太阳能光热建筑应用技术方案

太阳能热利用的基本方式是采用太阳能集热装置接受太阳能或者聚集太阳能使之转化为热能或电能并加以利用。太阳能热水器是利用太阳能加热水的装置，由太阳能集热器、保温、贮热水器、泵、管道和相关附件、控制部件和辅助热源组成。集热器是太阳能热利用的主体，它利用太阳能将水或者传热介质加热并贮存起来，然后输送到供热的各个末端设备，提供生活热水，如图4-1所示。太阳能热水器是当前太阳能热利用中技术成熟度较高、经济竞争力较强、应用广泛、产业发展最快的领域。

图4-1　太阳能利用实例图

太阳能热水器根据集热系统的工质循环工作方式分为自然循环系统和强制循环系统，又根据系统是否承压分为承压系统和非承压系统。用于集中供热水必须采用强制循环、承压系统。目前，中国市场上用于太阳能集热系统的太阳能集热器主要有平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器，大部分企业的产品质量和性能指标都达到或符合国家标准要求。

4.1.1　太阳能光热技术主要类型

针对不同的建筑类型、不同的建筑高度、不同的建筑需求，太阳能热水系统在凉山州地区可再生能源建筑应用示范项目中主要应用了以下几种系统。

4.1.1.1　太阳能光热建筑一体化

太阳能与建筑一体化（如图4-2所示）是将太阳能产品与建筑有机结合，利用太阳能光热组件替代建筑物的某一部分，既消除了太阳能对建筑物形象的影响，又避免了重复投资，降低了成本。随着太阳能光热、光伏利用与建筑一体化不断完善，太阳能建筑一体化设计必将成为中国今后几年里建筑业发展的主流方向，并从一些试点工程迅速地向全国普及，太阳能建筑一体化的大规模出现已经成为一种时代的必然选择。

图4-2　太阳能光热建筑一体化建筑图

太阳能集热器可以像太阳能电池组件那样融入建筑，与建筑形成一体，只是难度相对大一些。因为集热器之间以及集热器与系统本身的连接都是通过水管来完成的，需要考虑保温、保持水路畅通等问题。集热器与防雨板之间未留间隙，而是把集热器直接贴在防雨板上。这是因为集热器背面不仅不需要通风降温，相反需要保温。在这种情况下，防雨板不仅起到防雨作用，还起到了保温作用。这种作用，使得集热器可以设计得更薄一点。

4.1.1.2　太阳能浴室

利用集中铺设的太阳能热水器，在项目中建设太阳能浴室，利用太阳能为用户提供洗浴热水。

4.1.1.3　被动式太阳能房

被动式太阳能房（简称太阳房）是通过建筑朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理以及建筑材料和结构的恰当选择，使其在冬季能集取、蓄存和分配太阳能的一种建筑。它不仅能在不同程度上满足建筑物在冬季的采暖要求，而且也能在夏季遮蔽太阳辐射，疏散室内热量，达到降温的目的。被动式太阳能房系统一般不需要机械设备和动力，以区别于需要其他设备和动力的主动式太阳能房。

如图4-3所示，温室效应是被动式太阳能房的最基本工作原理。被动式太阳能房是不用任何其他机械动力，依靠自然循环向室内供暖，多余的热量储存在墙壁、天花板和地基热体内，夜间向室内放热，以保持一定的温度。通过对建筑物朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料、结构、构造的恰当选择，在冬季集取、保持、储存、分布太阳热能，从而解决建筑物的采暖问题。被动式太阳能房的集热及储热方式主要是利用建筑物的围护结构墙或窗，或是比较简单的平板装置作为集热器，能够由人随意控制，其构造可不用复杂的机械设备及管道通风系统；造价较低，太阳能房的工程造价仅比普通工程造价增加12%左右，容易被人们接受；维护管理方便，不需要专业技术人员维护管理。被动式太阳能房使房屋尽量利用太阳辐射，依靠建筑结构的保温、通风等特性，来达到冬暖夏凉的目的。其节能贡献率大于5%。

图4-3　被动式太阳能房工作外观图

4.1.2　太阳能光热的具体使用——太阳能热水系统

4.1.2.1　直插式家用太阳能热水系统

该系统一般适用于城市、农村不同要求的七层以下普通民用建筑。

该系统就是将太阳能设备安装在屋顶上，储热水箱可以置于楼顶，其安装方法如图4-4所示。优势是：①安装灵活，维护方便，易于推广；②系统效率高，技术成熟；③价格低廉，一般老百姓买得起；④整体安装，美观大方，节能效果明显。

图4-4　直插式家用太阳能热水设备外观图

4.1.2.2　分体式家用太阳能热水系统

该方案的集热器与水箱是分体式设计的，以减少屋顶结构的承重。分体式家用太阳能热水系统适用于小高层、高层、别墅用户。

图4-5　分体式家用太阳能热水方案安装图

该系统的安装如图4-5所示。其优势是：①水箱承压运行，等压调温，大水量设计，使用更舒服；②多热源辅助模块，全天候节能热水享受；③建筑一体化设计，与建筑完美融合。

4.1.2.3　集中供水式太阳能热水系统

该方案技术成熟，可以广泛用于学校、酒店、宾馆、住宅、部队、工厂等热水需求量大的场所。该方案如图4-6所示，它是把热水集中起来，分别供应到各个用户端，各个用户可以安装一个刷卡式水表，根据用水量直接计费，使用很方便。

图4-6　集中供水式太阳能热水系统外观图

该系统的优势是：①一次投资，长期受益，3～5年即可收回成本，相比燃气及其他常规能源，使用太阳能热水系统更环保、经济；②24小时不间断热水供应，一开水龙头立即出热水，无须等待即可享受太阳能带来的舒适；③集热器、水箱等主要设备采用模块化组装，容易与建筑物相结合，配合先进的控制系统可实现恒压、恒温供水；④采用集热器和储热水箱集中布置、集中控制、集中管理方式，安全可靠。

4.1.2.4　集中—分散式间接热水系统

该方案采用集中集热、分户蓄热的工作方式，使用时由分散的储热水箱供水，适用于高层住宅小区及公寓。

该系统的优势是：①水箱放置在用户家中，集热器可充分利用建筑空间，容易实现与建筑的一体化；②优先利用太阳能，如遇阴雨天水温未达到要求，用户可以自行启动辅助加热，解决了集中系统耗电量较高的困扰，方便管理；③换热式水箱设计，无须热水计量，舒适感更强；④太阳能热水系统进行初次升温后，用户可根据自己的需求进行二次升温，满足个性化需求；⑤可以减少屋顶结构的受力。

4.1.2.5　集中—分散式直接热水系统

该系统采用直接加热方式，太阳能利用率更高，可广泛应用于多层和18层以下的居住建筑。

该系统的优势是：①太阳能直接加热，系统使用效率更高；②储热水箱置于楼顶，在自来水停用状态时可以作为水箱使用；③无电加热设计，系统运行费用极低，便于物业管理；④系统技术成熟。

以上介绍了各种太阳能热水器系统，现将太阳能热水器在民用建筑与公用建筑中的使用情况归纳见表4-1和表4-2。

表4-1　太阳能热水系统与民用建筑

表4-2　太阳能热水系统与公用建筑

4.1.3　主要技术设备

（1）真空集热管。

全玻璃真空集热管，规格为58mm×1800mm，采用特硬高硼硅玻璃制造，涂层采用最新工艺，吸热性能优于NY/T315标准，集热性能更优异，具体参数见表4-3。

表4-3　真空集热管性能参数

续表4-1

（2）水箱内胆。

采用SUS304进口食品级不锈钢材料，厚度为0.31mm，电脉冲无损焊接，高压无渗漏试验，牢固可靠，水质清洁，不需要维护。水箱容积约360升。

（3）水箱外壳。

采用进口珠光彩钢板材料，耐热性能优异，使用寿命长。

（4）水箱保温装置。

进口机械氨脂整体发泡成型，恒温热化处理，厚度为50mm，保温性能更好。

（5）支架。

镀锌喷塑支架，杜绝生锈，坚固美观寿命长，优质抗氧化轧花铝板，漫反射高，抗风雪能力强，厚度为1.2mm。

（6）管道。

铝塑管，全部热水管道均保温，采用发泡聚乙烯保温材料，厚度大于2cm。联集器采用不锈钢2500mm×180mm。尾座采用特殊铝型材制作，支架和边框为40mm×40mm角钢。联集器与真空管相连安放在坡屋面上，满足自然循环条件，使供热系统在正常情况下达到98%以上的换热效率。

4.1.4　太阳能建筑一体化技术

在凉山州可再生能源建筑应用示范项目中主要采取太阳能建筑一体化的技术方案。太阳能建筑一体化技术是指太阳能产品及构件在建筑上的应用，并同时做到与建筑设计进行有机结合。经过一体化设计的太阳能利用的建筑方案具有以下特点：

（1）把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，使太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，避免了传统太阳能设备对建筑物外观形象所造成的影响。

（2）综合使用材料，降低了总造价，并减轻了建筑物的荷载。

（3）建筑的使用功能与太阳能的利用有机地结合在一起，形成多功能的建筑构件，巧妙高效地利用了空间。

（4）如果采用集中使用安装，还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率。

由太阳能建筑一体化技术的特点可以看出，采用设计良好的太阳能一体化技术，完全可以在不破坏建筑物整体风格的前提下，在凉山州地区应用可再生能源技术，实现节能减排，达到保护生态环境的目的。

4.1.5　高层住宅太阳能安装

为了节能减排及建筑节能，许多新建建筑考虑采用太阳能热水器来提供生活热水，同时随着城市的快速发展，建筑用地资源越来越稀少，许多房地产开发商早已经开始建设小高层及高层住宅小区，提高土地利用率。于是小高层、高层住宅如雨后春笋般出现在各个大中城市。对于小高层住宅来说，采用太阳能热水系统解决生活热水问题是值得大家讨论的。以前的传统太阳能热水系统都是单个安装在屋顶上的，而小高层、高层住宅的屋顶上已经无法安装那么多的太阳能设备，加之有的高层建筑顶楼空间不公用，因此，在小高层、高层住宅上成功设计安装太阳能热水系统的案例少之又少。皇明太阳能股份有限公司承接的安徽民航家园752套阳台分体太阳能工程项目是太阳能热水系统在小高层、高层住宅上成功应用的典范。

这个项目是该公司在当地拿下的第一个阳台分体太阳能工程。该工程成功突破了国际分体太阳能工程的诸多弊端，如水不热、安装不美观、有安全隐患等，从根本上实现了小高层、高层住宅与太阳能“一体化”，让高层、小高层住宅的用户，不论家住几楼，都能享受“绿色热水”，而且安装地点可以是阳台、天窗、屋顶、墙壁等地方，只要能采光，随处可安装，真正告别了非顶楼不能安装太阳能的历史，扩大了现有太阳能利用的市场空间。更重要的是，随着经济的发展，高层尤其是小高层住宅建设发展迅猛，如果太阳能行业不能从根本上解决太阳能应用与高层建筑结合的难题，对太阳能的推广将是致命的打击。从这个角度来讲，皇明分体太阳能工程的运用在太阳能行业发展历史上具有里程碑的意义，它为太阳能绿色环保产业的进一步推广打开了道路。

根据已有的经验，凉山州政府2011年5月组织西昌市的有关规划、设计等单位去山东省考察太阳能在建筑上的应用，将成功的经验带回了凉山州，并在小高层和高层建筑中应用。根据凉山州的实际情况，在建筑的规划和设计上做了相应的调整。采用分体式太阳能热水系统设计，“U”形管内“太阳液”循环传热技术与“串并联”技术相结合，增大集热面积，使得太阳能热水系统升温更高更快，管内温度可高达107℃以上（真空管管内不走水），这样集热器可以平行于墙体安装（光照虽不是黄金角度，但吸热效率足够高），真正实现与建筑的“一体化”。而分体式太阳能热水系统可以根据区域气候、光照程度等环境情况调配温度。

4.1.5.1　小高层、高层住宅采用太阳能热水系统需要考虑的问题

（1）在选择太阳能热水系统方案时，应首先选择运行可靠，管理方便，便于摊销辅助能源费用、冷热水费用和运行费用成本的系统，达到日常管理简单方便，容易被用户接受，不产生物业管理与用户的矛盾等。

（2）应考虑好解决住在低层的用户使用太阳能热水的水压问题。

（3）在设计太阳能热水系统时，要考虑阴雨天气时太阳能产热水的不足，为保证热水供应的可靠性，应配置辅助加热的电或燃气系统，以确保用户全天24小时或定时供应热水；系统应优先利用太阳能加热热水，当太阳能不足时，再让辅助能源补充加热。实现充分利用太阳能源，降低辅助加热能源的费用。

（4）太阳能热水系统要合理、可靠、经济、先进；太阳能及辅助加热系统运行应实现全自动化、智能化；在保证工程质量、效果和安全的前提下，尽可能降低工程造价，提高系统的性价比。

（5）太阳能热水系统的布置和摆放要与周围的建筑物相协调，要考虑美观，日常使用维护检修要方便。

（6）太阳能热水系统设计应与建筑工程设计同步进行，前期在建筑规划和建筑设计、结构设计时就要为安装太阳能热水系统预留管线、预埋件等，以方便后期太阳能热水系统安装。

4.1.5.2　太阳能热水系统解决方案选择

在小高层、高层住宅中安装太阳能热水系统，常用的主要有以下四种解决方案。下面对这些解决方案的优缺点分别加以分析，然后作出最佳选择。

方案1：每户安装一台家用太阳能热水器（各家单独安装一台系统）。

该方案的特点是：各住户的太阳能热水系统相互独立，互不影响；运行过程中不存在收费管理问题；系统投资最低，运行较稳定，技术成熟；安装简单方便。低层住户的太阳能热水器易受水压的影响，使用不便，甚至无法使用，只有在安装时提高太阳能水箱的安装位置，以便增加水压；各户的太阳能热水器都是一个独立的系统，无论哪家的太阳能热水器有问题，都要上楼顶维修，因此上楼维修的频率最高，不便于楼顶管理和维护；摆放不方便，不易与建筑物相协调，影响美观；各户上下两根管道，过多的管道敷设造成空间受限；不能实现热水资源共享，热水资源存在“旱涝不均”的问题。

方案2：分户集热分户储水系统。

安装一套分体式太阳能热水系统，集热单元安装在阳台或南墙面上，储热水箱放置在室内。

该方案的特点是：住户的太阳能热水系统相互独立，互不影响；运行过程中不存在收费管理问题；各户水箱可放置在室内方便的地方，如地下室、设备间、卫生间、厨房、阳台、阁楼等位置；系统投资较高，运行较稳定，技术成熟。集热单元安装需安全、牢靠，否则易存在安全隐患；采用自然循环效果不理想，采用水泵强制循环，费电，水泵存在噪音，增加控制功能；应综合考虑各户集热单元安装位置，否则会破坏建筑立面美观；受倾角影响，阳台型采光效率低，成本高；集热单元若出现问题维修起来可能不方便，因此需采用高档产品；不能实现热水资源共享，热水资源存在“旱涝不均”的问题。

方案3：集中集热集中储水系统。

该方案是在楼顶安装一个集中储水的太阳能热水系统，通过管道供热水至每家每户。

该方案的特点是：可以实现热水资源共享，不受楼层高低限制；便于根据建筑的情况灵活布局，可以实现与建筑物相协调；只有一个系统，运行可靠，上楼维修率低，楼面太阳能系统可由物业负责维护管理；系统投资较低，运行较稳定，运行成本低，技术成熟。辅助能源用量受天气阴晴影响，不便于核算运行成本和费用；运行过程中，热水需要收费；收费标准制定不当，易造成物业管理和住户的矛盾；需要在楼顶放置一个大储热水箱，建筑设计需考虑楼顶承重问题。

方案4：集中集热分户储热系统。

楼顶安装集中集热的太阳能集热系统，通过管道将热能送至各户，并给安装在各户家里的储热水箱加热。其特点如下：各住户使用自家水箱里的热水和辅助能源，不存在收费问题；不受楼层高低限制，并可以实现太阳能热能资源共享；运行过程中不存在收费管理问题；只有一个系统，运行可靠，上楼维修率低，楼面太阳能集热系统可由物业负责维护管理；可以根据楼面建筑情况灵活布局，最容易实现与建筑物相协调；集热系统集中放置在屋面位置，各户储水箱放置在各户室内方便的位置。为方便使用和安全可靠，应采用承压型储热水箱，并带有电加热功能，因此水箱成本高，从而造成系统成本较高；为避免各住户由于储水箱温度不同而出现热量互混现象，电气控制系统应特殊设计。

第四种解决方案虽然造价较高，但优点突出，不须考虑水箱承重、电辅加热预留、线路预留、供热水循环、热水计费等问题，是将来小高层、高层住宅统一安装太阳能热水器的发展方向。因此，小高层、高层住宅采用太阳能热水系统应按方案4进行设计。如果房地产开发商受投资限制，可以采用以下方法解决：

（1）太阳能集中集热和通往各住户的管路部分由开发商出资，产权归开发商所有，供住户免费使用。

（2）各住户有免费使用太阳能热源的权力，但用户如愿意使用太阳能热水器，储热水箱由各户出资购买。

该解决方法可以使房产开发商对太阳能热水系统的投资低于其他几种方案。

下面是杭州某住宅小区集中集热分户储水太阳能热水系统的设计和实施依据。

小高层、高层安装设计的参考依据：

GB/T18713—2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》

GB50364—2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》

GB50015—2003《建筑给水排水设计规范》

GB/T17581—1998《真空管太阳能集热器》

GB/T17049—1997《全玻璃真空太阳能集热管》

GB/T6424—1997《太阳能集热器技术条件》

GB4301—84《太阳能集热器热性能试验方法》

GB/T15513—1995《太阳能热水器吸热体、连接管及其配件所用弹性材料的评价方法》

GBJ1788《钢结构设计规范》

GB/T12936《太阳能热利用术语》

GB50275《压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范》

用户要求。