浅谈建筑太阳能一体化设计

吕永强

如果歌德的名言“建筑是凝固的音乐”这句话体现出了建筑形式的魅力,是对建筑外在美的肯定,那么建筑是否节能、环保,则是建筑内在美的体现。只有做到了内在美与外在美、形式美与内容美的统一,才符合科学发展观要求。

在环境破坏日益严重和能源危机的今天,如何开发利用环保节能的建筑配套成品就成了焦点话题。一直以来,太阳能等可再生能源在建筑技术上的完美应用都是企业不懈的追求,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,可以让生活更自然更环保,对实现可持续发展具有重大意义。太阳能作为一种免费、清洁的能源,太阳能与建筑的结合也在建筑中尤其是住宅建设中越发显现其不可替代的地位,并成为住宅建设中的一个最新亮点。

建筑是能源消耗大户,建筑耗能占我国总耗能的30%左右,而生活热水在建筑耗能中的比重是18%。而当前我国有400亿m2的既有建筑,其中99%是没有应用太阳能的高能耗建筑,每年新建的20亿m2建筑,其中95%是高能耗建筑。21世纪我国面临着经济高持续发展与节能环保的双重课题。利用再生清洁能源——太阳能,解决全部或部分家用热水用电,减少商品能源的消耗,节能环保意义重大。太阳能与建筑完美结合,可为太阳能利用提供广阔的市场,也是实现建筑节能的一条重要途径。

1 太阳能一体化的含义

太阳能建筑一体化是不是把太阳能用于建筑,或者把二者“相加”在一起就可以,答案是否定的。中国太阳能学会太阳能和建筑结合专业委员会筹备组负责人袁莹教授的回答是:“所谓太阳能与建筑一体化不是简单的‘相加',而是要通过‘相加'整合出一个崭新的答案。也就是说,建筑应该从开始设计时,就将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑,巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑之中,使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分,而不是让太阳能成为建筑的附加构件。”

以分体式太阳能热水系统为例,太阳能集热板或太阳能集热管是暴露在屋顶上的,在设计时就要想办法让太阳能热水器暴露在外面的部分实现建筑构件化,使之与建筑融为一体,成为与坡屋面、墙面、阳台、窗子等建筑构件相匹配的另一种构件。太阳能系统要作为建筑构件元素来考虑,与建筑的屋面、墙面、阳台、窗户有机结合在一起进行整合设计。这样,太阳能热水系统科技内容的加入就会使建筑呈现出一种新的造型与外观,增强建筑的表现力。

2 推广设计原则

推广太阳能与建筑一体化设计和施工应注意以下几个方面。首先,应因地制宜,先行试点,有计划、有步骤地推广运用。太阳能具有一定的地域选择性。尽管目前的太阳能已经能够适应多天缺少阳光、最低气温零下6℃气候条件下的使用。但是太阳能在我国一些地区(如高寒和晴天天数少的地区)还不具备应用条件。另一方面,太阳能热水器技术在多层次住宅中的使用已经比较成熟,但在小高层、高层住宅中,还缺少成功的案例。在太阳能技术的推广应用中,不能采取一刀切的办法,应因地制宜,在符合太阳能使用日照系数条件的地区,对热水供应有长期稳定需求的公共和居住建筑,在技术条件和环境条件允许的情况下,应积极优先采用太阳能热水系统。

2.1 技术条件

技术条件指太阳能热水系统在工程应用中的合理性,宜从技术和经济两方面进行综合评价。

2.2 环境条件包括现场条件和热水设计条件

1)现场条件是指安装地点纬度、月平均太阳辐射量、日照时间、环境温度、安装场地面积及形状、遮挡情况、建筑物承载力。

2)热水条件包括:热水用水温度、热水日用水量、热水用水位置、冷水供水方式、水压、温度等。

2.3 太阳能的设计与工程设计统一规划、同步设计、同步施工

1)规划上,应考虑集热器的安装对日照的影响和建筑物对集热器的遮挡。2)外观上,建筑专业设计应根据建筑类型、使用要求确定太阳能热水系统的类型、安装位置、色调,实现太阳能热水系统与建筑完美结合。3)结构上,妥善解决太阳能热水系统安装可能存在的问题,确保建筑物的承重、防水等不受影响;太阳能集热器应具有抗风、冰雪、冰雹等能力。4)给排水专业上本着节水节能、经济合理、安全简便、利于计量等原则,选择太阳能热水系统。5)系统运行安全、可靠、稳定,便于维护管理。

3 太阳能热水系统设计

太阳能热水系统设计应符合建筑给排水设计,系统供水水温、水压和水质符合现行国家标准。以下是工程中太阳能热水系统与不同类型建筑结合的几种常见做法。

3.1 集中集热—分户计量—直接换热系统

集中集热—分户计量—直接换热系统适合多层、小高层、高层住宅,每一套系统集中一套太阳能集热系统,每户一台换热式双能源水箱,集热式太阳能系统相当于一个公共的热源部分对每户供热。每户使用自己的自来水和电辅助加热。其优缺点:1)优点:不受楼层高限制,并可以实现太阳能热能资源共享,可根据楼面建筑情况灵活布置,最容易实现与建筑协调管理维修方便,运行可靠。2)缺点:系统供热统一,用户用热量会存在不均,并需要物业统一管理维护。

3.2 集中集热—集中供热水

集中集热—集中供热水适用于高级宾馆、学校、酒店等公共建筑洗浴和热水集中供应场所。本太阳能以中央控制器对集中循环水箱进行加热控制,通过温度探头对热量传输控制。集热器布置高于水箱,灵活,水箱隐蔽,不影响建筑美观,且保温性能好,热损失少。

3.3 分户集热—分户水箱—自然循环系统

集热器与水箱分离,集热器放置在阳台、建筑外立面等位置,可与建筑完美结合。系统传热工质通过自然热力循环,系统的集热循环为开放式运行,易于安装、维护,初始投资相对较低。系统方案特点:1)集热与储热分离,易于实现系统与建筑立面结合安装。2)储热水箱壁挂式安装,不占阳台空间。3)每户一套独立系统,分户计量,可实现无线控制。4)集热循环管路就近布置,结构简洁。5)适用于小户型建筑。

4 太阳能与建筑一体化的优点

1)建筑的使用功能与太阳能设施有机结合(如热水器),形成多功能的建筑构件,巧妙高效地利用建筑空间。同步设计、施工,避免后期安装对用户生活造成不便和对建筑外保温以及结构的损害。2)形成统一协调的建筑形式。太阳能设施构件化和建筑融合为一体,协调和谐,构造合理,形成完整统一的建筑外观。3)我国太阳能资源丰富,太阳能与建筑一体化为太阳能利用产业的发展开辟了广阔的应用前景。

5 结语

随着经济建设的发展,如何为消费者创造经济节能、绿色环保的条件,给我们每一个设计者提出了更高、更紧迫的要求,让我们充分发挥主力军的优势和作用,为提高太阳能集中供热与建筑一体化在建筑领域中广泛应用,与各界共同努力,携手奋进。

[1]发改环资[2004]2505号,节能中长期专项规划[Z].

[2]GB 50364-2005,民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[3]韦 亮.谈主动式太阳能技术在建筑中的应用[J].山西建筑,2008,34(9):260-261.