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1、东北财经大学网络教育本科毕业论文关于太阳能热水系统与建筑一体化设计的实践报告平湖新仓“申能光伏”职工宿舍实践解析作 者沈 伟学籍批次200909学习中心浙江省平湖奥鹏层 次专升本专 业工程管理指导教师张振东内 容 摘 要近年来，随着人们对可再生能源的应用越来越重视和太阳能热水市场的迅速发展，如何较好设计与实现太阳能热水系统与建筑的有机结合是个新课题。本文以平湖新仓“申能光伏”职工宿舍楼为载体，结合目前太阳能集中热水系统在建筑一体化中的应用，对太阳能集中热水系统的发展进行了阐述，对目前研究的一些前沿和热点进行了介绍，并对其应用过程可能出现的问题进行了探讨，为本地区同类建筑提供了参考。经过前期的调
2、研和论证，平湖新仓“申能光伏”职工宿舍楼采用太阳能热水系统与建筑一体化设计，并已付诸实施，主要设备采用申能公司自行生产的太阳能产品。存在不足和改进，由于该系统实际施工过程中交叉问题较多，管线和设备布置比较困难，建议后续项目在建筑设计阶段做好统筹工作。经过调试推测，该系统达到了设计工况，完全实现预期功能，效果良好；可以推测实施太阳能热水系统是平湖地区后续同类建筑的必然选择。关键词：太阳能;太阳能热水系统;系统的选择;建筑一体化 目 录一、太阳能热水系统与建筑一体化应用的可行性1（一）气候条件1（二）技术与经济条件1（三）区域产业条件1（四）区域建筑类型1二、一体化实践中存在的主要问题（一）太阳能
3、热水器或太阳能热水系统对建筑造型的影响2（二）太阳能热水系统性能不够稳定2（三）太阳能热水系统的安装与维修问题2三、一体化设计原则2（一）外观设计原则2（二）结构设计原则2（三）管路布置原则3（四）系统运行原则3四、一体化设计方法（一）太阳能热水系统的选择3（二）太阳能集热器的选择和安装4参考文献7关于太阳能热水系统与建筑一体化应用的实践报告平湖新仓“申能光伏”职工宿舍实践解析伴随着世界范围的能源危机和环境污染的日益严重,对于清洁和可持续发展的能源的开发和利用越来越成为社会关注的重点。我国是人口大国,资源匮乏,能源消耗大,因此国家制定了一系列政策,鼓励发展清洁和可持续发展的能源(如风能、太阳能
4、等)项目的开发与利用,尤其关注建筑领域。全国许多省份也制定了相关地方法规,以推动该政策的具体实施。从2007年12月12日起,浙江省出台了浙江省建设厅关于印发的通知（浙建设2007117号）,要求在12层（含）以下新建居住建筑中应全面应用太阳能热水系统，12层以上支持应用太阳能热水系统；鼓励支持应用光伏和其他太阳能利用系统。有生活热水系统的12层（含）以下新建公共建筑，应全面应用太阳能利用系统；其他新建公共建筑和既有建筑改造，鼓励应用太阳能利用系统。目前建筑与太阳能技术一体化主要包括太阳能热水系统(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。平湖新仓“申能光
5、伏”职工宿舍项目的设计是探讨在平湖市的气候条件和区位环境中,实现太阳能热水系统与建筑一体化设计的策略与方法的一次有益尝试。一、太阳能热水系统与建筑一体化应用的可行性（一）气候条件平湖位于浙北地区，属北亚热带湿润气候,四季分明,气候温和,光照充足,全年平均气温在16.318.5,全年日照时数1 580.71 994.6 h。太阳辐射总量470491 kJ/cm2。从日照时间和太阳能辐射量的大小看,平湖在我国的太阳能资源分区中属于四类地区,且秋冬季太阳能资源较丰富,故该项目使用太阳能热水系统是切实可行的。（二）技术与经济条件我国太阳能热水器与太阳能热水系统的发展已经有几十年的历史,技术性能上目前已
6、达到较高水平,且较为成熟。同时,我国已被国际公认为太阳能热水器生产总量最多、潜在市场最大的国家。此外,太阳能设备安装以及后期运行费用相对低廉,这为太阳能热水系统的使用奠定了技术与经济基础。（三）区域产业条件我市在太阳能光伏开发与利用方面，主要有太阳电池制造、相关测试设备开发、新型太阳电池研究、独立运行光伏发电系统的应用等。太阳能电池制造主要是单晶硅及多晶硅太阳能电池的生产，目前我市新仓镇光伏产业园区已具有70兆瓦以上的太阳能电池年生产能力，正在进行生产能力的扩展建设，产品已在国内应用并销往德国、西班牙、韩国等多个国家。因此，区域的产业条件也为太阳能热水系统的普和应用带来一定产业基础。（四）区域
7、建筑类型作为一个中小城市，平湖近几年的建筑如雨后春笋搬拔地而起，但是由于城市规模和经济条件的限制，目前平湖市城区和各乡镇普遍建筑都低于12层，只有部分标志性建筑高于12层。特别是各类住宅、商用、公用建筑大多都是12层以下的建筑，为此结合本地的实际情况很适宜在平湖区域内推广太阳能热水与建筑一体化模式。二、一体化实践中存在的主要问题从全国范围来看,目前太阳能热水系统的设置与使用多局限在住宅建筑中,且多为居民在建筑建成后自行分散安装使用,一体化设计的研究与实践相对滞后,存在诸如总体成本较高而整体效率偏低、系统性能不够稳定、对建筑造型产生不利影响等问题。（一）太阳能热水器或太阳能热水系统对建筑造型的影
8、响长期以来,太阳能热水器或太阳能热水系统都作为建筑的附加物而存在,由于缺乏统一配置和管理,品种与型号杂乱,且常在屋面或阳台等处凌乱布置,在建筑外部随意拖设管道,与建筑造型极不协调,严重影响了市容、市貌。（二）太阳能热水系统性能不够稳定由于受到气候条件的限制,阴雨天气和冬季都存在日照不够充分、太阳辐射强度不足的问题,使得用户在使用过程中难以获得稳定的生活热水供应。（三）太阳能热水系统的安装与维修问题由于太阳能热水产品质量、性能良莠不齐,部分甚至在安全、安装结构、用配件等方面存在隐患,如热水器跌落伤人、屋顶破碎、房屋漏水等,导致建筑使用过程中存在大量的安装与维修纠纷。因此,一些小区物业管理公司明确
9、禁止居民安装太阳能热水器,甚至勒令将已经“上楼”的太阳能热水器请“下楼”,将人们生活中急需的这一清洁能源拒之门外。因此,如何使太阳能设备与建筑设计紧密结合,在不影响建筑外观及室内管路系统的条件下,使太阳能系统正常运行,是摆在太阳能厂家、房地产开发商及建筑设计单位面前的一个难题,有待于进一步的研究与探讨,以实现将太阳能设备作为建筑的必备构件组合到建筑中的目的,达到真正意义上的结合。三、一体化设计原则一体化设计要求在建筑设计、系统选择、施工安装等方面处理好太阳能热水系统与建筑的关系,既能充分发挥系统的作用,又能够避免对建筑产生不利影响。太阳能热水系统与建筑一体化设计应遵循以下4条原则:（一）外观设
10、计原则实现太阳能热水器与建筑的完美结合,无论安装在屋顶、阳台或墙面上,都要使太阳能集热器成为建筑的一部分,实现二者在建筑造型上的协调统一。（二）结构设计原则妥善解决太阳能热水器的安装问题,确保建筑物的承重、防水等功能不受影响,并充分考虑太阳能热水器抵御强风、暴雪、冰雹等不利自然条件的能力。（三）管路布置原则合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路,尽量减少热水管路的长度,在建筑中预留所有管路的接口、通道。（四）系统运行原则在系统运行上,要求可靠、稳定、安全,易于安装、检修、维护,合理解决太阳能与辅助能源加热设备的匹配问题,尽可能实现系统的智能化和自动控制。以上原则便是本次平湖新仓“申能光伏”职
11、工宿舍在太阳能热水系统与建筑一体化设计时所遵循的原则，同时这也是目前同类项目设计所遵循的一般原则。四、一体化设计方法太阳能热水系统主要由太阳集热器、贮热水箱、管路、控制系统和辅助能源等组成,要实现太阳能热水系统与建筑的一体化,在设计该系统时,宜将系统构件作为设计的组成内容,使建筑的功能与外观相协调。因此,建筑设计阶段应将太阳能热水设备的各个部件都作为建筑物构件去设计,在立面造型、结构形式、给排水系统中进行通盘考虑,使太阳能热水设备成为该建筑物整体中自然的组成部分。（一）太阳能热水系统的选择1.根据供热水范围优化选择太阳能热水系统。太阳能热水系统按供热水范围可分为集中供热水系统、集中分散供热水系
12、统和分散供热水系统。集中供热水系统是采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱为一幢或几幢建筑物供应热水的系统;集中分散供热水系统是采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱为一幢建筑物供应所需热水的系统;分散供热水系统是指采用分散的太阳能集热器和分散的贮水箱为各个用户供应所需热水的小型系统。 图1分散供热水系统示意图 图2 集中集热供热水系统示意图 图3集中集热分户供热水系示意图 图4集中集热集中-分户供热水系统示意图这几种系统在建筑设计布局中表现为区域式、整栋式、分户式等几种主要类型。区域式供热水系统是以整个小区或数栋楼作为一个集中的大型系统,配备完善的监控管理系统,干、支管网供水,系统设计可以实现最
13、优化,专业性强,可解决整个区域供热水需求,但投资大,需专业人员进行管理维护;整栋式供热水系统则每栋楼一套系统及贮水罐,公用水、电源,热水管入户,节约集热面积,降低造价,方便管理;分户式供热水系统是以户为单位,每户一套系统及贮水罐,自用电源,独立上下水,不需专人管理,住户自行使用、维护,但浪费集热面积,造价较高。从该项目的使用功能和特点来看,单体建筑以公寓和康复楼为主,在整体规划上呈现多栋多层单体建筑分散布置的特征,但其单体建筑中的使用特性则表现出一定的公共性与集中性,因此“申能光伏”职工宿舍项目就是采用以各个单体建筑为单位的整栋式集中供热水系统,集成化程度高且显著节约初期投资。该系统中用户间的
14、太阳能热水可以相互调剂以达到平衡,有利于节约水资源,还可以减少相应的设备设施,例如减小屋顶水箱、太阳集热器的面积。此外,模块化的集热器安置在屋面上也比较美观。2.根据系统运行方式优化选择太阳能热水系统。太阳能热水系统按系统运行方式可分为自然循环式、强制循环式和直流式3种类型。自然循环式系统是利用传热工质内部的密度变化来实现集热器与贮水箱之间或集热器与换热器之间的循环的太阳能热水系统;强制循环系统是用泵迫使传热工质通过集热器(或换热器)进行循环的太阳能热水系统;直流式系统是传热工质一次流过集热器加热后,进入贮水箱或用热水处的非循环太阳能热水系统。该项目为了便于一体化设计,优先采用强制循环系统,在
15、设计中将集热系统和水箱等其他构件分离,从而自由布置水箱的位置,同时采用辅助电加热和双循环系统,确保在使用过程中,24 h供应热水,即开即热,避免了传统太阳能热水器由于管道过长,需要排放一段时间冷水才有热水的现象,既达到节约用水的目的,也保证了热水供应的舒适度和稳定性。（二）太阳能集热器的选择和安装在太阳能热水系统的所有组成中,集热器是必须面向太阳、处于室外的构件,由于面积较大,它也成为影响建筑造型的最重要环节,因此,建筑屋顶的太阳能热水设备与建筑一体化设计需要重点解决的问题就是处理好太阳能热水系统的集热器与建筑造型的关系。基于项目所在基地具有群山环绕的良好自然条件,出于同自然环境协调、创造优美
16、亲切的儿童及老人的栖居环境,以及建设单位的要求,设计可在单体建筑中引用皖南民居中的坡屋顶、马头墙等设计符号,结合现代设计手法和现代建筑技术进行综合设计,采用坡屋顶和高起的山墙相结合的现代简约新徽派建筑风格。为了完善太阳能热水设备与建筑一体化设计,设计需重点处理集热器与建筑造型的关系。1.与建筑坡屋面相协调的太阳能集热器的选择。作为屋面的一个组成部分,集热器的布置其实也给建筑师增加了一个更活跃、更具技术含量和美学思想的基本元素。目前,世界上广泛应用的太阳能集热器基本上可分为平板型集热器和真空管式集热器。平板式集热器在欧洲各国有着较大的市场占有率,技术较为成熟,具有美观且与建筑的一体化程度高的优点
17、,但因其造价高、系统复杂、抗冻性差等原因,在我国国内应用较少。所以,该项目综合经济和实用多方面的考虑,优先采用真空管型集热器。此外,真空管型集热器固有的深色与玻璃质感与屋面瓦质材料形成对比,有助于产生虚实变换的视觉效果。集热器疏密有序的排列还可以在造型中形成韵律感。2.与集热器相协调的坡屋顶的建筑造型设计。建筑的一体化设计应在造型设计时充分考虑坡屋顶与集热器的协调。在建筑造型中,该项目建筑单体采用的是双坡屋顶和高起的山墙相结合的现代简约新徽派的建筑风格。在双坡屋面的设计中,考虑到太阳能的充分利用,可适当加大南向坡面的面积,用来布置集热器,以获得更多的阳光辐射,保证充足的热量采集。同时,为了保证
18、太阳能集热器与建筑屋面形成一个整体,屋面坡度应与集热器的适宜布置角度保持一致。设置太阳能集热器的坡屋面应符合下列要求:屋面的坡度宜结合太阳能集热器接收阳光的最佳倾角,即当地纬度10来确定。该设计根据安庆地区所处的纬度位置、太阳入射角度以及建筑的方位,综合考虑了建筑造型的需求,确定了适宜的坡度为38,以确保在满足建筑造型要求的同时,尽可能获取更多的太阳辐射。3.水箱、管道、控制系统和辅助能源的设计热水系统配套的水箱、水泵等荷载和安装的要求也应引起重视。太阳集热系统按系统水箱与集热器之间的相互关系分为整体式和分离式2种。目前建筑上大量使用的整体式太阳能热水器,虽然有结构简单、成本低、集热效率高等诸
19、多优点,但是水箱必须置于集热器上端,这在一定程度上影响到建筑的美观,也给建筑结构带来一定的负面作用。太阳能热水系统与建筑一体化设计优先采用了强制循环式系统,将集热器和水箱分离,以保证设计时可以自由布置水箱的位置。以职工宿舍1#楼为例,生活热水给水系统采用太阳能辅助电加热的方式,设计使用人数为96人,按每人每天70 L 60C热水计算,生活热水总用水量为6. 72 m3/d,设计中采用了8.4 t的储热水箱,并根据建筑布局要求,将其安放在建筑的公共活动空间上方。由于将储水箱、管线、控制系统及相关附件等隐蔽地安装在坡屋面下面的平屋面部分,既利用了空间,又可使太阳能热水设备不受风雨侵蚀,有利于太阳能
20、装置的保温,避免了因冬季寒冷而冻坏或损坏。结合屋面设计,预留检修孔,既有利于太阳能热水系统的安装和维护,又不会影响整体的屋面造型和美观。在建筑内部,结合室内布置管道井敷设太阳能热水器的上下水管道,不仅美观而且为室内节省了空间。结束语：随着行业的发展，技术的进步和人民生活水平的提高，建筑能耗也随之的提高，日益成为能源供给的沉重负担，因此建筑物对太阳能的充分利用具有重要的经济、社会意义和能源安全的战略意义。太阳能集中热水系统与建筑一体化是太阳能热水器发展的必由之路，应从建筑设计伊始就将太阳能热水器系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑设计之中，使
21、太阳能热水器系统成为建筑不可分割的一部分，而不是附加的构件，就如同水、电等专业的设计，与建筑同步设计，同时施工，同时验收。目前，建筑界和太阳能企业之间正在共同努力，在一些民用建筑中取得了一些成果，但也存在着一些技术上的、政策上的的问题，阻碍着太阳能热水系统与建筑的一体化进程，然而，两者的有机结合终将是发展的必然趋势。参考文献王艳红，太阳能住宅建筑一体化的设计研究 ， 建筑节能, 2010年。霍志臣、罗振涛，太阳热水器,中国环境出版社，2002年。赵春江、王恒龙，新型平板式集热器的设计和性能，上海交通大学学报，2004年。中华人民共和国建设部，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范， 2005年12月。
