黄斌
水发兴业能源（珠海）有限公司 广东珠海 519000
摘 要：随着社会高速发展，能源过渡消费，急待发展绿色建筑。可再生能源应用是我国推行绿色建筑的重要措施，太阳能作为可再生能源之一，太阳能利用技术备受关注。本文将太阳能热水系统引入到绿色建筑设计中，为绿色建筑节能环保方面提供了有效的解决方案，促进了太阳能和绿色建筑一体化的发展。
关键词：太阳能、太阳能热水系统、绿色建筑、光热板、设计实践
引言
我国建筑能耗约占社会总能耗的33%左右，高耗能建筑占比居高不下，加剧能源危机。建筑是能源消耗大户,从建筑产品全寿命周期来看，其中建筑使用能耗占比最大。太阳能是众多可再生能源之一，利用随手可得的太阳能通过光热、光伏转化进行发热、发电，为建筑提供生活热水以及电能，是绿色建筑主动利用太阳能降低自身净能耗的主要方式。太阳能利用技术将在绿色建筑生态路径中扮演重要角色。太阳能热水系统因其技术成熟、运行经济深受人们欢迎。为此，研究太阳能热水系统在绿色建筑中的运行情况和设计至关重要。
1概述
1.1太阳能与绿色建筑
绿色建筑是指在建筑的整个寿命期内，整合资源，合理优化布局，使资源利用率最大化，实现节约资源、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间为目标，与自然和谐共处的建筑。绿色建筑的主旨始终围绕“四节一环保”资源节约的能效理念。在“节能”举措上，融入各种可再生能源技术如“太阳能光热、光伏发电、热泵技术”等。在建筑设计过程中，坚持太阳能与绿色建筑一体化设计方向。根据建筑的风格,结构特点设计，如建筑立面外观的整体情况，建筑屋顶形态等，将太阳能嵌入到建筑当中；对太阳能进行有效收集，以尽量减少对常规能源依赖。
1.2太阳能热水系统形式
太阳能热水系统是利用光热板吸收太阳辐射能并转化为热能，即通过介质进行吸收、传递或转移，直接制备热水或热媒，经过热量存储、运输路径，向用户提供热水（或热能）的装置。太阳能热水系统主要由光热板、保温水箱、泵及管路、控制中心、辅助能源等组成[1]。太阳能热水系统分类：按系统集热与供热方式可分为：①集中－集中供热水系统，采用若干光热板集中安装和储热水箱集中设置，定时或不定时供热水的系统；②集中－分散供热水系统，采用若干光热板集中安装和储热水箱分散设置，承压或不承压的供热水系统；③分散－分散供热水系统，一般以户为单位，按一定光热板与储热量水箱配置，分户设置分户供热的系统。其特点是热量独享，免于计量，便于控制和管理。如适合高层安装的阳台壁挂式太阳能系统，适合别墅安装的别墅分体式太阳能系统属于这种形式。另外按集热系统运行方式分为：直接系统、间接系统、直流系统；系统传热工质与大气接触的情况分为敞开式、封闭式；按照热水系统循环的是否采用加压情况分为自然循环系统、强制循环。
2太阳能热水系统应用需关注的问题
2.1太阳能热水系统稳定性、舒适性、经济性
1）太阳能热水系统运行舒适性是提高用户体验，满足需求的前提。如供水温度不满足要求，即热水使用过程中热水温度忽高忽低，忽冷忽热，舒适性差，特别是冬季反应明显。一方面可能是系统设计及配置不当或控制策略考虑不全。主要为补热设备选型问题或温度设置不当，温度传感器间隙性失灵；致使产热和供热过程速度不匹配。二是冷热水流量、压力不平衡，导致冷热汇水过程中出现失衡。
2）常规能源消耗超出预期，即没有基于节能措施下的优化设计，存在过分保守考虑，或补热运行控制时间与太阳能的搭接时序不合理；太阳能没有充分发挥作用，存在低效情况，运行能耗增加。
2.2太阳能安装围护结构的安全性
建筑外围护结构是承载太阳能热水系统的主体。其设置要考虑围护结构的安全,不破坏建筑结构安全性。如有些建筑设计时，外围护结构未预留太阳能安装机位或设置不合理，给安装造成极大困难。如在高层建筑安装阳台式壁挂太阳能热水器时，机位尺寸不足或未考虑设置防坠飘板等。一是业主建设之初没有考虑该需求，后因节能验收才勉强安装，导致技术衔接不上。二是太阳能设计滞后，太阳能施工企业与房地产开发商、建筑设计院单位各自为政，主导与协作出现问题，没有很好的沟通。在后期安装时，因安装机位的围护结构没有考虑安装负荷，可能存在安装隐患。
2.3太阳能与建筑外围护结构适配性
太阳能热水系统与建筑的适配性是提高光热板安装率和整体美观度的重要基础。一些建筑结构外形迥异，光热板与建筑外围护结构适配性较差，许多建筑的外饰构件防碍、遮挡太阳能系统正常安装与后期运行及维护，集热效率降低，节能效果不佳。主要有：①遮挡问题：周边高大建筑或自身屋顶部分装饰性构件的遮挡，从而大大减少了太阳能集热装置的敷设面积或影响了集热效率。②空间利用问题：屋面的机（烟、风）井、设备等附属设施挤占了屋面的安装空间，光热板矩阵被分隔安装，管线拉长，热损增加。
有些盲目为提高屋面光热板安装率，无视光热板安装间距、角度安装原则，前后遮挡严重，使太阳能集热系统节能效果大为降低。③异型不规则屋面限制了安装。如弧形屋面、三角斜屋面等。
3太阳能热水系统在绿色建筑中的解决方案
3.1 太阳能热水系统节能措施及优化
1)舒适性蓄热热水箱设计。蓄热水箱是太阳能热水系统的中心部件，有着储存和分配热量功能，对平衡热量输出发挥重要作用。如家用太阳能热水系统一般设置单水箱蓄热供热，依靠冷水压力将热水顶出使用。利用冷热水密度差,温度场竖向分层原理，采取一定的测量和控制措施改善其内部温度场分区稳定性。可增强蓄热水箱热量的调节方式，并结合恒温补热加热装置及其运行模式的改进，可显著提高家用太阳能热水系统的舒适性和运行经济性。
2)太阳能系统分级蓄热，能源梯级利用。针对大于500L及以上用水的太阳能热水系统，可采用双水箱分级蓄热模式；即将热量储存区分设为太阳能预热水箱和供热水箱,在预热水箱和供热水箱设置不同设定温度，根据用水进度分时段加热；并在预热及供热水箱间接入混水装置，平衡一二级水箱温度，提升集热效率及蓄热量。
3)优化能源配置及控制策略。由于太阳能日照的不稳定性特点，太阳能热水系统一般需要考虑常规能源的设置，设置常规能源应结合当地的能源资源合理配置。不同种类的能源技术经济特性存在较大差异，虽然各能源之间通常可以进行适当的转换并相互替代，但是，如果把两种功能相近而技术经济性差异较大的能源合理地进行集成，可获得优于两种能源独立应用的效果。从而使综合能耗降低，运行经济性提高。
3.2 太阳能热水系统与建筑一体化设计
建筑是太阳能利用的重要载体[1]。太阳能与绿色建筑一体化设计时需通盘考虑太阳能利用形式，将其纳入建筑整体规划设计当中，同步设计，同步施工，同步验收[1]。太阳能热水系统的设置应根据项目地区太阳能资源及常规能源情况因地制宜，选择合适的太阳能系统类型及安装形式。并综合考虑各元素的影响,结合建筑风格、结构特点，将太阳能系统构件化、标准化，模块化与建筑结构完美结合，在功能和美学上高度统一。
1）太阳能光热板布置方式
太阳能光热板是太阳能热水系统的核心部件，光热板设置方式需要结合建筑外立面及外围护结构形状选择。其一般设置在建筑的平（斜）屋面、阳台、南（西）立面墙、金属屋面等。安装形式主要有①平屋面架空式；②斜屋面架空(或嵌入)式；③阳台式（包括倾角式、垂直式）；④墙面嵌入式或外挂式（包括倾角式、垂直式）；⑤凉棚式或葡萄架式；⑥金属屋面顺坡（或架空）式等。最常用的屋面架空式和阳台壁挂式。在设置有绿灌植被的屋面上，可采用葡萄架式的安装形式，既能满足热水需求，又能起到屋面隔热效果，且不影响植被的采光。
2）太阳能热水系统与建筑一体化设计要点
太阳能热水系统设计应与建筑设计及结构专业紧密配合。将太阳能与建筑围护结构融为一体，整体效果美观且不影响围护结构的其它功能。主要设计要点如下：①将太阳能节能技术和建筑美学功能相结合，太阳能系统设计工作前置，减少后期设置难度。②提高太阳能产品与建筑模数的适配性，开发适合多种建筑形态的光热板模块及模数组合。以适应建筑外围护形式的多样化。③提前预制、预埋安装基础构件，并与建筑外围护结构可靠连接。④系统设备与管道模数化设置，根据实际情况，加以运用。
4 太阳能热水系统的应用展望
能源危机情势下，国家着手在全国范围内各大中城市有步骤的调控化石能源的粗放型应用，积极探索绿色节能技术更新迭代新途径。我国太阳能资源分布广泛，太阳能量无穷巨大，取之不尽，用之不竭，是清洁无污染的可再生能源，应用前景无限。全国多个省市出台条文，鼓励或明确要求部分新建住宅、公共建筑使用太阳能。这为太阳能的应用提供了政策基础。太阳能热水系统因适度的投资，稳定的后期使用，促进应用市场不断扩大。太阳能的产品及工程技术日新月异，优良产品不断涌现。太阳能热水系统得到了更广泛应用。设计师应紧跟时代步伐，开拓视角，积极开发设计出更多切合民生的太阳能衍生产品。推动绿色能源和绿色建筑发展。
结束语
我国存在着严重的建筑能耗问题，太阳能热水系统是绿色建筑主动应用太阳能降低对常规能源依赖的重要方式；积极推动太阳能利用技术普及是惠及人们生活的利好事情。太阳能利用技术因其运行经济、无污染、零排放，已在各个领域，尤其在房地产行业得到广泛应用，极大促进了太阳能和绿色建筑的发展。
参考文献
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