太阳能热水利用与建筑相结合研究

摘 要 本文分析了太阳能热水、热空气利用与建筑相结合设计的技术经济特点。分析讨论了太阳热水、热空气系统与建筑结合设计的主要实例，汇总了这些设计的设计思路和成功的经验。探讨了其中存在的问题。特别对太阳能空气集热在建筑结合应用进行了探讨。 　　在全球能源危机的巨大压力下，太阳能作为一种取之不尽的环保型能源成为当前国际能源开发利用的新热点。太阳能热利用技术相对成熟，应用很好，因此产业化进程获得了更为迅猛的发展。目前全国有近两千个太阳能热水器生产企业和为数不少的配套生产企业。 　　在太阳能热水利用高速膨胀的同时，我们清醒地认识到随着我国城镇化建设对建筑环境的要求的提高，传统的太阳能热利用正逐步失去市场。为实现太阳热利用产业持续发展，我国在太阳能热水与建筑相结合设计方面进行了深入的探索并取得一定的应用成果。 　　本文结合太阳能热水与建筑相结合的一些实例，分析了太阳能热水系统与建筑结合的技术特点，总结太阳能热水与建筑相结合设计的经验和存在的问题，提出太阳能热水系统与建筑相结合设计中应逐步考虑综合利用包括太阳能热水、太阳能热风、太阳能强化热对流在内的热利用技术应用，综合提高建筑节能和美学水准等设计观点。 　　1 太阳能热水、热空气系统与建筑结合的技术经济特点 　　太阳能热水、热空气系统与建筑结合使太阳能热利用系统本身与建筑结构之间可以在一定程度上相互依托，互为构建，从而达到了节约建材使用、降低建筑建设和热利用系统建造成本的目的，同时太阳能热利用系统在建筑的成功应用可以完善建筑功能，提升建筑的现代气息，成为建筑增值的一项重要内容。 　　目前太阳能热空气系统应用于高层建筑还较少，其市场价格尚未形成，很难根据其市场价格对其进行技术经济评价，但值得注意的是随着真空管型空气集热系统性能的不断优化其应用到建筑后将可以为建筑物在夏季提供室内强化通风的动力，冬季为建筑提供经过加热的新风，可以在较大程度上提高建筑内的空气环境，同时有效节约能源。结合热水系统的生产成本对太阳能热空气系统预估的技术经济性能结果显示，其回收期在3~5年，经济性能比太阳能热水系统略高。 　　 2 建筑太阳热利用现状 　　2.1 太阳能热水系统利用现状 　　目前在建筑安装使用的太阳能热利用产品主要以太阳能热水器为主。平板太阳能热水集热器应用量较大，真空管太阳能热水器的使用依然保持上升的趋势，在部分区域数量上要超过平板太阳能热水集热器。此外太阳能热水系统在农村、小城镇建筑的广泛应用也是太阳能热水使用的一个新特点。由于太阳能热水系统在节约建设材料，降低成本，提高集热效率方面的显著优势，所以得到越来越多的用户的信赖，成为太阳能热水产业一个新的增长点。 　　在热水器企业利润不断增长的同时，我们注意到，住宅上方各种类型的太阳集热器、水箱严重影响了建筑物设计的美学特征。太阳能热利用系统在建筑上的后续安装，虽然在太阳能热水器安装上力求排列整齐，但对建筑而言仍然破坏了原有建筑的整体形象。因此如果没有与建筑结合的一体化设计，太阳能热利用装置在新老建筑上的安装因其设置的位置及管线布置难以与建筑原有空间布局相协调，破坏了建筑的整体美。与我国城镇和新农村建设的“村更美，城更新”的设计理念是背道而驰的。 　　2.2 太阳能空气集热系统利用现状 　　目前在我国广大北方地区的居住建筑和一些有热空气需求的工业建筑中对太阳能的热利用开始发展到了热空气利用。主要体现在建筑物的冬季采暖和物料干燥过程。海宁家能太阳能工业有限公司成功对真空管式空气集热器进行了改进，进一步提升了空气集热器的集热温度和工程化集成性能，为太阳能空气集热系统的建筑相结合应用开拓了应用空间。目前，该种真空管式空气集热器已在工业生产中进行了应用推广并取得了良好的节能成效。 　　值得注意的是类似的空气集热装置和强化自然通风的太阳能热利用装置在我国居住建筑中还没有进行有力的示范和推广，但热空气利用开拓了太阳能热利用又一个新的领域，相信其必能在今后得到更多的重视和推广。浙江省太阳能产品质量检验中心设计研发的地下车库用太阳能强化自然通风系统，其设计外形与建筑环境融合度高适用于建筑物地下车库自然强化通风，具有较高的推广使用价值。类似于上述的太阳能热空气利用研究正逐步成为太阳能热利用产业新的研发方向和利润增长点，相信随着技术进步和推广使用将得到较快的增长。 　　3 热利用与建筑相结合设计 　　随着城市建筑密度和高度增加，太阳能资源逐步成为城市中的稀缺资源。为实现太阳能热利用产业的持续发展，充分利用城市内由天空投下的每缕阳光，国内相关的科研机构和企业开始太阳能热水与建筑相结合的研究，并取得了包括：曲面型太阳能集热器、一体化温差内循环平板集热板芯、模块化建筑构件型太阳能集热器、聚光型太阳能复合热泵热水器、阳光控制循环太阳能热水器、多功能平板集热器边框型材、空气源热泵蒸发器冷气回收利用装置、定补双循环太阳能热水器等技术在内的技术突破，处于国际领先水平。与建筑结合的设计主要有以下思路： 　　3.1 隐形设计 　　隐形设计太阳能与建筑相结合的思路主要是利用建筑物本身的高度，产生的视角优势和城市建筑密度较高的现状，通过合理设计使地面观察者的视线被建筑或邻近建筑所遮挡，从而实现地面观察者在可正常活动的观察区域内无法发现建筑物安装使用的太阳热利用装置的目的。这样就可以实现太阳热利用装置不影响建筑物的建筑美学特征的要求。获“鲁班”奖的昆明火车客运站太阳能热水相结合设计就是隐形设计的典型代表。 　　3.2 构件设计 　　为实现太阳能集热器与建筑的和谐统一，分别对建筑和太阳能集热利用装置进行研究分析是行不通的，最好的方法就是合二为一，使太阳能热利用成为建筑的一种功能性构件或建筑成为热利用的有效组成。这样的设计不仅能够减少材料的重复使用还能达到建筑功能性的设计特点，是一种较为理想的相结合设计理念。 　　3.3 功能幕墙式设计 　　随着太阳能热空气利用技术的不断进步和人们对建筑物功能性要求的提高逐步出现了一些利用太阳能的幕墙结构，这些幕墙结构利用太阳能加热幕墙内介质的形式达到为建筑物提供制热和冷却或增强建筑物内空气交换的目的，兼顾了实用性和建筑美学的设计理念，成为太阳能热利用与建筑相结合的一个方向。 　　3.4 家用热水器集约管理 　　新建筑在进行太阳能热水系统与建筑相结合的同时，我们还需要把精力分到已建成且正在大量使用包括太阳能热水器在内的太阳能热利用产品的老建筑上，因为这部分建筑的总量远远超过新设计的建筑，对家用太阳能热水器进行集约使管理也成为太阳能热水建筑相结合进程中不可或缺的重要内容。对已经安装的家用太阳能热水器进行统一的设计规划同样是实现太阳能热利用与建筑体融合的一项重要内容。在管理过程中要充分考虑太阳能热水器与周围建筑环境的协调以及相互间排列，只有通过管理才能有效提高城市建筑的美学追求。 　　4 其它可供借鉴的相结合设计 　　4.1 “平改坡”设计 　　通过技术改进实现集热器安装完全代替了屋顶，解决了屋面防水与集热器安装的矛盾，同时节约了建设成本实现了太阳能热利用与建筑改造的双赢。 　　4.2 “凉棚式”设计 　　在我国企事业单位、居民小区不难发现有大量的停车棚、凉亭等建筑辅助设施，这些设施目前主要采用阳光板、经编布等材料作为遮阳物，遮阳效果较差，同时也影响了建筑环境。采用太阳能热利用装置进行设计后，可以综合实现凉棚的功能性。 　　5 几种相结合设计思路的技术经济比较实现太阳能热水、热空气建筑相结合的途径较多，我们在进行太阳能热水、热空气建筑相结合设计的时候要充分考虑当地的气候条件、建筑环境和设计建筑居民的消费水平进行设计。力求太阳能热水、热空气相结合建筑能较好的适应当地的气候条件和居民的审美、生活需求。我们对几种设计方案进行了技术经济性能的比较（表1）： 　　6 太阳热利用系统与建筑结合应用的经验  　　我国太阳能热水产业发展较快，在太阳能热水建筑相结合方面取得了一定的成绩，在高层建筑和有条件的排屋、公共建筑设施相结合提供了大量的参考实例，取得了一定的设计、组织、管理经验，这些经验将为太阳空气系统建筑应用提供借鉴和参考： 　　1.使建筑设计人员、太阳能技术人员、房地产开发人员相互结合、相互渗透、团结合作、优势互补。是实现太阳能与建筑的有机结合的必须途径。 　　2.太阳能热水、热空气建筑相结合的项目要以企业投入为主体，政府投入引导，搭建合作共建的平台，实施信息共享，优化资源配置，激发创造灵感。 　　3.太阳能热水、热空气建筑相结合建设必须在政府的引导下走标准化、规范化的道路。才能实现相结合后的质量协同。 　　4.城镇的太阳能热利用建筑相结合是项系统工程。太阳能热水、热空气相结合建设不仅要对安装太阳能热水、热空气系统的建筑进行规划也要对计划采用户用太阳能热水、热空气装置的建筑进行规划，只有这样才能快速地提升一个地区的太阳热利用建筑相结合的水平。 　　5.适时采用新的科研技术和产品应用于太阳能热水、热空气建筑相结合的建设中提高相结合的科技水平，特别是在太阳能热空气产品正处于发展初期的时刻加强研发和设计是必要的。 　　6.过程中加强质量控制，切实保证太阳能热水、热空气工程质量水平。 　　7 结束语 　　太阳能热利用产品通过走模数化、标准化、系列化以及多元化的发展道路，使之可以与建筑的屋面、遮阳板、墙面、阳台、凉亭等构件结合成一个有机的整体，实现建筑的功能化，太阳能热利用的集约化。在建筑师、太阳热利用技术专家与企业密切的配合下，通过与建筑浑然一体的整合设计，太阳能热水、热空气系统将作为建筑构件构成建筑中不可分割的部分，成为建筑形体中多姿多彩的点缀，为建筑外观形象增添绿色环保的时代色彩，提高建筑的科技含量和品质。通过对应用实例的分析可以看出，太阳能热水、热空气与建筑结合有较好的技术经济性能和多样化、灵活化的设计实现形式，它的发展为太阳热利用产业的发展提供了新的契机。相信通过加强行业协调与政策、资金的扶持和市场培育，通过走太阳热利用与建筑结合的道路，必然能实现太阳热水、热空气产业的跨越式发展。