太阳能在中高层建筑上的应用

浅谈太阳能在中高层建筑上的一体化应用河北三环太阳能有限公司工程技术部河北三环太阳能有限公司工程技术部河北三环太阳能有限公司工程技术部河北三环太阳能有限公司工程技术部王自强王自强王自强王自强2011201120112011年年年年6666月月月月2一、前言：随着能源的日趋紧张,太阳能的利用越来越受到重视。作为太阳能利用的重要大部分太阳能热水器和建筑的结合一直成为业内人士关注的焦点。近年来，我公司在不同风格中、高层建筑上解决了多种限制因素，实现了太阳能与建筑完美结合，以多种构架形式和不同的运行方式成功完成了许多不同风格的太阳能集中热水案例。主要采取“屋顶架空构架式”、“阳台构架式”和“屋顶和阳台混合构架式”三种形式。它们各自具有不同的优点,这些突出的优点决定了它们将会成为今后中、高层住宅建筑太阳能一体化的发展趋势。二、概况太阳能作为一种清洁无污染能源，世界各国越来越对其利用给予相当的重视，我国有丰富的太阳能资源，开发利用好丰富、广阔的太阳能资源，对节约矿物能源、保护环境、改善人类生存空间、实现社会的可持续性发展具有重要意义。目前在太阳能利用中，发展最快、应用最广、商业化程度最高的是太阳能热水器，特别是安装在建筑上的多种多样的民用太阳能热水产品和太阳能集中热水系统。然而，由于目前的太阳能与建筑一体化仍然处于摸索阶段，每个厂家只考虑了自身的结构和功能,考虑建筑的一体化结合问题不足，另外建筑设计上的忽视也导致太阳能安装的随意性和不安全性几乎无一例外的影响了建筑的外部形象及结构安全,因此实际应用过程中出现了很多问题。主要体现在以下几方面。31)用地及规划原因对安装位置的限制由于现在城市用地的日趋紧张加上北方气候的原因,大部分新建小区仍然为行列式布局,层数也逐渐发展为中高层住宅,由于中高层屋顶面积相对户均面积减小，去掉消防通道和设备用房的占用,从面积上也难以满足整栋楼的安装要求，造成普通整体式太阳能无法安装，即使勉强安装也会存在管线过长、管线内凉水过多、低层热水与冷水压差过大、热损失大等缺陷导致无法使用；采用阳台壁挂式太阳能热水器，首先表现在低层用户使用太阳能热水器日照时间无法保证。2)现有系统的限制目前太阳能热水器系统形式多种多样,安装不规范,不能充分利用太阳能集热设施,系统的使用效率低,相应占用的空间和需要的成本较高,与建筑的结合性也差。3)产品本身的问题目前各厂家生产的太阳能热系统集热器件标注不一，自身存在很多问题,很不适合建筑统一设计:①集热模块的形状、颜色带来的视觉效果不好,影响建筑美观,很难与建筑进行完美的结合；②由于大部分建筑没有集热器安装预留构架的设计，安装对屋面的影响较大,例如对屋面防水的破坏、结构的影响；③由于太阳热水系统运行设计的不合理也会带来一些问题,如真空管结垢、炸管碎管、不承压、不易自动控制等,限制了它的推广和使用。44）建筑设计存在的问题由于太阳能生产厂家的产品不拘一格，给建筑设计单位带来极大不便，设计出来的图纸因不同厂家施工，往往要几番改动，无法改动的不免要勉强安装，结果造成视觉效果差，系统配置偏离过大，集热器件布局分散给系统运行带来极大不稳定因素，甚至极度的利用常规能源，本是节能的设备却不节能，给使用者造成隐蔽性损害。三、中、高层住宅太阳能热水系统解决方案要想解决以上问题必须选用低成本、高效率集热器件，建立一个适合高层住宅安全可靠的太阳能热水系统。我公司采用高效双真空集热管作为太阳集热器件，利用先进技术高密度组合（见图一），提高屋面使用率20%，由于双真空热管采用抗冻导热工质，在-45℃环境温度下照常工作，具有寿命长（15年以上）、耐干烧（250℃）、抗冻（-45℃）、启动温度低（30℃以下）传热系数高、不炸管、不结水垢、抗压能力强、造价低廉等特点，是较为适合太阳能在高层住宅建筑应用的专业高效集热管。5方案一、非承压型集中集热—集中水箱此系统的太阳能集热系统安装在楼面、储热水箱放置在楼下或楼上的水箱间内，集热系统与储热水箱之间，水箱与供水管道之间形成两个独立循环。在这个系统中最值得考虑的就是热水供水压力问题，在这里我们采取两种减压形式，一是管道分区减压，入户支管加装热水表。二是热水供水主管不考虑减压，在入户支管上加装支管减压阀。整体系统形成集中集热，分户水表计量供热。方案特点：①系统采用集中集热，集中储热，分户计量②集热系统采用温差和定温相结合工作方式，有效地利用了太阳能③设有自动回水功能，保证用水时温度，减少了冷水的流失④设有防冻功能，防止冬天的冻管现象④设有自动上水功能，确保水箱的设置水位⑤可和任何常规能源相结合，确保阴雨的使用6⑥控制系统采用远程监控系统，出现异常及时报告物业⑦供水管路采用支路减压和变径减压相结合的方式，有效控制了供水水压。方案二：非承压式太阳能集中集热——分户水箱储热就是将建筑物顶上安装若干块太阳能集热器用于集中集热，然后利用防冻高效导热介质将其热量传递到每家每户的独立水箱中，实现一户一套，单户电辅助加热，互不干扰。这种解决方案在行业内属于首创，也是最为适合现状的方案之一。⑴方案特点：①系统采用集中集热与分户水箱换热，将容量储存到分户水箱中②换热动力有光伏系统提供，无需其它能源，不产生运行费用，住户可随住随用，便于物业管理。③集热系统为承压闭式，集热器件采用承压集热器，集中放置，可节省安装面积。④每户设立一台两用储水箱，内置换热装置和一支1.5Kw防漏电加热管，微电脑控制，数码显示温度，可随意调整定温、定时加热，确保四季正常使用。⑤储水箱可根据需要放置于室内、外，水箱承压运行，有效保证冷热水的压力一致，混水均匀，提高了热水使用的舒适度。⑥系统间接换热，有效保证热水的卫生洁净。7⑦无需解决各层水压问题。⑧无需考虑公摊费用问题。（2）系统的构成太阳能集中热水系统主要由集热器、分户储热水箱、介质传导循环管道、自动控制四部分组成（见图及附图）。方案三：壁挂式太阳能热水器就是将集热器置于阳台、墙壁，水箱置于室内，实现一户一套，户电辅热，户用户水，互不干扰。太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水，如图3吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此8循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。⑴方案特点：①系统采用分户集热，太阳能间接换热，分户水箱储热。②自然循环，不产生运行费用，住户可随住随用，便于物业管理。③集热系统为承压闭式，集热器件采用承压型集热器，安全可靠，阳台、墙壁随意放置，不受屋顶面积限制。④每户设立一台两用承压储水箱，内置一支1.5Kw防漏电加热管，微电脑控制，数码显示温度，可随意调整定温、定时加热，确保四季正常使用。⑤储水箱可根据需要放置于室内、外，水箱承压运行，有效保证冷热水的压力一致，混水均匀，提高了热水使用的舒适度。⑥系统间接换热，有效保证热水的卫生洁净⑦系统承压运行，性能稳定，使用起来安全可靠⑧系统采用间接加热，有效保证热水的卫生和洁净⑨水箱承压运行，有效保证冷热水的水压一致，混水均匀，提高了热水使用的舒适度⑩储水箱内置电加热器，可保证阴雨天热水的使用（2）系统的构成主要有集热器、分户储热水箱、介质传导循环管道、自动控制四部分组成（见图）。9储热水箱太阳能集热器方案四：两种太阳能一体化结合热水方案对于密集型高层住宅屋顶面积不足的可采用两种混合解决办法，即住宅楼背侧住户和阳侧7层以下住户可利用方案一，阳侧7层（含7层）以上可采用方案二。四、中、高层太阳能建筑一体化实施方案1、集中集热--分户储热供热水系统①相对于分户集热供热水系统,具有集热器利用充分,容易和建筑结合的优点,非常适合高层集合住宅的形式。因此同等条件下应优先考虑采用这种系统。这样不必每户均设上下水管,只需安装集中的集热器、分户贮水箱和管道连接即可。由于用户使用的是自己的水和电免去了物业征收水电费的麻烦，从而各户也减少自己购买、安装、维修的麻烦。比较理想的状态应该是采用区域供热,即一个住宅单元10为一个集中集热系统。这样不仅能有效和高效的利用太阳能,对于管理和维修也比较方便,同时还能充分利用空间和降低运行费用。②集热器的形式:采用集中成片的双真空管太阳能集热器。这种形式的水箱和集热器可以分离,太阳能通过集热器中的介质传递到水箱中和水进行热交换。这种间接式热交换、强迫式双循环的分离式承压系统不怕冻,不会造成真空管结垢、炸管,能承压运行。即使有个别真空管损坏,系统仍能正常运行。③集热器的位置:这是和建筑结合的关键。集热器不是直接放在屋面上,而是利用下部原有结构升出屋面形成架空的构架,使之成为集热器的安装场所。构架可以用混凝土或钢结构做成倾斜式或水平的,细长密集的集热管作为里面的小构架,达到和构架的完美结合,成为建筑的特色。密集的集热管同时还能作为屋顶的遮阳构架,使原本纯装饰的构件多功能化,而且样式可以多种多样。④水箱的设置:本系统不设置水箱，不用考虑建筑物承重问题，同时给有限的屋顶腾出空间，集热器和分户储热水箱直接相连,热损失少;另外和用水点的管线联系也非常方便,通过设在楼梯间内的管道井入户即可。⑤管道井的设置:仍然利用原来楼梯间中的管道井作为进入各用户的管道安装位置,这样就不用在每户内另设,相应增加了户内使用面积。2、屋顶架空构架式的优点这种把集热器构件与屋顶构架结合起来的做法优点很多（见图）:11①构架处于建筑最高点,遮挡最少,集热效率高,易于连片布置。②构架作为建筑造型的一部分,完全和建筑融合;构架造型灵活多变,可以有各种不同的组合方式;集热管位于大的构架内构成小构架,加上距离地面较高,不易成为视觉焦点,不仅不像其它结合形式那样易于形成视觉污染,反而对造型是很大的提升。③集热器安装在构架上,而不是在屋面上,对结构、防水、保温不会造成破坏,构造技术简单（见图）。12④构架的安装不影响屋顶空间的使用,下方仍然是居民的活动场所和消防通道。另外集热器构架在夏天会成为绝好的遮阳构件,使屋面的隔热作用有所加强,从而降低住宅顶层夏季室内温度,同时还有利于居民的室外活动,是一举多得的做法。⑤施工维修均非常方便,安全性高。⑥采用集中集热--分户储热系统,没有庞大的水箱，减少了二次污染，提高了屋面的利用率，热损失少。连接管道可结合构架隐藏设置,不影响景观。⑦在设计阶段就考虑热水系统的安装。这样不仅能达到功能和造型的协调一致,还可以相应降低一定的投资,减少不必要的浪费和对其它住户的干扰。3、承压式太阳能分户集热系统阳台是一个安装集热器重要的功能场所,而且是影响建筑外立面造型极为重要的因素。因而如何让阳台自身成为一种景观,也是住宅设计寻求变化的重点处理部位。另外由于城市污染、冬季节能、具体使用及面积计算等因素影响,北方的住宅阳台基本上都是封闭的。不过和室外的关系由原来的高实体栏板逐渐变化为低栏板甚至落地窗加防护的处理方式。而且阳台所占的面宽一般较大,这给采用阳台构架式提供了可能。①阳台构架式的做法1)系统形式及水箱位置:这种形式的系统采用分户集热供热、自然循环式、顶水式的管路。热水器的水箱放置于室内或结合阳台13布置,可以减小管路的长度。同时避免破坏立面整体效果。2)集热器的形式及位置:本公司生产的集热器为平板式集热器,它采用了选择性吸收涂层而具备特殊的色泽和质感,表面透明光板非常光亮,具有金属的质感,作为装饰性构架非常合适。可以把集热器设在阳台外部构成遮阳构架的形式,这种形式不受阳台栏板高度的限制,对阳台内部采光影响较小,根据造型需要既可设计在阳台一侧或两户阳台的中间部位,也可外挂在阳台栏板处,使整个建筑在垂直方向上构成一排排的金属质感构架,可以起到非常好的装饰作用,见图②阳台构架式的优点这种形式的优点是使用、管理、维护自由,对别的用户没有干扰。另外同层使用,连接管道短,相应热损失少,安装检修方便,热器和建筑结合紧密,成为建筑的一个造型元素;同时集热器还有一定的遮阳作用。14结束语由上简述，可以看出：一、中高层住宅楼使用太阳能的方案主要有：1.集中集热-集中贮热水箱，由贮热