變化，不同的地點有不同的角度更正，充分提高太陽能利用率。

2.3 一體化協(xié)同設(shè)計

除上述改進方法，還需從這兩點著手實現(xiàn)一體化協(xié)同設(shè)計：首先要考慮建筑物自身環(huán)境的設(shè)計，建筑物間距和綠化帶的設(shè)置是影響日照效果的重要因素，所以應(yīng)該做到適宜間距與合理綠化；其次，困擾大多數(shù)用戶的一個難題將是天氣變化帶來的影響，當(dāng)連續(xù)陰雨天時，太陽能供熱系統(tǒng)將不能正常提供熱水。對此，我們可以將太陽能供熱系統(tǒng)與空氣能熱水器相結(jié)合，但現(xiàn)階段空氣能熱水器受環(huán)境適應(yīng)性和水箱體積影響，在部分地區(qū)普及率較低，這需要在技術(shù)上不斷改進，做到真正的適宜節(jié)能建筑一體化。

3 太陽能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計的優(yōu)點

建筑一體化，要求建筑與設(shè)計融為一體，將太陽能供熱裝置與建筑構(gòu)件有機結(jié)合，使其成為建筑構(gòu)件的一部分，故太陽能利用與建筑一體化協(xié)同設(shè)計有許多特點：

1)充分利用太陽能，能夠有效降低建筑用能，符合建筑節(jié)能相關(guān)政策。

2)讓太陽能供熱裝置與建筑本身構(gòu)件完美結(jié)合，不但節(jié)約了建筑材料、降低了空間的使用，而且使得建筑更加美觀。

3)充分與建筑墻體、陽臺、屋面(平屋面與坡屋面)、遮陽等自身構(gòu)件有機相協(xié)，與傳統(tǒng)住宅相比，美觀和節(jié)能得到諸多改善。

4)一體化要求與建筑同步施工，節(jié)省工序和費用，節(jié)約工期。

5)太陽能與建筑一體化建筑使用維護過程中相比傳統(tǒng)建筑費用更低，使得建筑更加經(jīng)濟。

4 結(jié)語

太陽能供熱系統(tǒng)與墻體、陽臺、屋面、遮陽的結(jié)合，可根據(jù)不同的建筑風(fēng)格進行協(xié)同設(shè)計，在充分保障美觀適用與經(jīng)濟綠色的同時，留住了建筑的名風(fēng)名俗。為深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，太陽能供熱有著巨大的建筑市場，加之人們對建筑美觀的要求不斷提高。為適應(yīng)現(xiàn)代化的各式建筑，需要對建筑材料和供熱系統(tǒng)不斷改革創(chuàng)新，這將給設(shè)計和安裝提出新的挑戰(zhàn)。