太阳能建筑一体化示范工程设计实践

江苏省徐州市新型建筑实用技术应用中心 ■ 何水清

一 安徽省安庆市太阳能建筑一体化设计

1 工程概况

安庆“香樟里·那水岸”项目，小区总占地108亩，规划建筑面积19.67万m2，由17幢高层、小高层及临街2层商业裙方组成，总住户1060户。全小区工程，经国家住房和城乡建设部康居示范工程达标验收，“住宅成套技术”、“规划设计”、“建筑设计”、“施工组织管理”4项验评体系全部被评为“优秀”。同时根据国家《住宅性能评定技术标准》，认定小区住宅在适应性能、安全性能、耐久性能、环境性能、经济性能上达到“AA级”标准。这是安徽省第一个通过国家住宅性能定为AA级标准的项目，填补了安徽在AA级住宅建设方面的空白。

2 技术方案

实施工程的某公司和清华阳光太阳能设备公司合作，在对国内多个高层太阳能建筑进行考察研究基础上，对通用的太阳能系统进行实破性的大胆改进和创新，增设了管道循环系统、智能控制系统和分时加热系统，首创国内高层高效联集式太阳能建筑一体化系统。充分采用光电两用、分户计量、定时控制、加压循环等有效措施，很好地解决了“三大循环”难题，即集热器与集热水箱的循环、集热水箱与保温水箱的循环、住户管道冷水与集热水箱的循环。

该系统具体运行原理为：自来水进口处电磁阀打开，将集热水箱加满，集热器在阳光的照射下开始工作。当集热器上端水温探头测得集热器水温达到60 ℃时(此温度可调节)，集热器和集热水箱之间的水泵开始工作，将集热器的热水打到集热水箱里。当集热器水温低于50℃ (此温度可调节)时，反反复复将集热水箱加热。当集热水温探头测得水箱达到60℃ 时(此温度可调节)，集热水箱下端的电磁阀自动打开，将集热水箱里热水顶到保温水箱；当集热水箱上端水温低于50℃时，进水电磁阀自动关闭，集热器与集热水箱继续按上述流程工作，不断将保温水箱加满。如遇阴雨天或太阳光照不足、水温不高时，集热水箱里面的加热器开始工作，利用夜间峰谷电自动加热。如保温水箱多日不使用，水温下降至不能使用时(探头测得水温低于45℃)，保温水箱和集热水管之间的循环泵开始工作，将保温水箱的低温热水输到集热水箱再加热。同时，考虑高层住宅管道冷水较多，将设在底层的水温探头设置一定温度(一般为35℃)，当感测水温低于设定温度时，热水管道上方循环泵就会自行启动，把管道冷水抽到集热水箱内；当管道水温达到45 ℃时(可调节)，循环泵便停止工作，循环的次数和时间都可调整，彻底解决了管道冷水以及冷热水箱交换问题，确保每户都能用上即开即热的清洁低廉的太阳能热水。此外，考虑到住户日常使用管理等问题，在每个住户热水进水处安装一个磁卡热水表，先充值后使用(IC充值卡)，整个过程实现运行，大大降低了物业管理的麻烦。

3 应用效果和示范意义

小区太阳能集面积达到3050m2，住宅应用覆盖率100%，示范面积14.53万m2，确保了每户热水使用量在0.2t/天以上，具有安全、节能、环保、不占室内空间、业主免维护和使用成本低的显著优势。小区主要设备配置见表1。自首批业主入住以来，热水单价平均按5.6元/t收取，IC卡计量收费，住户预存金额，逐日扣除，多用多付费，少用少付费，不用不付费，使用方便，性能可靠，深受好评。该技术系统也获得国家财政部、住建部可再生能源建筑应用示范项目资金支持。

随着国家对省地节能环保住宅建设的支持和鼓励，高层住宅太阳能利用具有广阔前景，高层住宅建造量不断攀升。从全国太阳能热水器家庭普率不足10%来看，太阳能热水器具有巨大的市场潜力。商层住宅太阳能热水器属于一次性投资，维护简单方便，不扰民，不增加住户负担，且安全可靠。综合计算，太阳能热水器总体成本最少，并且随着能源价格的不断提升，太阳能热水器的应用，其经济效益和社会效益更加明显。

以每天提供20t热水为例，燃气、燃油、电加热和太阳能系统相差较小。而从15年的使用总费用(含水、气、电费)来看，太阳能热水器的费用比燃气热水器要小得多，并且，燃气和电价呈逐年上升趋势。显然，从长期使用的角度来看，使用太阳能热水器非常经济实惠。如果将太阳能热水器替代电热水器，三口之家每年至少可节省电费约600元。而如果一家一户安装一个太阳能热水器，约需设备投资3500～5000元，使用期间存在维护费用支出。但对于高层高效联集式太阳能建筑一体化系统工程，其设计费用、设备投入、运行系统等加起来，平均每户约摊成本费用4500元，对住户来说，免维护终身受益。更为重要的是，高层高效联集式太阳能建筑一体化系统可不受天气影响，做到一年四季24h均衡。

表1 主要设备配置表

投资对比分析，以加热1t水为例，自来水温按15 ℃加热到55℃ ，需40000千卡的热量，对燃气、燃油、电加热和太阳能系统分析对比：初步测算提示，太阳能热水器一次装置投资比燃气热水器、电热水器要高，但它们15年的装置总投资费用供应热水，让居住更健康，让生活更舒适。

4 改进的方向

“香樟里·那水岸”项目实施，针对项目不完善，需在以下两个方面改进：

(1)将太阳能和建筑更为完美的结合。针对太阳能集热器和屋顶结合问题，将平面屋顶改为斜坡屋顶，把太阳能集热管镶嵌在屋面中，实现建筑、技术和美学融为一体，达到适用、经济、安全、美观的目的，进一步增强建筑的表现力。

(2)深化太阳能综合利用。在做好太阳能建筑一体化的同时，将单纯使用太阳能热水器，走向太阳能综合利用的全面发展，重点发展太阳能地板采暖技术和太阳能照明技术，实现建筑的低能耗与舒适健康性的充分结合，为房地产市场创造一种全新的开发模式。

二 江苏省徐州市不同住宅类型的太阳能热水系统的设计

通过太阳能光热利用技术，为用户提供价廉的热水，是解决能源紧张同提高居民生活舒适度矛盾的有效方法。

1 工程概况

徐州市某住宅小区位于市区城南新城开发区，总建筑面积为234.085万m2，其中住宅面积为190.638万m2，包括45栋3层别墅、25栋多层(6层局部跃7层)、16栋高层(7～11层局部跃层)，均采用太阳能热水供应系统。

2 太阳能设计的难点

太阳能热水器受天气影响较大，到达某一地面的太阳辐射强度，因受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响，时强时弱，时有时无，给使用带来不少困难。在高层建筑中屋面的建筑面积一般无法满足整栋楼的热水供应，而且只能采用集中供热的给水方式来解决分户供水压力不足的问题，并且要增加热水计量水表，使小区物业管理复杂。

3 本工程住宅建筑热水系统的选择

(1)别墅

别墅是高档住宅建筑，各户独立，私密性好，宜考虑每户设置独立的太阳能热水系统。别墅的套内卫生间数量较多，人均用水量大且用水不均匀性较大，但人均屋面面积大，而且一般市政供水压力满足别墅的直接供水，可考虑屋面设置太阳能系统。为了保证别墅供热能力的持久性，在地下室安装有辅助加热设备。别墅热水供应由燃气热水器和太阳能热水器联合供给，热水经太阳能预热后再进入燃气热水器，出水温度设定为60℃并设循环回水，保证主管循环。当遇到天气等问题使水温达不到设定的出水温度时，由辅助加热设备进行加热。

(2)多层住宅

多层住宅屋面面积一般够集热用，采用屋面集热，即太阳能热水器放置于屋顶。本工程多层住宅采用太阳能热水器和电热水器相结合的热水供应系统(也可采用于然气热水器)，以满足住户在任何时候都可使用热水。

(3)小高层住宅

小高层住宅屋面面积相对较紧张，如屋面面积不足时可考虑采用南阳台设置太阳能集热板。对于小高层的建筑考虑3种太阳能的安装方式。

方案一：1～5层采用市政压力直接供水，太阳能安装于阳台；6层以上由公建地下室恒压变频供水，太阳能安装于屋顶。由于1～5层安装在阳台上，对建筑立面有一定影响，并且会对用户产生一种新的污染——光污染。

方案二：1～顶层由恒压变频供水，太阳能安装于屋顶。但需增设恒压变频供水一套，原泵房要大一倍。

方案三：将太阳能集热器中布置在屋顶，储热水箱分散布置，采用热交换的方式供给用户热水，系统原理见图1。

图1 小高层太阳能热水系统原理

本系统是集热部分和储热部分完全分离，在二者之间增加了分集水器(或缓冲集热水罐)部分，这3部分通过管路构成密闭承压的泵送循环，实现热量的收集与转移，通过泵送循环高温热媒，与各户储热水箱之间进行隔离换热，为住户提供生活热水，每户各自独立的承压储热水箱，内部配有电辅助加热系统以保证用水的舒适度。当用户使用热水时，控制器1探测分户水箱的水温，当温度满足用户使用温度时，循环不运行；当温度低于用户使用要求时，控制器1自动打开分户水箱前的电动阀，并运行循环泵，供给用户足够的热源来满足用户的需求。当储热水箱不能提供足够的热量时，控制器2会启动更多太阳能集热板的循环泵提高储热水箱的温度，来满足更多用户同时使用热水的要求。天气条件不佳时，控制器1和控制器2测定分户水箱、储热水箱和太阳能集热板3处的水温，当3处温度不能达到用户使用要求时，控制器将启动分户水箱内的电辅助加热设备为用户提供足够的生活热水。

本系统的特点为：集热部分集中布置，储热水箱分散布置，既提高了系统与建筑结合的适应性，也提高了系统使用效率；集中布置的集热器构成的集热单元供整个系统公用，因此降低了使用成本，可有效克服前期入住率较低的影响，最大效率地利用集热单元；储热水箱分户放置，实现水、电的分户计量，便于后期的物业管理和维护；系统采用的是间接换热的方式，保证热水的卫生、洁净；太阳能放置屋顶不会对用户产生光污染。

上述3种小高层的太阳能供给热水方案，前两种都有很多弊病，而且会产生新的光污染，方案三是目前最便捷、最节能的热水供应方式，并且不会产生前两种安装方式的问题，由于它的智能化，方案三的前期投资较大，但在后期的管理和维护上都很便捷。综合比较，本工程选择方案三。

4 简述

通过对住户太阳能热水使用情况的调查，居民反映当日照条件很好时，龙头出水温度很高，天气一般时也能正常使用太阳能，到冬季，由于设有辅助加热设施，也能舒适地使用热水。

三 天津市高层住宅一体化应用太阳能热水器的几种策略

在高层住宅中一体化应用太阳能热水系统，首先要解决两大问题：一是选择合适的系统；二是选择适宜的安装位置。太阳能热水范围主要分为集中供热水系统、集中－分散供热水系统和分散供热水系统3大类。现在应用在高层住宅中的分体式热水器采用的就是分散供热水系统。这种系统使用灵活，一般由住户自己安装、管理，但由于各户间用热水量不平衡，因此不能充分利用太阳能集热设施。另外由用户自己选择不同品牌的热水器安装易造成位置分散、立面凌乱，造价也较高。集中－分散供热水系统也是由住户自己管理、使用，但高层住宅中应用就存在管路距离远、热损失大、水箱占用室内使用面积的缺点。集中供热水系统相比其他两种供热水系统有节约投资、用户间用水量可平衡、集热器较易有序列布置等优点，但需有集中管理维护及分户计量的措施。综合来说，最适合高层住宅的集中供热水系统。

而从适合集热器安装的部位分析，高层住宅的屋顶由于其位置高、遮挡少、安装维修方便、易于和热水器结合成为太阳能应用的首选位置，仅次于屋顶的部位就是南向高处的墙面和阳台，充分利用这几个部位是结合的重点。

1 屋顶集中式

这种做法适用于各种类型的高层住宅。主要利用屋顶构架架空设置集热器。架空构架处于建筑最高点，遮挡少，集热效率高，而且集热器面积不完全受屋顶限制。采用集中供热水系统，能平衡用户间用水量，相应减少一定的集热面积，解决了高层住宅应用太阳能热水器存在的主要问题。具体做法如下：

(1)系统

采用以单元或整栋楼为单位的集中供热水系统。针对冬季使用太阳能不足的问题，采用天然气热水炉辅助加热。这种系统为间接式热交换、强迫式双循环的分离式承压系统，不怕冻，不会造成集热器结垢，即使有集热器损坏，系统仍能正常运行。同时集中式系统可平衡用户之间的用水量，非常适合集合住宅的形式，能有效和高效地利用太阳能，管理和维修都较方便。

(2)集热器形式和位置

采用平板式集热器或U形管真空管太阳能集热器单元阵列。单元可集成管线、集热管等组成集热器模块，在工厂内预制好现场安装即可。集热器不是直接安装在屋面上，而是安装在利用下部的原结构升出屋面形成的构架上。构架可用混凝土或钢结构做成倾斜或水平，细长密集的集热管作为里面的小构架，和外部框架形成整体，成为建筑的特色。同时，集热管还能作为屋顶的遮阳构架，使原本纯装饰的构件多功能化，样式多样化。

(3)水箱

集中供热水系统的水箱可设在楼、电梯间上面，这样对屋面使用没有影响，当然也可 根据情况设置在屋面其他位置。根据负荷大小可每单元或每栋楼设一个水箱，这样水箱的容积适宜，对结构影响小。集热器和水箱之间的管线较短，热损失少。同时增设干管循环，解决低屋用户管道冷水过多问题。

(4)管道井的设置

通过适当加大建筑已有的设备管道井解决水箱和用水点的连接管道安装空间。这样就不用在各户内另设，减少对住户干扰，增加了户内使用面积。

(5)经济性分析

以18层单元式高层住宅为例，计算参数按每单元共36户，每户3人，每人每天用水量50L，每100L水需集热器1m2选取。这样集器面积约需55m2，水箱容积约5.4t，根据某品牌U形集热真空管的价格测算，系统造价约3000元/m2，土建增加约3万元，年运行费用约5000元，每吨45 ℃热水综合成本约8元，相比普通电热水器一般每吨20多元的成本来说，每单元每年省电费用约2.8万元，综合测算后投资回收期约7.5年。

这种做法的主要优点为：一是实现了热水器和建筑的完美结合，构架本身就是建筑造型的一部分，而且造型灵活多变，可有各种不同的组合方式；二是完全解决了高层住宅使用问题。通过设干管循环和减压措施(减压阀)解决低层用户管道内冷水过多和超压问题，设热计量表计量每户用水量；三是简化了复杂的技术衔接。太阳能热水器厂家在架空的框架内可根据实际需要安装集热器，不必担心对屋面的防水、保温和结构破坏等问题，同时解决了太阳能热水系统使用年限和建筑寿命方面的矛盾；四是屋顶的架空构架是一个多功能的生态构架，构架的安装不影响屋顶空间的使用，下方仍然是居民的活动场所和消防通道。另外集热器构架在夏季会成为良好的遮阳构件，改善顶层住户的居住品质，构架又成为一个生态构件，同时还有利于居民的室外活动。太阳能集热器既有实际功能，又成为建筑构件，还满足了形式的需要，这样它的存在就会更具合理性。

除了屋顶空间，高处的南向墙面和阳台也是日照时数较长的部位。因此为了充分利用这一区域，就出现了别外一种较好的应用策略：两段式。

2 两段式

这种做法适用于各种层数的单元式或通廊式高层住宅。实际上是对住宅上下分别采取不同的处理方式：低层部分的热水供应采用统一放在屋顶上的集中供热水系统；而中高层部分则采用独立的分体式热水器放在每户的南向阳台或墙面上。主要做法如下：

(1)系统

上下分别采用不同的系统形式。下部由于日照时间不足，无法同层使用太阳热水器，因此采用集中供热水系统。住宅上部则采用以每户为单位的分散供热水系统。

(2)集热器形式和位置

集中供热水系统集热器同屋顶集中式一样采用承压式的平板太阳能集热器或真空管太阳能集热器单元阵列。分散供热水系统的集热器则结合阳台或墙面安装，可设在阳台的栏板、阳台窗户两侧、墙面的窗间墙位置等，通过竖向有韵律的布置达到与建筑的较好结合。

图2 两段式

(3)水箱

集中供热水系统的水箱间位置及做法也同屋顶集中式。分散供热水系统的水箱则设在每户的阳台内或结合空调室外机放置，这样集热器和水箱的距离较近，热损失较少。

图3 两段式上部的几种安装方法

(4)管道井的设置

集在式系统与用水点联系也是通过加大建筑内的原有设备管道井，上部的分散式供热水系统则不需专门的管道井。

这种策略的优点：一是不同的系统形式分别解决了不同部位用户的太阳能利用和屋顶集热面积不足的矛盾问题；二是不同的处理方式和建筑都达到了较好的结合。缺点是：分散式的使用、管理、维护对用户有干扰；二是这种方式对塔式高层住宅不太适宜；另外集中式也存在后期因费用问题带来的纠纷问题。

3 均分式

这种做法主要适用12层以上的单元或通廊式高层住宅。实际上是把高层住宅竖向转化为几个多层住宅的叠加，利用每隔几层在南向外墙设一水平悬挑隔板的方式解决太阳能热水器的放置。这样既有效地利用了南向外墙，解决了低层部分的使用，又使住宅在竖向分为几段，形成有韵律的外部景观。主要做法如下：

(1)系统

采用集中－分散供热水系统，辅助电加热。这种做法是把整个高层建筑竖向均分为几个独立系统，每个系统均为分体承压、强制循环。

(2)集热器形式和位置

这种做法的集热器也是采用串并联的平板或真空管集热器，倾斜或垂直、有规则地安装在从南向外墙悬挑的隔板上，作为下部几层的集中集热区。水平隔板每隔5～6层设置一道，出挑宽度约700mm，这样在整个立面上就形成了几条横向的水平分隔带。隔板既能安装集热器，也可作为检修的通道，同时还能作为下层的遮阳板。

图4 均分式

(3)水箱

每户水箱设在南向阳台凹槽内或结合空调室外机放置，这样水箱和集热器的距离相对较短，热量损失较少。

(4)管道井的设置

结合单元阳台设置的凹槽作为导热介质管道井进入各用户水箱的管道井，这样集热器和水箱连接较直接，对户内使用也没有影响。

这种策略的优点：用户自己使用，避免了后期的费用问题纠纷；另外每隔5～6层作为一个系统，连接管道短，热损失少，安装检修方便，集热管和建筑结合紧密，成为建筑的一个造型元素；同时隔板还有一定的遮阳作用。缺点：住宅的凹凸变化不应过多，管理、维护对局部用户有干扰，对阳台较小的用户来说也有一定的影响。

上述3种策略共同的部分就是从管道井或水箱进入室内用水点的处理。具体做法为：在现浇楼板上做垫层时沿墙、沿地预留5cm深沟槽。可把太阳能热水管道结合暖气供回水管道或自来水管道共同铺设在沟槽内，太阳能热水管道可采用AL-PPR铝塑管。铺设完毕后，沟槽用蛭石等轻质材料做保温填充至垫层上平，最后垫层上统一有2cm面层做法。这种做法虽然地面易产生裂缝，但用户一般要对地面进行二次处理，所以问题并不突出。