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太陽能熱利用與建筑一體化

文章出處:人氣:3124發表時間:2016-11-24

在全球能源危機的巨大壓力下,太陽能作為一種取之不盡的環保型能源成為當前國際能源開發利用的新熱點。太陽能熱利用技術相對成熟,應用很好,因此產業化進程獲得了更為迅猛的發展。目前全國有近兩千個太陽能熱水器生產企業和為數不少的配套生產企業。在太陽能熱水利用高速膨脹的同時,我們清醒地認識到隨著我國城鎮化建設對建筑環境的要求的提高,傳統的太陽能熱利用正逐步失去市場。為實現太陽熱利用產業持續發展,我國在太陽能熱水與建筑相結合設計方面進行了深入的探索并取得一定的應用成果。本文結合太陽能熱水與建筑相結合的一些實例,分析了太陽能熱水系統與建筑結合的技術特點,總結太陽能熱水與建筑相結合設計的經驗和存在的問題,提出太陽能熱水系統與建筑相結合設計中應逐步考慮綜合利用包括太陽能熱水、太陽能熱風、太陽能強化熱對流在內的熱利用技術應用,綜合提高
建筑節能和美學水準等設計觀點。

    1 太陽能熱水、熱空氣系統與建筑結合的技術經濟特點

    太陽能熱水、熱空氣系統與建筑結合使太陽能熱利用系統本身與建筑結構之間可以在一定程度上相互依托,互為構建,從而達到了節約建材使用、降低建筑建設和熱利用系統建造成本的目的,同時太陽能熱利用系統在建筑的成功應用可以完善建筑功能,提升建筑的現代氣息,成為建筑增值的一項重要內容。

    目前太陽能熱空氣系統應用于高層建筑還較少,其市場價格尚未形成,很難根據其市場價格對其進行技術經濟評價,但值得注意的是隨著真空管型空氣集熱系統性能的不斷優化其應用到建筑后將可以為建筑物在夏季提供室內強化通風的動力,冬季為建筑提供經過加熱的新風,可以在較大程度上提高建筑內的空氣環境,同時有效節約能源。結合熱水系統的生產成本對太陽能熱空氣系統預估的技術經濟性能結果顯示,其回收期在3~5年,經濟性能比太陽能熱水系統略高。

     2 建筑太陽熱利用現狀

    2.1 太陽能熱水系統利用現狀

    目前在建筑安裝使用的太陽能熱利用產品主要以太陽能熱水器為主。平板太陽能熱水集熱器應用量較大,真空管太陽能熱水器的使用依然保持上升的趨勢,在部分區域數量上要超過平板太陽能熱水集熱器。此外太陽能熱水系統在農村、小城鎮建筑的廣泛應用也是太陽能熱水使用的一個新特點。由于太陽能熱水系統在節約建設材料,降低成本,提高集熱效率方面的顯著優勢,所以得到越來越多的用戶的信賴,成為太陽能熱水產業一個新的增長點。在熱水器企業利潤不斷增長的同時,我們注意到,住宅上方各種類型的太陽集熱器、水箱嚴重影響了建筑物設計的美學特征。太陽能熱利用系統在建筑上的后續安裝,雖然在太陽能熱水器安裝上力求排列整齊,但對建筑而言仍然破壞了原有建筑的整體形象。因此如果沒有與建筑結合的一體化設計,太陽能熱利用裝置在新老建筑上的安裝因其設置的位置及管線布置難以與建筑原有空間布局相協調,破壞了建筑的整體美。與我國城鎮和新農村建設的“村更美,城更新”的設計理念是背道而馳的。

    2.2 太陽能空氣集熱系統利用現狀

    目前在我國廣大北方地區的居住建筑和一些有熱空氣需求的工業建筑中對太陽能的熱利用開始發展到了熱空氣利用。主要體現在建筑物的冬季采暖和物料干燥過程。海寧家能太陽能工業有限公司成功對真空管式空氣集熱器進行了改進,進一步提升了空氣集熱器的集熱溫度和工程化集成性能,為太陽能空氣集熱系統的建筑相結合應用開拓了應用空間。目前,該種真空管式空氣集熱器已在工業生產中進行了應用推廣并取得了良好的節能成效。值得注意的是類似的空氣集熱裝置和強化自然通風的太陽能熱利用裝置在我國居住建筑中還沒有進行有力的示范和推廣,但熱空氣利用開拓了太陽能熱利用又一個新的領域,相信其必能在今后得到更多的重視和推廣。浙江省太陽能產品質量檢驗中心設計研發的地下車庫用太陽能強化自然通風系統,其設計外形與建筑環境融合度高適用于建筑物地下車庫自然強化通風,具有較高的推廣使用價值。類似于上述的太陽能熱空氣利用研究正逐步成為太陽能熱利用產業新的研發方向和利潤增長點,相信隨著技術進步和推廣使用將得到較快的增長。

    3 熱利用與建筑相結合設計

    隨著城市建筑密度和高度增加,太陽能資源逐步成為城市中的稀缺資源。為實現太陽能熱利用產業的持續發展,充分利用城市內由天空投下的每縷陽光,國內相關的科研機構和企業開始太陽能熱水與建筑相結合的研究,并取得了包括:曲面型太陽能集熱器、一體化溫差內循環平板集熱板芯、模塊化建筑構件型太陽能集熱器、聚光型太陽能復合熱泵熱水器、陽光控制循環太陽能熱水器、多功能平板集熱器邊框型材、空氣源熱泵蒸發器冷氣回收利用裝置、定補雙循環太陽能熱水器等技術在內的技術突破,處于國際領先水平。與建筑結合的設計主要有以下思路:

    3.1 隱形設計

    隱形設計太陽能與建筑相結合的思路主要是利用建筑物本身的高度,產生的視角優勢和城市建筑密度較高的現狀,通過合理設計使地面觀察者的視線被建筑或鄰近建筑所遮擋,從而實現地面觀察者在可正;顒拥挠^察區域內無法發現建筑物安裝使用的太陽熱利用裝置的目的。這樣就可以實現太陽熱利用裝置不影響建筑物的建筑美學特征的要求。獲“魯班”獎的昆明火車客運站太陽能熱水相結合設計就是隱形設計的典型代表。

    3.2 構件設計

    為實現太陽能集熱器與建筑的和諧統一,分別對建筑和太陽能集熱利用裝置進行研究分析是行不通的,最好的方法就是合二為一,使太陽能熱利用成為建筑的一種功能性構件或建筑成為熱利用的有效組成。這樣的設計不僅能夠減少材料的重復使用還能達到建筑功能性的設計特點,是一種較為理想的相結合設計理念。

    3.3 功能幕墻式設計

    隨著太陽能熱空氣利用技術的不斷進步和人們對建筑物功能性要求的提高逐步出現了一些利用太陽能的幕墻結構,這些幕墻結構利用太陽能加熱幕墻內介質的形式達到為建筑物提供制熱和冷卻或增強建筑物內空氣交換的目的,兼顧了實用性和建筑美學的設計理念,成為太陽能熱利用與建筑相結合的一個方向。

    3.4 家用熱水器集約管理

    新建筑在進行太陽能熱水系統與建筑相結合的同時,我們還需要把精力分到已建成且正在大量使用包括太陽能熱水器在內的太陽能熱利用產品的老建筑上,因為這部分建筑的總量遠遠超過新設計的建筑,對家用太陽能熱水器進行集約使管理也成為太陽能熱水建筑相結合進程中不可或缺的重要內容。對已經安裝的家用太陽能熱水器進行統一的設計規劃同樣是實現太陽能熱利用與建筑體融合的一項重要內容。在管理過程中要充分考慮太陽能熱水器與周圍建筑環境的協調以及相互間排列,只有通過管理才能有效提高城市建筑的美學追求。

    4 其它可供借鑒的相結合設計

    4.1 “平改坡”設計

    通過技術改進實現集熱器安裝完全代替了屋頂,解決了屋面防水與集熱器安裝的矛盾,同時節約了建設成本實現了太陽能熱利用與建筑改造的雙贏。

    4.2 “涼棚式”設計

    在我國企事業單位、居民小區不難發現有大量的停車棚、涼亭等建筑輔助設施,這些設施目前主要采用陽光板、經編布等材料作為遮陽物,遮陽效果較差,同時也影響了建筑環境。采用太陽能熱利用裝置進行設計后,可以綜合實現涼棚的功能性。

    5 幾種相結合設計思路的技術經濟比較實現太陽能熱水、熱空氣建筑相結合的途徑較多,我們在進行太陽能熱水、熱空氣建筑相結合設計的時候要充分考慮當地的氣候條件、建筑環境和設計建筑居民的消費水平進行設計。力求太陽能熱水、熱空氣相結合建筑能較好的適應當地的氣候條件和居民的審美、生活需求。我們對幾種設計方案進行了技術經濟性能的比較(表1):

6 太陽熱利用系統與建筑結合應用的經驗
 
    我國太陽能熱水產業發展較快,在太陽能熱水建筑相結合方面取得了一定的成績,在高層建筑和有條件的排屋、公共建筑設施相結合提供了大量的參考實例,取得了一定的設計、組織、管理經驗,這些經驗將為太陽空氣系統建筑應用提供借鑒和參考:

    1.使建筑設計人員、太陽能技術人員、房地產開發人員相互結合、相互滲透、團結合作、優勢互補。是實現太陽能與建筑的有機結合的必須途徑。

    2.太陽能熱水、熱空氣建筑相結合的項目要以企業投入為主體,政府投入引導,搭建合作共建的平臺,實施信息共享,優化資源配置,激發創造靈感。

    3.太陽能熱水、熱空氣建筑相結合建設必須在政府的引導下走標準化、規范化的道路。才能實現相結合后的質量協同。

    4.城鎮的太陽能熱利用建筑相結合是項系統工程。太陽能熱水、熱空氣相結合建設不僅要對安裝太陽能熱水、熱空氣系統的建筑進行規劃也要對計劃采用戶用太陽能熱水、熱空氣裝置的建筑進行規劃,只有這樣才能快速地提升一個地區的太陽熱利用建筑相結合的水平。

    5.適時采用新的科研技術和產品應用于太陽能熱水、熱空氣建筑相結合的建設中提高相結合的科技水平,特別是在太陽能熱空氣產品正處于發展初期的時刻加強研發和設計是必要的。

    6.過程中加強質量控制,切實保證太陽能熱水、熱空氣工程質量水平。

    7 結束語

    太陽能熱利用產品通過走模數化、標準化、系列化以及多元化的發展道路,使之可以與建筑的屋面、遮陽板、墻面、陽臺、涼亭等構件結合成一個有機的整體,實現建筑的功能化,太陽能熱利用的集約化。在建筑師、太陽熱利用技術專家與企業密切的配合下,通過與建筑渾然一體的整合設計,太陽能熱水、熱空氣系統將作為建筑構件構成建筑中不可分割的部分,成為建筑形體中多姿多彩的點綴,為建筑外觀形象增添綠色環保的時代色彩,提高建筑的科技含量和品質。通過對應用實例的分析可以看出,太陽能熱水、熱空氣與建筑結合有較好的技術經濟性能和多樣化、靈活化的設計實現形式,它的發展為太陽熱利用產業的發展提供了新的契機。相信通過加強行業協調與政策、資金的扶持和市場培育,通過走太陽熱利用與建筑結合的道路,必然能實現太陽熱水、熱空氣產業的跨越式發展。

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