浅析太阳能热水系统与建筑一体化

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浅析太阳能热水系统与建筑一体化
郑海洋
摘 要：随着太阳能热水系统的推广和普及，在实际应用中对于太阳能热水器与建筑一体化越来越引起人们的关注。本文通过分析太阳能热水器（集热器）的几种安装形式，简单介绍了太阳能热水器与建筑一体化的设计基本途径与方法等内容。
关键词：太阳能系统设计；太阳能热水器；一体化
随着现代社会生产的不断发展，人类生活水平的不断提高，能源需求量逐步加大，常规能源的匮乏和居住环境污染成了人类面临的严重问题。
太阳能作为一种清洁优质且可再生的能源，世界各国无不对太阳能利用以相当的重视。我国有丰富的太阳能资源，开发和利用太阳能，既是近期急需的能源补充，又是未来能源的基础。
近年来，太阳能热水系统的推广和普及，取得了很好的节能效益。但也存在着设计无标准，施工安装随意无序的局面，所以在太阳能热水系统的设计应纳入建筑工程设计，统一规划，同步设计，同步施工，与建筑工程同时投入使用。
随着太阳能热水系统与建筑一体化结合的工程技术与设计艺术的不断发展和逐步完善，太阳能热水系统将作为建筑的一部分构件与建筑有机结合。在建筑设计时应满足建筑物内部功能和外部造型的要求，并应结合建筑物的类型、使用功能及安装条件，合理选择太阳能热水系统的类型、热水供应方式、集热器安装位置及系统运行方式等并经技术经济比较确定。
太阳能热水系统的设计、设置除应考虑系统的安装地点、月均日辐照量、日照时间、环境温度等条件，还应根据日均用水量、用水方式、用水位置等用水情况确定，充分满足用户的使用要求和系统的施工安装、更换配件、管理维护等要求。
太阳能热水系统设计与建筑结合应包括以下四方面：
1.在外观上，实现太阳能热水系统与建筑有机结合，应合理设置太阳能集热器。无论在屋面、阳台、外墙面、墙体内(嵌入式)以及建筑物的其它部位，都应使太阳能集热器成为建筑的一部分，实现两者的和谐统一。
2.在结构上，妥善解决太阳能热水系统的安装问题，应确保建筑物的承载、防水等功能不受影响，还应充分考虑太阳能集热器与建筑物共同抵御强(台)风、暴雨、冰雹、雷电及地震等自然灾害的能力。
3.在管线布置上，应合理布置太阳能循环管路以及冷、热水供应管路，建筑设计时应预留所有管线的接口、通道或竖井，严防渗漏，尽可能减少热水管路的长度，减少热能耗。
4.在系统运行上，应确保系统安全、可靠、稳定，易于安装、检修、维护及管理。应使太阳能与辅助能源加热设备的匹配合理，宜逐步实现系统的智能化和自动控制。
设计时应根据选定的太阳能热水系统类型，确定集热器形式、尺寸大小、安装面积、安装位置与方式，然后，合理确定太阳能热水系统各组成部分在建筑中的位置且不影响该处的建筑功能，并应适应本地区气候特点，满足所有相关部位的防水、排水、通风、隔热、防潮、防(台)风、防雷电及抗震等要求。
太阳能集热器是太阳能热水系统重要的组成部分，也是太阳能热水系统与建筑一体化设计中最主要的部分。根据工程具体情况及使用要求，一般可以将太阳能集热器设置在建筑物的屋面(平、坡屋面)、阳台、外墙面、墙体内(嵌入式)以及建筑物的其它部位，如设置于建筑屋顶的披檐上或嵌入女儿墙内，甚至设置于遮阳板或飘台上等能充分接收太阳光的位置，按现行的行业标准NY/T343-1998规定平均日效率(平均日效率是指在有太阳光辐照的一天内，太阳能集热器所获得的热量与照射到集热器采光面上的太阳辐射能量之比)应≥45%。无论将太阳能集热器设置在建筑物外围的任何部位，应将其设计成建筑的组成部分，并应规则有序、排列整齐，与建筑的使用功能和外部造型相结合。
下面总结一下太阳能集热器和建筑相结合的几种安装形式：
一、坡屋顶
坡屋顶的建筑安装设计可分为：天窗式、脊顶式、叠檐式等
(一)天窗式：
将太阳能集热器嵌入或直接固定在建筑物的坡屋面上、实现太阳能热水器建筑构配件化。热水器完全陷入屋顶，完美镶嵌，与建筑物浑然一体，同时作为建筑物围护的一部分，集成有专门的排水板系统和固定系统，造型新颖美观。即可集中供热，广泛应用于宾馆、学校，别墅和多层住宅等高档小区，又可单户供热，满足普通家庭的热水要求。如图一：
(二)脊顶式：
太阳能热水器直接摆放在坡屋面的屋脊上，热水器的角度可以根据不同光照角度实行调整，颜色可与房顶和周围环境协调。傲居建筑物的最高位置，彰显热水器的环保内涵和文明之美。
 

图一

(三)叠檐式：
坡屋面采用叠顶双檐式结构设计，热水空对空水箱陷入叠檐内，既可以对热水器储水箱起到保护作用，又便于建筑排水和承重，同时使屋面层次富于变化，构成独特的建筑造型。
二、平屋顶：
平屋顶可为分：瓢板式、闲亭式等。
(一)瓢板式：采用轻钢免焊瓢板式结构固定集热器，防腐耐用。
常用于集中供热水形式。需配备辅助能源，系统采用强制循环设计，冷热水压力平衡热水即开即用。完善的远程控制系统，保证热水全琫恒温供应，并可实现分户计量，插卡取消，享受热水生活无忧无虑。独特美观的造型，成为建筑物自有风格的完美点缀，彰显出国际品质的绿色热水健康生活。
(二)闲亭式：可集太阳能热水器、光电板和纳凉休闲于一体。
休闲凉亭式结构简单灵活、安装方便，能够自然地与庭园、泳池、花园等场所融为一体。因此特别适合安装在别墅、高档小区、旅游度假村等处。其流线型设计，既美观又减少闲亭的封闭和承重荷载，优美的造型可以打造出一处别致美丽的楼顶花园，为建筑物和周围环境增添一道靓丽的风景，成为整合建筑美学、园林设计和人本文化内涵的安典范之作。
三、南墙式：
(一)壁挂式：集热器单独固定在建筑物的南立面墙壁上，储水箱旋转在室内。
热水传输路程短，解决了高层建筑因管路、管内不走水，避免了冬季冻管问题。系统按照建筑给排水工程规范进行同步设计，同时施工，强制循环，冷热水压力平衡，即开即用，热水更充足。可配备辅助能源系统，实现单家单户24小时热水供应，使用更自由。
四、阳台式：
阳台式一般也称为栏板式。太阳能热水器整体旋转在建筑物南立面阳台或预留处承重台上，不占用楼顶和室内空间。不但解决了高层建筑不能使用太阳能热水器的问题，还可以起到阳台护栏和下层遮阳的作用。整机与建筑完美结合，寿命长、热效高，抗动能力也大大增强。系统自动补水，热水高压运行，洗浴更加舒适。
但是在阳台安装的太阳能热水器仍有不足之处。这种热水器在纬度较低的建筑南墙上安装存在夏季集热量不高的缺点。故通常可用于较高纬度地区，为获得较大的水压，常采用不需将水箱置于热水器之上的直流式热水系统。连接热水器和水箱的管径不宜太粗，以便于保温和减少管内存水量。
太阳能在建筑技术的不断完善及进步和实际应用中，太阳能与建筑结合创造的低能耗高舒适度的健康居住环境，让住宅家庭生活的更自然、更环保。综上所述，在我国住宅中发展和推广太阳能利用势在必行，建筑设计、规划设计、建筑物理以及能源科技工作者应进行跨学科的合作，更新设计理念、设计方法，综合解决建筑功能、采暖方式、空间组合及造型等问题，并进行一体化构件的研制，在建筑与太阳能利用一体化设计中做出更大贡献。

参考文献：
[1]《可再生能源在建筑中的应用知识手册》，2007年，河南省建设厅/河南省建设科技协会。
[2] 《全国民用建筑工程设计技术措施技能专篇－给水排水》，中国建筑标准设计研究院，2007年3月第一版，中国计划出版社。