《太阳能热水系统建筑一体化设计与应用》

【专家解说】：太阳能热水系统在建筑中应用方式与一体化设计 2007中国太阳能十佳评选活动全面启动 太阳能作为一种新能源，是一种清洁无污染的可再生能源。太阳能热水系统是以吸收太阳辐射能为热源，将太阳能转为热能以达到加热水的目的的整套装置，包括太阳能集热装置、储热装置、循环管路装置等。由于太阳能热水系统在全年运行中受天气的影响很大，其独立应用存在间歇性、不稳定性和地区差异性，在太阳能应用中除利用集热器将太阳能转换成热能外，应采取热水保障系统（辅助加热系统）和储热措施来确保太阳能热水系统全天候稳定供应热水。 太阳能热水系统在建筑中应用方式分析 太阳能供热水系统按其集热、储热和辅助加热方式分为三种：1.单机太阳热水器，即分户集热、储热、辅助加热；2.集中式中央太阳能供热水系统，即集中集热储热、集中辅助加热或分户辅助加热；3.半集中方式，即集中集热、分户储热和辅助加热。 1.单机入户系统 家用太阳热水器的特点是用户单独安装、独立使用，太阳能热水系统相对简单，且互不干扰。由于不存在计费问题，物业管理方便，但用户辅助加热部分耗能大，综合造价与同档次的中央热水系统相比相对较高；因无可靠的回水系统，供水管路存水变凉造成热能浪费，热水资源无法共享使系统资源不能充分利用；系统管道较多，与建筑配合难度较大。该系统适用于统一安装的多层建筑。 单机入户的供水系统中有两种形式，一种是集热器与水箱一体，白天水在集热器中加热后存储在水箱中，用水时采用落水法或顶水法取水；另一种为分体式系统，换热介质通过循环泵在集热器和水箱内换热盘管中循环，将太阳热能传递到水箱中，用水时靠自来水水压将热水顶出。该种形式水箱与集热器分离，容易与建筑配合以实现与建筑的一体化。 2.集中集热储热系统 集中式中央太阳能供热水系统的特点是集成化程度高，集中储热方式利于降低造价并减少热损失，辅助加热系统集中利于补热；热水系统供应管路简单，合理的干管循环回水保证供水品质，实现各用水终端即开即热；对于住宅小区，集中式系统相对分户系统有初期投资少、集成化程度高的优势，模块化的集热器与建筑结合也比较美观。但该类系统集中运行一旦出现故障，用户热水将不能得到保证，且用户使用前需放出较多冷水。该系统在用水时间上可能受系统运行方式影响，当24小时供热水运行费用太高时，改用定时供热水将使用户用热水受到限制。 为解决以上问题，可在上述系统中将集中辅助加热方式改成分户加热方式。该方式运行成本低，能实现太阳能热水的免费供应，但同时也会出现个别用户大量使用热水造成其他用户的热水量减少的现象，需采用经济手段解决用水平衡。 该方式在用水时间上不受限制，能实现24小时供热水，而且集热系统出现故障也不会对用户使用造成影响。 3.半集中式系统 该类系统类似于中央空调系统。集热器集中集热，循环泵将热水输送到每个用户的承压水箱中，通过换热盘管对水箱中的水加热。当需要用水时，若水箱中的水温没有达到设定温度时启用辅助加热；各户单独使用，热水资源分配均匀，且白天部分用户用掉箱中热水后，水箱中的冷水还可以得到一定的热能；集热部分可承压运行，系统闭式循环可避免因水质引起管路和集热器结垢，运行控制方式简单。该系统的最大特点是将热水储存于每户中，这样可以减少水箱占用屋面或地下室面积，整个系统的管路在建筑中也不影响建筑美观。此系统目前并无应用实例，属创新概念。 太阳能热水系统与建筑一体化设计 太阳能集热器的优越性早为人们所认同，并有多年的使用经验。但在住宅建筑中往往将其作为一种设备支架或挂附在建筑物的墙面、屋面上，其特立独行的模样影响了建筑的观瞻，以至于许多地区从整顿市容的角度出发要求拆除群众自发安装的太阳能集热装置。怎样解决好上述问题，既有效利用太阳能又美化建筑环境，这已成为广大业内人士十分关注的问题。 太阳能与建筑一体化是太阳能利用健康发展的必由之路。国家发改委、建设部对此十分关注、支持，相继在全国范围内建立了一批太阳能与建筑一体化试点工程项目，对这一事业的发展起到了积极推动的作用。 要做好太阳能热水系统与建筑的一体化设计，应从太阳能集热器的选择和安装方式两方面着手，以下分别加以阐述。 1.太阳能集热器选择 集热器产品主要有平板式、全玻璃真空管式、热管式、U型管式几种，应根据当地气候特点以及安装要求来选择适当的集热器。 (1)平板式集热器 平板式集热器具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、成本造价低等优点，其热性能也很稳定；采用紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时还具有保温、隔热、遮光、防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础；集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。此外，平板式集热器对安装方向角度有较高的要求。 平板式集热器由于盖板内为非真空，保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差。对于广东、福建、海南、广西、云南等冬天不结冰的南方地区用户，选取用平板式太阳能集热器是非常合适的。 (2)全玻璃真空管式集热器 全玻璃真空管式集热器效率高，四季均可提供生活热水，对于长江、黄河流域地区的用户比较适宜。真空管对安装角度无特殊要求，水平安装时可实现按季节跟踪阳光，竖向安装可实现一天内跟踪阳光，但与平板式集热器相比存在一定的安全隐患，有可能发生爆管的现象，且系统不能承压运行。 (3)热管式集热器 热管式集热器能抗-40°C低温，而平板式、真空管式都无法抵抗如此低温，故东北三省、内蒙古、新疆、西藏地区的用户必须选用热管型太阳能集热器，但热管式的造价高昂。 (4)U型管式集热器 对于工业用途的热水，一般要求70~900℃的较高温度，并且要求承压，因此选用U型管式是比较划算的，它可承压、产水温度高且无安全隐患，系统稳定性好，价格也比热管式低。 2.太阳能集热器安装设计 城市建筑多属多层以上建筑，其中多层建筑屋顶集热面积一般能满足太阳热水系统需求，故安装形式以屋顶安装为主。高层建筑由于建筑面积大，相对屋顶面积过小故不能满足集热需求，可利用东、南、西三个建筑立面的阳台、窗间墙等部位解决集热面积不足的问题。 (1)坡屋面安装方式 坡屋面多采用集热器与屋面结合，平铺在屋面上的集热器能很好地与屋面一体化。 (2)平屋面安装方式 在平屋面建筑中，屋面安装是一种风险较小、较安全的方式，故一般尽可能将集热器安装在屋面上。在安装中，如果直接将集热器布置在屋面上，将占据住户活动的空间并影响屋面的使用。而将集热器安装在屋面上的架空钢架上，则不影响原楼面的利用（绿化、晒被褥、休闲等），甚至可以起到美化和遮阳的作用。架空安装在一定程度上能增加集热面积，其遮阳效果还能降低顶层房间的空调能耗，但必须考虑安全性能以及维修的方便。 (3)立面安装方式 在高层建筑中，有时即使屋面全部利用了还不能解决集热面积不足的问题，这时可采用立面安装形式。立面安装应尽量使集热器多接收太阳光，避免遮挡，且安全问题应特别重视。 全玻璃真空管集热器在立面安装使用时，由于存在爆管问题，一般以内插U管式集热器或热管集热器代替，采用承压运行方式。平板式集热器由于对安装位置角度要求较严，在立面安装使用时应尽量与墙面成一定角度。目前立面利用太阳能多采用分体式单机系统，每户单独安装，水箱置于阳台或卫生间内。 在与建筑一体化方面，可将集热器与建筑遮阳结合，在集热的同时起到遮阳与挡雨的作用；可在立面垂直安装，利用阳台栏杆或者窗间墙等作为集热器布置空间或直接将集热器作为阳台护栏。此外集热器还可以安装在南立面空调机外侧，这样可起到遮挡空调机的目的。 随着多种太阳能产品的成熟，能满足不同安装形式的产品日益增多，太阳热水系统与建筑一体化将能很好得到实现。在设计过程中，首先应由建筑师根据需求确定太阳集热面积，在建筑设计中根据不同形式集热器特点，预先留有集热器 安装位置并安排预埋件，同时预留相应的孔洞方便管路的安排。其他的专业如给水专业根据使用要求确定系统运行方式，进行管路的布置和水力计算，再由太阳能设备厂家完成安装施工。