浅析太阳能供热与建筑一体化协同设计★

李显帅 杨继清,2 王 静 丁 江 张 瑞 肖榆涵

(1.云南农业大学建筑工程学院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500; 3.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201)

0 引言

随着城市建设的高速发展，我国的建筑能耗逐年大幅上升，已接近全社会能源消耗量的1/3，加上每年房屋建筑材料生产能耗约13%，建筑总能耗已达全国能源总消耗量的45%[1]。因此建筑节能势在必行，全面贯彻建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾，有利于加快发展循环经济，实现经济社会的可持续发展。太阳能作为一种可再生的清洁能源，取之不尽，用之不竭，正在被广泛应用于建筑中，这使得太阳能供热系统走进千家万户，成为当下大多数建筑必不可缺的部分。然而，这也造成了大多数建筑与太阳能供热系统出现杂乱无章、不协调等现象，使得建筑的美观大打折扣。违背了建筑“安全、适用、经济、美观”的原则[2]。

因此，“太阳能与建筑一体化”设计理念逐渐重新走进各类建筑，慢慢引起人们的重视。所谓的太阳能与建筑一体化，就是将太阳能供热系统作为建筑的标准体系进入建筑领域，实现与建筑的同步设计、同步施工、同步验收以及后期同步管理，从而实现二者的完美结合，以达到建筑节能和增强建筑美观的双重效果。以云南省为例，景色优美、四季如春，有着“彩云之南”的美誉，吸引了诸多中外游客，然而，由于受到技术、成本等因素的影响，“太阳能与建筑一体化”案例在云南实施少之又少，原本独具特色的建筑，映入眼帘的却是杂乱无章的画面，给游客留下些许遗憾。所以，太阳能利用与建筑一体化协同设计势在必行。

1 太阳能利用与建筑一体化协同设计现状分析

近几年，一体化在国外得到充分运用，在德国、奥地利、瑞典、西班牙等国家，已有许多成功的案例[3]，反观国内，虽然也有部分成功的一体化建筑，但在全国范围内尚未普及。在河北省秦皇岛市，“在水一方”住宅小区就充分利用一体化技术，采用阳台挂壁式系统，将太阳能供热系统与住宅完美结合[3]。与传统建筑相比，一体化建筑有着无可比拟的优点与特色，但为何迟迟未能普及，通过调查研究，我们发现太阳能建筑一体化有着以下几大难点：

1)国内相关技术尚未成熟，虽然在太阳能热水器方面，我国已有相当成熟的技术与经验，但在建筑一体化领域，还有许多技术瓶颈尚未得突破，包括从一体化太阳能供热系统的研发到与建筑同步施工安装以及后期的一些使用维护，在一定程度上还需改进与突破。

2)开发商的利益问题致使一体化的实施受到严重阻碍，相比传统的普通建筑，一体化建筑需要在成本上投入更多，这就使得房屋造价提高，相应的造成房价上涨，购买力将受到一定影响，但如果还保持原有价格，那相应增加的费用将由谁来支付，这便成了开发商所思考的问题。

3)政府支持力度不够，没有相应的政策来扶持，导致技术难以突破，建筑一体化实施严重受阻。

4)老百姓对此认知不够深，尤其在相对落后的地区，大家对一体化和建筑节能认知甚浅，让他们在短时间内花费更多的钱来选择相对环保美观的一体化住宅，不可避免的存在一些困难。

2 太阳能理论研发及安装技术难点

实现太阳能与建筑一体化，需要从太阳能加热装置的研发和安装技术等方面突破，通过调查走访，结合实地建筑情况和群众反映，总结如下。

2.1 政府的相关政策

政府出台相关政策，鼓励支持一体化技术的研发，并给予一定的资金支持，这样百姓花相同或者更少的钱就能住上更环保节能、适宜美观的住宅。

2.2 技术改进

加快突破相应的技术瓶颈，在原有技术上相应的提高和改进，现阶段，主要解决安装上遇到的诸多问题，面对不同的住宅类型，应有对应的解决方法。

在供热系统的安装过程，主要从以下几方面着手：

1)与建筑墙体结合：太阳能供热与墙面一体化，可以从太阳能集热蓄热墙和太阳能集热墙保温墙板以及墙面附加集热器的设计几个方面攻破。集热蓄热墙现阶段主要有实体式集热蓄热墙、水墙式集热蓄热墙、快速集热墙等几种形式，在传统的房屋建筑里，大多数选择在墙面涂上黑色或者某种深色涂料，以此来提高太阳的吸收率[5]。这样的墙体能够通过热传导、辐射和对流等作用将大量的热量传递到房屋内部。在涂料的选择上，为了大幅提高太阳能的利用率，多数设计者选择黑色的涂料，然而这也对建筑美观造成一定程度影响，所以，设计者在选择材料时，可以适当加入活跃的色彩，让建筑环境更加丰富。太阳能集热器保温墙板，是在不影响主体结构的前提下，将集热器附着于墙体表面，将蓄水装置安装在墙体中，实现与墙体的一体化。从采光角度分析，建筑墙体有着广阔的采光面积，不会出现将集热器从屋顶移至墙体而造成集热效果下降问题，从建筑本身考虑，不但节约了墙体的建筑材料，更节省下房屋的空间，满足了适用、经济、美观的原则。除此之外，还可将太阳能集热器作为阳台的护栏和空调遮挡等建筑外墙构件，达到一种材料多种用途的目的。

2)与建筑阳台结合：传统太阳能供热系统集热器安装于屋顶，管线需要通过许多楼层才能到达每一户人家，不但使安装成本提高，更使得管线内存放过多冷水，底层用户在使用前需要将管内存水排除，一定程度上造成时间和资源浪费。一体化设计将集热器置于阳台可以彻底解决这一问题，减短管线并减少热量损耗，定会成为用户青睐的设计[4]。

3)与建筑屋面结合：当建筑注重立面美观时，部分墙面的一体化设计将会受到影响，这时与屋面的一体化将应运而生。太阳能利用与建筑一体化协同设计中与屋面的结合主要以坡屋面为主，而这包括小区里面的住宅和多数农村的低层房屋建筑。首集热置于屋顶将不受太阳朝向的影响，不会受到其他建筑构件的遮挡，还大大改善采光环境。在小区住宅中，只要与建筑设计、施工等同步进行，当前业内相关技术已经初步趋于成熟，但要在农村的瓦房中实现一体化，还需要克服如何稳定而又安全的安装等一系列问题。好多瓦房的屋面虽然有一定的整体性，但局部的稳定性和受压强度低于平屋顶房屋，如果按平屋顶的安装方法定不可行，这就要求能有更合理、安全的安装方法诞生，来提高一体化的普及率。以云南部分农村为例，多数房屋的屋顶为瓦屋面，这直接导致太阳能供热系统安装于主体房屋以外，这样的设置造成占地面积的增多和成本的提高，与太阳能供热系统的发展趋势背道而驰。造成此类现象最主要的原因是缺乏相关的技术，必须找到理想的材料和合理的安装方法才能让传统的瓦房实现建筑一体化。采光集热材料的选择需结合瓦屋面的受力情况，最大限度采用轻质材料，同时摒弃传统烧制的泥瓦，采用新型材料制作的瓦片，比如使用合成树脂瓦，具有质量轻、坚韧、安装方便等特点。

4)与建筑遮阳结合：作为大多数建筑中必不可少的构件，遮阳系统起着遮挡阳光、调节室内温度等重要作用。将太阳能集热器作为遮阳构件，可以大大减少空间，降低建筑成本。同时，将遮阳实现智能化，随着季节变化，不同的地点有不同的角度更正，充分提高太阳能利用率。

2.3 一体化协同设计

除上述改进方法，还需从这两点着手实现一体化协同设计：首先要考虑建筑物自身环境的设计，建筑物间距和绿化带的设置是影响日照效果的重要因素，所以应该做到适宜间距与合理绿化；其次，困扰大多数用户的一个难题将是天气变化带来的影响，当连续阴雨天时，太阳能供热系统将不能正常提供热水。对此，我们可以将太阳能供热系统与空气能热水器相结合，但现阶段空气能热水器受环境适应性和水箱体积影响，在部分地区普及率较低，这需要在技术上不断改进，做到真正的适宜节能建筑一体化。

3 太阳能利用与建筑一体化协同设计的优点

建筑一体化，要求建筑与设计融为一体，将太阳能供热装置与建筑构件有机结合，使其成为建筑构件的一部分，故太阳能利用与建筑一体化协同设计有许多特点：

1)充分利用太阳能，能够有效降低建筑用能，符合建筑节能相关政策。

2)让太阳能供热装置与建筑本身构件完美结合，不但节约了建筑材料、降低了空间的使用，而且使得建筑更加美观。

3)充分与建筑墙体、阳台、屋面(平屋面与坡屋面)、遮阳等自身构件有机相协，与传统住宅相比，美观和节能得到诸多改善。

4)一体化要求与建筑同步施工，节省工序和费用，节约工期。

5)太阳能与建筑一体化建筑使用维护过程中相比传统建筑费用更低，使得建筑更加经济。

4 结语

太阳能供热系统与墙体、阳台、屋面、遮阳的结合，可根据不同的建筑风格进行协同设计，在充分保障美观适用与经济绿色的同时，留住了建筑的名风名俗。为深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，太阳能供热有着巨大的建筑市场，加之人们对建筑美观的要求不断提高。为适应现代化的各式建筑，需要对建筑材料和供热系统不断改革创新，这将给设计和安装提出新的挑战。