使建筑增值的陶瓷太阳能房顶

许建华，王启春，修大鹏，赵之彬，孙启正，曹树梁

（山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014）

1 陶瓷太阳能房顶符合建筑发展的要求

国家标准 《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB50364-2005）提出：“当前太阳能热水器的设计、生产与建筑脱节，太阳能热水器产品往往自成系统，作为后置设备在建筑上安装和使用，即便是新建建筑物考虑了太阳能热水器，也是简单的叠加安装，必然对本来是完整的建筑形象和构件造成一定程度的损害，同时其设置位置和管线布置也难以与建筑平面功能及空间布局相协调，安全性也受到影响；太阳能热水系统与建筑结合，就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装，使其与建筑有机结合；需要从建筑设计开始，考虑设计、安装太阳能热水系统，包括外观上的协调、结构集成、布局和管线系统等方面做到同时设计，同时施工安装。”

房顶是离人类最近、最容易获得阳光的场所，制造太阳能热水系统放在建造好的房顶上，不如将整座房顶一次建造成与建筑一体化、具有传统房顶功能、造价与传统建筑相当、主要部件寿命与建筑相当，同时具有收集阳光功能的陶瓷太阳能房顶。陶瓷太阳能房顶采用中空黑瓷复合陶瓷太阳板为太阳能集热体，黑瓷复合陶瓷太阳板以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层，两者经1 200℃以上高温烧结为整体瓷质制品，也称作复合陶瓷太阳板，简称陶瓷太阳板。

2 陶瓷太阳能房顶与建筑结构一体化

传统两面坡或四面坡瓦片房顶由三角形空间、屋面板（结构层）、下找平层、下防水层、保温层、细石混凝土钢筋网找平层（上找平层、持钉层）、顺水条、挂瓦条、平瓦（上防水层）、正脊、斜脊、天沟、挑檐、檐口封边瓦、檐口挡箅、檐口通风条等构成，结构比较复杂，有一定的湿法施工工程量。

陶瓷太阳能房顶由一面坡屋面板、混凝土边框、下找平层、下防水层、带锚桩件的刚性垫板、保温层、陶瓷太阳板、硅橡胶连接短管、上下汇集管、快接件、30 mm空气层、钢化玻璃板（上防水层）构成，干法施工，一般称作刚性垫板锚桩支撑结构陶瓷太阳能房顶。

传统瓦片房顶采用两面坡或四面坡屋面板为结构层，陶瓷太阳能房顶采用一面坡屋面板为结构层，陶瓷太阳能房顶的结构层就是原房顶的结构层，称作与原房顶共用结构层。传统房顶采用聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、酚醛树脂泡沫板或者现浇珍珠岩水泥保温层等，陶瓷太阳能房顶一般采用聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、酚醛树脂泡沫板保温层，称作与原房顶共用保温层。传统房顶与陶瓷太阳能房顶都采用防水卷材作为下防水层，传统房顶采用脊瓦、平瓦、封边瓦等作为上防水层，陶瓷太阳能房顶采用钢化玻璃板作为上防水层，称作与原房顶共用防水层。玻璃板之间用不锈钢S钩固定，玻璃板与混凝土边框用不锈钢直角钩固定，硅酮胶密封。

陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，与建筑同时设计、同时施工安装，不论外观还是整体上都能同建筑与周围环境协调，风格统一、安全可靠、性能稳定、布局合理，是兼具太阳能热水系统功能的太阳能房顶。太阳能热水系统产品已经作为建筑构件与建筑有机结合为整体，实现了太阳能热水系统与建筑结构一体化。

3 陶瓷太阳能房顶与建筑成本一体化

传统房顶夏季晴天上午10点至下午4点房顶温度长时间达到70℃左右，整座房顶成为蓄热体，到下半夜房顶仍然在散热，冬天传统房顶是大面积的散热面，所以多数房顶有三角形空间用于进一步保温、隔热。陶瓷太阳能房顶夏天进入房顶的起始水温是20℃左右，至下午4点左右加热的目标是50～60℃生活热水，并且达到预期温度的热水全部自动进入保温水箱，房顶中没有水，房顶蓄热大幅度减少，冬天房顶吸热，从根本上提高了房顶的隔热、保温效果。钢化玻璃板搭接固定密封，陶瓷太阳能房顶的隔热、保温、防水、防风性能明显优于普通房顶，可以将三角形空间转化为有效的居住面积，转化为北屋和储物间。山东省巨野县核桃园镇，吴平坊村的新农村建设中，采用陶瓷太阳能房顶将每户三角形空间转化为40 m2北屋和26 m2斜坡储物间，增加建筑面积的价值超过增加墙壁和太阳能热水系统的费用，使单位建筑面积造价下降，使建筑物明显增值，这种增值在别墅和城市建筑中更会成倍放大。

目前农村建筑通常不按照建筑标准建造房顶，多是在下防水层上铺水泥层，在水泥层上直接贴粘土瓦，房顶的造价与性能都大幅度下降。山东省巨野县核桃园镇吴平坊村采用陶瓷太阳能房顶，经初步核算，由于增加了建筑面积，每平方米造价可以低于原设计造价，使建筑增值，使陶瓷太阳能集热系统实现了与建筑成本一体化。这也是陶瓷太阳能房顶受到当地居民欢迎的主要原因之一。

陶瓷太阳能房顶使整座房顶成为具有了提供能量、保温、隔热、防水、防风性能优良的房顶，并使房顶增加了使用价值。

4 陶瓷太阳能房顶主要部件与建筑寿命一体化

陶瓷太阳板效率高、寿命长、无毒、无害、无放射性、不腐蚀、不老化、不衰减、阳光吸收比0.94，是全瓷质太阳能集热体，也是新型建材；保温材料、刚性垫板、钢化玻璃是传统建材，可以实现陶瓷太阳能房顶的主要部件与建筑寿命一体化。

目前采用两种保温材料，一种是单层酚醛树脂泡沫板，另一种下面是聚苯乙烯挤塑板，上面是聚氨酯泡沫板，都属于常用的建筑材料。锚桩结构组件可以调整高度，陶瓷太阳能房顶内十分干燥，从使用几年后的效果看，镀锌螺栓组件没有发现任何生锈的迹象。陶瓷太阳板是中空陶瓷板，陶瓷太阳板之间热水的流通采用专门定制的进口硅橡胶管，连续5年使用没有发现明显老化现象，近期建造的陶瓷太阳能房顶的硅橡胶管上面加盖了镀锌铁皮，以阻挡阳光直接照射。陶瓷太阳能房顶及建筑内使用的管道采用薄壁不锈钢管，连接件采用铸铁快接件，铸铁快接件内原橡胶密封圈全部换为专门定制的硅橡胶密封圈，原铁垫圈不适用于薄壁不锈钢管，全部换为专用的铁垫圈。

陶瓷太阳能房顶已经试用、使用数年时间，从理论上说陶瓷太阳板可以与建筑同寿命，陶瓷太阳能房顶主要部件是常用的建筑材料，可以实现与建筑寿命一体化。陶瓷太阳能房顶是一种设备，也是建筑的一部分，与普通设备、房顶一样，也需要必要的维护、维修。

陶瓷太阳能房顶的建造、使用、维护、维修需要有上下平台、上下通道、四周栏杆。陶瓷太阳能房顶是一面坡房顶，坡底和坡顶都设计有平台，一般下平台在南面，上平台在北面；在坡房顶上下平台之间设有台阶通道，下平台与房间之间也有通道；平台外侧和房顶两侧设有栏杆，上述平台也是阳台。

山东省巨野县核桃园镇吴平坊村的陶瓷太阳能房顶建筑都是7户联排住宅，原设计二层，改房顶设计为陶瓷太阳能房顶后成为三层。每户一、二层各80 m2，三层是40 m2北屋和26 m2斜顶储物间，采用每户单独通道，每户采用52 m2陶瓷太阳板，拥有独立太阳能系统。也可以建造10户联排经济型住宅，每户一、二层各50 m2，三层是25 m2北屋，10户共用一个通道，全房顶满铺陶瓷太阳板，房顶利用率比较高，每户采用49 m2陶瓷太阳板，拥有独立太阳能系统。

5 陶瓷太阳能房顶的主要用途

陶瓷太阳能房顶可以使阳光利用最大化，为各种建筑提供热水、取暖、空调；充分利用可再生能源，为节能减排，减少雾霾天气做出贡献；降低建筑和相关设备建设成本、降低建筑物运行成本。

目前主要可以为独立住宅即农居、别墅、城乡结合部的独户住宅等提供部分冬天取暖的热能、全年生活热水；为厂矿企业的车间、仓库、办公楼及养殖业等提供部分冬天取暖、全年生活热水；为城市住宅楼、公共建筑、服务业、学校、机关、宾馆、饭店、游泳池等提供部分或全部热水。

黄淮地区如黄河以南及淮河流域目前多数农村地区没有取暖或取暖设备，可能涉及上亿人口。如山东菏泽地区目前农村人口800万左右，历史上冬天不取暖，冬天室内温度甚至低于室外，一年四季敞开大门过日子，冬天平均气温0℃左右或以下。2014年2月5～10日，平地雪厚400 mm，夜间最低温度零下10℃，历年来当地冬季老年人死亡率比较高。陶瓷太阳能房顶热水能量可以储存5～10 d，可以使相同面积的普通房间在取暖季节平均室温达到10℃以上，至少可以提供1～2间房间的取暖。随着生活水平提高，长江流域居民也正在逐步产生发展冬季取暖的愿望。

我国北方农村地区，冬天主要依靠烧煤取暖，白天室温大多在12℃左右，夜间封炉后室温下降，平均室温10℃左右或以下。我国北方地区独立住宅的陶瓷太阳能房顶一般可以为相同面积的普通房间提供50%左右的取暖能量，也可以为少量房间提供更高比例的取暖能量，目前北方农村家庭多为1～2间房间取暖。

陶瓷太阳能房顶要达到房顶阳光利用最大化的效果，应该尽量采用全面积陶瓷太阳能房顶。如20层住宅楼，电梯间放在北面，户均建筑面积100 m2,垂直20户共同拥有房顶面积100 m2左右，斜面大于平面，户均陶瓷太阳能房顶采光面积可以达到5 m2左右，即便考虑到房顶至一层的主热水管道恒温循环消耗，户均有效采光面积的实际效果也可以达到4 m2左右，考虑到传统普通单台太阳能热水器采光面积一般是2 m2左右，所以陶瓷太阳能房顶应该可以提供20层住宅楼住户生活热水。

调整单位面积加热水量，如济南地区每平方米加热30 L水量，夏季晴天陶瓷太阳能房顶水温可以达到100℃。根据记录，2013年夏季49 d水温达到100℃，每天可以维持1～4 h，大量能量和水资源转化为蒸汽。温水型溴化锂吸收式制冷机可以将75℃以上热水转换为8～10℃冷水，风机盘管可以将冷水转换为冷风，提供空调制冷。小型温水型溴化锂吸收式制冷机价格过高，而制冷机的功率与价格不是同比例增加。如目前10 kW近10万元，100 kW约23万元，400 kW约34万元，800 kW约45万元。一般新农村的公共建筑、工厂建筑密度比较高，夏天采用联户或联栋的方式，大面积陶瓷太阳能房顶可以提供大量热水，可以采用大功率制冷机向各户或各栋建筑的风机盘管提供制冷冷水。比如对数百户新农村社区每户提供2 kW的制冷能量，户均投资额1万元以下可能是今后的努力方向，公共建筑、工厂建筑可以用这种方式向部分建筑提供制冷能量，这种方式的本质是集中式空调。陶瓷太阳能房顶空调利用的开发可能为夏天过剩的热水和能量找到利用途径。

6 发展中的陶瓷太阳能房顶

陶瓷太阳板阳光吸收比0.94，国家标准0.92，陶瓷太阳能房顶日有用得热量8.6 MJ，国家标准7.0 MJ；陶瓷太阳能房顶是多年以来太阳能热水系统与建筑一体化不断改进、发展的一种应用形式，可以实现与建筑一体化，结构比较简单、干法施工、建造成本比较低，增加建筑面积，可以使建筑增值。