广州民用建筑太阳能热水系统一体化设计初探

文_谭伟 广州开发区建设工程质量检测中心 傅树威 郭兵 广州市建筑科学研究院有限公司

广州民用建筑太阳能热水系统一体化设计初探

文_谭伟 广州开发区建设工程质量检测中心 傅树威 郭兵 广州市建筑科学研究院有限公司

太阳能作为一种清洁、高效的可再生能源得到了国内外广泛的推广应用，并取得了巨大的成就。但是，太阳能技术在建筑上的应用发展到今天遇到了新的挑战，究其原因是由于我们一直将二者割裂的看待，太阳能热水系统不是自然的在建筑上“生根发芽”，而是被人为的“嫁接”到了建筑上。

这种高度分散的应用模式引发了最近几年传统太阳能热水设备在城市住宅应用中的诸多问题。具体表现在：①不规范的自行安装模式使太阳能产品无法与建筑、环境相协调，显得杂乱无章，给城市的边际景观造成了视觉污染；②由于国内标准不完善，标准不一的太阳能产品破坏了建筑的结构与功能，在建筑的防水、防雷、防风、承重等方面留下了安全隐患；③屋顶采光面积有限而无法满足全部住户使用要求，导致屋顶所有权存在争议，后期物业管理、维护不方便；④部分太阳能安装管道内大量存水、管线外露，夜间散热大，造成用水浪费，产品不承压，在高层建筑中与供水管网压力不匹配，开放式储热水箱与非循环用水方式，易造成水质不卫生等问题。这些都严重制约了太阳能利用的发展和建筑节能的进一步实施。

本文通过对广州市地方技术规范《民用建筑太阳能热水系统建筑一体化设计标准》编制的总结，对太阳能热水系统建筑一体化设计的全过程进行一个简单的阐述和总结。

1 地域特色及背景

广州地处南亚热带，太阳辐照量介于5400～6700 MJ/m2·a，属于太阳能资源丰富区，夏长冬暖、炎热潮湿，台风及雷电雨水等自然性灾害较多，采用太阳能热水系统的建筑应注重防水防潮防雷电、通风隔热、防风抗震。在太阳能热水系统设备的选择上，应重点关注防锈、防风功能，宜采用平板型集热器、U型管式真空管集热器和全玻璃真空管型集热器。

随着《广东省民用建筑节能条例》的实施，广东省内具备太阳能光热条件的建筑，都将强制要求安装太阳能光热设施，未按照标准进行设计的，不得通过施工图设计文件审查和竣工验收备案。《广州市民用建筑节能管理试行办法》第二十一条也提出：本市新建12层以下的居住建筑和实行集中供应热水的医院、学校、宾馆、游泳池、公共浴室等公共建筑应当优先采用太阳能热水系统与建筑一体化设计，并按照相关规定和技术标准配置太阳能热水系统。

2 太阳能热水系统与建筑一体化的设计理念

2.1 规划设计

在规划设计阶段，除了要考虑建筑功能、场地条件、周边环境等制约规划设计的因素外，在确定建筑布局、朝向、间距、群体组合和空间环境时，应结合建设场地的地理、气候、日照条件等因素，最大限度地满足太阳能热水系统设计和安装的技术要求。设计安装太阳能热水系统的建筑单体或建筑群体，主要朝向宜为朝南偏东15°至南偏西15°的范围内，建筑体型及空间组合应与太阳能热水系统紧密结合，为充分接收太阳辐射创造条件。在装置太阳能集热器的建筑物周围进行景观设施设计及环境绿化配置时，应注意避免对投射到太阳能集热器上的阳光造成遮挡，规划设计时应进行日照计算分析，确保集热器在冬至日的日照时数不少于4h。

此外，规划设计阶段应根据建筑类型、用水习惯、物业管理要求、辅助能源种类、系统技术经济性能及控制系统的简便可靠性等综合因素来选择适用的太阳能热水系统类型。按照集热与供热水的方式，可分为三种系统进行规划设计。（见表1）。

2.2 建筑设计

建筑设计应结合建筑功能及其对热水供应方式的需求，充分考虑太阳能热水系统的选型、组合方式、安装位置，需将太阳能热水系统作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，保持建筑统一和谐的外观，并与周围环境相协调，同时避免集热器部位受建筑自身及周围设施和绿化树木的遮挡，对设置太阳能集热器的部位应采取安全防护措施，避免因太阳能集热器损坏可能对人员造成的伤害。

应用太阳能热水系统的民用建筑设计应与太阳能热水系统设计同步进行，建筑设计单位应完成以下工作：①根据用户对热水系统的使用需求确定太阳能热水系统的选型和方式；②确定太阳能集热器的安装位置，协调太阳能集热器与建筑整体及周围环境的关系；③确定集热器面积，进行系统设计；④明确太阳能集热器在建筑立面中的构图要求，并在相应位置设置预埋件，为太阳能集热器的锚固、安装提供安全牢靠的条件；⑤确定贮水箱的位置，满足贮水箱在其位置上的荷载要求及该位置相应的排水、防水要求；⑥确定贮水箱与太阳能集热器之间的管道走线方式及位置，预埋防水套管并在竖向管井中预留相应的管道位置；⑦明确辅助能源设备的种类、安装位置；⑧满足以上系统设备安全、牢固安装，便于维护检修的要求。

2.3 结构设计

在结构设计时，应满足设置在建筑任何部位的太阳能热水系统与建筑锚固牢靠，应确保建筑物的承载、防水等功能不受影响，还应充分考虑太阳能集热器与建筑物共同抵御强(台)风、暴雨、冰雹、雷电及地震等自然灾害的能力，同时不得影响该建筑部位的承载、防护、保温、防水、排水等相应功能。

表1

2.4 给排水设计

安装太阳能热水系统贮水箱、热水机组等设备的机房或安装地点应设排水沟、地漏等排水设施并与建筑内的排水系统连接。在管线布置上，应合理布置太阳能循环管路以及冷、热水供应管路，建筑设计时应预留所有管线的接口、通道或竖井，严防渗漏，尽可能减少热水管路的长度，减少热能耗。

2.5 电气设计

太阳能热水系统的电气设计应满足太阳能热水系统用电负荷的分级和运行安全，设置在屋面的太阳能热水系统应采取有效的防雷设计措施。由于太阳能是不稳定的间歇能源，电气设计时应考虑配置另一辅助形式能源的加热设备，在阴雨天或夜晚用其补充或替代热水的不足。

2.6 其他

太阳能热水系统设计应进行技术经济性比较，包括太阳能保证率、太阳能热水系统年节能量、太阳能热水系统经济回收期的测算等，整体上满足节能节水、安全卫生、环境保护等有关规定。

3 基于一体化设计的太阳能热水系统的优化选择

太阳能热水系统设计应作为建筑给排水热水供应设计的一部分，与太阳能专业人员协调合作设计。集热器的位置、色泽及数量要与建筑师配合设计，在承载、控制等方面要与结构专业、电气专业配合设计，使太阳能热水系统真正纳入到建筑设计当中来。从太阳能热水系统与建筑相结合的基本要求出发，要针对广州的气候特点，尤其是太阳辐射资源的全年变化以及全年气温变化的特点，充分考虑建筑物的使用功能、地理环境和当地的安装条等综合因素，选择太阳能热水系统面积、类型、色泽和安装位置等。现有太阳能热水器产品的尺寸规格不一定满足建筑设计的要求，因而从有利于建筑围护结构一体化结合的原则出发，必须强调太阳能集热器的规格与建筑模数相协调。

4 太阳能热水系统的节能效益评估和能效测评

在设计阶段对太阳能热水系统的节能经济效益与环境效益进行预评估和长期监测，能充分体现太阳能热水系统的节能环保效益优于常规热水系统，不断总结设计与施工的经验教训，更好的推广太阳能热水系统的应用。同时可以及时发现运行故障，提高运行管理水平，更好地节约能源，整体上满足节能节水、安全卫生、环境保护等有关规定。

5 结束语

太阳能热水系统与建筑一体化设计已越来越引起人们的关注，逐渐成为建筑节能的主要研究和发展方向。太阳能热水系统生产企业、使用者、开发商、建筑师、监督检测人员等各个不同群体应该紧密沟通、广泛合作，将太阳能系统作为建筑的一个构件加以考虑，与建筑同步设计、统一施工、统一管理、统一维护，将太阳能热水系统很好的融入到建筑之中，既提供新能源的使用又不破坏建筑的结构，实现“太阳能由零散购买逐步向工程化、源头化的模式转变”，将推动太阳能热水系统作为标准建筑部品进入住宅，最终实现太阳能与建筑一体化的完美结合。