高层居住区太阳能与建筑一体化技术的应用

左海敏

1 太阳能与建筑一体化技术的背景

随着社会的发展和人们生活水平的提高,人们对住房的质量要求也越来越高,宽敞、舒适、设施齐全(如热水、采暖、制冷等设施)的住房已成为大势所趋。然而,我国目前的能源供给形式并不容乐观,且每年都需要进口大量石油,人均能源占有量远远低于世界平均水平,而且常规矿物能源日益减少,但能源总需求却在不断增加。在这种情况下,一方面要提倡节能降耗,另一方面要加快开发利用可再生能源,以解决能源紧张的问题。为此国家出台了《中华人民共和国节约能源法》《中华人民共和国可再生能源法》《民用建筑节能条例》等有关法律法规。为了促进我省建设领域节能工作全面开展,加快民用建筑太阳能热水系统一体化技术应用的步伐,根据国家GB 50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范、GB/T 18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范等标准规范的规定,保定市建设局于2007年4月下发了《关于推广应用太阳能热水系统》,河北省建设厅于2008年10月13日下发了《关于执行太阳能热水系统与民用建筑一体化技术的通知》,文件要求新建、改建及主体工程尚未完成的居住建筑必须采用太阳能热水系统与建筑一体化技术,做到统一规划、同步设计、同步施工,与建筑工程同时投入使用。

太阳能与建筑一体化技术就是把太阳能的利用纳入环境的总体设计,把建筑、太阳能热水技术和美学融为一体,太阳能设施成为建筑的一部分,相互间有机结合,取代传统太阳能热水器对结构所造成的影响,利用太阳能设施完全取代或部分取代房屋的围护结构,减少成本、提高效益,太阳能与建筑一体化属于一项综合性技术,涉及太阳能利用、建筑、流体分布等多种技术领域,是多层面参与和合作的综合性事业,需要国家政策法规部门、建筑主管部门、太阳能厂商、房地产开发商、建筑设计单位的共同努力。现就日照、太阳能热水系统形式、热水量计算、集热器面积计算、集热器布置等方面做如下分析和探讨。

2 保定地区太阳能资源概况

保定市位于东经 115°30′,北纬 38°51′,冬至日正午 12 时太阳高度角为 27°45′,日出至日落时长为 10 h 26 min;夏至日正午12时太阳高度角为74°36′,日出至日落时长为 15 h 58 min;春分(秋分)日正午12时太阳高度角为51°21′,日出至日落时长为13 h 2 min;按我国的太阳能资源区划规定,保定市属于太阳能资源较富区,年平均日太阳辐照量14 933 kJ/m2。

3 太阳能热水系统分类及系统设计选用

1)集中供热水系统。集中供热水系统是采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱供给一栋或几栋建筑物所需热水的系统。

2)集中—分散供热水系统。集中—分散供热水系统是采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱供给一栋建筑物所需热水的系统。

3)分散供热水系统。分散供热水系统是采用分散的太阳能集热器和分散的贮水箱供给各个用户所需热水的小型系统。按系统运行方式区分主要包括以下三种:a.自然循环直接系统;b.自然循环间接系统;c.强制循环间接系统;根据各个系统的特点,10层及以下住宅推荐采用分散的自然循环直接系统,11层及以上住宅推荐采用分散的自然循环间接系统或集中—分散供热水系统。以下主要讨论在高层居住区应用较为普遍的分散布置的自然循环间接系统。

4 集热器安装方位、角度及面积补偿

太阳能集热器接受的太阳辐射分为直射辐射、散射辐射、地面反射辐射。按直射辐射计算的集热板安装角度即倾角(集热板与水平面的夹角)为0.9Φ(Φ为当地纬度)。但综合考虑三种辐射,集热板安装角度一般按当地纬度 Φ±10°。安装角度为 Φ,可获得全年最大辐射量,Φ+10°可获得冬季最佳辐射量,Φ-10°可获得夏季最佳辐射量。

表1 补偿系数 Rs %

方位角宜按正南向,可在偏西 30°～偏东30°范围内。

方位角、倾角超出以上范围的应进行补偿,补偿系数 Rs可参考表1。补偿后的集热板面积为:计算集热板面积/Rs。Rs≥90%,可不补偿。

5 分户太阳能热水系统的管路布置

当分户太阳能热水系统的贮热水箱设在阳台内,集热器外挂在南向阳台外及外墙处时,集热器到贮热水箱的热媒循环管需建筑专业预留DN100钢套管,贮热水箱与厨房卫生间连接的冷热水管一般均在垫层内埋地敷设,系统流程见图1。

当日常使用水量经常小于贮热水箱的容水量时,采用电辅助加热设于用水点附近的方式可以减少加热的水量,更有利于节约用电,节省运行费用。

6 集热器与建筑的结合

设计应把集热器作为建筑组成部分,不应认为是建筑的附着物,而应作为建筑部件,融入整个设计中,并应综合考虑日照、安装、维护、结构安全、构造安全、产品特性、建筑风格。

平屋面对建筑形象影响较小,布置方面更倾向于技术要求。但现在设计中装饰性屋架常出现,可考虑集热管与屋架结合,见图2。

坡屋面时集热器一般与斜屋面结合,采用架空和嵌入两种方式。

集热器与立面的结合,一般选择阳台栏板(或栏杆)处、外墙面,可把集热管作为杆件组织在整个建筑立面中(见图3～图5)。

7 太阳能与建筑一体化技术的应用前景

一般情况下,保定地区安装真空管太阳能集热器每平方米每年可提供能量约900 kWh,如果安装2 m2集热器,则一年可提供能量约1 800 kWh,若电价按 0.6元/kWh计算,则一年可节约电费1 080元。经过各界人士的不断努力,太阳能与建筑的结合越来越紧密,太阳能热水系统的安装率也越来越高,目前我国太阳能热水器的户用比率约为5%,而且其他方面的应用如采暖、制冷、太阳能房等,也得到了较快的发展。但是,我国太阳能热水系统的普及率与应用水平较发达国家的差距仍很大。这就需要我们不断努力,逐步实现太阳能热水器部件的建筑一体化,将太阳能热水器在建筑中的应用发挥到最大限度,使太阳能热水系统在建筑节能方面做出更大贡献,并推动节能建筑的发展。

[1] GB/T 18713-2002,太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范[S].

[2] GB 50364-2005,民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[3] DBJT 02-48-2006,民用建筑太阳能热水系统安装[S].

[4] 张云霞,朱 琨.太阳能在西北地区建筑中利用的可行性研究[J].山西建筑,2008,34(17):246-247.