太阳能集热与住宅建筑一体化研究

万瑞霞梁园芳瞿 明

（1兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021；2陕西省城乡规划设计研究院，陕西 西安710075）

太阳能集热与住宅建筑一体化研究

万瑞霞1梁园芳2瞿 明1

（1兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021；2陕西省城乡规划设计研究院，陕西 西安710075）

太阳能作为新能源可以在生活中为人们提供热能和电能。太阳能集热设备与建筑设计融为一体是发展绿色建筑的方向。太阳能集热器的有效面积和角度的计算可以使用计算机辅助和相关规范完成。太阳能集热与建筑一体化的设计主要分为屋顶式和外墙式两种形式，不同的方式均具有各自的优缺点。

集热器；太阳能；一体化；安装形式

我国在经济高速增长之后更加注重经济品质和环境保护。在住宅建筑中为了降低建筑能耗，将太阳能引入住宅建筑，使其成为建筑本身的一部分。“太阳能建筑一体化”的概念正在为人们所熟知，在生活中的应用也不断成熟[1]。为了加快这一进程，已有《可再生能源法》、《太阳能利用系统与建筑结合规范》的相关法规相继出台。

1 太阳能在住宅建筑中的应用

图1 太阳能集热器

图2 太阳能电池板

1.1 光热技术

太阳能是取之不尽的清洁能源，其具有蕴藏量大和洁净安全的优点，但是因受自然条件限制，具有间断性和不稳定性的缺点。太阳能在人们的利用中主要为光热和光伏技术两种。光热技术可以分为被动式和主动式利用技术，因为太阳能的流密度较低，为了提高采集效率，我们通常使用一定技术和装置的主动式技术采集太阳能。常见的太阳能光热采集装置为真空集热器，真空管集热器（图1）主要分为单通式、双通式两种。真空集热器种类多样，全玻璃真空集热器、热管真空管集热器和U型管集热器为主要产品。

1.2 光伏技术

1839年物理学家贝克勒尔发现了液体产生的光伏效应，使得太阳能电池发明应用已有170多年。世界上很多国家都利用太阳能发电，发展中国家在远离电网的村落利用太阳能供电，发达国家利用其组建微网改善系统负荷。太阳能光伏电池（图2）主要有单晶硅电池、多晶硅电池和其它种类的光伏电池。晶体硅制作的太阳能电池是与住宅建筑实现一体化的主要材料[2]。

1.3 其它太阳能技术

太阳能在建筑中还可以被用来增加采光和通风。在有的高层建筑中安装集光器采集阳光为建筑增加光照。在一些建筑的中庭利 用“烟囱效应”增加建筑内部的通风[3]。

2 采集面积和角度

国际通常使用F-CHART、TRNSYS等软件进行太阳能系统参数的仿真计算，其可以根据集热器的瞬时特性方程及集热器倾角，输入当地的纬度、太阳辐照、环境温度、管路损失等数据最终计算出所需要的集热器有效面积。除此之外，还可以根据《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》中的能量平衡公式进行近似计算[4]。

在建筑中使用太阳能集热系统还需要重点考虑的就是其安装的角度，这与太阳能的集热效率密切相关。

1）平顶屋面的安装位置：太阳能集热设备应符合对朝正南、南偏东或偏西不超过30度的建筑，可朝南或与建筑同向设置；对朝向正南、南偏东或偏超过30度的建筑，应朝向正南设置。

2）坡顶屋面的安装位置：太阳能集热器朝向正南设置，或南偏东、偏西设置。坡形屋面安装集热设备时，可以充分利用坡形屋面采用嵌入式设置或顺坡架空的方式设置。

3）在阳台上或墙面上的安装位置，应符合：对朝南、南偏东或偏西、朝东、朝西的阳台和建筑外墙，太阳能集热设备可以在阳台的栏板或墙面上。

3 设计对策及实际应用

太阳能集热设备与建筑的一体化，不是将集热设备简单地安装在建筑物上，在设计时既要考虑建筑的美观不被破坏，还需考虑集热设备的效率达到最大，使集热设备与建筑一体化，成为不可或缺的一部分。

3.1 屋顶式

在建筑的屋顶选择安装集热器是首选，但是屋顶部位一般都是建筑设计需要艺术设计的重点部位，安装集热器的面积非常有限。集热器选择在屋顶时，热水器可以形成自然压头，管路容易选取，集热器也有较大的自由度、自然循环、强制循环等方式。高层住宅中屋顶一般选择设计为平顶，选择余地较多。多层住宅常见于平顶和坡顶两种，从实际情况看，西北地区的平顶屋面占绝大多数。

3.1.1 整体式

在屋顶安装紧凑直插式的热水器是比较常见的一种做法。这种系统每户独立，主要有单管式、双管式和三管式。这种产品的最大优点是价格便宜，安装容易。但是不同用户选择不同产品，安装后建筑屋顶凌乱，破坏建筑美感。如果在建筑设计和使用时采用同一型号进行预装，这样省去用户安装和维修的麻烦，也避免不同型号和安装凌乱对建筑结构的破坏。在一体化设计中提前设计电管井，统一设计和施工屋顶结构，这些都会使得集热器与建筑一体化设计成为现实[5]。

图3 整体式集热器

3.1.2 分体构架式

人们的生活质量不断提高，入住建筑造型舒适、环境独特的小区是人们的首选。特别是中高档小区，建筑外形特点的设计更是开发商注重的地方。在屋顶设计构架是常见的做法，构架的设计主要是为了建筑的美观，是建筑装饰的一部分。如果把构架和太阳能集热设备有机结合，就使得构架技能满足建筑美学设计，就具有一定的实用功能。这种分体式设计应在建筑设计中予以重视。这种设计改善了屋顶安装混乱的问题，采用集中供热的形式充分利用了屋顶的空间，提高集热效率，对用户还避免了安装和后期维护的麻烦。但是这种方式的成本会明显高出前一种方式。

3.2 外墙式

外墙式集热系统就是利用建筑的外墙或阳台（朝南）采集太阳热能的做法。这种方法可以有效解决高层住宅用户因为管路过长而不安装的难题。在外墙安装采用分体式结构，系统为强制循环系统，并采用顶水式的管路。将热水器的水箱放置于室内或阳台位置，有效减少管路的长度。它的优点是由于热水器将悬挂于自家外墙或阳台，用户之间没有干扰，管路短，损失少，这种系统和建筑结合紧密，成为建筑的一个造型元素。 外墙式因为其独有的优势，也会成为将来发展的一个方向。因为以后高层住宅会越来越多，这样放在屋顶的紧凑式就无法满足要求，只要能达到日照要求，那么安装在自家附近的外墙式成为首选。

图4 分体式集热器

图5 外墙悬挂式集热器

3.2.1 外墙悬挂式

外墙悬挂式的集热器安装之后与建筑外墙平行，与地面垂直。储水箱在室内，管路通过预留孔与集热器连接，集热器通过墙体预埋件及挂件相连。在建筑的竖向外墙上形成了具有强烈韵律感的集热器阵列，例如深红、深蓝等等，提升了建筑外墙的造型。建筑外墙预留集热器和水箱的安装位置。此工程可以设在两个凸窗之间的墙面上，或者在阳台的一角沿垂直方向上水平布置集热器。水箱在阳台或结合空调板布置。管线通过地面垫层进入室内地面。悬挂式是将系统功能与建筑美学结合的较好做法。其缺点是由于日照的角度不同，集热效率会不同，高层住宅中的底层入户更是可能无法使用。

3.2.2 阳台式

住宅中的阳台是家居生活的重要场所。在阳台采用分体式强循环系统，水箱安装于阳台或室内。太阳能集热器可以放置在阳台栏板上或将集热器直接构成阳台栏板。它的优点是同层使用，管路连接少，热能利用高，安装维修简便，同时集热器起到遮阳的作用。低层用户由于光线遮挡无法利用[6]。

图6 阳台式集热器

3.2.3 遮阳式

外墙式还可考虑与遮阳功能统一设计。这种热水器将集热器安装在窗口的遮阳架上，在遮阳的同时还可以为用户提供热水，有效利用空间，同时设备与建筑实现了一体化。在使用中应该注意一些技术问题：一是确保安装牢固；二是玻璃集热器上方应防护，以免设备损坏。

4 结 语

在太阳能的利用中，如果能够将太阳能和住宅建筑有效结合，能够使我们的生活环境更加绿色。在人类面临日益严重的能源危机情况下，对实现社会的可持续发展具有非常重大的社会意义。

[1]赵玉文．21世纪我国太阳能利用发展趋势,中国电力[J]．2000．(9),75-77．

[2]殷志刚．太阳能光伏发电材料的发展现状,可再生能源[J]．2008,(5),7-20．

[3]范军．太阳能在建筑设计中的应用研究．[D]．同济大学．2003．

[4]王国栋．太阳热水系统与建筑结合的相关问题初探,太阳能建筑[J]．2005．(2),19-31．

[5]刘晓燕,余学江．半固定式太阳能集热器角度研究[J]．低温建筑技术．2011．(2),33．

[6]张军杰．住宅建筑太阳能一体化构造设计．[D]．天津大学．2006．

Research on the integration of solar heat collection and residential building

As a new energy,solar energy can provide people with heat and electricity．The integration of solar heat collection equipment and architectural design is the direction of the development of green building．The calculation of the effective area and angle of the solar collector can be accomplished by computer aid and related specifications．The design of solar heat collection and building integration is divided into two types: roof and exterior wall．

collector；solar energy；integration；installation form

TK519

B

1003-8965(2017)03-0031-03

2016院级技术积累项目，J2016-01。