广西太阳能热水系统与高层住宅一体化应用研究_翟滢莹

On Integrated Design of Solar Water Heating System in High-rise Buildings in Guangxi 广西太阳能热水系统与高层住宅一体化应用研究

□ 翟滢莹 何 江 徐继贤 潘滢德 _ Zhai Yingying He Jiang Xu Jixian Pan Yingde

[摘 要] 通过对比国内外太阳能与建筑一体化的发展现状，分析广西地区高层住宅太阳能与建筑一体化应用发展现状及其前景，并指出存在问题和提出相应建议，为夏热冬暖地区太阳能热水系统与高层住宅建筑一体化的设计提供参考。

[关键词] 太阳能；热水系统；高层住宅；一体化设计

[文章编号] 1672-7045（2013）08-0111-05

[中图分类号] Tu201.5

[文献标识码] B

Abstract：Together with status, this paper makes proposals for integrated design of solar water heating system in high-rise buildings in Guangxi for reference.

Keywords：solar energy; water heating system; high-rise buildings; integrated design 1 概述

当前，建筑能耗已经成为世界各国经济发展的“瓶颈”，在社会总能耗中建筑能耗的比重大而且持续增长。我国目前建筑能耗约占全社会总能耗的1/3[1]。在能源危机的情况下，节约能源、开发新能源是全世界共同关注的焦点。目前备受瞩目的新能源有太阳能、核能、风能、地热能。相比之下，太阳能具有取之不尽用之不竭，无公害无污染的优点。太阳能热水器能将太阳能转换成热能并将水加热，是太阳能利用最早、最广泛的，也是最有效、最便捷的方式之一，具有结构简单、维护方便、适用性强的特点。随着我国住宅建筑的高层化，太阳能热水系统与高层住宅一体化具有势在必行的趋势。广西近年来随着经济的发展，住宅逐渐向高层发展，像瀚林华府小区、翡翠园第二期基本都以高层为主。虽然对太阳能热水系统利用的意识还较为薄弱，但总的来说太阳能热水系统与高层住宅一体化在广西具较大的发展空间。

2 国内外太阳能热水系统与高层住宅一体化现状

利用太阳能加热水是目前人类利用太阳能最普遍的形式，世界各国科学家的工程师经过百年的努力，太阳能热水器系统技术已经较为完善。

2.1 国外太阳能热水系统与住宅一体化现状

近年来，不少发达国家如美国、日本在太阳能热水器与

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建筑一体化设计方面已经进行了一些有益的探索和尝试。国外对太阳能热水系统与建筑一体化研究起步较早，在太阳能热水系统技术、集热板与建筑外观结合（主要是屋顶）、太阳能集热板与建筑的功能相结合方面累计了较多的经验和技术成果，值得我们学习和借鉴。然而国外主要应用对象是多层住宅或低层别墅，这主要是基于他们人口数量少、经济技术发达、政策完善等因素。

2.2 我国太阳能热水系统与高层住宅一体化现状

我国太阳能与建筑一体化研究起步相对较晚，上个世纪90年代才开始发展，1998年10月国家经贸委和建设部在昆明召开了太阳能技术与建筑技术研讨会，才提出了我国太阳能系统建筑一体化问题[2]。目前，我国的高层建筑与太阳能热水系统的一体化设计处于试点阶段，在大多的建筑设计中较少考虑与太阳能热水器结合。其应用大多是事后居民自发安装、无序安装的方式，即使新建建筑，也常缺乏与建筑一体化的设计，或者集热器在屋顶形成简单的排列与建筑整体形象不相协调。

基于我国人口快速的增长而土地有限，以及经济条件制约等影响，我国的住宅建筑有高层化的趋势。目前我国很多城市的住宅建设主要是以高层为主，且高层住宅的数量、比重和高度具有不断上升的趋势。在这种情况下，我们不能完全照搬国外的太阳能与建筑一体化的技术，而要通过自主创新研究解决太阳能热水器在高层建筑应用中存在一些问题：夏季热量过剩、屋顶集热面积有限，普通分离式太阳能热水器如果安装于高层住宅屋顶，会造成底层水压过大、热水管道长、热损失大等；高层住宅户数多，屋顶集热面积相对有限、系统集热效率不高等。如何解决这些问题将是我们设计中的难点。

由于我国南北经济条件、太阳能资源的分布差异，各地政策不同使得各地区太阳能与建筑一体化的发展不平衡，发展较快的有山东、江苏、上海、广东等地。而广西地区经济比较落后，起步较晚，直至2011年成立广西太阳能协会才开始注重太阳能与建筑一体化技术应用。3 广西太阳能热水系统与高层住宅一体化现状

3.1 资源及政策条件现状

广西属于能源资源短缺省区，原煤、原油、天然气、水电等一次能源生产量较少，能源自给率仅为1/4。2009年广西总建筑能耗超过1470万吨标准煤，占当年全区能源总能耗约21%，这个比例以每年0.5%的速度递增，而建筑能耗中空调和热水供应的能耗占60％左右[3]。随着广西经济、建设的快速发展，能源需求必定会不断增加，寻求新的能源来源推进的建筑节能工作，是实现广西经济社会可持续发展的必然选择。太阳能分布广泛、取之不尽用之不竭并且绿色无污染，成为可持续发展的首选能源。

广西的太阳能资源分区级较低，属四类地区（资源较贫乏地区，年平均辐射总量4200MJ/m2～5000MJ/m2），太阳能保证率在40%～50%。受纬度、地形、降雨量、季风等多方面因素的影响，广西太阳能资源分区整体变化呈由北向南递增、西多于东的形势。年总辐射量为4000MJ/m2以下的主要分布在桂北地区和桂东大瑶山区，而桂南、桂中、桂西北地区太阳年总辐射量较大，年总辐射量在4200MJ/m2以上，桂南部分地区能达4500MJ/m2以上（图1），应针对不同的地区太对阳能热水系统设计提出不同的要求。广西气候具有夏长冬短的特点，夏季太阳辐射量大、气温高、湿度大，因此在集热板设置时应结合建筑遮阳、通风进行综合设计。冬季阴雨天气较多，太阳辐射量少，无霜冻期长，无需增设防冻装置，但仍需要设置辅助热源来保证冬季热水的稳定供应。上述特殊的气候特点为广西太阳能热水系统的设计提供了机遇与挑战。

广西壮族自治区人民政府非常重视可再生能源在建筑上的利用，《广西壮族自治区“十二五”建筑节能规划》中指出，要继续大力发展可再生能源建筑规模化和一体化应用。2011年成立广西太阳能协会，促进太阳能行业的发展，并在2011年自治区政协十届四次会议上提交了《关于积极推进我区太阳能建筑一体化的建议》，得到相关部门的高度重视。因此，太阳能热水系统与建筑一体化应用的前

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景是相当可观的。3.2 广西太阳能热水系统应用现状

近年来，广西在太阳能光热利用方面发展较迅速，然而在太阳能热水系统与高层住宅建筑一体化应用方面成功案例较少，仍然有待于进一步的探索与规范化。当地小区开发商在太阳能热水系统使用意识仍较淡薄，居住建筑小区整体安装使用太阳能热水系统的比率低，部分小区采取屋顶集中集热的方式，而集热板立面安装的实例几乎没有。如今高层建筑已经成为广西住宅建筑的主要发展方向，建筑屋面所能够容纳的集热面积已经不能满足全楼热水的供应需求，因此有效推进太阳能集热板与建筑立面的结合将成为高层住宅与建筑一体化的一项主要内容。

南宁、柳州、桂林等广西较发达的城市在不断地推进太阳能与建筑一体化技术的应用，如《桂林市绿色建筑专项规划》正在筹备编制，届时桂林将正式迈入建筑节能的新时代。在实际应用方面，如南宁中房翡翠园住宅小区、裕丰·英伦住宅小区以及柳州窑埠古镇雅居规划小区等成为区内较为成功的太阳能与建筑一体化应用实例。然而这些案例主要偏重于多层、小高层住宅上的应用，太阳能热水系统在高层住宅的应用实例接近空白。此外，目前区内仍有许多小区住户选择了分体式太阳能热水器

的安装，造成建筑立面零乱、不便于管理、并且造价也较高，未能实现一体化（图2）。

3.3 太阳能热水系统在高层住宅建筑应用实例——以南宁翡翠园小区为例

翡翠园小区是广西目前唯一经住房和城乡建设部审批列入康居示范工程实施计划的小区，位于南宁市民族大道168号，小区占地近约36万m 2，开发商品房建筑面积约57万m 2， 总投资约13亿元[4]。该小区的太阳能热水系统有如下特点：（1）多、高层住宅采取集中集热分户储热系统，并以燃气作为辅助热源解决在光照不足的情况下的热水供应问题，保证在阴雨天也能正常使用；（2）小区中均为低于18层的住宅，太阳能集热器全部放置于屋面进行集

中集热，基本满足供热需求， 同时也利用太阳能集

图2 屋顶零乱安装的分体太阳能热水

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热板遮挡太阳光对屋面的直接照射，夏季起到屋顶隔热的作用（图3）；（3）热水管线的设计考虑到建筑立面美观问题。热水管道外表面粉刷成与建筑主体色彩相同的颜色，并且力求管线简洁（图4）；（4）在屋顶专门为介质水箱设置了水箱间，避免了水箱受日晒雨淋，延长使用寿命，并且利于热介质的保温（图5）；（5）采用分户储热的方式，避免在集中储热系统中的大体积水箱带来的结构、美观问题（图6）。

以上是翡翠园在太阳能热水系统设计中值得借鉴的方面，而翡翠园并未能实现真正意义上的太阳能与建筑一体化：太阳能集热板全部安装于屋面，以较为被动的“隐藏”的方式来保证建筑外观，而并不是利用集热构件作为建筑造型的一部分；牺牲掉原可以为居住者利用的屋顶公共空间来放置太阳能集热板、热水管线、水箱等太阳能设备（图7）；

水箱间是在建筑屋顶后期加设的，在建筑设计初期未予以考虑，造成了造型上的不协调。真正的一体化设计是把太阳能的利用纳入建筑设计的全过程，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，并且能够丰富建筑的造型，而非成为建筑的累赘。

太阳能集热板应当是可以用来“展现”的。针对翡翠园存在的问题，我们可以参考深圳市体育新城安置小区太阳能一体化设计实例，将集热板结合建筑造型、立面一体化考虑，利用建筑凹槽、阳台与楼顶预设的架空花架安装集热构件，既保证了足够的集热面积又丰富了建筑造型，并能起到遮阳、隔热等作用。

3.4 广西太阳能热水系统与高层建筑一体化存在的问题

翡翠园小区设计案例为广西地区太阳能热水系

图3 屋顶放置太阳能集热板图4 管线与建筑立面色彩一致

图5 屋顶水箱间

图6 分户储热水箱

统与高层住宅建筑一体化设计提供了借鉴与启示，但许多问题仍有待解决，具体特点和难点主要表现在以下几个方面：

（1）如何根据不同类型高层住宅热水使用特点、当地居民用水习惯、综合系统的热效率、舒适性、运行管理的方便性及投资的经济性等多方面问题进行考虑，选择合理的太阳能热水系统。

（2）由于住宅用地日益紧张，高层住宅层数多，住户密度大，仅靠有限的屋顶面积无法摆放足够数目的集热板，因此立面安装已成为必然的发展趋势。地处低纬度的广西，集热器的立面安装也较大影响了其集热效率，应综合考虑各方面因素，在保证集热效率的情况下充分利用集热板构件来丰富建筑立面。

（3）地处亚热带的广西，夏季太阳辐射强烈。寻找太阳能集热板在集热和遮阳上的最佳结合点，让太阳能设施同时成为建筑遮阳构件，发挥更丰富的作用。

（4）广西所处的夏热冬暖地区气候条件特殊，全年日照时数在2000小时左右，但是全年太阳能辐射量并不稳定，需要解决夏季太阳能集热量过大而冬季、阴雨天气太阳能集热量不足的问题，以保证热水全年的有效供应。

（5）高层住宅太阳能热水系统存在管线过长、管线内凉水积蓄、热损失大等缺陷，如何进行合理的管网的布置以减少热损失，且便于检修、维护。

（6）高层住宅住户热水需求量大，热水箱的设计、放置位置等要综合考虑建筑美观、结构和用户使用上的要求。4 结语

以上种种问题是广西太阳能热水系统在高层住宅建筑中应用与推广的主要技术障碍。虽然国内外在太阳能热水系统的应用上做了大量探索，在太阳能与建筑一体化方面也有较为深入的研究，但因地域性、生活习惯等差别，其他地区的理论和经验并不完全适合于广西地区的应用。我们可以选择一些气候条件相近的地区，如广州、深圳等，学习它们相关的设计经验，但也应当认识到由于经济条件、技术条件、发展状况等差异，广西的太阳能建筑一体化应用有独自的特点，因此必须要形成一套适宜于广西地区的高层住宅与太阳能热水器系统一体化的设计体系，并充分考虑当地的气候特点、建筑特点、居民热水使用特点等设计限制因素。因此，主要研究内容应包括：整合广西相关的气象数据，为设计提供数据支持；结合地区的纬度条件和太阳能辐射状况，研究太阳能集热板的在屋面及立面的最佳集热角度及安装方式，并让集热板成为丰富建筑造型的手段；考虑本地区建筑的遮阳需求，将太阳能设施纳入建筑体系，丰富太阳能设备的作用。通过一系列研究为广西高层住宅太阳能热水系统一体化设计提供设计依据和技术支持。

[参考文献]

[1]李松涛．如何堵住建筑能耗的大嘴[n]．中国青年报， 2012-11-24（3）.

[2]罗会龙，贾春霞．与建筑有机结合的太阳能热水器的发展[J]． 煤气与热力，2005（11）：74-76．

[3]广西住房和城乡建设厅．广西壮族自治区“十二五”建筑节 能规划[Z]．

[4]廖金荣．浅议太阳能与建筑一体化的应用——以南宁市翡 翠园小区为例[J]．沿海企业与科技，2007（8）：64－67．

[作者简介]

翟滢莹，本科在读，广西大学土木建筑工程学院。

何 江，广西大学土木建筑工程学院教授。

徐继贤，本科在读，广西大学土木建筑工程学院。

潘滢德，本科在读，广西大学土木建筑工程学院。

[收稿日期]

2013-07-16

图7 热水系统管线

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