刘闽敏 金晓东

1 中国住宅建筑目前使用太阳能技术的现状

节约能源,充分利用太阳能已经得到大家的公认,在建筑中却没有法律法规的规定和大多数设计人员的认可。现在建筑中的太阳能技术使用情况是设计者和使用者的脱节。一方面设计人员在设计时并没有考虑到太阳能设备的安装与使用,另一方面居民却有安装太阳能设备的需求。在这种情况下导致了一系列问题的产生：首先,在屋顶安装众多不同大小、颜色的太阳能热水器,会破坏小区的环境、城市的景观;其次,由于是住户独立安装,设计时又未考虑安装位置,极易造成热水器跌落伤人和屋顶破碎,严重的还要导致渗漏;再则,多层式或小高层、高层的住宅楼,也没有一个可供安装的地方或是安装空间不够全部住户使用。

最后委员提出的解决方案是建议采用太阳能热水器与建筑一体化的设计。

2 一体化设计的概念和优点

2.1 “建筑与太阳能技术一体化设计”的概念

“一体化设计”是指在建筑规划设计之初,就将太阳能利用纳入设计内容,统一设计、施工、调试、验收后交由用户使用。一体化设计是一种为了实现共同利益,综合了多方面的考虑以及一些看似与设计无关的因素的设计过程,其目标是以比所有组成元素总和更低的成本,取得更好的性能和多方面的利益。这个过程涉及到把太阳能利用的策略融入到传统设计准则中,如建筑形式、功能和成本等等。成功的一体化设计的关键是太阳能行业和建筑行业的共同参与。现在考虑的建筑与太阳能技术一体化主要是太阳能热水系统(热水器)与建筑一体化、太阳能光伏技术与建筑一体化及其他一些节能构件与建筑一体化。

2.2 一体化设计的优点

1)由于经过综合考虑,建筑构件和设备全面协同,所以构造更为合理,有利于保证整体质量;

2)综合使用材料,从而降低了总造价,并减轻了建筑荷载;

3)建筑的使用功能与太阳能的利用有机地结合在一起,形成多功能的建筑构件,巧妙高效地利用了空间;

4)同步施工、一次安装到位,避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑已有结构的损害;

5)如果采用集中使用安装,还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率;

6)经过一体化设计和统一安装的太阳能利用装置,在外观上可达到和谐的统一,特别是在集合住宅这类多用户使用的建筑中,改变了个体使用者各自为政的局面,易于形成良好的建筑视觉形象。

3 太阳能技术与建筑一体化设计的途径与存在的问题

3.1 与屋面的一体化设计

屋面是太阳能设备一体化设计的最佳位置：日照好,不受朝向影响,不易受到遮挡;不影响住宅立面;系统可以紧贴屋顶结构安装,减小风力的不利影响;集热气可替代保温隔热层遮蔽屋面,并且较好的解决了安全问题。

目前太阳能构件在屋顶上的安装方式可分两种类型：

1)太阳能构件与建筑屋顶系统相对分离。

这种方式太阳能设备一般作为后加设备构件,不承担屋顶系统在保温、隔热、防水、结构等方面的功用,系统只有发电、造型方面的要求,目前此种方式应用较广。

2)太阳能构件与建筑屋顶系统结合为一体。

这种系统较复杂,但系统综合效率较高,是由太阳能瓦板、空气间隔层、屋顶保温层、结构层构成的复合屋顶。太阳能光电瓦板是太阳能光电池与屋面瓦板结合形成的一体化产品,它由安全玻璃或不锈钢薄板作基层,并用有机聚合物将太阳能电池包起来。这种瓦板既能防水,又能抵御撞击,且有多种规格。此种系统既可得到电能又可得到热能,为防止屋顶过热,在光电板下留有空气隔层,并设有热回收装置。

3.2 与墙的一体化设计

对于多、高层建筑来说,外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。现在太阳能与墙体一体化的方法主要有集热蓄热墙、透明绝热材料以及附加于墙面的集热器,甚至于太阳能光电幕墙系统。

目前太阳能构件在墙体上的安装方式可分两种类型：

1)墙体系统(围护或结构)与太阳能构件相对分离。这种方式系统作为后加设备构件,不承担墙体系统在保温、隔热、围护、结构等方面的功用,系统只有发电、美观方面的作用,太阳能构件是独立的,没有和墙体材料复合。目前此种方式应用较广。

2)墙体系统(主要指其围护作用)与太阳能构件相结合(太阳能电力墙)。电力墙是太阳能光电池与建筑材料相结合构成一种可用来发电的外墙贴面,既具有装饰作用,又可为建筑物提供电力能源。

3.3 与阳台的一体化设计

安装在阳台上的集热设备具有便于察看,连接管道短,土建工程量少等优点。如果集热器与阳台结合合理,还能丰富立面的构图。

3.4 与遮阳装置的一体化设计

将太阳能构件与遮阳构件的功能相结合,可以形成多功能的构件,实现建筑与太阳能技术一体化。

3.5 与小区景观的一体化设计(在地面集中布置)

此种方式如能多套系统并联,通过控制中心统一调配,将会得到较大量、稳定的热水供应,尤其适合住宅小区使用,但需要占用一定的土地面积,如和小区景观结合一体化设计,则会达到“事半功倍”的效果。

3.6 存在的问题

1)住宅中,安装在屋顶上的集热器存在着一些缺陷：对于下部楼层的用户,由于连接管道较长,热损失大,住户上屋顶检查或维护较为困难,带来住宅底层太阳能用户使用的问题,并且各家各户暴露在外的管道杂乱无章,破坏了建筑原有形象。

2)高层住宅安装太阳能设备还存在一些困难。首先,高层住宅住户多,需要的集热板面积大,屋顶面积远远不能满足要求;其次,高层住宅的各层采光差距较大,如果采取墙、阳台、遮阳等一体化方式,各户对于太阳能的利用还是会有很大差距。

3)安装在墙面、阳台等位置的太阳能装置如果不能和建筑很好的结合,容易落下伤人。

4 解决措施

首先,要根据不同建筑的情况选择不同的太阳能热水系统供水方式,供水方式有分户式、单元式、整栋式、区域式等几种。供水范围越小,需要的管理维护越少,但相应的会提高造价。对于高层住宅来说,底层用户太阳辐射低,且供热管线长,因此是分层供热还是集中供热,是集体供热还是分户供热,需要根据实际情况采取不同措施。其次,关于高层住宅屋顶受太阳能辐射面积不够的情况,需要利用外墙、阳台及遮阳装置等,需要对太阳能装置进行设计,使其构件化、标准化,与其他建筑构件能较好的结合在一起。在设计之初就考虑好太阳能装置的安装。

5 展望

太阳能系统与住宅建筑的一体化设计是多学科、多方面参与合作的综合性事业,需要太阳能技术专家、建筑师、建筑材料等相关专业人士以及房地产开发商共同参与、共同努力、共同创造,而并不仅仅靠建筑师在设计时的考虑。太阳热水系统生产厂家也对太阳能建筑进行了很多积极而有意义的探索,很多经验和实例值得我们建筑师借鉴和学习。希望通过相关人士的通力合作,能够实现太阳能技术从形态和功能上都与建筑完美的结合。

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