在當(dāng)今世界能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的形勢(shì)下，太陽(yáng)能作為可利用的再生能源，正日益受到人們的重視。我國(guó)太陽(yáng)能建筑領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的是家用太陽(yáng)能熱水器。但是，如何使建筑與太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，人們還關(guān)注不多。建筑與太陽(yáng)能結(jié)合既消除了二次安裝太陽(yáng)能對(duì)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(fù)投資，降低成本，這是未來(lái)的發(fā)展方向。
2太陽(yáng)能與建筑結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀
目前建筑上使用太陽(yáng)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(huì)帶來(lái)一些隱性的風(fēng)險(xiǎn)，如容易跌落、安裝維修困難、給建筑物造成破壞等。同時(shí)，熱水器本身也有很多亟待解決的問(wèn)題，如平板式太陽(yáng)能與集熱管式太陽(yáng)能相比，雖然有很多優(yōu)勢(shì)，集熱效率高、較適合與建筑結(jié)合，但其制作工藝復(fù)雜、成本較高、集熱效率受氣候影響大。此外，平板式集熱器對(duì)安裝方向和角度有較高的要求，儲(chǔ)熱水箱占據(jù)了建筑空間，強(qiáng)制循環(huán)的動(dòng)力耗能多，加大了生產(chǎn)和管理成本。而真空管太陽(yáng)能熱水器成本低，技術(shù)和市場(chǎng)成熟，贏得了廣大消費(fèi)者的青睞。但因其構(gòu)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(lái)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(yáng)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(yáng)能的抗凍性能雖然好于平板集熱器，但是超過(guò)零下7度仍可能凍結(jié)。太陽(yáng)能與建筑結(jié)合需要有機(jī)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑結(jié)合，我個(gè)人認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)、有效的方法是以傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和熱水需求正確選擇集熱器的結(jié)構(gòu)形式，使熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置更加科學(xué)合理、功能更加完善、可靠，滿足人們?cè)诟鞣N條件下的使用要求，從而提高太陽(yáng)能的利用率。
3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)上述目的，筆者對(duì)當(dāng)前各種建筑應(yīng)用的太陽(yáng)能集熱器形式進(jìn)行了研究，綜合能耗、技術(shù)成熟度、制造成本、安全穩(wěn)定性、運(yùn)行成本和與建筑配合等因素進(jìn)行分析比對(duì)，提出本方案。方案針對(duì)當(dāng)前建筑應(yīng)用太陽(yáng)能熱水器存在的種種問(wèn)題和不足，以提高太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)換效率和太陽(yáng)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(biāo)，本著簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和安全可靠的原則解決好熱水工程的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)與各用戶用水的關(guān)系，結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和太陽(yáng)能熱水的使用規(guī)律，探索了熱水系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將真空管集熱器和列管式換熱器進(jìn)行整合，利用真空集熱管集熱，利用列管式換熱器換熱、儲(chǔ)熱，將系統(tǒng)加熱和輔助加熱分開(kāi)，太陽(yáng)能承擔(dān)系統(tǒng)加熱，用戶用水終端進(jìn)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(yīng)于集中供熱水和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、管理的需要，實(shí)現(xiàn)個(gè)體太陽(yáng)能熱水器向集中供熱水方式的轉(zhuǎn)換。按照上述思路構(gòu)成的熱水系統(tǒng)可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)置，有效解決建筑結(jié)合太陽(yáng)能熱水工程的諸多難題。本方案根據(jù)結(jié)合的需要對(duì)反光板、供水管道、恒溫箱等系統(tǒng)設(shè)置和構(gòu)件也進(jìn)行了相應(yīng)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(chǔ)熱，集集熱、換熱、儲(chǔ)熱于一體，選用較大熱水箱一箱多供，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(gè)以太陽(yáng)能熱水設(shè)施與建筑結(jié)合設(shè)計(jì)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(dú)立為特點(diǎn)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)集儲(chǔ)熱裝置、保溫管道、用戶用水終端組成。
一、系統(tǒng)集儲(chǔ)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(zhì)液，介質(zhì)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(chǔ)熱裝置的主要作用是集熱、換熱、儲(chǔ)熱，工作原理是當(dāng)真空集熱管吸收太陽(yáng)光熱后集熱管內(nèi)的傳熱介質(zhì)被加熱升溫，傳熱介質(zhì)溫度升高，自動(dòng)由集熱管上升到水箱上部，自上而下對(duì)均布在熱水箱換熱管內(nèi)的水進(jìn)行加熱，換熱管置換出來(lái)的冷介質(zhì)在密度差作用下，下沉到水箱底部，然后返回到集熱管進(jìn)行加熱，形成溫差循環(huán)，持續(xù)不斷地對(duì)換熱管內(nèi)的水進(jìn)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?cè)谑褂脮r(shí)打開(kāi)閥門，自來(lái)水在壓力作用下，由供水管道進(jìn)入系統(tǒng)熱水箱底部的進(jìn)水管口，沿?fù)Q熱管道流動(dòng)，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(jìn)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?cè)O(shè)定的溫度調(diào)控范圍，隨時(shí)啟動(dòng)輔助加熱器進(jìn)行加熱，同時(shí)溫控閥根據(jù)人們的需要隨時(shí)調(diào)整冷水供應(yīng)量，以保證用水溫度的穩(wěn)定和適宜。
本供熱水方案的技術(shù)關(guān)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(jìn)行換熱和儲(chǔ)熱，集集熱、換熱、儲(chǔ)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(diǎn)是：
1、安全可靠1）集、儲(chǔ)熱裝置由真空集熱管和防凍介質(zhì)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(shí)循環(huán)的辦法，利用熱水箱的余熱或通過(guò)恒溫箱加熱的水來(lái)確保供水管不被凍結(jié)，比其它防凍方法更安全、更可靠、更經(jīng)濟(jì)。2）水在承壓管道中運(yùn)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(wú)脫管、裂管、硅膠密封圈損壞之隱患。3）換熱箱內(nèi)使用介質(zhì)液和不銹鋼波紋管換熱無(wú)結(jié)垢之憂。4）因采用換熱式加熱，即使白天使用，介質(zhì)液緩慢降溫，無(wú)注水驟冷炸管之顧慮。5）因采用壓力供水，水箱無(wú)缺水之憂，用戶遇到自來(lái)水壓力突然降低時(shí)，啟動(dòng)增壓泵仍可照常使用。6）系統(tǒng)設(shè)置簡(jiǎn)單，無(wú)任何控制電器和機(jī)械裝置，消除了因傳感器結(jié)垢導(dǎo)致的傳感失靈、操作失控和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)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(yáng)能熱水夠用，就無(wú)需啟動(dòng)電加熱器進(jìn)行加熱。2）需輔助加熱時(shí)，采用分戶即時(shí)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(wú)保留的置換出來(lái)使用。4）集熱、換熱、儲(chǔ)熱集于一體，有利于儲(chǔ)熱保溫，無(wú)管道循環(huán)熱損，降低了加熱的耗能。5）太陽(yáng)能系統(tǒng)加熱自然循環(huán)，無(wú)機(jī)運(yùn)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(yùn)行，無(wú)污染。
4、管理1）集中供熱水系統(tǒng)除注液泵和控制開(kāi)關(guān)外，再無(wú)任何系統(tǒng)控制電器和機(jī)械裝置，降低了運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和后期管理費(fèi)用。2）用戶用水各自獨(dú)立，無(wú)需二次計(jì)量，管理簡(jiǎn)單。
5、使用1）采用頂水式供水，承壓運(yùn)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(dòng)增壓泵循環(huán)加熱，無(wú)管道排空和水箱底部冷水排放之麻煩，即開(kāi)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(fèi)。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(yáng)能與建筑結(jié)合的關(guān)鍵在于集熱位置合理、外觀風(fēng)格一致和技術(shù)結(jié)構(gòu)互融。我國(guó)以坡屋面樓房居多，筆者根據(jù)太陽(yáng)能與建筑結(jié)合配合的需要，對(duì)坡屋面樓房建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和集熱器與坡屋面樓房的配合形式進(jìn)行了探索。認(rèn)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(yáng)能熱水設(shè)施與建筑配合的最佳選擇。太陽(yáng)能熱水設(shè)施與建筑同步設(shè)計(jì)，工程化施工，屋面底板在設(shè)計(jì)和澆筑施工時(shí)預(yù)留系統(tǒng)熱水箱底座平臺(tái)(參見(jiàn)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(chǔ)熱器與屋面建筑結(jié)構(gòu)有機(jī)配合，互為依托和利用，實(shí)現(xiàn)與建筑在技術(shù)和風(fēng)格上的結(jié)合。根據(jù)向陽(yáng)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?qū)挾龋鶕?jù)集儲(chǔ)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(yù)留孔進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)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(jìn)熱水箱前端的集熱管口，組合保溫管道由管道預(yù)留孔進(jìn)入各戶連接用水裝置。
1、把太陽(yáng)能的利用納入建筑的總體設(shè)計(jì)，在建筑技術(shù)和風(fēng)格上融為一體，太陽(yáng)能設(shè)施成為建筑的要素，集熱器沿屋面平行布置，屋面整齊、錯(cuò)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(chǔ)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(wú)需在墻體和陽(yáng)臺(tái)等處安裝其它形式的太陽(yáng)能，不受樓層樓距的限制。
3、有利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。工程一體化設(shè)計(jì)、施工，杜絕了二次施工對(duì)建筑造成的破壞和影響。
4、換儲(chǔ)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(fēng)，屋面又可為太陽(yáng)能集熱器提供依托。
5、有機(jī)結(jié)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(bǔ)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(jiàn)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(fù)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(duì)樓房外觀形象的影響，又能遮風(fēng)擋雨、防寒、防輻射。
6、安裝，因熱水設(shè)施與建筑同步設(shè)計(jì)，配套制作，構(gòu)件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，可提高熱水工程安裝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和施工效率。
下面通過(guò)計(jì)算進(jìn)行可行性分析：
1.屋面可利用空間面積的計(jì)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(jìn)行計(jì)算和分析：樓房屋面橫向?qū)挾葢艟话悴坏陀?.45m/戶（樓房坡屋面橫向總寬度與總戶數(shù)之比），樓房的縱向?qū)挾纫话悴坏陀?0m，若按寬度10m計(jì)算，屋尖夾角按照120°計(jì)算，屋面坡長(zhǎng)約5.8m，熱水箱安裝占用屋面的坡長(zhǎng)為1m，集熱管選用長(zhǎng)度為1.8m，以此計(jì)算屋面坡長(zhǎng)安裝真空集熱器的太陽(yáng)能應(yīng)用數(shù)量為（1m+1.74m）×2<5.8m;由此可見(jiàn)在屋面上安裝雙排真空集熱器是可行的。
2.集熱面積的計(jì)算和分析：
在確定了雙排集熱器的布局后，那集熱面積的計(jì)算就顯而易見(jiàn)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(shí)際占用面積計(jì)算)。
以北京為例，太陽(yáng)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(jì)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(jì)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?qū)挾?.45m×2=0.9m以此計(jì)算戶水箱儲(chǔ)水容量為：0.108m2×0.9m=0.097m3每平方集熱面積對(duì)應(yīng)熱水箱容量之比為：0.097m3/1.57m2=0.062m3/m2每平方集熱面積對(duì)應(yīng)熱水箱儲(chǔ)水容量為62L/m2是可行的。
4.戶集熱管容量的計(jì)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(jì)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(jì)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?cè)萘恐龋?.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(jì)算：
換熱管的換熱面積與換熱管的直徑和長(zhǎng)度有關(guān)，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(jì)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(yáng)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(chǔ)熱，故換熱管影響熱效率的因素可忽略不計(jì)。
8.戶換熱管儲(chǔ)水容量的計(jì)算分析：
換熱管的容積與波紋換熱管的節(jié)徑和長(zhǎng)度有關(guān)，與7同例進(jìn)行計(jì)算，換熱管峰徑以0.06m計(jì)算，內(nèi)節(jié)徑按峰谷平均數(shù)0.054m計(jì)算戶換熱管儲(chǔ)存容量為0.027２m×3.14×0.9m×18=0.037m3戶換熱管儲(chǔ)存的熱水可滿足一個(gè)人的洗浴用水。
9.戶換熱管儲(chǔ)存容量與換熱面積之比：0.037m３/3.1m２=0.012m３/m２一個(gè)人的洗浴時(shí)間一般為15~20分鐘，在這段時(shí)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(zhì)液與換熱管儲(chǔ)水容量之比：（0.128m3—0.037m3）/0.037m3=0.091m3/0.037m3=2.46戶換熱介質(zhì)液是換熱管儲(chǔ)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(jié)構(gòu)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(zhì)液與戶儲(chǔ)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(zhì)液容量是單戶換熱管儲(chǔ)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(wú)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(shí)間上的差異，為部分用戶使用超出計(jì)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(wú)效空間（水箱封頭保溫層、管道安裝預(yù)留空間）每戶可增加集熱面積0.3m2，這一點(diǎn)對(duì)小戶型的樓房尤為重要。在制造成本上可節(jié)約四個(gè)水箱封頭和36個(gè)管道彎頭的連接費(fèi)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(jié)論
通過(guò)以上計(jì)算和數(shù)據(jù)分析證明，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，熱能轉(zhuǎn)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(yùn)行成本和管理費(fèi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。太陽(yáng)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(jī)配合實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。但是，太陽(yáng)能與建筑結(jié)合需要多學(xué)科、多層面參與和合作，需要太陽(yáng)能廠商、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商、建筑設(shè)計(jì)單位的協(xié)調(diào)行動(dòng)。愿我們共同努力，一起把這項(xiàng)工作做好。
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