太陽(yáng)能熱水利用與建筑相結(jié)合研究

摘 要 本文分析了太陽(yáng)能熱水、熱空氣利用與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。分析討論了太陽(yáng)熱水、熱空氣系統(tǒng)與建筑結(jié)合設(shè)計(jì)的主要實(shí)例，匯總了這些設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路和成功的經(jīng)驗(yàn)。探討了其中存在的問(wèn)題。特別對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱在建筑結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行了探討。 　　在全球能源危機(jī)的巨大壓力下，太陽(yáng)能作為一種取之不盡的環(huán)保型能源成為當(dāng)前國(guó)際能源開(kāi)發(fā)利用的新熱點(diǎn)。太陽(yáng)能熱利用技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用很好，因此產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程獲得了更為迅猛的發(fā)展。目前全國(guó)有近兩千個(gè)太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)企業(yè)和為數(shù)不少的配套生產(chǎn)企業(yè)。 　　在太陽(yáng)能熱水利用高速膨脹的同時(shí)，我們清醒地認(rèn)識(shí)到隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)建筑環(huán)境的要求的提高，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱利用正逐步失去市場(chǎng)。為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)熱利用產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，我國(guó)在太陽(yáng)能熱水與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了深入的探索并取得一定的應(yīng)用成果。 　　本文結(jié)合太陽(yáng)能熱水與建筑相結(jié)合的一些實(shí)例，分析了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)太陽(yáng)能熱水與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和存在的問(wèn)題，提出太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)中應(yīng)逐步考慮綜合利用包括太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能熱風(fēng)、太陽(yáng)能強(qiáng)化熱對(duì)流在內(nèi)的熱利用技術(shù)應(yīng)用，綜合提高建筑節(jié)能和美學(xué)水準(zhǔn)等設(shè)計(jì)觀點(diǎn)。 　　1 太陽(yáng)能熱水、熱空氣系統(tǒng)與建筑結(jié)合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn) 　　太陽(yáng)能熱水、熱空氣系統(tǒng)與建筑結(jié)合使太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)本身與建筑結(jié)構(gòu)之間可以在一定程度上相互依托，互為構(gòu)建，從而達(dá)到了節(jié)約建材使用、降低建筑建設(shè)和熱利用系統(tǒng)建造成本的目的，同時(shí)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)在建筑的成功應(yīng)用可以完善建筑功能，提升建筑的現(xiàn)代氣息，成為建筑增值的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 　　目前太陽(yáng)能熱空氣系統(tǒng)應(yīng)用于高層建筑還較少，其市場(chǎng)價(jià)格尚未形成，很難根據(jù)其市場(chǎng)價(jià)格對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，但值得注意的是隨著真空管型空氣集熱系統(tǒng)性能的不斷優(yōu)化其應(yīng)用到建筑后將可以為建筑物在夏季提供室內(nèi)強(qiáng)化通風(fēng)的動(dòng)力，冬季為建筑提供經(jīng)過(guò)加熱的新風(fēng)，可以在較大程度上提高建筑內(nèi)的空氣環(huán)境，同時(shí)有效節(jié)約能源。結(jié)合熱水系統(tǒng)的生產(chǎn)成本對(duì)太陽(yáng)能熱空氣系統(tǒng)預(yù)估的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能結(jié)果顯示，其回收期在3~5年，經(jīng)濟(jì)性能比太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)略高。 　　 2 建筑太陽(yáng)熱利用現(xiàn)狀 　　2.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)利用現(xiàn)狀 　　目前在建筑安裝使用的太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品主要以太陽(yáng)能熱水器為主。平板太陽(yáng)能熱水集熱器應(yīng)用量較大，真空管太陽(yáng)能熱水器的使用依然保持上升的趨勢(shì)，在部分區(qū)域數(shù)量上要超過(guò)平板太陽(yáng)能熱水集熱器。此外太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在農(nóng)村、小城鎮(zhèn)建筑的廣泛應(yīng)用也是太陽(yáng)能熱水使用的一個(gè)新特點(diǎn)。由于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在節(jié)約建設(shè)材料，降低成本，提高集熱效率方面的顯著優(yōu)勢(shì)，所以得到越來(lái)越多的用戶的信賴，成為太陽(yáng)能熱水產(chǎn)業(yè)一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 　　在熱水器企業(yè)利潤(rùn)不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，我們注意到，住宅上方各種類型的太陽(yáng)集熱器、水箱嚴(yán)重影響了建筑物設(shè)計(jì)的美學(xué)特征。太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)在建筑上的后續(xù)安裝，雖然在太陽(yáng)能熱水器安裝上力求排列整齊，但對(duì)建筑而言仍然破壞了原有建筑的整體形象。因此如果沒(méi)有與建筑結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能熱利用裝置在新老建筑上的安裝因其設(shè)置的位置及管線布置難以與建筑原有空間布局相協(xié)調(diào)，破壞了建筑的整體美。與我國(guó)城鎮(zhèn)和新農(nóng)村建設(shè)的“村更美，城更新”的設(shè)計(jì)理念是背道而馳的。 　　2.2 太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)利用現(xiàn)狀 　　目前在我國(guó)廣大北方地區(qū)的居住建筑和一些有熱空氣需求的工業(yè)建筑中對(duì)太陽(yáng)能的熱利用開(kāi)始發(fā)展到了熱空氣利用。主要體現(xiàn)在建筑物的冬季采暖和物料干燥過(guò)程。海寧家能太陽(yáng)能工業(yè)有限公司成功對(duì)真空管式空氣集熱器進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提升了空氣集熱器的集熱溫度和工程化集成性能，為太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的建筑相結(jié)合應(yīng)用開(kāi)拓了應(yīng)用空間。目前，該種真空管式空氣集熱器已在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用推廣并取得了良好的節(jié)能成效。 　　值得注意的是類似的空氣集熱裝置和強(qiáng)化自然通風(fēng)的太陽(yáng)能熱利用裝置在我國(guó)居住建筑中還沒(méi)有進(jìn)行有力的示范和推廣，但熱空氣利用開(kāi)拓了太陽(yáng)能熱利用又一個(gè)新的領(lǐng)域，相信其必能在今后得到更多的重視和推廣。浙江省太陽(yáng)能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心設(shè)計(jì)研發(fā)的地下車庫(kù)用太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)外形與建筑環(huán)境融合度高適用于建筑物地下車庫(kù)自然強(qiáng)化通風(fēng)，具有較高的推廣使用價(jià)值。類似于上述的太陽(yáng)能熱空氣利用研究正逐步成為太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)新的研發(fā)方向和利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，相信隨著技術(shù)進(jìn)步和推廣使用將得到較快的增長(zhǎng)。 　　3 熱利用與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì) 　　隨著城市建筑密度和高度增加，太陽(yáng)能資源逐步成為城市中的稀缺資源。為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，充分利用城市內(nèi)由天空投下的每縷陽(yáng)光，國(guó)內(nèi)相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)始太陽(yáng)能熱水與建筑相結(jié)合的研究，并取得了包括：曲面型太陽(yáng)能集熱器、一體化溫差內(nèi)循環(huán)平板集熱板芯、模塊化建筑構(gòu)件型太陽(yáng)能集熱器、聚光型太陽(yáng)能復(fù)合熱泵熱水器、陽(yáng)光控制循環(huán)太陽(yáng)能熱水器、多功能平板集熱器邊框型材、空氣源熱泵蒸發(fā)器冷氣回收利用裝置、定補(bǔ)雙循環(huán)太陽(yáng)能熱水器等技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)突破，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。與建筑結(jié)合的設(shè)計(jì)主要有以下思路： 　　3.1 隱形設(shè)計(jì) 　　隱形設(shè)計(jì)太陽(yáng)能與建筑相結(jié)合的思路主要是利用建筑物本身的高度，產(chǎn)生的視角優(yōu)勢(shì)和城市建筑密度較高的現(xiàn)狀，通過(guò)合理設(shè)計(jì)使地面觀察者的視線被建筑或鄰近建筑所遮擋，從而實(shí)現(xiàn)地面觀察者在可正?；顒?dòng)的觀察區(qū)域內(nèi)無(wú)法發(fā)現(xiàn)建筑物安裝使用的太陽(yáng)熱利用裝置的目的。這樣就可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)熱利用裝置不影響建筑物的建筑美學(xué)特征的要求。獲“魯班”獎(jiǎng)的昆明火車客運(yùn)站太陽(yáng)能熱水相結(jié)合設(shè)計(jì)就是隱形設(shè)計(jì)的典型代表。 　　3.2 構(gòu)件設(shè)計(jì) 　　為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱器與建筑的和諧統(tǒng)一，分別對(duì)建筑和太陽(yáng)能集熱利用裝置進(jìn)行研究分析是行不通的，最好的方法就是合二為一，使太陽(yáng)能熱利用成為建筑的一種功能性構(gòu)件或建筑成為熱利用的有效組成。這樣的設(shè)計(jì)不僅能夠減少材料的重復(fù)使用還能達(dá)到建筑功能性的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，是一種較為理想的相結(jié)合設(shè)計(jì)理念。 　　3.3 功能幕墻式設(shè)計(jì) 　　隨著太陽(yáng)能熱空氣利用技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們對(duì)建筑物功能性要求的提高逐步出現(xiàn)了一些利用太陽(yáng)能的幕墻結(jié)構(gòu)，這些幕墻結(jié)構(gòu)利用太陽(yáng)能加熱幕墻內(nèi)介質(zhì)的形式達(dá)到為建筑物提供制熱和冷卻或增強(qiáng)建筑物內(nèi)空氣交換的目的，兼顧了實(shí)用性和建筑美學(xué)的設(shè)計(jì)理念，成為太陽(yáng)能熱利用與建筑相結(jié)合的一個(gè)方向。 　　3.4 家用熱水器集約管理 　　新建筑在進(jìn)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑相結(jié)合的同時(shí)，我們還需要把精力分到已建成且正在大量使用包括太陽(yáng)能熱水器在內(nèi)的太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品的老建筑上，因?yàn)檫@部分建筑的總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)新設(shè)計(jì)的建筑，對(duì)家用太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行集約使管理也成為太陽(yáng)能熱水建筑相結(jié)合進(jìn)程中不可或缺的重要內(nèi)容。對(duì)已經(jīng)安裝的家用太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)劃同樣是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱利用與建筑體融合的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在管理過(guò)程中要充分考慮太陽(yáng)能熱水器與周圍建筑環(huán)境的協(xié)調(diào)以及相互間排列，只有通過(guò)管理才能有效提高城市建筑的美學(xué)追求。 　　4 其它可供借鑒的相結(jié)合設(shè)計(jì) 　　4.1 “平改坡”設(shè)計(jì) 　　通過(guò)技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)集熱器安裝完全代替了屋頂，解決了屋面防水與集熱器安裝的矛盾，同時(shí)節(jié)約了建設(shè)成本實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱利用與建筑改造的雙贏。 　　4.2 “涼棚式”設(shè)計(jì) 　　在我國(guó)企事業(yè)單位、居民小區(qū)不難發(fā)現(xiàn)有大量的停車棚、涼亭等建筑輔助設(shè)施，這些設(shè)施目前主要采用陽(yáng)光板、經(jīng)編布等材料作為遮陽(yáng)物，遮陽(yáng)效果較差，同時(shí)也影響了建筑環(huán)境。采用太陽(yáng)能熱利用裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)后，可以綜合實(shí)現(xiàn)涼棚的功能性。 　　5 幾種相結(jié)合設(shè)計(jì)思路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合的途徑較多，我們?cè)谶M(jìn)行太陽(yáng)能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、建筑環(huán)境和設(shè)計(jì)建筑居民的消費(fèi)水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。力求太陽(yáng)能熱水、熱空氣相結(jié)合建筑能較好的適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和居民的審美、生活需求。我們對(duì)幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的比較（表1）： 　　6 太陽(yáng)熱利用系統(tǒng)與建筑結(jié)合應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)  　　我國(guó)太陽(yáng)能熱水產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，在太陽(yáng)能熱水建筑相結(jié)合方面取得了一定的成績(jī)，在高層建筑和有條件的排屋、公共建筑設(shè)施相結(jié)合提供了大量的參考實(shí)例，取得了一定的設(shè)計(jì)、組織、管理經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)將為太陽(yáng)空氣系統(tǒng)建筑應(yīng)用提供借鑒和參考： 　　1.使建筑設(shè)計(jì)人員、太陽(yáng)能技術(shù)人員、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)人員相互結(jié)合、相互滲透、團(tuán)結(jié)合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑的有機(jī)結(jié)合的必須途徑。 　　2.太陽(yáng)能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合的項(xiàng)目要以企業(yè)投入為主體，政府投入引導(dǎo)，搭建合作共建的平臺(tái)，實(shí)施信息共享，優(yōu)化資源配置，激發(fā)創(chuàng)造靈感。 　　3.太陽(yáng)能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合建設(shè)必須在政府的引導(dǎo)下走標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的道路。才能實(shí)現(xiàn)相結(jié)合后的質(zhì)量協(xié)同。 　　4.城鎮(zhèn)的太陽(yáng)能熱利用建筑相結(jié)合是項(xiàng)系統(tǒng)工程。太陽(yáng)能熱水、熱空氣相結(jié)合建設(shè)不僅要對(duì)安裝太陽(yáng)能熱水、熱空氣系統(tǒng)的建筑進(jìn)行規(guī)劃也要對(duì)計(jì)劃采用戶用太陽(yáng)能熱水、熱空氣裝置的建筑進(jìn)行規(guī)劃，只有這樣才能快速地提升一個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)熱利用建筑相結(jié)合的水平。 　　5.適時(shí)采用新的科研技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合的建設(shè)中提高相結(jié)合的科技水平，特別是在太陽(yáng)能熱空氣產(chǎn)品正處于發(fā)展初期的時(shí)刻加強(qiáng)研發(fā)和設(shè)計(jì)是必要的。 　　6.過(guò)程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，切實(shí)保證太陽(yáng)能熱水、熱空氣工程質(zhì)量水平。 　　7 結(jié)束語(yǔ) 　　太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)品通過(guò)走模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及多元化的發(fā)展道路，使之可以與建筑的屋面、遮陽(yáng)板、墻面、陽(yáng)臺(tái)、涼亭等構(gòu)件結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)建筑的功能化，太陽(yáng)能熱利用的集約化。在建筑師、太陽(yáng)熱利用技術(shù)專家與企業(yè)密切的配合下，通過(guò)與建筑渾然一體的整合設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能熱水、熱空氣系統(tǒng)將作為建筑構(gòu)件構(gòu)成建筑中不可分割的部分，成為建筑形體中多姿多彩的點(diǎn)綴，為建筑外觀形象增添綠色環(huán)保的時(shí)代色彩，提高建筑的科技含量和品質(zhì)。通過(guò)對(duì)應(yīng)用實(shí)例的分析可以看出，太陽(yáng)能熱水、熱空氣與建筑結(jié)合有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能和多樣化、靈活化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)形式，它的發(fā)展為太陽(yáng)熱利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。相信通過(guò)加強(qiáng)行業(yè)協(xié)調(diào)與政策、資金的扶持和市場(chǎng)培育，通過(guò)走太陽(yáng)熱利用與建筑結(jié)合的道路，必然能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)熱水、熱空氣產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。