太陽能熱水利用與建筑相結(jié)合研究

摘 要 本文分析了太陽能熱水、熱空氣利用與建筑相結(jié)合設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟特點。分析討論了太陽熱水、熱空氣系統(tǒng)與建筑結(jié)合設(shè)計的主要實例，匯總了這些設(shè)計的設(shè)計思路和成功的經(jīng)驗。探討了其中存在的問題。特別對太陽能空氣集熱在建筑結(jié)合應(yīng)用進行了探討。 　　在全球能源危機的巨大壓力下，太陽能作為一種取之不盡的環(huán)保型能源成為當前國際能源開發(fā)利用的新熱點。太陽能熱利用技術(shù)相對成熟，應(yīng)用很好，因此產(chǎn)業(yè)化進程獲得了更為迅猛的發(fā)展。目前全國有近兩千個太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)和為數(shù)不少的配套生產(chǎn)企業(yè)。 　　在太陽能熱水利用高速膨脹的同時，我們清醒地認識到隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)對建筑環(huán)境的要求的提高，傳統(tǒng)的太陽能熱利用正逐步失去市場。為實現(xiàn)太陽熱利用產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，我國在太陽能熱水與建筑相結(jié)合設(shè)計方面進行了深入的探索并取得一定的應(yīng)用成果。 　　本文結(jié)合太陽能熱水與建筑相結(jié)合的一些實例，分析了太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合的技術(shù)特點，總結(jié)太陽能熱水與建筑相結(jié)合設(shè)計的經(jīng)驗和存在的問題，提出太陽能熱水系統(tǒng)與建筑相結(jié)合設(shè)計中應(yīng)逐步考慮綜合利用包括太陽能熱水、太陽能熱風(fēng)、太陽能強化熱對流在內(nèi)的熱利用技術(shù)應(yīng)用，綜合提高建筑節(jié)能和美學(xué)水準等設(shè)計觀點。 　　1 太陽能熱水、熱空氣系統(tǒng)與建筑結(jié)合的技術(shù)經(jīng)濟特點 　　太陽能熱水、熱空氣系統(tǒng)與建筑結(jié)合使太陽能熱利用系統(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，同時太陽能熱利用系統(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重要內(nèi)容。 　　目前太陽能熱空氣系統(tǒng)應(yīng)用于高層建筑還較少，其市場價格尚未形成，很難根據(jù)其市場價格對其進行技術(shù)經(jīng)濟評價，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)強化通風(fēng)的動力，冬季為建筑提供經(jīng)過加熱的新風(fēng)，可以在較大程度上提高建筑內(nèi)的空氣環(huán)境，同時有效節(jié)約能源。結(jié)合熱水系統(tǒng)的生產(chǎn)成本對太陽能熱空氣系統(tǒng)預(yù)估的技術(shù)經(jīng)濟性能結(jié)果顯示，其回收期在3~5年，經(jīng)濟性能比太陽能熱水系統(tǒng)略高。 　　 2 建筑太陽熱利用現(xiàn)狀 　　2.1 太陽能熱水系統(tǒng)利用現(xiàn)狀 　　目前在建筑安裝使用的太陽能熱利用產(chǎn)品主要以太陽能熱水器為主。平板太陽能熱水集熱器應(yīng)用量較大，真空管太陽能熱水器的使用依然保持上升的趨勢，在部分區(qū)域數(shù)量上要超過平板太陽能熱水集熱器。此外太陽能熱水系統(tǒng)在農(nóng)村、小城鎮(zhèn)建筑的廣泛應(yīng)用也是太陽能熱水使用的一個新特點。由于太陽能熱水系統(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，所以得到越來越多的用戶的信賴，成為太陽能熱水產(chǎn)業(yè)一個新的增長點。 　　在熱水器企業(yè)利潤不斷增長的同時，我們注意到，住宅上方各種類型的太陽集熱器、水箱嚴重影響了建筑物設(shè)計的美學(xué)特征。太陽能熱利用系統(tǒng)在建筑上的后續(xù)安裝，雖然在太陽能熱水器安裝上力求排列整齊，但對建筑而言仍然破壞了原有建筑的整體形象。因此如果沒有與建筑結(jié)合的一體化設(shè)計，太陽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。與我國城鎮(zhèn)和新農(nóng)村建設(shè)的“村更美，城更新”的設(shè)計理念是背道而馳的。 　　2.2 太陽能空氣集熱系統(tǒng)利用現(xiàn)狀 　　目前在我國廣大北方地區(qū)的居住建筑和一些有熱空氣需求的工業(yè)建筑中對太陽能的熱利用開始發(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程。海寧家能太陽能工業(yè)有限公司成功對真空管式空氣集熱器進行了改進，進一步提升了空氣集熱器的集熱溫度和工程化集成性能，為太陽能空氣集熱系統(tǒng)的建筑相結(jié)合應(yīng)用開拓了應(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化自然通風(fēng)的太陽能熱利用裝置在我國居住建筑中還沒有進行有力的示范和推廣，但熱空氣利用開拓了太陽能熱利用又一個新的領(lǐng)域，相信其必能在今后得到更多的重視和推廣。浙江省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心設(shè)計研發(fā)的地下車庫用太陽能強化自然通風(fēng)系統(tǒng)，其設(shè)計外形與建筑環(huán)境融合度高適用于建筑物地下車庫自然強化通風(fēng)，具有較高的推廣使用價值。類似于上述的太陽能熱空氣利用研究正逐步成為太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)新的研發(fā)方向和利潤增長點，相信隨著技術(shù)進步和推廣使用將得到較快的增長。 　　3 熱利用與建筑相結(jié)合設(shè)計 　　隨著城市建筑密度和高度增加，太陽能資源逐步成為城市中的稀缺資源。為實現(xiàn)太陽能熱利用產(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光，國內(nèi)相關(guān)的科研機構(gòu)和企業(yè)開始太陽能熱水與建筑相結(jié)合的研究，并取得了包括：曲面型太陽能集熱器、一體化溫差內(nèi)循環(huán)平板集熱板芯、模塊化建筑構(gòu)件型太陽能集熱器、聚光型太陽能復(fù)合熱泵熱水器、陽光控制循環(huán)太陽能熱水器、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、定補雙循環(huán)太陽能熱水器等技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)突破，處于國際領(lǐng)先水平。與建筑結(jié)合的設(shè)計主要有以下思路： 　　3.1 隱形設(shè)計 　　隱形設(shè)計太陽能與建筑相結(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)勢和城市建筑密度較高的現(xiàn)狀，通過合理設(shè)計使地面觀察者的視線被建筑或鄰近建筑所遮擋，從而實現(xiàn)地面觀察者在可正?；顒拥挠^察區(qū)域內(nèi)無法發(fā)現(xiàn)建筑物安裝使用的太陽熱利用裝置的目的。這樣就可以實現(xiàn)太陽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”獎的昆明火車客運站太陽能熱水相結(jié)合設(shè)計就是隱形設(shè)計的典型代表。 　　3.2 構(gòu)件設(shè)計 　　為實現(xiàn)太陽能集熱器與建筑的和諧統(tǒng)一，分別對建筑和太陽能集熱利用裝置進行研究分析是行不通的，最好的方法就是合二為一，使太陽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)計不僅能夠減少材料的重復(fù)使用還能達到建筑功能性的設(shè)計特點，是一種較為理想的相結(jié)合設(shè)計理念。 　　3.3 功能幕墻式設(shè)計 　　隨著太陽能熱空氣利用技術(shù)的不斷進步和人們對建筑物功能性要求的提高逐步出現(xiàn)了一些利用太陽能的幕墻結(jié)構(gòu)，這些幕墻結(jié)構(gòu)利用太陽能加熱幕墻內(nèi)介質(zhì)的形式達到為建筑物提供制熱和冷卻或增強建筑物內(nèi)空氣交換的目的，兼顧了實用性和建筑美學(xué)的設(shè)計理念，成為太陽能熱利用與建筑相結(jié)合的一個方向。 　　3.4 家用熱水器集約管理 　　新建筑在進行太陽能熱水系統(tǒng)與建筑相結(jié)合的同時，我們還需要把精力分到已建成且正在大量使用包括太陽能熱水器在內(nèi)的太陽能熱利用產(chǎn)品的老建筑上，因為這部分建筑的總量遠遠超過新設(shè)計的建筑，對家用太陽能熱水器進行集約使管理也成為太陽能熱水建筑相結(jié)合進程中不可或缺的重要內(nèi)容。對已經(jīng)安裝的家用太陽能熱水器進行統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)劃同樣是實現(xiàn)太陽能熱利用與建筑體融合的一項重要內(nèi)容。在管理過程中要充分考慮太陽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 　　4.1 “平改坡”設(shè)計 　　通過技術(shù)改進實現(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，同時節(jié)約了建設(shè)成本實現(xiàn)了太陽能熱利用與建筑改造的雙贏。 　　4.2 “涼棚式”設(shè)計 　　在我國企事業(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)施目前主要采用陽光板、經(jīng)編布等材料作為遮陽物，遮陽效果較差，同時也影響了建筑環(huán)境。采用太陽能熱利用裝置進行設(shè)計后，可以綜合實現(xiàn)涼棚的功能性。 　　5 幾種相結(jié)合設(shè)計思路的技術(shù)經(jīng)濟比較實現(xiàn)太陽能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合的途徑較多，我們在進行太陽能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合設(shè)計的時候要充分考慮當?shù)氐臍夂驐l件、建筑環(huán)境和設(shè)計建筑居民的消費水平進行設(shè)計。力求太陽能熱水、熱空氣相結(jié)合建筑能較好的適應(yīng)當?shù)氐臍夂驐l件和居民的審美、生活需求。我們對幾種設(shè)計方案進行了技術(shù)經(jīng)濟性能的比較（表1）： 　　6 太陽熱利用系統(tǒng)與建筑結(jié)合應(yīng)用的經(jīng)驗  　　我國太陽能熱水產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，在太陽能熱水建筑相結(jié)合方面取得了一定的成績，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例，取得了一定的設(shè)計、組織、管理經(jīng)驗，這些經(jīng)驗將為太陽空氣系統(tǒng)建筑應(yīng)用提供借鑒和參考： 　　1.使建筑設(shè)計人員、太陽能技術(shù)人員、房地產(chǎn)開發(fā)人員相互結(jié)合、相互滲透、團結(jié)合作、優(yōu)勢互補。是實現(xiàn)太陽能與建筑的有機結(jié)合的必須途徑。 　　2.太陽能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合的項目要以企業(yè)投入為主體，政府投入引導(dǎo)，搭建合作共建的平臺，實施信息共享，優(yōu)化資源配置，激發(fā)創(chuàng)造靈感。 　　3.太陽能熱水、熱空氣建筑相結(jié)合建設(shè)必須在政府的引導(dǎo)下走標準化、規(guī)范化的道路。才能實現(xiàn)相結(jié)合后的質(zhì)量協(xié)同。 　　4.城鎮(zhèn)的太陽能熱利用建筑相結(jié)合是項系統(tǒng)工程。太陽能熱水、熱空氣相結(jié)合建設(shè)不僅要對安裝太陽能熱水、熱空氣系統(tǒng)的建筑進行規(guī)劃也要對計劃采用戶用太陽能熱水、熱空氣裝置的建筑進行規(guī)劃，只有這樣才能快速地提升一個地區(qū)的太陽熱利用建筑相結(jié)合的水平。 　　5.適時采用新的科研技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用于太陽能熱水、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，特別是在太陽能熱空氣產(chǎn)品正處于發(fā)展初期的時刻加強研發(fā)和設(shè)計是必要的。 　　6.過程中加強質(zhì)量控制，切實保證太陽能熱水、熱空氣工程質(zhì)量水平。 　　7 結(jié)束語 　　太陽能熱利用產(chǎn)品通過走模數(shù)化、標準化、系列化以及多元化的發(fā)展道路，使之可以與建筑的屋面、遮陽板、墻面、陽臺、涼亭等構(gòu)件結(jié)合成一個有機的整體，實現(xiàn)建筑的功能化，太陽能熱利用的集約化。在建筑師、太陽熱利用技術(shù)專家與企業(yè)密切的配合下，通過與建筑渾然一體的整合設(shè)計，太陽能熱水、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綴，為建筑外觀形象增添綠色環(huán)保的時代色彩，提高建筑的科技含量和品質(zhì)。通過對應(yīng)用實例的分析可以看出，太陽能熱水、熱空氣與建筑結(jié)合有較好的技術(shù)經(jīng)濟性能和多樣化、靈活化的設(shè)計實現(xiàn)形式，它的發(fā)展為太陽熱利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的契機。相信通過加強行業(yè)協(xié)調(diào)與政策、資金的扶持和市場培育，通過走太陽熱利用與建筑結(jié)合的道路，必然能實現(xiàn)太陽熱水、熱空氣產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。