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城市高层住宅太阳能应用设计原理

随着高层住宅太阳能热水系统工程在全国各地的大规模普及应用,必将会不断涌现出新的技术和产品,因此我们要不断进行研究和总结,推动太阳能热水系统工程在高层住宅中的应用。    随着世界经济的发展,人们所利用的地球不可再生资源越来越少,能源形势的严峻性使建筑节能和建筑中应用新能源的工作在世界范围引起了高度重视。太阳能作为一种丰富的、清洁的、可无限重复利用的能源,在建筑中的利用成为一个重要课题。自上世纪70年代,国外发达国家充分认识到利用太阳能是减少建筑常规能源消耗的最有效途径,纷纷投入大量人力物力来研究,并在20世纪70年代末80年代初达到高潮,太阳能建筑技术也因此得到了迅猛的发展,太阳能建筑产业在商业化、建材化等方面也取得了可喜的成果。

    把太阳能技术广泛应用到住宅建筑中,使太阳能作为住宅建筑运行的动力,这是人类社会进步和科技发展的必然。

    高层住宅太阳能热水器应用的可行性

    目前太阳能热水器基本上都安装在低层或多层住宅的屋顶上,在高层住宅中的利用还很少。随着高层住宅的发展,这方面的技术已经开始逐步发展,高层住宅太阳能热水的利用已冲破了“不易实现”这一传统观念的束缚,正在全国各地如雨后春笋般涌现。现在已有很多高层住宅小区开始尝试安装太阳能热水器,并取得非常良好的效果。与低层、多层住宅相比,高层住宅利用太阳能热水技术存在着不足,但也有一定的优势。

    1.高层住宅间距

    决定高层住宅间距的因素很多,日照、采光、通风、消防、防灾、管线埋设、视觉卫生因素和空间环境要求,均对高层住宅间距的确定有重要影响。其中最重要的因素,就是通过日照计算来确定建筑间距满足日照要求,除保证住户室内有充足的日照,也保证了足够的太阳光辐射到建筑上。

    2.高层住宅高度

    住宅按层数划分,中高层住宅(也称小高层住宅)为七层到九层;二类高层住宅为十层到十八层;一类高层住宅为十九层及十九层以上。中高层住宅及高层住宅,住宅上部基本不会受到其他建筑物或者植物的遮挡,因此能保证建筑物受到充足的太阳的直接辐射,安装在建筑上的太阳能设备能够更为有效地吸收太阳能,进行光热转化。

    3.高层住宅表面积

    高层住宅的体量决定了其受太阳辐射的面积较大,除屋顶外,南向、东向及西向建筑外墙均可作为安装太阳能集热器的选择。由于大量的外表面积,对建筑体形系数会有一定影响,但是把这个薄弱环节加以利用,大量的实体面积和可利用空间反而成为高层住宅与太阳能热水系统结合设计的优势,为充分利用太阳能创造了有力条件。

    4.高层住宅结构体系

高层住宅结构比低层和多层住宅复杂,一般在交通核部位设置有大量的集中管井,有利于太阳能热水器冷热水管的布置。同时,高层住宅智能化控制程度高,有利于太阳能热水器设备的统一安装、控制、管理与维护。

 太阳能热水系统的种类很多,一般按以下几种分类:一种是按系统的特征分类,一种是按系统在建筑中运行和应用的特点分类。

    1.太阳能热水系统按系统运行方式分类:

    (l)自然循环系统;

    (2)强制循环系统;

    (3)直流式系统。

    2.太阳能热水系统按生活热水与集热器内传热工质的关系分类:

    (l)直接系统;

    (2)间接系统。

    3.太阳能热水系统按集热与供水方式分类:

    (l)集中供热水系统,采用集中的太阳能集热器和集中的储热水箱供给一幢或几幢建筑物所需热水的系统。

    (2)集中-分散供热水系统,采用集中的太阳能集热器和分散的储热水箱供给一幢建筑物所需热水的系统。

    (3)分散供热水系统,采用分散的太阳能集热器和分散的储热水箱供给各个用户所需热水的小型系统。

 4.太阳能热水系统按辅助热源设备安装位置分类

    为了保证民用建筑的太阳能热水系统可以全天候运行,通常将太阳能热水系统与使用辅助热源的加热设备联合使用,共同构成带辅助热源的太阳能热水系统。

    (l)内置加热系统,辅助能源集热设备安装在太阳能热水系统的储热水箱内。

    (2)外置加热系统,辅助能源加热设备安装在太阳能热水系统的储热水箱附近或安装在供热水管路(包括主管、干管和支管)上。

    5.太阳能热水系统按集热器种类分类:

    主要有平板型、真空管型、整体储热型三种,真空管型又可分为全玻璃真空管太阳能集热器和热管式真空管太阳能集热器,整体储热型已不能满足人们的需求,用量较少。现在主要是以平板型、真空管型为主,这两种太阳能集热器又各有优缺点,分别适用于不同的地区、不同的用途,性价比也不同。

    6.太阳能热水系统按集热器与储热水箱位置分类:

    太阳能热水系统按集热器与储热水箱位置分,可分为整体式(闷晒式)、分体式和紧凑直插式。

    实际上,大部分太阳能热水系统是一个复合系统,即上述几种运行方式组合在一起的系统。例如一套系统既是强制循环系统,又是内置加热系统,同时也是定时自动启动系统,还是集中供水系统。复合的系统越多,说明系统的功能越强,使用也越方便。

    高层住宅因单元住户较多,所需太阳能集热器安装面积较大,因此采取什么样的太阳能热水系统就和多层住宅有所不同。如一栋12层高层住宅,每单元一梯两户,每户3人,集热器面积按1m2/人估算,则每单元共需集热器安装面积72m2。因此,屋面面积能否满足集热器的布置要求,需视工程的具体情况(如楼层数、屋面形式等)而定,可以考虑将太阳能集热器集中设置在屋面(12层以下住宅)或分散设置在南阳台栏板、卧室窗间墙处。根据集热与供热水范围可以分别采用集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统。

    本文通过近几年来一些已经安装太阳能并且运行良好的高层住宅实例来进行一些简单的介绍分析(如上表)。

    从上述工程实例可知,对于高层住宅太阳能热水系统,可以分别采用集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统这三种类型中的任一种。需要指出的是,《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》太阳能热水系统设计选用表中,对高层居住建筑未推荐选用集中-分散供热水系统和分散供热水系统,这里是有待商榷的,且与近年来高层住宅建筑太阳能热水系统工程实例相悖。

 在上海市《民用建筑太阳能系统应用图集》太阳能热水系统类型选用推荐表中,对高层住宅上述三种类型均可选用,与近年来高层住宅建筑太阳能热水系统工程实例是相符的。对于集中供热水系统和集中-分散供热水系统,因集热器均集中设置在屋面,故要求屋面必须具有足够的面积来放置集热器。随着住宅楼层的增加,以及住户和使用人数的相应增加,所需集热器面积会越来越大,这样一来,单靠集中供热水系统和集中-分散供热水系统这两种类型中的任何一种,已无法满足系统设计对集热器面积的设置要求。因此,有的高层住宅项目,只在高层部分采用太阳能热水系统,而在低层部分采用的是电热水器或燃气热水器。但这给开发商带来了交房标准不一致的难题,同时也会引起业主的质疑。

    笔者认为,对于12层(或视工程具体情况而定)以上的高层住宅,可以采用集中供热水系统和集中-分散供热水系统这两种类型中的任一种,再加上分散供热水系统的复合系统来解决上述问题。如一栋24层的高层住宅,在12层以上采用分散供热水系统,12层以下采用集中供热水系统;或者,在12层以上采用集中供热水系统(或集中-分散供热水系统),在12层以下采用分散供热水系统;还可以根据建筑立面布置的特点以及朝向的不同,对凸出南面南阳台的住户采用分散供热水系统,而对凹入南面南阳台或其他朝向阳台的住户采用集中供热水系统。

    需要引起注意的是,采用两种系统类型的太阳能热水复合系统对建筑立面可能会造成不协调影响,这就需要建筑师进行统筹考虑,协调设计。对于分散供热水系统,如集热器分散设置在各家各户的南阳台栏板或卧室窗间墙处,因每户集热器面积是一定的,所以集热器的设置不受住宅楼层增加的影响,适用于高层住宅的不同楼层。同时需要注意的是,阳台集热器的布置需要考虑住宅室内空间的采光问题。在高层住宅的最下面几层,还可能会有临近建筑的遮挡、太阳光线照射不足等不利因素,但也可以采取相应的措施予以解决,如增加集热器的面积、增加真空管的根数、加设反射板提高集热效率等。

    太阳能热水器与高层住宅一体化的协调

    我国的太阳能热水器产业总体来说发展还是处于初级阶段。我们说它处于发展的初级阶段,并不是说它的产量比较少,也不仅仅是说太阳能热水器技术的不成熟,生产上还没有形成规模。而过去大部分小区的住宅由于在设计和建造中没有太阳能的使用,未统一考虑安装太阳能热水器的位置,所以造成了后来居民自发安装热水器的情况,装在屋顶总是非常显眼、不协调,严重破坏了整栋住宅甚至整个小区的美观,造成“视觉污染”。

    目前,低层和多层住宅所使用的大部分太阳能热水器由于建筑设计和太阳能热水器产品自身的原因,影响了建筑美观。太阳能热水器厂家应当考虑在设计上突破目前的惯性构架,想方设法把水箱隐藏起来,使集热器与建筑连为一体,达到和谐美观的效果。

    由于高层住宅住户多,单单利用屋顶面积接受太阳能不足以满足整栋楼用户使用,同时对于低层业主,从楼顶到低层距离10~20层高,热水热量损失太大,其使用意义也不大。分体式太阳能热水系统可以灵活地布置集热器与储热水箱的位置,因此,其必将成为太阳能热利用与高层结合的重要技术手段,太阳能热水器与建筑结合的发展方向必然是分体式产品。在建筑方面,要求在建筑设计的同时进行太阳能产品与建筑结合的设计,预留太阳能设备专用管道井和预埋安装附件;而作为太阳能厂家,是要进一步完善与建筑结合的太阳能产品(主要是集热器),使太阳能产品真正成为建筑设计师可利用的建筑部件。

    有些分体式太阳能热水系统的太阳能集热板或太阳能集热管暴露在屋顶上,要想方设法让太阳能热水器暴露在外面的部分建筑构件化,让它成为与建筑的一个适当部分,成为与屋面、墙面、阳台、窗等建筑构件相匹配的另一种构件,太阳能系统要作为建筑构件元素来考虑,与建筑的屋面、墙面、阳台、窗有机结合在一起进行整合设计。这样,太阳能热水系统科技内容的加入就会使建筑呈现出一种新的造型与外观,增强使用太阳能热水系统建筑的表现力。

    分体式太阳能热水器与整体式太阳能热水器相比价格较高,但因为其在与建筑一体化设计上具有明显的优势,在热水系统的运行过程中也具有明显的安全稳定性。

    随着高层住宅太阳能热水系统工程在全国各地的大规模普及应用,必将会不断涌现出新的技术和产品,因此我们要不断进行研究和总结,推动太阳能热水系统工程在高层住宅中的良性应用。