太陽能作為清潔能源,世界各國無不對其利用予以相當(dāng)?shù)闹匾?以減少對煤、石油、天然氣等不可再生能源的依賴。我國擁有豐富的太陽能資源,2/3以上地區(qū)的年太陽輻照量超過5000MJ/m2,年日照時數(shù)在2200h以上。開發(fā)和利用豐富的太陽能,既是近期急需的能源補充,又是未來能源的基礎(chǔ)。目前我國城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展迅速,建設(shè)規(guī)模不斷擴大。近幾年城鎮(zhèn)每年建成的住宅面積達到4~5億m2,農(nóng)村則已達到7~8億m2。在目前已經(jīng)超過360億m2的累計房屋建筑面積中,沒有嚴(yán)格按照建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建造的高達99.6%,建筑節(jié)能還有很大空間。在建筑物的規(guī)劃、設(shè)計、使用、維護以及改造等活動中,主動與被動的利用太陽能的建筑統(tǒng)稱為太陽能建筑。我國太陽能的利用技術(shù)特別是太陽能光熱(制備熱水)利用技術(shù)日趨成熟,太陽熱水器行業(yè)經(jīng)過20年的發(fā)展,取得了大批科技成果,并形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[1-10]。截至2006年我國太陽能熱水器集熱面積已經(jīng)達到9000萬m2,占到世界太陽能熱水器集熱面積的60%左右。根據(jù)國家發(fā)改委有關(guān)太陽能利用方案提出的中長期的發(fā)展目標(biāo),到2010年,太陽能熱水器總集熱面積達到1.5億m2,替代約2000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤;到2020年,太陽能熱水器總集熱面積將達到3億m2,替代約5000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。

        1 太陽能熱水系統(tǒng)簡介

        太陽能熱水系統(tǒng)即將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能以加熱水的裝置,通常包括太陽能集熱器、貯水箱、泵、連接管道、支架、控制系統(tǒng)和必要時配合使用的輔助能源。

        太陽能熱水系統(tǒng)分類,按供熱水范圍可分為集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)及分散供熱水系統(tǒng)。按系統(tǒng)運行方式可分為自然循環(huán)系統(tǒng)、強制循環(huán)系統(tǒng)及直流式系統(tǒng)。按生活熱水與集熱器內(nèi)傳熱工質(zhì)的關(guān)系可分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。按輔助能源設(shè)備安裝位置可分為內(nèi)置加熱系統(tǒng)和外置加熱系統(tǒng)。按輔助能源啟動方式可分為全日自動啟動系統(tǒng)、定時自動啟動系統(tǒng)及按需手動啟動系統(tǒng)。

        2 設(shè)計太陽能熱水的思路

        太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)與規(guī)劃建筑方案設(shè)計同步進行。規(guī)劃建筑積極及時介入,就能從建筑設(shè)計之初就考慮太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用,并為設(shè)備安裝提供方便,使得太陽能熱水系統(tǒng)在建筑上能得到有效的應(yīng)用。安裝太陽能熱水系統(tǒng)的建筑單體或建筑群體,主要朝向宜為南向;建筑體形和空間組合應(yīng)與太陽能熱水系統(tǒng)緊密結(jié)合,并為接收較多的太陽能創(chuàng)造條件;建筑物周圍的環(huán)境景觀與綠化種植,應(yīng)避免對投射到太陽能集熱器上的陽光造成遮擋。另外集熱器的位置、色澤及數(shù)量給排水專業(yè)也要與建筑師配合設(shè)計,在承載、控制等方面要與結(jié)構(gòu)專業(yè)、電氣專業(yè)配合設(shè)計,使太陽能熱水系統(tǒng)真正納人到建筑設(shè)計當(dāng)中來。

        

        設(shè)計太陽能熱水系統(tǒng),給排水專業(yè)是牽頭專業(yè),要做好設(shè)計,首先要理清思路,確定設(shè)計步驟。

        (1)確定一個建筑要做太陽能熱水之后,首先根據(jù)具體建筑類型選取相應(yīng)太陽能熱水系統(tǒng)。

        確定太陽能熱水系統(tǒng)集熱器選型和安裝布置。根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)在一年中運行時間,最低環(huán)境溫度,水質(zhì)條件,維護管理等多方面因素綜合考慮,選用全玻璃真空管,金屬-玻璃真空管或者平板型集熱器。

        集熱器是收集太陽能的主要部件,其安裝的位置應(yīng)避免其它建筑、樹木及建筑自身遮擋陽光。特別是對于安裝在集合建筑南向墻面上的集熱器要根據(jù)規(guī)劃中日照間距設(shè)置,確定最低的安裝高度。從建筑的角度考慮集熱器的維護使用問題,如果集熱器安裝在平屋頂、陽臺等處,維護清潔比較容易進行;如果集熱器安裝在坡屋頂和南側(cè)窗間墻等處,則要考慮今后使用中的維護問題。根據(jù)集熱器安裝位置,有具體安裝要求:①集熱器設(shè)置在平屋面上,應(yīng)符合下列要求:對朝向為正南、南偏東或南偏西不大于30°的建筑,集熱器可朝南設(shè)置,或與建筑同向設(shè)置;對朝向南偏東或南偏西大于30°的建筑,集熱器宜朝南設(shè)置或南偏東、南偏西小于30°設(shè)置;對受條件限制,集熱器不能朝南設(shè)置的建筑,集熱器可朝南偏東、南偏西或朝東、朝西設(shè)置;水平放置的集熱器可不受朝向的限制。②集熱器設(shè)置在坡屋面上,可設(shè)置在南向、南偏東、南偏西或朝東、朝西建筑坡屋面上。③太陽能集熱器設(shè)置在陽臺上,對朝南、南偏東、南偏西或朝東、朝西的陽臺,集熱器可設(shè)置在陽臺欄板上或構(gòu)成陽臺欄板。④太陽能集熱器設(shè)置在墻面上,在高緯度地區(qū),集熱器可設(shè)置在建筑的朝南、南偏東、南偏西或朝東、朝西的墻面上,或直接構(gòu)成建筑墻面;在低緯度地區(qū),集熱器可設(shè)置在建筑南偏東、南偏西或朝東、朝西墻面上,或直接構(gòu)成建筑墻面。

        集熱器傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢?如系統(tǒng)側(cè)重在夏季使用,其傾角宜為當(dāng)?shù)鼐暥葴p10°,如系統(tǒng)側(cè)重在冬季使用,其傾角宜為當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°。全玻璃真空管東西向水平放置的集熱器傾角可適當(dāng)減少。

        集熱器可通過并聯(lián)、串聯(lián)和串并聯(lián)等方式連接成集熱器陣列,對自然循環(huán)系統(tǒng),集熱器陣列中集熱器的連接宜采用并聯(lián)。平板型集熱器的每排并聯(lián)數(shù)目不宜超過16個。全玻璃真空管東西向放置的集熱器,在同一斜面上多層布置時,串聯(lián)的集熱器不宜超過3個,每個集熱器聯(lián)集箱長度不大于2m。對自然循環(huán)系統(tǒng),每個系統(tǒng)全部集熱器的數(shù)目不宜超過24個。大面積自然循環(huán)系統(tǒng),可分成若干個子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)中并聯(lián)集熱器數(shù)目不宜超過24個。

        (2)確定系統(tǒng)太陽能保證率。太陽能保證率指系統(tǒng)中由太陽能部分提供的熱量除以系統(tǒng)總負荷。根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件,按照30%~80%的范圍內(nèi)設(shè)定,取值可按表1推薦值選用。

        (3)計算集熱器面積。太陽能熱水系統(tǒng)集熱器面積的確定是一個十分重要的問題,而集熱器面積的精確計算又是一個比較復(fù)雜的問題。在歐美等發(fā)達國家,集熱器面積的精確計算一般采用專業(yè)軟件來進行,根據(jù)系統(tǒng)所選太陽能集熱器的瞬時效率方程(通過試驗測定)及安裝位置(方位角和傾角),再輸入太陽能熱水系統(tǒng),使用當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?、平均太陽輻照量、平均環(huán)境溫度、平均熱水溫度、平均熱水用量、貯水箱和管路平均熱損失率、太陽能保證率等數(shù)據(jù),按一定的計算機程序計算出來的。文獻[1]規(guī)定了集熱器總面積具體計算公式,具體可參考相關(guān)規(guī)范。方案設(shè)計階段,可以根據(jù)建筑建設(shè)地區(qū)太陽能條件按表1推薦值估算集熱器總面積。

        (4)確定加熱方式,應(yīng)根據(jù)冷水硬度、氣候條件、冷熱水供水壓力平衡要求確定系統(tǒng)采用直接還是間接加熱系統(tǒng),具體可以參考相關(guān)文獻選用。

        (5)設(shè)計儲熱水箱(罐)。首先計算儲熱水箱(罐)的容積。根據(jù)集熱系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的設(shè)計要求,按照規(guī)范公式分別計算兩個系統(tǒng)的容積,取二者的大值定為太陽能熱水的儲熱水容積;儲熱水箱(罐)材料,必須采用符合衛(wèi)生要求,內(nèi)置電加熱的水箱內(nèi)箱必須接地。儲熱水箱(罐)宜設(shè)置在室內(nèi),位置必須要保證其安全運轉(zhuǎn)便于操作檢修。

        (6)如果系統(tǒng)選用間接加熱系統(tǒng),按照規(guī)范進一步確定換熱設(shè)備面積和數(shù)量;如果系統(tǒng)選用強制循環(huán)系統(tǒng),按照規(guī)范進一步確定集熱循環(huán)泵的流量和揚程。

        (7)設(shè)計輔助加熱系統(tǒng)。太陽能熱水受到天氣等因素制約,熱水品質(zhì)不理想,所以還應(yīng)設(shè)置輔助加熱系統(tǒng),輔助熱源宜選擇城市熱網(wǎng)、熱泵、燃氣、燃油、電、農(nóng)村地區(qū)還可以考慮沼氣。輔助熱源的供熱量宜按文獻[2]規(guī)定的耗熱量計算,宜按照無太陽能熱水系統(tǒng)狀態(tài)配置。集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時,配套宜不少于2套;一套檢修時,其他各套加熱設(shè)備的總供熱能力不小于系統(tǒng)耗熱量50%。采用分散熱水供應(yīng)系統(tǒng)時,加熱設(shè)備通常為一套電或燃氣熱水器。

        (8)熱水系統(tǒng)管路設(shè)計,確定系統(tǒng)控制和計量方式。

        3 太陽能熱水器與建筑一體化

        太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合,就是把太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)品作為建筑構(gòu)件安裝,使其與建筑有機結(jié)合,不僅是外觀、形式上的結(jié)合,重要的是技術(shù)質(zhì)量的結(jié)合。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的解決太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合問題,這是太陽能熱水系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用、促進太陽能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵。

        太陽能熱水器與建筑的一體化設(shè)計首先會考慮到外觀與風(fēng)格的問題。太陽能熱水器一體化建筑不完全是簡單的形式觀念,關(guān)鍵是要改變現(xiàn)有的建筑內(nèi)在運行系統(tǒng)。具體的設(shè)計原則可以表述為吸取技術(shù)美學(xué)的手法,體現(xiàn)各類建筑的特點,強調(diào)可識別性,利用太陽能構(gòu)件為建筑增加美學(xué)趣味。如居住建筑設(shè)計,平立面、結(jié)構(gòu)和造型較規(guī)整,房間的功能性較強,建筑造價- 引自《建筑中文網(wǎng)》.