左海敏

1 太陽能與建筑一體化技術(shù)的背景

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,人們對(duì)住房的質(zhì)量要求也越來越高,寬敞、舒適、設(shè)施齊全(如熱水、采暖、制冷等設(shè)施)的住房已成為大勢所趨。然而,我國目前的能源供給形式并不容樂觀,且每年都需要進(jìn)口大量石油,人均能源占有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平,而且常規(guī)礦物能源日益減少,但能源總需求卻在不斷增加。在這種情況下,一方面要提倡節(jié)能降耗,另一方面要加快開發(fā)利用可再生能源,以解決能源緊張的問題。為此國家出臺(tái)了《中華人民共和國節(jié)約能源法》《中華人民共和國可再生能源法》《民用建筑節(jié)能條例》等有關(guān)法律法規(guī)。為了促進(jìn)我省建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能工作全面開展,加快民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)一體化技術(shù)應(yīng)用的步伐,根據(jù)國家GB 50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、GB/T 18713-2002太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定,保定市建設(shè)局于2007年4月下發(fā)了《關(guān)于推廣應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)》,河北省建設(shè)廳于2008年10月13日下發(fā)了《關(guān)于執(zhí)行太陽能熱水系統(tǒng)與民用建筑一體化技術(shù)的通知》,文件要求新建、改建及主體工程尚未完成的居住建筑必須采用太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù),做到統(tǒng)一規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、同步施工,與建筑工程同時(shí)投入使用。

太陽能與建筑一體化技術(shù)就是把太陽能的利用納入環(huán)境的總體設(shè)計(jì),把建筑、太陽能熱水技術(shù)和美學(xué)融為一體,太陽能設(shè)施成為建筑的一部分,相互間有機(jī)結(jié)合,取代傳統(tǒng)太陽能熱水器對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的影響,利用太陽能設(shè)施完全取代或部分取代房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu),減少成本、提高效益,太陽能與建筑一體化屬于一項(xiàng)綜合性技術(shù),涉及太陽能利用、建筑、流體分布等多種技術(shù)領(lǐng)域,是多層面參與和合作的綜合性事業(yè),需要國家政策法規(guī)部門、建筑主管部門、太陽能廠商、房地產(chǎn)開發(fā)商、建筑設(shè)計(jì)單位的共同努力?，F(xiàn)就日照、太陽能熱水系統(tǒng)形式、熱水量計(jì)算、集熱器面積計(jì)算、集熱器布置等方面做如下分析和探討。

2 保定地區(qū)太陽能資源概況

保定市位于東經(jīng) 115°30′,北緯 38°51′,冬至日正午 12 時(shí)太陽高度角為 27°45′,日出至日落時(shí)長為 10 h 26 min;夏至日正午12時(shí)太陽高度角為74°36′,日出至日落時(shí)長為 15 h 58 min;春分(秋分)日正午12時(shí)太陽高度角為51°21′,日出至日落時(shí)長為13 h 2 min;按我國的太陽能資源區(qū)劃規(guī)定,保定市屬于太陽能資源較富區(qū),年平均日太陽輻照量14 933 kJ/m2。

3 太陽能熱水系統(tǒng)分類及系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用

1)集中供熱水系統(tǒng)。集中供熱水系統(tǒng)是采用集中的太陽能集熱器和集中的貯水箱供給一棟或幾棟建筑物所需熱水的系統(tǒng)。

2)集中—分散供熱水系統(tǒng)。集中—分散供熱水系統(tǒng)是采用集中的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給一棟建筑物所需熱水的系統(tǒng)。

3)分散供熱水系統(tǒng)。分散供熱水系統(tǒng)是采用分散的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給各個(gè)用戶所需熱水的小型系統(tǒng)。按系統(tǒng)運(yùn)行方式區(qū)分主要包括以下三種:a.自然循環(huán)直接系統(tǒng);b.自然循環(huán)間接系統(tǒng);c.強(qiáng)制循環(huán)間接系統(tǒng);根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn),10層及以下住宅推薦采用分散的自然循環(huán)直接系統(tǒng),11層及以上住宅推薦采用分散的自然循環(huán)間接系統(tǒng)或集中—分散供熱水系統(tǒng)。以下主要討論在高層居住區(qū)應(yīng)用較為普遍的分散布置的自然循環(huán)間接系統(tǒng)。

4 集熱器安裝方位、角度及面積補(bǔ)償

太陽能集熱器接受的太陽輻射分為直射輻射、散射輻射、地面反射輻射。按直射輻射計(jì)算的集熱板安裝角度即傾角(集熱板與水平面的夾角)為0.9Φ(Φ為當(dāng)?shù)鼐暥?。但綜合考慮三種輻射,集熱板安裝角度一般按當(dāng)?shù)鼐暥?Φ±10°。安裝角度為 Φ,可獲得全年最大輻射量,Φ+10°可獲得冬季最佳輻射量,Φ-10°可獲得夏季最佳輻射量。

表1 補(bǔ)償系數(shù) Rs %

方位角宜按正南向,可在偏西 30°～偏東30°范圍內(nèi)。

方位角、傾角超出以上范圍的應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償系數(shù) Rs可參考表1。補(bǔ)償后的集熱板面積為:計(jì)算集熱板面積/Rs。Rs≥90%,可不補(bǔ)償。

5 分戶太陽能熱水系統(tǒng)的管路布置

當(dāng)分戶太陽能熱水系統(tǒng)的貯熱水箱設(shè)在陽臺(tái)內(nèi),集熱器外掛在南向陽臺(tái)外及外墻處時(shí),集熱器到貯熱水箱的熱媒循環(huán)管需建筑專業(yè)預(yù)留DN100鋼套管,貯熱水箱與廚房衛(wèi)生間連接的冷熱水管一般均在墊層內(nèi)埋地敷設(shè),系統(tǒng)流程見圖1。

當(dāng)日常使用水量經(jīng)常小于貯熱水箱的容水量時(shí),采用電輔助加熱設(shè)于用水點(diǎn)附近的方式可以減少加熱的水量,更有利于節(jié)約用電,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

6 集熱器與建筑的結(jié)合

設(shè)計(jì)應(yīng)把集熱器作為建筑組成部分,不應(yīng)認(rèn)為是建筑的附著物,而應(yīng)作為建筑部件,融入整個(gè)設(shè)計(jì)中,并應(yīng)綜合考慮日照、安裝、維護(hù)、結(jié)構(gòu)安全、構(gòu)造安全、產(chǎn)品特性、建筑風(fēng)格。

平屋面對(duì)建筑形象影響較小,布置方面更傾向于技術(shù)要求。但現(xiàn)在設(shè)計(jì)中裝飾性屋架常出現(xiàn),可考慮集熱管與屋架結(jié)合,見圖2。

坡屋面時(shí)集熱器一般與斜屋面結(jié)合,采用架空和嵌入兩種方式。

集熱器與立面的結(jié)合,一般選擇陽臺(tái)欄板(或欄桿)處、外墻面,可把集熱管作為桿件組織在整個(gè)建筑立面中(見圖3～圖5)。

7 太陽能與建筑一體化技術(shù)的應(yīng)用前景

一般情況下,保定地區(qū)安裝真空管太陽能集熱器每平方米每年可提供能量約900 kWh,如果安裝2 m2集熱器,則一年可提供能量約1 800 kWh,若電價(jià)按 0.6元/kWh計(jì)算,則一年可節(jié)約電費(fèi)1 080元。經(jīng)過各界人士的不斷努力,太陽能與建筑的結(jié)合越來越緊密,太陽能熱水系統(tǒng)的安裝率也越來越高,目前我國太陽能熱水器的戶用比率約為5%,而且其他方面的應(yīng)用如采暖、制冷、太陽能房等,也得到了較快的發(fā)展。但是,我國太陽能熱水系統(tǒng)的普及率與應(yīng)用水平較發(fā)達(dá)國家的差距仍很大。這就需要我們不斷努力,逐步實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器部件的建筑一體化,將太陽能熱水器在建筑中的應(yīng)用發(fā)揮到最大限度,使太陽能熱水系統(tǒng)在建筑節(jié)能方面做出更大貢獻(xiàn),并推動(dòng)節(jié)能建筑的發(fā)展。

[1] GB/T 18713-2002,太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 50364-2005,民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[3] DBJT 02-48-2006,民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)安裝[S].

[4] 張?jiān)葡?朱 琨.太陽能在西北地區(qū)建筑中利用的可行性研究[J].山西建筑,2008,34(17):246-247.