简论太阳能热水系统与建筑一体化技术的有效应用

谷秀志

（北京建筑材料科学研究总院北京100024）

简论太阳能热水系统与建筑一体化技术的有效应用

谷秀志

（北京建筑材料科学研究总院北京100024）

人们使用太阳能由来已久，特别是近些年，随着电子智能的不断发展，太阳能热水系统的应用越来越广泛，其生态价值和经济价值也不断受到党和政府的高度重视。本文立足于太阳能与建筑一体化的实际情况，深入探讨如何同时施工和设计太阳能热水系统与建筑，以此实现双方的一体化，从而实现建筑节能的目的，为在建筑上太阳能的利用拓展更大的发展空间。

太阳能；建筑；一体化；节能2015年11月，我国部分省份遭遇到严重雾霾侵袭，上百个大中型城市的空气受到污染，严重危害到人民群众的身体健康。加大节能降耗的力度，实现能源消耗强度下降，已经势在必行。太阳能的扩大使用不断被各级政府和民众提及。太阳能作为清洁可再生能源取之不尽用之不竭，是人类未来最可靠、最期盼的能源之一。

目前，对于太阳能的利用主要集中在生活热水方面，太阳能热水系统已经成为在太阳能利用中最成熟、最广泛的应用技术，尤其是其在产业化方面具有的无可比拟的经济竞争力，使得该系统已经成为热带、亚热带以及温带人类必不可少的生活组成部分，在亚寒带及寒带的应用也取得了不错的效果。太阳能热水系统的使用除天气情况外，限制更少，如果在初装上得当，后期只有少量的维护成本，相比于燃气、电热水器的长期付费使用，具有非常大的优势。以此可以看出，太阳能热水系统在初装上的重要意义以及商业价值，而初装最重要的一部分就是如何实现与建筑的一体化。

1　太阳能热水系统与建筑一体化应用的理念

太阳能与建筑一体化的内容涵盖多个方面，最主要的目的在于将太阳能光热系统作为建筑整体的一部分去建设。这其中不仅要求不能破坏和影响建筑的外观与结构，而且要达到节能和满足使用功能的目的。因此，一个主要的理念就是将太阳能热水系统的设计与建筑设计同步考虑，达到两者的和谐统一。在设计中，其核心的部分就是集热器的放置，涵盖面积、角度、美观等多个因素，只有使得集热器的安装与建筑物的屋面形式相符合，才能达到集热器成为屋面的一部分，较好实现一体化目标。另一个重要的组件是太阳能热水系统水箱的合理放置，房屋面的承重问题是需要考虑的问题，同时还要兼顾考虑怎样与建筑相结合。要恰当解决这个问题，一般采用三种方式，（1）为避免建筑外观的破坏，加砌与建筑外观一致的护拦，将之放置在建筑屋顶露天平台的楼梯间上。（2）在没有屋顶露天平台的其他单元，为了在建筑外面看不到热水箱，保持建筑外观协调和谐，可以在楼梯间顶部专门设计一个放置热水箱阁楼，这样也可以增加整个建筑的美观度。（3）针对别墅的建筑，为了良好的隐蔽性，符合外部美观的需要，一般将热水箱放置在地下车库，既可以方便日后的维修，又可以完美的利用好空间。

2　是推动太阳能产业的有效途径

据统计，我国占国土面积2/3左右的地区，年日照时数超过2200h，这是极为丰富太阳能资源。正是基于此，政府在太阳能的利用上一直非常重视，将太阳能光热利用纳入建筑节能范畴，可以说，这为太阳能热水系统建筑一体化的发展奠定了基础。依据我国《2000—2015年新能源和可再生能源产业发展规划》要求，到2020年，我国太阳热水器保有量达到5.0×108m2。由此可见，在实现建筑节能目标的进程中，太阳能光热技术的广泛应用起着至关重要的作用。

太阳能热水器在设计之初，就已经将建筑当作不可缺少的元素加以考虑。（1）外观上考虑到集热器和水箱的问题，在建设布置上就要求达到与屋顶调和统一，尤其是重视使太阳能集热器成为阳台或墙面建筑的一部分。（2）结构上考虑到建筑的承重、防水等功能，妥善解决了太阳能热水器的安装问题,并充分考虑了太阳能热水器抵御自然灾害的能力。（3）管路的布置上如何减少热水管路的长度问题是一个技术重点，这就需要考虑好太阳能循环管路、冷热水供应管路的布置，其基础就是要在建筑上事先留出所有管路的接口和通道。（4）运行上要保证方便快捷的安装、检修，同时实现运行的安全和稳定也很重要，还要尽可能实现系统的智能化和自动控制，这些都要将建筑物的各类因素考虑进去。总之，只有实现上述四个方面与建筑的完美结合，才是真正的太阳能与建筑一体化，才能推动整个系统和行业的快速发展。

但是，由于长期处于不完善的发展阶段，加之行业的迅速壮大，在太阳能各类产品应用中，出现了系统和形式相对都比较单一的情况。还有部分企业，由于没有真正太阳能与建筑一体化应用的理念进行操作，只考虑了自身的因素，而忽视了与建筑的结合，导致了太阳能热水器的安装没有规则，这些都严重影响了建筑的结构安全及外部形象。因此，开发和利用太阳能产品变的相当迫切，如若能统一考虑建筑物与太阳能热水设施，将其进行有机结合，这样做的结果就是既能提供生活便利，又能保证建筑物的整体性和美观性不受破坏。

3　太阳能热水系统与建筑结合方式的确定

太阳能与建筑的结合模式直接受到太阳能热水系统的运行方式的确定的影响。

3.1太阳能集热器与平屋顶的有机结合

平屋顶有其自身特点，在集热器放置上有很大优势。可以采用两种形式，（1）在支座内预埋钢板,上面焊接螺栓固定热水器，也就是钢筋混凝土支座与结构层一起浇筑。其中最重要的就是做好支座防水。支座防水的重点在于附加防水层，在设计上需要做空铺，这个宽度不应小于250 mm。值得注意的是，在收头处理时，雨水可能会从开口处渗入防水层下部，要注意避免这个问题。防止卷材防水层收头翘边，可以应用压条钉固定或用密封材料封严卷材防水层。（2）针对后加热水器,可以使用预制混凝土支座。现在比较实用而且经常使用的支座，一般在200 mm的高度、宽度。在建筑支座时，要注意伸出屋面的管线,通过预埋穿屋面套管来实现，这个套管可采用钢管或PVC管材。另外，应预留凹槽以助于用密封材料封严套管四周的找平层。

3.2太阳能集热器与坡屋顶的结合

3.2.1屋顶飘板太阳能系统设计

这种设计不仅可以满足太阳能采暖要求，而且还能满足制冷需求。在结构上，采用屋顶架设飘板钢结构。在系统上，采用储热水箱、溴化锂吸收式制冷机组、太阳能集热器系统、管路配件及控制系统。集热系统采用的504台热管型集热器，主要是20支2.1m真空管，外形尺寸2277mm×1606mm，轮廓采光面积为2.90m2共分成6套系统，采光面积可以达到1461m2；这里面需要使用制冷功率为141kW的温水型吸收式制冷机2台，9t的集热水箱和防过热水箱各1个。在运行上，由于集热器安装在建筑屋顶飘板上，热量通过集热器收集，再经板式换热器换到集热水箱内，产生高温热水。夏季制冷时，吸收式溴化锂制冷机获得水泵输送的83℃～88℃的高温热水，分水器收到机组产生的7℃～12℃冷冻水，室内的制冷采用风机盘管系统进行。冬季采暖时，热量通过集热器收集，通过板式换热器将热量换到集热水箱内，然后直接供给用户冬季采暖，从而在小区内能源的综合可持续利用方面发挥重大作用。

3.2.2墙面式集热系统

将墙面集热器安装在阳台之间墙面外侧的挑板上，放置300L水箱于墙面集热器后的挑板上。墙面集热器可以分为外挂式和内嵌式两种。外挂式墙面集热器外形尺寸为2153mm×2960mm，轮廓采光面积为5.396m2，采用34支1.9m真空管的U型管。内嵌式墙面集热器外形尺寸为2030mm×2760mm，轮廓采光面积为5.076m2，采用32支1.8m真空管的U型管。墙面式集热系统选用U型管墙面太阳能集热器为集热元件，为了达到每天为用户提供300L热水的目的，需要采用温差强制循环方式。同时，因为不同天气的变化，要保证热水供应，每个系统应配有室内机。另外，在阴雨天太阳能不足时，可开启2.4kW电加热确保热水使用。

3.2.3阳台壁挂式集热系统

该系统主要由贮热水箱、影屏智控系统、集热器、室内机及其管路配件组成，可以将贮热水箱安装在阳台内。太阳能热水系统的集热元件可采用U型管，为温差强制循环系统，每日为用户提供300L热水，将影屏智控系统集电视、太阳能智能控制仪表以及多媒体影音于一体，实现系统可控全自动运行。阳台壁挂式太阳能热水系统可以将集热器安装在建筑一步台外墙，为达到轮廓采光面积1.876m2以上，需采用3片12支2.1m真空管的U型管，外形尺寸为994mm×1990mm。另外，也可以采用2片15支2.1m真空管U型管，外形尺寸为1234mm×2290mm，从而将集热器安装在封闭阳台外侧，这样能够达到轮廓采光面积2.356m2。

4　结语

“太阳能与建筑一体化”在太阳能利用中占有非常重要的地位，而太阳能热水器作为太阳能利用的主要方向，实现其与建筑的一体化，对于我国建筑节能及太阳能热利用领域，技术难题的突破可以发挥重要的作用。可以说，太阳能热水器与建筑一体化是太阳能热水器发展的必由之路。只有在建筑设计之初，我们充分认识到太阳能热水器系统是建筑中不可或缺的组成部分，从而将其包含的所有内容巧妙地融入建筑设计之中,才能够真正实现太阳能热水系统与建筑一体化技术的广泛应用，才能不断促进我国太阳能使用的规范化、制度化，才能为节能社会、和谐社会作出更大的贡献。

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