走太阳能与建筑一体化的产业化道路促进低碳建筑的发展——以上海三湘四季花城太阳能与建筑一体化设计为例

■ 刘晓燕Liu Xiaoyan

0 前言

随着中国城市化进程速度的加快及人民生活水平的提高，城市中对住宅的刚性需求量不断加大，加之大规模的城市建设所带来的能源危机和环境恶化的不断加剧，为此，既清洁又取之不尽的太阳能产品的开发和利用亟需普及，太阳能热水的广泛应用对于节约不可再生的矿物能源，保护环境，改善人类生存空间，实现经济社会的可持续性发展具有重要的意义。让未来住宅都有太阳能热水使用，应成为今后推广的目标。

对于节能环保，我国政府也非常重视，《可再生能源法》第十七条明确规定：“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。从2006年1月1日起，房地产开发企业应当在建筑物的设计和施工中为太阳能利用提供必备条件”。自从《可再生能源法》出台以来，全国已经有很多城市积极配合该法规出台了相关的新建住宅配备太阳能安装规定。江苏省建设厅《关于加强太阳能热水系统推广应用和管理的通知》（苏建科〔2007〕361号）等文件都对推广应用太阳能热水系统提出了明确要求，各地也制定了相应贯彻落实措施，加强推广应用和管理。文中说：“当前，太阳能热水系统逐步由用户无序安装转变为工程统一设计安装，规划部门要在规划条件、设计方案审查、规划核实等环节对太阳能应用予以把关；建设部门应对未应用太阳能热水系统的工程，严格实施专家论证制度，并加强对太阳能热水系统应用的指导和工程质量监督；房产部门要规范太阳能热水系统的维护管理。工程建设各方要切实将太阳能热水系统作为建设工程的一部分纳入管理，密切配合，把推广应用太阳能热水系统的要求落在实处。省财政对符合条件的太阳能热水系统推广应用工程和经评审确定的太阳能热水系统示范工程，分别作为建筑节能技术推广应用项目和示范工程项目给予经费补贴”。上海市已经制定了开发利用太阳能的《行动计划》，力争3～5年内在技术和产业发展方面走在全国前列。大连市建委做出规定“所有新建、改建的低层(别墅)、多层住宅建筑，必须按《大连市太阳热水器建筑设计导则》进行太阳热水器一体化设计和施工。”

鼓励市民使用太阳能热水器，不仅要及时出台政策规定，提出目标要求，而且还要在技术、经济等方面做深入的调查研究，找到太阳能热水器推广难的瓶颈所在，有的放矢地解决问题。目前太阳能热水器的普及率较低，除了市民和开发商的认识不足，更重要的原因是目前在太阳能热水器的尺寸、安装等方面还没有统一的规范。还有，在安装方式上，目前多数直接置于屋顶且大多是建筑物竣工后的事后安装，也确实给建筑物带来较多的安全隐患和景观破坏（图1）。

再者，一幢建筑物只有一个屋顶，要在多层或高层建筑中大量应用太阳能热水器受到房屋自身条件的限制，只能满足个别住户的需要，笔者认为走一条太阳能与建筑一体化的产业化道路已经势在必行。

1 关于产业化及住宅产业化的概念

“产业化”即是指要使具有同一属性的企业或组织集合成社会承认的规模程度，以完成从量的集合到质的激变，真正成为国民经济中以某一标准划分的重要组成部分。

住宅产业化是住宅产业现代化的简称，是住宅这一特殊产品工业化、标准化、通用化的具体表现，是以住宅市场需求为导向，以科技进步为依托，以成型的住宅建筑体系和与之相配套的住宅部品为基础，以科学的组织和现代化的管理为手段，通过将住宅生产全过程的开发、设计、施工、部品生产、服务和管理等环节联结为一个完整的产业系统，从而实现住宅的生产、供给、销售和服务一体化的生产组织形式。联合国提出“住宅产业化”的6条标准：生产的连续性，生产物的标准化，生产过程的集成化，工程建设管理的规范化，生产的机械化，技术生产科研的一体化。 1998年至今，住宅建设已成为国民经济新的增长点及消费热点，住宅产业现代化已从施工领域，科技领域大踏步地登上了国民经济的重要产业的舞台，以国民经济为背景的我国住宅产业现代化正以崭新的面貌走进新世纪。

我们把太阳能做为住宅的一个特殊部品，将其生产全过程的开发、设计、施工、部品生产、服务和管理等环节联结为一个完整的产业系统，才有利于太阳能产品的大面积推广。

2 太阳能与建筑一体化已经成为太阳能热水器产业化道路必要条件

太阳能热水器与建筑一体化概括起来讲，就是将太阳能热水器与建筑充分结合并实现整体外观的和谐统一。如此说来太阳能技术的应用并非简单地将太阳能技术强加于建筑之中，而应作为一个构件融合于建筑中，从而取得与建筑功能、建筑美学的协调。具体来讲包括下面几个方面：

（1）建筑的使用功能与太阳能热水器的利用有机的结合在一起，形成多功能的建筑构件，巧妙高效的利用空间，使太阳能成为建筑附属部分。

（2）同步规划设计，同步施工安装，节省太阳能热水系统的安装成本和建筑成本，一次安装到位,避免后期施工对用户生活造成不便以及对建筑物结构构成损害。

（3）综合考虑建筑结构和太阳能设备协调、和谐，构造合理，使太阳热水系统和建筑融为一体，不影响建筑的外观。

（4）根据不同的建筑功能要求可采用不同的太阳能系统形式，有利于节约能源。

（5）太阳能的利用与建筑相互促进、共同发展，使其节省能源，为民众受益。

总之，经过一体化设计和统一安装的太阳能热水系统，在外观上可达到和谐统一，具体的设计原则可以表述为吸取技术美学的手法，体现各类住宅的特点，强调可识别性，利用太阳能构件为建筑增加美学趣味。

那种只是强调太阳能技术的应用而不考虑建筑的文化与美学的做法，虽然节约了能源却破坏了建筑，最终是会限制太阳能的发展。建筑设计要有新的设计理念和设计方法，综合解决建筑功能、空间组合及造型等多种问题，并进行一体化太阳能构件的研制。太阳能与建筑一体化已经成为太阳能热水器产业化道路必要条件

3 太阳能热水器推广的可行性——以上海三湘四季花城太阳能与建筑一体化设计为例

3.1 项目概况

三湘四季花城位于上海松江新城，东至嘉松南路，西接龙马路，北依广富林路，南临梅家浜路，小区与轨道交通9号线的轻轨大学城站、松江大学城紧密相连，拥有得天独厚的自然环境和四通八达的高速干道。

小区占地约25.9hm2，总建筑面积约52万m2，容积率1.65，总地上面积427 350m2，建筑密度16.3%，绿化率达40.8%，是一个居住人口逾万人的规模型住宅社区（图2）。本着统一规划、分期开发的原则，小区共分为五期开发，住宅部分分为四期，一期——玫瑰苑、二期——桂花苑、三期——紫薇苑、四期——玉兰苑，五期——酒店式公寓，项目中运用了大量的生态技术，其中紫薇苑（868户）和玉兰苑（756户），总户数1 624户，是全国首家在新建高层住宅项目中应用太阳能光热技术的项目，实现太阳能与建筑一体化。三湘四季花城于2007年被建设部确立为“十一五”国家科技支撑计划可再生能源与建筑集成示范工程。

3.2 规划设计

上海属于我国三等太阳能辐照度地区，气温高，但云量大，阴雨天多,年日照时数在1 997.5h/a以上；辐射量30度倾角表面为4 716.445（MJ/m2·a），年平均日太阳辐射量斜面为12. 200 MJ/m2,年平均日照时数为5.5h，年平均气温为16.0℃。那么项目在规划设计的时候就要充分了解本地的太阳辐射情况，通过日照分析，确定住宅的朝向、间距（45～80m），保证每户阳台都有良好的日照。并通过技术手段错落布置建筑，提高住宅的日照时间，可以看出三湘四季花城紫薇苑、玉兰苑不管是朝向、间距都为太阳能的使用，提供了良好的条件（图3）。

3.3 系统简介

三湘四季花城紫薇苑、玉兰苑采用的是分体式太阳能系统，分体式太阳能就是集热器与贮热水箱分离，二者通过管道连接的太阳能热水系统（图4）。

正是这套系统实现了三湘四季花城紫薇苑、玉兰苑太阳能热水器与建筑的一体化应用。分体式太阳能与传统太阳能热水系统相比它有六大优点：

（1）太阳能的集热器与水箱分离，实现了太阳能与高层建筑的结合，建筑的使用功能与太阳能热水器的利用有机的结合在一起，形成多功能的建筑构件，巧妙高效的利用空间，使太阳能成为建筑附属部分。

（2）同步规划设计，同步施工安装，同步竣工验收，一次安装到位,综合考虑建筑结构和太阳能设备协调、和谐，构造合理，使太阳能热水系统和建筑融为一体，避免后期施工对用户生活造成不便、对建筑物结构构成损害及影响建筑形象。

（3）分体式太阳能热水器采用闭式承压水箱，与传统太阳能热水系统所采用的非承压水箱相比，系统运行更稳定，热水出水压力与冷水等压，水温稳定、便于调节，提升了舒适度。

（4）分体式太阳能热水器采用了包含CPC聚光珊等多项技术的中高温太阳能集热器，在高层住宅有限的太阳能集热状况下能充分保证热量的采集。

（5）分体式太阳能热水器采用强制循环的换热方式，既满足了太阳能热水器的分体设置，又增加了系统的换热效能。

（6）在太阳能的应用上充分考虑人性化设置，增加一套热水循环系统，用户在使用热水的时候，只需触摸延时开关，打开水龙头便可使用热水，避免长时间放冷水，达到真正节能、节水的效果。

3.4 单体设计

分体式太阳能热水系统可以灵活地布置集热器与水箱，三湘四季花城是将集热器放在阳台南向，与阳台隔板充分结合，将水箱、泵站、膨胀罐与空调外机结合考虑，置于原空调机位空余位置(图5)。

根据太阳能集热器安装角度经验数据，集热器与垂线的夹角经验数值等于装置所在地区的纬度±5°，上海位于北纬31度14分，那么太阳能集热器安装角度应该在26°～36°效果最好，但是在高层建筑上如果安装这么大的角度势必对建筑立面影响很大，对于安全也是不利的，这样的安装角度无法实施。紫薇苑太阳能与建筑一体化项目中，我们以冬季的集热效果考虑，结合建筑外立面的效果，采用垂直安装，通过适当增加集热面积、采用CPC聚光珊等多项技术的中高温太阳集热器等措施保证集热效能。两房及三房有效集热面积达到2.82m2，一房有效集热面积为2.4m2，同时一楼住户采用30°安装角度，基本满足了冬天良好的使用效果，同时避免了夏季过热现象的出现。但单体建筑因为存在自身遮挡情况，有些小户型的实际运行情况还不够理想。

三湘四季花城紫薇苑已于今年三月底交付小业主使用，使用情况良好。在紫薇苑太阳能与建筑一体化应用中，取得了非常卓越的成绩，并作为示范案例入编了《上海市太阳能图集》，为此我们总结出以下经验：

（1）建筑单体设计避免大的凹凸，减少因建筑自身遮挡造成的太阳能集热时间不足，板式大楼更合适太阳能的应用。

（2）接近垂直安装角度与建筑立面结合非常好，但是夏天太阳高度角高，太阳能热水器在夏天的使用工况不是很理想。那么在太阳能利用率和与建筑完美结合找到一个结合点就显得非常有必要了，在玉兰苑我们对方案进行了调整。

（3）阳台进深偏小，空调安装尺寸就显得有些局促，大的空调外机无法安装，建议阳台进深尺寸不能小于1 800mm。

（4）合理考虑太阳能设备安装空间和阳台的排水设计。

（5）设计中关注太阳能集热器的使用安全及便于维修。

总之，本项目将阳台栏板与太阳能热水集热器形成多功能建筑构件，在保证一定太阳能利用效率的前提下，实现太阳能与建筑的完美结合。其中，一期紫薇苑集热器采用垂直安装，后在二期玉兰苑的建设过程中做了调整，将集热器倾角调整为12°，集热量提高了20%左右，而建筑一体化效果并不受影响(图6)。

3.5 建筑立面设计中所采用的手段

解决好与建筑立面的结合，也就是所说的太阳能与建筑一体化的最终实现。高层住宅上太阳集热器的重复安置可以形成有韵律感的连续立面，以其特有的韵律感形成太阳能建筑的标志性外观，更易于塑造竖向的垂直韵律效果(图7)。

3.6 具有较高的技术经济性

(1)太阳能系统实测结果显示，该阳台式太阳能热水系统集热效率为47%～65%之间，太阳能保证率为36%～100%，可有效解决热水需求。

(2)实测分析结果显示，采用阳台式太阳能热水系统的家庭，全年可节能0.29tce，可减排0.7t二氧化碳，具有较好的社会环境效益。

(3)投资成本决算显示，阳台式太阳能一体化热水系统初投资折算为100元/m2，为市场推广提供了基本条件。

通过实际现场考察与效果测试，该项目可以称为太阳能利用的成功典范，其利用模式具有很强的复制性与可推广性，可在未来城市高层建筑形态中加以推广与应用，并能取得良好的节能减排效果。

4 走太阳能与建筑一体化的产业化道路具体措施

4.1 技术措施

4.1.1 要使太阳能热水系统逐步模块化、系列化与标准化

除非常注重节点设计优化与施工配合精度问题外，针对系统水箱、管道、水泵与集热器之间连接的美观问题进行系统整合，通过模块化、系列化和标准化，使阳台式太阳能热水系统向家电化方向发展。

4.1.2 针对不同的建筑形式选用不同的太阳能形式

目前太阳能有分体式、集中式等（图8）对于不同的建筑类型，要形成不同的太阳能方案，编制成太阳能图集，在设计之初就把太阳能设计进去，使太阳能体系逐步完善。

4.2 行政措施

首先，凡是产业性质的行业，多是通过规模要效益，只有形成规模降低开发成本，才有可能获得较好的效益，房地产开发中必须大量地运用，才能形成规模效应。

第二，必须形成一个稳定的政策天平。政府部门制定政策要具有强制性、超前性，政策制定要有可行性与科学性，只有政策制定合理，产业化才能蓬勃发展。

第三，必须形成一个以科技为先导的技术支持平台，产业化的一个重要特点就是科技产品的利用，因此，要加强科技的开发与研制。

5 结语

通过对太阳能与建筑一体化的应用总结，笔者认为，只有走产业化道路，大力推广其在住宅建筑上的运用，才能实现2020年单位GDP碳排放降低40%～45%的目标，推动低碳建筑向着更完善方向发展。