太阳能热水系统与建筑一体化设计探讨Word格式文档下载.doc
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因而虽然不少房地产开发商对此很感兴趣,但由于看不到成功的样板,不敢轻易投资。
l中国的太阳能目前主要用于生活热水,太阳能热水和采暖组合系统还很少,太阳能制冷则更少,这在一定程度上也影响了太阳热水器产业的发展。
中国太阳热水器产业面临的机遇集中表现在:
l随着中国经济的快速发展及人民生活水平的逐步提高,农村城市化的速度将不断加快,农村(包括小城镇)对太阳热水器的需求也将不断加大,这将是今后中国太阳热水器急剧增长的市场。
l在城区实行的“煤改气{油、电}”等强制性环保措施,使宾馆等商业性单位的能源费用大幅上涨,为了降低运行费用,越来越多的单位将会安装太阳热水系统,因而太阳热水工程的需求量将会急剧增加。
l绿色环保已深入人心,节能与环保已成为今后住宅建设的主题。
太阳热水器将由现在的主要由用户购买,逐步转变为主要由房地产开发商在开发房屋时跟建筑统一设计,统一采购,同步施工,这将给太阳热水器产业带来巨大的市场潜力。
主要挑战
在进一步分析中国太阳热水器产业面临的主要挑战时,特别在深入分析实现太阳热水器与建筑一体化所遇到的主要障碍时,有必要对不同的群体分别进行考察。
这些群体包括:
太阳热水器企业、房地产开发商、建筑设计单位、质量监督机构、各级政府部门等。
1.太阳热水器企业(包括生产厂家、安装公司等)
l生产厂家还没有与建筑一体化的市场压力
l太阳能产品还不能适应与建筑一体化的要求
l建筑物有其自身的特点,要能够与建筑很好地结合的太阳集热器产品必须满足建筑的要求,如摆放位置、固定、防漏、检修、更换、颜色、外形等诸多方面。
目前国内的太阳集热器产品在此方面考虑的较少,无法很好满足建筑的要求。
例如:
真空管集热器的防漏水问题、承受压力问题、可靠性问题、外形与建筑结合的美观性问题等;
平板集热器的固定问题、连接问题、摆放形式问题、热性能的提高问题,生产工艺的完善问题等。
l太阳能系统不能适应与建筑一体化的要求
与建筑结合的太阳热水系统必须可靠、稳定、寿命长,而现有的太阳热水系统采用直接加热热水,且多为敞开式常压系统,在系统的防冻、防垢、自动化运行以及与其它辅助加热设备的结合等方面都有待进一步提高和完善。
l太阳热水器企业中技术人员的专业不配套
太阳能生产企业中技术人员的专业多为机械、热能等,多年来致力于太阳热水器或太阳集热器本体的研制开发。
由于不了解房屋建筑技术,在解决太阳集热器与屋顶或房屋围护结构构造的结合问题时,就会感到有较大难度。
l太阳热水器企业中从业人员的素质较低
l太阳热水器缺乏必要的资金投入
房地产开发商
l对太阳热水器与建筑一体化的必要性认识不足
l对太阳热水器与建筑一体化缺乏了解和鉴别
l较难找到与建筑很好结合的太阳能产品和系统设计
由于目前没有相应的设计标准作规范,建筑设计单位不能提供系统技术设计,太阳能产品企业又没有过硬的、能够与建筑很好结合的太阳能产品,因而对如何在高层住宅、小高层、别墅等不同住宅,以及在坡屋顶、南阳台、立面墙等不同位置安装太阳热水系统,房地产开发商都得不到放心的产品和技术支持。
l太阳热水系统投资难以消化到经济型商品住宅的建筑成本中去
建筑设计单位(包括建筑、结构、给排水等专业)
l跟太阳热水器企业缺乏沟通
中国建筑设计单位过去基本上没有介入太阳热水系统的设计,对太阳热水系统不甚了解,而且在进行太阳热水系统设计时缺乏必要的基础设计参数,也得不到太阳热水器企业给出各自产品比较准确的技术参数,这就使建筑设计人员感到心中无数,导致对没有技术依据的太阳热水系统设计缺乏积极性。
l对太阳热水器产品质量缺乏信心
l对太阳热水器与建筑一体化设计缺乏依据
质量监督机构(包括标准、检测、认证等机构)
l还没有太阳热水器与建筑一体化的规范和标准
l权威性的太阳热水器产品质量检测中心尚未建立
l太阳热水器产品质量认证工作尚未开展
各级政府部门(包括可再生能源、住宅建设等部门)
l对太阳热水器市场宏观调控力度不够
l缺乏制定各种必要的激励政策
l对太阳热水器与建筑一体化的意识不强
一:
平屋顶
热水器直接安装在楼房或者平房的平面式的屋顶上(图1、图2),用钢丝绳或者预制配重件将热水器固定,这种安装方式在当前是最普遍的,热水器对屋顶的要求比较低,在支架下面垫上适当的平板就可以完全保护楼顶的防水层,由于平的屋顶比较宽敞,既便于安装工的安装、维修,也便于用户的日常维护。
二:
斜屋顶
这种热水器的后支腿很短,热水器直接安放在斜屋顶上(图3),热水器的重心很低,它的抗风性、可靠性非常好,皇明公司和房产开发商、建筑设计院合作,先后于2000年和2001年推出了水箱隐藏式(图4)、女儿墙式(图5)、前脊式(图6)太阳热水器,这三种都是在斜屋顶太阳热水器基础上进行改进的产品。
房产开发商和建筑设计院将太阳热水器作为建筑的一个功能性构件来考虑,设计院根据房屋结构结合产品的具体特点做出针对性房屋结构设计,如女儿墙式就是将热水器安装在加固的女儿墙上,前脊式就是在斜屋顶的前脊上根据热水器的尺寸预留出安装支撑,科学地做出相应的安装接口预留、管路布置预留或预埋,结构的优化。
这样既能降低成本,又便于热水器在建筑上的安装使用。
三:
别墅
家庭分体热水器在国外应用最广、技术最成熟的、使用最可靠。
它可以实现多管路、24小时大水量供应热水。
现在国际市场的太阳能集热器还是平板式集热器占主导地位,这种集热器虽然效率较高,可由于保温效果不好,限制了系统在寒冷的冬天的使用,皇明公司推出了干插、湿插几种集热器,这种真空管集热器是很有中国特色的,它能够保证系统在环境温度零下30℃的环境下正常工作,提供正常的热水供应,在国际市场均获得好评(图7)。
家庭分体热水器的集热器很好的和建筑结合,集热器贴合在建筑物的屋顶瓦面上(图8),不影响建筑的美观和谐,但由于其结构复杂,价格较高,在国内市场的推广还有一定的局限,主要应用于家庭别墅和复式结构的家庭住宅。
皇明公司的家庭分体热水器在借鉴国外先进经验的基础上增加了定温循环、管路保护的功能,考虑了用户长期出门时系统的安全,保证用户能更安全,更方便的使用。
四:
高楼
现在的大城市十几、二十几层的高楼越来越多,楼顶的面积已经不够所有的用户来安装热水器,而且有些地区买顶楼赠送楼层的政策也使得下面楼层的用户想要安装太阳热水器没有位置!
皇明公司针对市场特点生产了几种阳台式热水器(图9-11),热水器安装在阳台外的预留空间内,或者直接安装在南立墙上,这能够解决很多的想要安装太阳热水器却没有安装地点的用户的烦恼,这几种热水器有的是在家庭分体热水器基础上进行的改进,有的是在皇明公司其它产品上进一步优化的产物,有了各种形式的太阳热水器可为了保证用户能够更安全方便的使用,需要热水器生产厂和建筑设计院、施工单位展开全面的合作,热水器生产厂根据用户的用水情况确定热水器的尺寸、安装位置等参数,建筑设计院要根据太阳能热水器的结构预留安装位置、设计图纸,包括预埋冷、热水管路!
五:
工程
有些高级住宅区现在24小时供应热水,按照实际用量收取水费,这时候热水工程是首要的选择,热水器工程不但能体现生产厂的能力,大大的提高生产厂和销售商的形象,几十台太阳热水器整齐的安装在楼顶非常整齐、气派(图12、图13)。
这样的小区往往都会成为当地的形象工程,房地产的价格也会攀升,而现在国内很多地区越来越多的用户在购买房屋时会把新房的配套设施中是否有太阳能热水器看成一个重要的参考因素。
开始的热水工程只是几台或者几十台热水器在楼顶上采用串联、并联的形式安装,分管路给每个用户供应热水,由于楼顶面积小而用户热水用量大往往会出现热水不够用的现象。
现在皇明公司的工程主要是联集管集热器工程(图14),这种太阳热水系统实现了热水器水箱与集热器的分离,由电脑对整个系统进行控制。
由于热水器集热器的重量较轻,工程安装时不会对房子的屋顶造成破坏,而热水器的集热器是模块化结构,可以任意组装,能够做的很高,不受楼顶面积的限制而且这种热水工程可以实现远程供水,像暖气供热一样不受距离的限制。
太阳能集热器的优越性早为人们所认同,已使用多年。
但在住宅建筑中都将其视为一种设备,支或挂附在建筑物的墙面、屋面上。
其特立独行的模样影响了建筑的观瞻,以至于许多地区从整顿市容的角度出发,要求拆除群众自发安装的太阳能集热装置。
怎样解决好上述问题,即有效利用太阳能又美化建筑环境,这就成了广大业内人士十分关注的问题。
太阳能与建筑一体化是太阳能健康发展的必由之路。
国家发改委、建设部都在热情关注、支持这一事业的发展并相继在全国范围内建立了一批太阳能与建筑一体化试点工程项目,对这一事业的发展起到了协助推动的作用。
北京九阳实业公司和北京天鸿房地产开发有限责任集团公司联合承担的国家发改委、建设部太阳能与建筑一体化试点项目——北京项目,通过双方的密切配合,使项目本身达到非常好的效果,获得了国家发改委组织的外国专家组的一致好评。
下面我们介绍一下我们在工程设计和实践中的一些基本思路和做法。
一、集热产品的选择
集热器产品主要有全玻璃真空管式、热管式和U型管式、平板式几种。
全玻璃真空管式,效率高,四季均可提供生活热水,但与平板式集热器相比,存在一定的安全隐患,即有可能发生爆管的问题。
热管式效率高,系统较成熟,无安全隐患,但对水质要求较高,造价高。
U型管式,热效率较高(与全玻璃真空管式相比稍低),无安全隐患,但系统不够成熟,造价较高。
平板集热器整体性好,寿命长,故障少,安全隐患、成本造价低,由于采用排空防冻技术,从而很好的解决了平板集热器系统冬季不能使用的缺憾。
同时平板集热器还具有以下优点:
1.平板集热器无真空度要求,热性能稳定,整体性好,使用寿命长。
2.平板集热器系统中,水或工质在金属流道内流动,不接触玻璃盖板,不会出现因骤冷、骤热引起暴管导致系统瘫痪。
3.平板集热器可以实现紧凑式或无间隙安装,在生产热水的同时,还具有保温、隔热、遮光,防水的传统屋面功能,这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础。
4.集热器形状结构可灵活设计,尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。
5.平板集热器承压性能好,可使系统运行稳定。
综上所述,平板式太阳能集热器,在工程中应用时,通过对产品的进一步改进,其整体性、故障、寿命、投资等方面具有更大的优势。
二、防水处理
根据太阳能平板集热器坡度要求,我们将其与坡屋面结合设计,嵌入南坡屋面并和瓦面相平,各种管线均为暗装(表面设可拆开挡板)与瓦屋面浑然一体。
这种设计方案决定屋面防水成为技术关键。
既要保证安装又要排水顺畅不漏雨。
为此我们在屋面土建设计方面选择了盆槽式汛水方式解决。
汛水表面敷设“自粘防水卷材”(自愈合)满足了瓦面交搭和设备安装点的防水要求。
同时北京大气环境可吸入颗粒物较多,因此要经常对热板进行清洁维护。
为方便人员在坡屋面上擦洗操作,设计中在屋脊处埋设钢管把杆(接入防雷系统)。
在其上可钩挂软梯和人员安全带。
太阳能集热板安装角度要求一般与北京纬度相同(40o)形成阁楼空间,本设计中加以利用,为顶层户型扩充了使用空间。
本工程中使用的太阳能集热板有光滑平整的表面。
将其嵌入斜屋面后,为人们司空见惯的形式增加了靓点,丰富了天际线。
三、集热器安装设计方案
在集热板与四周瓦的结合,及集热板之间的防水设计方面,我们采用了100%的结构防水设计方案。
从而很好的解决了屋面防水的可靠性。
四、热水系统设计
1.按系统形式划分可分为:
(1)分户式系统;
(2)集中式系统。
分户式系统是最常见的系统形式,各家各户自成独立的系统,没有各户之间的流量分配问题,以及复杂的控制问题,安全隐患也比较好解决。
但未考虑到各户之间使用的不平衡,不能够充分利用太阳能集热设施、对于整个小区来说系统规模庞大,利用率也较低,从而造价相对较高。
集中式系统,目前国内采用的工程较少,而且主要集中在宾馆、饭店等公共建筑,对于小区住宅尚无此范例。
借鉴国内其他集中式太阳能系统实践经验,经计算论证,住宅小区集中利用太阳能解决生活热水问题是可行的。
集中式系统,相对于分户式系统,有显著节约初投资、运行维护方便,使太阳能集热系统可以得到充分利用等优势。
随着经济建设和人民生活水平的提高,城市花园住宅已经成为潮流,同时能源危机和环境的恶化也在不断加剧,为此,既清洁又取之不尽的太阳能产品的开发和利用亟需普及,让太阳能产品助推城市花园化住宅实现既环保又节能,让未来住宅都太阳能化。
随着国内太阳热水器行业的发展,消费者对生活热水的要求,越来越高,而且对建筑的美观越来越重视,原有的闷晒式、紧凑式已不能满足人们的需求。
太阳能作为一种无处不在、取之不尽、用之不竭的,洁净无污染的能源正日益受到重视,它的广泛应用对于节约不可再生的矿物能源,保护环境,改善人类生存空间,实现经济社会的可持续性发展具有重要的意义。
目前,我们可以看到屋顶各种形式的太阳热水器,它就象冰箱、彩电一样已逐渐成为人们生活的基本消费品,然而,目前的太阳能热水器只考虑自身的结构和功能,没有考虑到建太阳能热水器几乎无一例外的破坏了建筑的整体形象。
事实上,太阳能集热器本身具有防水隔热的作用,这与建筑物屋顶的作用具有相似之处,即可以利用太阳能集热设施部分或全部代替屋顶覆盖层的作用,从而可节约投资。
因此,若能把建筑物与太阳能设施放到一起考虑,实现相互间的有机结合,便可节约投资,保持建筑物的整体美观性不受破坏,又可最大限度的利用设施与建筑的一体化问题,一般简称作“太阳能与建筑一体化”。
一、太阳能与建筑一体化技术现状
一直以来,太阳能等可再生能源在建筑技术上的完美应用都是企业梦寐以来的追求,太阳能与建筑结合创造的低能耗高舒适度的健康居住环境,不仅让住户家庭生活得更自然更环保,而且能节能能减污,对实现社会可持续发展具有重大意义。
在人类面临生存环境破坏日益严重和能源危机的今天,如何开发利用环保节能的住宅配套部品就成了一个焦点话题。
太阳能——作为一种免费、清洁的能源,在住宅建筑中的利用,将关系到可持续发展的战略,可谓意义深远。
经过数年的研究和开发,太阳能的利用已取得显著成果并转化为生产力。
在我国,太阳能热水器在全行业中现已拥有企业超过千家,推广应用范围也在不断扩大。
而太阳能与建筑的结合,也在住宅建设中越发呈现出其不可替代的地位,并成为住宅建设中的一个最新亮点。
早在1999年召开的世界太阳能大会上就有专家认为,当代世界太阳能科技发展有两大基本趋势,一是光电与光热结合;
二是太阳能与建筑的结合。
太阳能源建筑系统是绿色能源和新建筑理念的两大革命的交汇点,专家们公认,太阳能是未来人类最适合,最安全,最理想的替代能源。
目前太阳能利用转化率约为10%—12%,太阳能的开发利用潜力十分巨大,据报载,目前,世界各国都在设施自己的“阳光计划”,如去年德国政府就宣布推行“十万屋顶”计划,即在建筑顶部大规模地铺设太阳能发电装置,既节省电力又利于环保。
在欧洲的能源消费中,约有1/2用于建筑的建设和运行,而交通运输耗能只占能源消费的1/4,因此建筑物利用太阳能成为各发达国家政府极力倡导的事业,太阳能利用设施与建筑的结合自然是人们所关注的问题,主要是太阳能的光伏利用与建筑的结合上。
太阳能与建筑一体化有他独特的特点:
一是把太阳能的利用纳入环境的总体设计,把建筑、技术和美学融为一体,太阳能设施成为建筑的一部分,相互间有机结合,取代了传统太阳能的结构所造成影响;
二是利用太阳能设施完全取代或部分取代屋顶覆盖层,可减少成本,提高效益,三是可用于平屋顶和斜屋顶,一般对平屋顶而言用覆盖式,对斜屋顶用镶嵌式,四是该技术属于一项综合性技术,涉及太阳能利用,建筑,流体分布等多种技术领域。
另外,在云南昆明还建成了一个平屋顶结构的太阳能与建筑一体化温水游泳馆,该游泳馆屋顶面积约700平方米,屋顶结构为轻钢网架结构,屋顶覆盖层完全由特别的太阳能平板集热器代替。
这是我国第一个在平屋顶上实现太阳能与建筑一体化的实验性工程。
联合国能源机构最近的调查报告显示,太阳能与建筑一体化将成为21世纪的市场热点,成为21世纪建筑节能市场的亮点。
二、太阳能与建筑一体化的发展方向
目前,建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。
在我国,它要占到建筑物总能耗的约70%。
用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量,带来的外界的环境污染,而且并不能给室内人员带来健康的环境。
在太阳能用于采暖方面,除造价较高的被动式太阳房有一些示范建筑外,还没有大规模的采用。
主动式太阳能供能由于成本更高,与我国的经济发展也是远不相适应。
因此,建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合单位思想,按照房间的功能,采用不同方案的配合及交叉,这样可以大大降低太阳能用于建筑功能的一次投资和运行成本,使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。
太阳能供能设备的非定常性,对气象条件和辐照条件的依赖性等特点,要求我们必须对建筑用能负荷进行准确的预测,才能够在设备与建筑的匹配上做出设备投资和节能效益最佳的选择。
建筑室内温度及气流的预测方法和预测软件CFD/NHT是太阳能与建筑的结合的理论和应用基础,也是世界目前建筑空气调节的又一大方面,但是我国目前在该方面的水平和从事人数还远落后于世界先进国家。
在当代,太阳能与建筑的发展必须有一定的策略与之相适应,一是成熟的被动太阳能技术与现代的太阳能光伏光热技术的综合利用;
二是保温隔热的维护结构技术与自然通风采光遮阳技术的有机结合;
三是传统建筑构造与现代技术和理念的融合;
四是建筑的初投资与生命周期内投资的平衡;
五是生态驱动设计理念向常规建筑设计的渗透;
六是综合考虑区域气候特征、经济发达程度、建筑特征和人们的生活习惯等相关因素。
综合考虑社会进步,技术发展和经济能力等因素,在建筑物的策划、建筑设计、使用、维护以及改造等活动中,主动与被动的利用太阳能的建筑统称为太阳能建筑。
我国太阳能建筑领域中技术最成熟,应用范围最广,产业化发展最快的是家用太阳能热水器。
在云南昆明,陆良等地,在一些别墅式建筑的屋面,尝试把平板太阳能集热器镶嵌在具有瓦屋面的斜屋顶上,热水箱则隐蔽在斜屋顶的阁楼中,使太阳能热水器与建筑有机结合,外观形象是比较漂亮的,只是适合此类结构的建筑较少,推广应用受到局限。
多功能休闲亭集太阳能热水器,光电板和纳凉休闲功能于一体,流线型设计既美观又减少亭子结构的风力和承重荷载,优美的造型为屋顶,建筑物和周围环境增添了一道亮丽的风景,打造出一座别致美丽的楼顶花园,成为融合建筑美学,园林设计和人本文化内涵的典范之作,而且结构简单灵活,安装方便的特点,使之能够自然地与庭院,泳池,花园等场所融为一体。
三、太阳能与建筑一体化存在的问题和解决问题的思路
太阳能与建筑一体化问题是多科学,多层面参与和合作的综合性事业,需要国家政策法规部门、建筑主管部门、太阳能厂商、房地产开发商、建筑设计单位的共同努力,太阳能热水器的推广应用离不开建筑师的参与,建筑师作为建筑的设计者,应根据不同的热水器类型,技术要求,使用目的以及不同地理纬度和气候特点,建筑类型等,对建筑的造型,平面布局和功能等进行综合考虑,另一方面太阳能热利用设备的设计和生产厂家反过来也应从建筑师那里获得建筑对其设备要求的反馈信息,只有这样才能使设备的设计和生产与建筑的使用达到完美的统一,推动太阳能在建筑上的运用,太阳能厂商一定要在技术上解决与建筑一体化的难题,要使太阳能系统成为建筑的一个构件,同时产品要标准化、系列化、配套化,这是推行太阳能与建筑一体化的根本问题。
对于安置在屋顶的建筑一体化太阳能热水器,其基本特征是集热器沿屋面布置,集热器作为屋顶覆盖层的一部分或全部。
如此结构与传统技术比较,存在的主要问题是“系统的循环问题”、“集热器的形成和结构问题”等。
一是对于斜屋顶而言,集热器可以沿屋面倾斜布置,循环问题与传统技术上没有差别;
二是对于平屋顶,集热器几乎呈水平布置,基本循环方式虽然仍为自然循环和强制循环两种,但对技术要求有很大的差别。
目前,国内外太阳能与建筑完美结合的形势并不乐观,太阳能的普及率仅为7.6%,尽管国家经贸委已规划未来15年内我国太阳能热水器普及率达到25%,但是面临的困难很多,需要国家的大力支持和社会各界的努力。
太阳能热水器虽有诸多优点,但是与建筑完美结合进程缓慢,太阳能热水器还没有有机地大规模溶入建筑设计与施工中,市场刺激和国家立法都有待加强,太阳能热水器整体水平有待提高,以便适应与建筑结合的要求,如果太阳能热水器产品标准不统一,给建筑应用带来困难。
现代城市的核心是能源系统、营养系统、文化系统组成的,绿色生态人居——太阳能与建筑结合设计要求将这三者和谐统一。
太阳能与建筑设计理论强调设计形态的动态与变化,而不是僵死
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