在當今世界能源與環(huán)境問題日益嚴重的形勢下，太陽能作為可利用的再生能源，正日益受到人們的重視。我國太陽能建筑領域中技術最成熟、應用范圍最廣、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的是家用太陽能熱水器。但是，如何使建筑與太陽能實現(xiàn)有機結合，人們還關注不多。建筑與太陽能結合既消除了二次安裝太陽能對建筑形象的影響，保持建筑物的整體美觀性不受破壞，又能避免重復投資，降低成本，這是未來的發(fā)展方向。
2太陽能與建筑結合技術現(xiàn)狀
目前建筑上使用太陽能，有的是“前置”，有的是“外置”，有的是“附上”，都不是真正的有效“嵌入”，都會帶來一些隱性的風險，如容易跌落、安裝維修困難、給建筑物造成破壞等。同時，熱水器本身也有很多亟待解決的問題，如平板式太陽能與集熱管式太陽能相比，雖然有很多優(yōu)勢，集熱效率高、較適合與建筑結合，但其制作工藝復雜、成本較高、集熱效率受氣候影響大。此外，平板式集熱器對安裝方向和角度有較高的要求，儲熱水箱占據(jù)了建筑空間，強制循環(huán)的動力耗能多，加大了生產(chǎn)和管理成本。而真空管太陽能熱水器成本低，技術和市場成熟，贏得了廣大消費者的青睞。但因其構造和形狀與樓房不協(xié)調(diào)，影響了樓房的整體形象。又因二次安裝給樓房帶來不同程度的破壞和影響及受屋面空間的限制，使一些居戶不愿安裝。此外，真空管太陽能如供水壓力大容易造成集熱器脫管、爆管和密封圈損壞。真空管太陽能的抗凍性能雖然好于平板集熱器，但是超過零下7度仍可能凍結。太陽能與建筑結合需要有機融合和有效嵌入，熱水工程需要系統(tǒng)性、穩(wěn)定性和安全性。要實現(xiàn)太陽能與建筑結合，我個人認為最經(jīng)濟、有效的方法是以傳統(tǒng)優(yōu)勢為基礎，根據(jù)建筑結構特點和熱水需求正確選擇集熱器的結構形式，使熱水系統(tǒng)結構配置更加科學合理、功能更加完善、可靠，滿足人們在各種條件下的使用要求，從而提高太陽能的利用率。
3太陽能熱水系統(tǒng)
為實現(xiàn)上述目的，筆者對當前各種建筑應用的太陽能集熱器形式進行了研究，綜合能耗、技術成熟度、制造成本、安全穩(wěn)定性、運行成本和與建筑配合等因素進行分析比對，提出本方案。方案針對當前建筑應用太陽能熱水器存在的種種問題和不足，以提高太陽能熱能轉換效率和太陽能熱水利用率、降低熱水生產(chǎn)成本、滿足不同季節(jié)和地區(qū)的需要為目的，以集中供熱水為目標，本著簡潔、經(jīng)濟、實用和安全可靠的原則解決好熱水工程的系統(tǒng)運轉與各用戶用水的關系，結合建筑的結構特點和太陽能熱水的使用規(guī)律，探索了熱水系統(tǒng)的技術優(yōu)化設計，將真空管集熱器和列管式換熱器進行整合，利用真空集熱管集熱，利用列管式換熱器換熱、儲熱，將系統(tǒng)加熱和輔助加熱分開，太陽能承擔系統(tǒng)加熱，用戶用水終端進行輔助加熱。在管理上，將系統(tǒng)管理和用水終端管理分離，使之適應于集中供熱水和太陽能熱水系統(tǒng)運轉、管理的需要，實現(xiàn)個體太陽能熱水器向集中供熱水方式的轉換。按照上述思路構成的熱水系統(tǒng)可簡化系統(tǒng)設置，有效解決建筑結合太陽能熱水工程的諸多難題。本方案根據(jù)結合的需要對反光板、供水管道、恒溫箱等系統(tǒng)設置和構件也進行了相應的研究和探索，以滿足用戶的熱水需求和熱水系統(tǒng)工程化施工的需要。本方案采用真空管集熱，熱水箱內(nèi)換熱管換熱、儲熱，集集熱、換熱、儲熱于一體，選用較大熱水箱一箱多供，實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)加熱、壓力供水、保溫管道輸送、用水終端恒溫箱輔助加熱和溫度調(diào)控、加壓泵循環(huán)加熱和增壓供水，形成一個以太陽能熱水設施與建筑結合設計施工，供熱水裝置統(tǒng)一配置，熱水系統(tǒng)統(tǒng)一管理，用水終端輔助加熱、調(diào)控、管理各自獨立為特點的太陽能熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)集儲熱裝置、保溫管道、用戶用水終端組成。
一、系統(tǒng)集儲熱裝置：包括真空集熱管、反光板、多組一箱多供的熱水箱和熱水箱內(nèi)均布一至多組與熱水箱平行的不銹鋼波紋換熱管組，各組換熱管管與管之間自下而上依次串通連接。熱水箱內(nèi)充注介質液，介質液注液管道（兼排氣管）將熱水箱水平串通聯(lián)接在一起。集儲熱裝置的主要作用是集熱、換熱、儲熱，工作原理是當真空集熱管吸收太陽光熱后集熱管內(nèi)的傳熱介質被加熱升溫，傳熱介質溫度升高，自動由集熱管上升到水箱上部，自上而下對均布在熱水箱換熱管內(nèi)的水進行加熱，換熱管置換出來的冷介質在密度差作用下，下沉到水箱底部，然后返回到集熱管進行加熱，形成溫差循環(huán)，持續(xù)不斷地對換熱管內(nèi)的水進行循環(huán)加熱。
二、組合保溫管道，一般由冷水管和熱水管外加套管組成，水管與套管中間空隙填充保溫材料，主要作用是冷熱水的輸送與保溫。
三、用水終端，由恒溫箱、增壓泵、閥門以及噴淋頭和水嘴等用水裝置組成，恒溫箱內(nèi)裝有輔助加熱器、溫度傳感器和溫控閥以及限位排氣閥等裝置。人們在使用時打開閥門，自來水在壓力作用下，由供水管道進入系統(tǒng)熱水箱底部的進水管口，沿換熱管道流動，由底層到高層，由低溫到高溫，層層加熱，逐步升溫，然后由頂層換熱管一端出水口經(jīng)熱水管道進入恒溫箱，安裝在恒溫箱內(nèi)的溫度傳感器發(fā)出溫度變化信息，控制器根據(jù)恒溫箱熱水溫度的變化和人們設定的溫度調(diào)控范圍，隨時啟動輔助加熱器進行加熱，同時溫控閥根據(jù)人們的需要隨時調(diào)整冷水供應量，以保證用水溫度的穩(wěn)定和適宜。
本供熱水方案的技術關鍵在于系統(tǒng)熱水箱內(nèi)利用與熱水箱平行的不銹鋼換熱管組進行換熱和儲熱，集集熱、換熱、儲熱于一體，一箱多供，各戶用水終端恒溫箱輔助加熱和溫度調(diào)控。它的優(yōu)點是：
1、安全可靠1）集、儲熱裝置由真空集熱管和防凍介質液共同保溫，加之采用管道組合保溫措施，可以大幅度提高熱水裝置的抗凍能力。在極端低溫的情況下，也可采用定時循環(huán)的辦法，利用熱水箱的余熱或通過恒溫箱加熱的水來確保供水管不被凍結，比其它防凍方法更安全、更可靠、更經(jīng)濟。2）水在承壓管道中運行，集熱管、熱水箱屬非承壓工作狀態(tài)，不受供水管網(wǎng)壓力的影響，無脫管、裂管、硅膠密封圈損壞之隱患。3）換熱箱內(nèi)使用介質液和不銹鋼波紋管換熱無結垢之憂。4）因采用換熱式加熱，即使白天使用，介質液緩慢降溫，無注水驟冷炸管之顧慮。5）因采用壓力供水，水箱無缺水之憂，用戶遇到自來水壓力突然降低時，啟動增壓泵仍可照常使用。6）系統(tǒng)設置簡單，無任何控制電器和機械裝置，消除了因傳感器結垢導致的傳感失靈、操作失控和運轉機械故障等隱患。
2、節(jié)能1）采用壓力供水、上出水，確保優(yōu)先使用熱水，只要太陽能熱水夠用，就無需啟動電加熱器進行加熱。2）需輔助加熱時，采用分戶即時輔助加熱、隨用隨加熱、用多少水就加熱多少水，耗電少。3）集熱管內(nèi)的熱能可毫無保留的置換出來使用。4）集熱、換熱、儲熱集于一體，有利于儲熱保溫，無管道循環(huán)熱損，降低了加熱的耗能。5）太陽能系統(tǒng)加熱自然循環(huán)，無機運行。
3、衛(wèi)生1）使用單程水，杜絕千滾混合水。2）水在管道封閉空間中運行，無污染。
4、管理1）集中供熱水系統(tǒng)除注液泵和控制開關外，再無任何系統(tǒng)控制電器和機械裝置，降低了運轉費用和后期管理費用。2）用戶用水各自獨立，無需二次計量，管理簡單。
5、使用1）采用頂水式供水，承壓運行，出水壓力大，用水不受容量限制。2）用完熱水后，即可選擇用完放空熱水，又可選擇再次用水前啟動增壓泵循環(huán)加熱，無管道排空和水箱底部冷水排放之麻煩，即開即出熱水，先出熱水，便于用戶溫度控制，且能從根本上杜絕水資源的浪費。3）因使用分戶恒溫箱輔助加熱和溫度調(diào)控，升溫快，出水溫度穩(wěn)定可調(diào)，調(diào)控方便。
太陽能與建筑結合的關鍵在于集熱位置合理、外觀風格一致和技術結構互融。我國以坡屋面樓房居多，筆者根據(jù)太陽能與建筑結合配合的需要，對坡屋面樓房建筑結構特點和集熱器與坡屋面樓房的配合形式進行了探索。認為，統(tǒng)一集熱位置，合理有效的利用屋面資源，是坡屋面樓房太陽能熱水設施與建筑配合的最佳選擇。太陽能熱水設施與建筑同步設計，工程化施工，屋面底板在設計和澆筑施工時預留系統(tǒng)熱水箱底座平臺(參見示意圖1)，系統(tǒng)熱水箱與屋面橫向平行布置，集熱管與屋面坡度平行一致安裝，集儲熱器與屋面建筑結構有機配合，互為依托和利用，實現(xiàn)與建筑在技術和風格上的結合。根據(jù)向陽坡屋面可利用的集熱面積和總戶數(shù)，合理確定集熱器熱水箱的分組與橫向寬度，根據(jù)集儲熱器的安裝要求和管道連接、排列順序及走向需要，把屋面熱水箱底座、墻體管道預留孔進行一體化設計和施工。熱水箱安裝在熱水箱底座上，反光板粘附固定在屋面底板上，集熱管與反光板平行插進熱水箱前端的集熱管口，組合保溫管道由管道預留孔進入各戶連接用水裝置。
1、把太陽能的利用納入建筑的總體設計，在建筑技術和風格上融為一體，太陽能設施成為建筑的要素，集熱器沿屋面平行布置，屋面整齊、錯落有致、間隔合理有據(jù)。
2、統(tǒng)一集熱位置，有效利用屋面空間資源，儲熱箱鑲嵌在屋面中不占用其它建筑有效空間，十二層以下樓房無需在墻體和陽臺等處安裝其它形式的太陽能，不受樓層樓距的限制。
3、有利于實現(xiàn)標準化、規(guī)范化。工程一體化設計、施工，杜絕了二次施工對建筑造成的破壞和影響。
4、換儲熱箱安裝在屋面底座上，即牢固又安全，反射板粘附固定在屋面底板上，平展穩(wěn)定，既不阻風，屋面又可為太陽能集熱器提供依托。
5、有機結合，互為依托和利用。1）集熱管受屋面底板上不銹鋼波形反光板的反射和烘托，彌補了真空集熱器集熱面積的不足，提高了集熱效率。波形反光板還能防止光污染（參見示意圖3）。2）不銹鋼反光板替代屋面瓦為屋面遮蓋，起到了防水和保溫的作用，減輕了建筑主體承重負荷，屋面防水保溫效果好。3）屋面為供水管道和附件提供遮蓋和保溫，消除了管件管道對樓房外觀形象的影響，又能遮風擋雨、防寒、防輻射。
6、安裝，因熱水設施與建筑同步設計，配套制作，構件實現(xiàn)標準化、規(guī)范化，可提高熱水工程安裝的質量標準和施工效率。
下面通過計算進行可行性分析：
1.屋面可利用空間面積的計算和分析：
現(xiàn)以坡屋面小高層（十二層）樓房為例，以戶為單位進行計算和分析：樓房屋面橫向寬度戶均一般不低于0.45m/戶（樓房坡屋面橫向總寬度與總戶數(shù)之比），樓房的縱向寬度一般不低于10m，若按寬度10m計算，屋尖夾角按照120°計算，屋面坡長約5.8m，熱水箱安裝占用屋面的坡長為1m，集熱管選用長度為1.8m，以此計算屋面坡長安裝真空集熱器的太陽能應用數(shù)量為（1m+1.74m）×2<5.8m;由此可見在屋面上安裝雙排真空集熱器是可行的。
2.集熱面積的計算和分析：
在確定了雙排集熱器的布局后，那集熱面積的計算就顯而易見了，戶均寬度按0.45m，雙排集熱器為0.45m×2，那戶均集熱面積為：1.74m×(0.45m×2)=1.57m2(采用反光板的真空集熱器按反光板實際占用面積計算)。
以北京為例，太陽能每平方集熱面積可加熱45℃~65℃的熱水90L，以每人每天平均使用35L~40L熱水計算，1.57m2的集熱面積提供的熱水平均可滿足2~3人洗浴用水。
3.戶熱水箱容量的計算：
熱水箱端面截徑為φ320mm不規(guī)則橢圓形水箱，有效容量截面積為0.108m2，戶均水箱橫向寬度0.45m×2=0.9m以此計算戶水箱儲水容量為：0.108m2×0.9m=0.097m3每平方集熱面積對應熱水箱容量之比為：0.097m3/1.57m2=0.062m3/m2每平方集熱面積對應熱水箱儲水容量為62L/m2是可行的。
4.戶集熱管容量的計算：
采用直徑0.058m的集熱管，管中心距0.075m，0.9m可排列12支管計算戶集熱管容量為：0.0215２m×3.14×1.8m×12=0.031m３
5.戶集熱面積加熱液水總量為：0.097m3+0.031m3=0.128m3按照行業(yè)一般計算方法，每只58mm×1800mm的集熱管正常情況下每天加熱熱水9.5L,12只管加熱液水總量為9.5L×12=114L，加之反光板的反射和烘托提高了集熱效率，戶集熱管加熱的液水總量為128L/戶/天，是可行的。
6.每平方集熱面積與液水總容量之比：0.128m3/1.57m２=0.082m3/m２每平方集熱面積平均加熱的液水總量為82L/m２<.90L/m２是可行的。
7.戶換熱管換熱面積的計算：
換熱管的換熱面積與換熱管的直徑和長度有關，現(xiàn)以直徑0.05m的不銹鋼波紋換熱管為例，每戶熱水箱寬度為0.9m，該方案中熱水箱可均布排列18只換熱管，以此計算每戶換熱管的換熱面積為：0.0508m×3.14×0.9m×18×1.2（波紋管換熱面積增加系數(shù)）=3.1m２每戶3.1m２的換熱面積加之太陽能熱水的使用規(guī)律一般為間歇性而非連續(xù)性使用，屬積累性換、儲熱，故換熱管影響熱效率的因素可忽略不計。
8.戶換熱管儲水容量的計算分析：
換熱管的容積與波紋換熱管的節(jié)徑和長度有關，與7同例進行計算，換熱管峰徑以0.06m計算，內(nèi)節(jié)徑按峰谷平均數(shù)0.054m計算戶換熱管儲存容量為0.027２m×3.14×0.9m×18=0.037m3戶換熱管儲存的熱水可滿足一個人的洗浴用水。
9.戶換熱管儲存容量與換熱面積之比：0.037m３/3.1m２=0.012m３/m２一個人的洗浴時間一般為15~20分鐘，在這段時間里每平方換熱面積加熱12L/m２的水是可行的。
10.戶換熱介質液與換熱管儲水容量之比：（0.128m3—0.037m3）/0.037m3=0.091m3/0.037m3=2.46戶換熱介質液是換熱管儲水容量的2.46倍是可行的。
11.在有效利用屋面空間，節(jié)約制造成本，熱水利用率高，工藝難度不大，不影響建筑和水箱結構安全穩(wěn)定的情況下，盡量選用較大的熱水箱，采用一箱多供。假如每三戶共用一組熱水箱，共用水箱換熱介質液與戶儲水容量之比為：0.091m3×3/0.037m3=0.273m3/0.037m3=7.38共用水箱換熱介質液容量是單戶換熱管儲水容量的7.38倍，在屋面空間受限，戶均集熱面積和容量配置無法做得很大的情況下，利用用戶在大量使用熱水的概率和時間上的差異，為部分用戶使用超出計算容量的熱水提供了可能。而且在占用空間上，每組集熱器可少占用0.3m×2=0.6m寬度的無效空間（水箱封頭保溫層、管道安裝預留空間）每戶可增加集熱面積0.3m2，這一點對小戶型的樓房尤為重要。在制造成本上可節(jié)約四個水箱封頭和36個管道彎頭的連接費用，還降低了水箱封頭熱損失。
12.該換熱箱內(nèi)換熱管排列中心距大于或等于75mm,是波紋換熱管峰徑的1.25倍，是波紋換熱管直徑的1.5倍，屬換熱器換熱管最佳排列間距是可行的。
5結論
通過以上計算和數(shù)據(jù)分析證明，本結構設計合理，熱能轉換率和熱水利用率高，可滿足正常氣候條件下居民生活熱水的需要。該裝置的運行成本和管理費用比其它的熱水裝置低得多，它方便、快捷、衛(wèi)生、出水壓力大，比其他形式的熱水裝置具有更優(yōu)越的市場競爭力。太陽能集熱器嵌入到屋面上，統(tǒng)一集熱位置，減少建筑空間占用，與建筑有機配合實現(xiàn)互補。但是，太陽能與建筑結合需要多學科、多層面參與和合作，需要太陽能廠商、房地產(chǎn)開發(fā)商、建筑設計單位的協(xié)調(diào)行動。愿我們共同努力，一起把這項工作做好。
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