夏热冬冷地区住宅建筑太阳能一体化技术的适用性研究

1 夏热冬冷地区太阳能利用的潜力随着我国建筑节能标准的不断提升，可再生能源在建筑中的利用也崭露头角，太阳能不仅能节约不可再生能源的消耗，而且可减少碳的排放量。夏热冬冷地区住宅建筑依靠围护结构节能毕竟有限，因此，该地区住宅如何有效利用太阳能，将成为建筑节能的重要途径之一。太阳能资源的分布受地理与气候等条件的影响最大，判断一个地区太阳能资源的充足程度，主要依据该地区的太阳日照时数以及日照百分率。其中日照时数是指太阳光辐射到地面的时间。日照时数的长短受所在地区纬度、季节、地形、天空状况等因素影响，实际观测的日照时数一般比可照时数要少。我国西部、北部地区是太阳能辐射总量的高值区，而对于夏热冬冷地区太阳能资源主要属于我国三类区，与我国北方、国外发达地区的太阳能资源相比较，夏季与我国的北方及西部地区基本持平;而在冬季，虽不及我国北方，却明显超过欧洲，且与北美基本持平。可见，与发达国家相比，该地区对太阳能的开发利用有着巨大的潜力。2 夏热冬冷地区住宅利用太阳能工程实例分析针对上海地区近年开发商、太阳能企业参与建设的太阳能工程进行了调研，这里着重分析太阳能热水系统在住宅中的运行和一体化设计的应用状况。2. 1 建筑的布局目前，在夏热冬冷地区，利用太阳能的小区大多采用行列式布局，尤其是当下最为流行的南低北高行列式布置方式(图 1)，这种形式既提高了小区的容积率，也为屋顶利用太阳能提供了比较好的日照条件。2. 2 太阳能系统特点1)太阳能热水系统。实际应用在住宅建筑的太阳能系统主要有两种形式:一种为集热器集中布置(图 2b，宁波维科水岸)。构成集热器单元安置在楼顶集中供热，最大效率地利用集热单元，并实现水、电的分户计量，便于后期的物业管理和维护。这种系统的特点是能有效克服前期入住率较低影响系统运行成本的问题。另一种是单机入户式系统(图2a，上海三湘四季花城)。直接供自家使用，避免了集中式热水系统带来分户计量收费和管理的麻烦。2)太阳能集热循环系统。为提高太阳能热水系统的热效率，充分利用太阳能节约能源，系统大多采用温差强制循环。3)防冻系统、定时补水系统和防垢系统。由于水温较高会导致水垢的产生，不仅影响系统集热效率而且可能阻塞管道，因此在管路上，大多安装高频电子处理器对水质进行处理。4)辅助热源系统。各户自行解决，住户大多采用煤气热水器二次加热补充能源形式，或采用电辅助加热。在各家辅助加热器的进水入口，设置太阳能热水管和自来水供水管，手动阀门启闭，由住户根据自身需求，选择是否使用太阳能热水，保证 24 h热水供应。5)太阳能建造费。太阳能建筑费已经摊入建筑造价中;太阳能热水系统的使用维修费，也大多在小区共用设施设备维修基金中预留，一般设备供应商 3 年内保修。2. 3 集热器的形式与建筑匹配程度屋架式是最易采集到太阳能的位置。集热器设置在平屋面上，倾角可按全年受益最大的角度安置。但无论采用真空管型，还是平板式集热器，由于目前太阳住宅建筑的系统设计与建筑设计尚未能达到很好的配合，系统大多为太阳能厂家设计，外观感觉与建筑主体无论形式还是色彩匹配性都不是很高(图 3)。通常放置于屋面时，因无遮挡，集热效果好，夏季贮热水箱水温可达80 ～90 ℃;冬季日照条件好时，基本能达到55 ～60 ℃。集热器的支架主要靠与高出屋面的混凝土墩上的预埋件焊接，进行固定。对于高层住宅，随着高度的增加，屋顶利用太阳能的空间与面积毕竟有限，因此，一些厂家开始尝试生产安放在阳台等建筑竖向界面上使用的太阳能集热器。它可作为阳台栏板嵌固在阳台上，与建筑的协调性比较好(图 4)。但由于其倾角受限，会损失些许效率，且安装与维护问题也有待进一步考察。2. 4 集热器的安全防护措施集热器设在平屋面上或嵌固在阳台上，需要有一定的防护措施，集热器损坏后部件坠落可能会伤到人。目前，厂家在安置时，虽然做了一定的防护措施，但维护还有待提高。2. 5 贮水箱和管道的布置贮水箱大多设置在阳台上(图 5a)，小高层通常会设置在厨房，高层设置在集中的管道井内比较好，如宁波维科-水岸心境就是将太阳能热水管道设置在高层建筑的集中管道间内(图 5b)。2. 6 太阳能热水系统的安装、检修和维护集热器设置在平屋面上，屋面需设置上人孔。但有时上人孔未设爬梯、屋面水泥保护层开裂的现象时有发生，说明检修工作不到位，并存在屋面防水的隐患。集热器设置在阳台上，检修时需要一定的吊装空间来更换破裂真空管。集热器无论安置在屋顶还是阳台，都需要附加构件加以连接，这些构件大多为钢结构，维护是很大的问题。室外暴露金属支架等构件，在使用一段时间后，将有锈蚀的情况发生(图6)，需要加强维护工作。3 夏热冬冷地区住宅太阳能利用技术的适用性研究3. 1 城市环境下太阳能最大利用问题1)建筑大多采用行列式布局。规划设计中，建筑间距主要由满足各地区日照标准的要求而设定(图 7)，即底层住户冬至或大寒日不得小于 1 h 的日照时间，对于屋顶设置太阳能集热器是有很大优势的。2)集热器要求的日照时长。建筑的前后布局间距主要依据国家的日照规范标准来取定。这一标准并没有考虑太阳能的接受时长问题，太阳能集热板要求满足不小于 4 h 的日照时间。对高层住宅底层住户竖向墙面接受阳光，较难满足这一要求。随着高度的增加，需要更多的集热面积，而且管道的输配长度也在增加，满足所有住户都能很好的利用到太阳能难度较大。3)交房标准是目前甲方推行高层住宅太阳能利用的一个关键问题。不同建筑层高的外界面，由于受南向建筑的遮挡，接受阳光量也不尽相同(图 7)。使得太阳能集热器虽然都安装在阳台或窗间墙等相同的部位，但由于底层住户受遮挡的影响，用户享用太阳能的资源却不同，导致交房标准不一样，使住户难以接受，这也引发了对太阳能利用程度的思考。总之，尽管很多工程在施工前，就对太阳能系统进行了考虑，但仍然缺乏在总体布局中对太阳能利用的统一考虑，致使底层或靠近遮挡物的太阳能热水器的利用效果大打折扣。3. 2 建筑立面与太阳能系统设计目前，太阳能系统技术相对较为成熟，其在建筑上的应用，关键是与建筑一体化设计的问题，即如何开发利用建筑的竖向界面，既满足住户对太阳能的利用，同时又不影响建筑的美观。因此，需要各个工种的良好配合，这也正是目前我国太阳能建筑工程较为欠缺的部分。对于高层住宅而言，达到一定高度时，一般超过 18 层，首要面临的问题，就是屋顶不易满足全部用户对太阳能的需求。这要求开发竖向墙面加以利用，所带来的问题，自然是如何协调屋顶、竖向界面利用太阳能的功能与美观的问题。3. 3 一体化构造问题现代的住宅建筑对建筑美学和其他辅助功能要求越来越高，因此，太阳热水器产品如何与建筑外界面在颜色和形式上协调，对推广太阳能应用尤为关键，这包括集热器与支架、建筑构件的连接方式、集热板间的连接，集热板的比例尺寸等等。细部处理决定一体化的视觉表现，这不仅决定太阳能系统的选择，也促使了集热板类型的多样化，同时给设计师带来更多的创作空间和设计手段。4 住宅建筑太阳能整合设计的可操作方法和途径在利用太阳能的建筑设计中，太阳能虽是取之不尽用之不竭的，但它到达地球上的辐射能流密度却较低，面临的挑战是如何最有效的利用到太阳能资源。综上所述，主要有 3 个方法和途径。