太阳能与建筑一体化实例分析

　　摘要：自地球诞生生命以来，太阳能就成为人类使用的重要能源，随着科技的进步与社会的发展，太阳能的利用越来越受到社会的重视，太阳能与建筑一体化设计已经成为行业发展的重要设计理念。各地住建部门陆续出台方案，要求太阳能与建筑同步设计、同步施工、同步验收，将太阳能作为建筑的部品部件，充分融入建筑。我们通过多年的实践与探索，在中国科技大学及中国南平铝业的辅导及支持下，成功开发了一款太阳能与建筑充分一体化的“阳台护栏式太阳能热水器”，该项目成功获得了“住建部低碳技术创新及产业化示范项目”。

　　关键词：护栏式太阳能热水器;太阳能阳台热水器;太阳能与建筑一体化

　　引言

　　随着国家城镇化建设的发展，城市楼层越造越高，楼顶的面积已经无法实现全楼层的用户安装太阳能的需求，因此太阳能行业已经由传统的楼顶真空管式太阳能，转变为阳台壁挂平板式太阳能，充分利用用户的阳台护栏，安装太阳能热水器，以达到家庭热水需求的目的。

　　而此类外挂的阳台护栏外侧的平板集热器，有相当一部分，未曾形成充分有效的设计，与建筑的结合还是不能达到完美，基于此，从平板集热器有效地结合阳台护栏方面入手，将平板集热器与阳台护栏有机结合，设计出该款“阳台护栏式太阳能热水器”，经过严格的设计、讨论、检测、安装及调试等各项工作后，终于该示范小区已经成功交付，势将掀起行业的太阳能与建筑一体化应用的升级浪潮。

　　1项目及系统概况

　　1.1项目概况

　　位于安徽省芜湖市的某地产开发住宅项目“沁园小区”(项目名称)一期11-17号楼，共计462户，从项目设计之初，我司与该项目设计院共同研究讨论，将太阳能热水器融入建筑设计，最终于2018年4月份顺利验收交付。

　　1.2设计依据

　　本项目依据国家标准GB50300-2013《建筑工程施工质量验收统一标准》的基本原则以及GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》，结合实际情况和工程实践经验设计。GB/T20095-2006《太阳能热水系统性能评定规范》;GBJ15-88《建筑给水排水设计规范》;GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》;GB50017-2003《钢结构设计规范》;GB50009-2012《建筑结构荷载规范》;GB50096-2011《住宅设计规范》;GB50352-2005《民用建筑设计通则》;GB50368-2005《住宅建筑规范》;JGJ113-2015《建筑玻璃应用技术规程》;GB5009-2012《建筑结构荷载规范》;GB5011-2016《建筑抗震设计规范》;GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》;GB/T6424-2007《平板型太阳集热器》;GB50057《建筑物防雷设计规范》。

　　1.3设计参数

　　1.3.1自然气象参数

　　安徽省东南部，长江三角洲平原腹地，亚热带湿润气候，光照条件充足，平均温度15~16℃，日照时数2000小时左右;33°倾斜辐照量为18.25MJ/㎡，50°辐照量为17.04MJ/㎡，水平面上年太阳辐照量4200~5000MJ/㎡。

　　(1)该系统的形式与分体式阳台壁挂太阳能热水器形式一样，则阳台壁挂太阳能热水器的相应特点，本系统自然传承，恒温恒压供水成为本系统的一大特点。

　　(2)为了与建筑充分结合且更加美观，我们设计并隐藏了循环管道，添置微型循环泵，提升集热效果的同时，有效地将管道从预埋的墙体中及护栏栏杆中隐藏。为了减少因集热器竖直带来的集热效果的影响，我们通过增大集热器面积及添置微型循环泵的途径，补偿并提升集热效果，故此这成为了系统集热的一大特点。

　　(3)最终从南外立面看，太阳能与建筑完美结合，造型设计、色调、与建筑预埋件的连接等，均成为建筑的一部分，是本系统最大的特点。

　　1.4与建筑结合的节点设计

　　1.4.1阳台护栏横杆与建筑侧墙的节点采用预埋的螺栓，加定制铝合金护套连接的方式。从阳台侧立面混凝土预埋φ12*100的外螺纹螺栓，左右两个立面各三颗。安装时套上定制的铝合金护套，然后螺帽收紧固定。

　　1.4.2阳台两端主立杆与建筑水平面的节点在阳台水平地面，指定位置处(即没根立杆落脚处)预埋两根φ12*100外螺纹螺栓，两根立杆共计四颗预埋螺栓，与立杆内衬钢管连接固定。

　　1.5负荷计算结果

　　1.5.1结构计算依据及结论

　　计算依据：GB50017-2003《钢结构设计规范》;GB50429-2007《铝合金结构设计规范》;GB50009-2012《建筑结构荷载规范》;JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》。A.阳台太阳能建筑一体化系统的太阳能玻璃集热板支承框架同时兼作阳台栏杆。B.计算软件：PKPM，对构件自重及阳能玻璃板重量作用和风荷载作用分别建模计算。C.荷载取值：太阳能玻璃集热板总重，0.5kN。D.风荷载取0.45kN/m2，体型系数取1.3，相乘得0.585kN/m2作为面荷载加在太阳能玻璃集热面板上。E.阳台太阳能系统栏杆构件均为铝合金材质，为6063牌号T5，壁厚取2mm。抗拉、抗压和抗弯强度设计值为90MPa，抗剪强度设计值为55MPa，弹性模量7000MPa。上述计算取值满足要求。

　　2维修方案

　　本“阳台护栏式太阳能热水器”在设计之初，就强调便于售后维修，一体化护栏，万一集热器内侧紫铜管流道渗漏，或者多年后集热板玻璃破损，该如何售后维修，故此经多次设计碰撞及试验，最终确定基本为装配式护栏集热器。首先，护栏主横杆，由于靠两端模套固定，而两侧模套又是与墙体预埋件螺栓连接，故此护栏主横杆可以直接拆卸。其次，当护栏主横杆拆卸后，我们的太阳能集热平板就可以从三边卡套式边框中向上抽出，这样集热平板即可以抽出维修或更换。

　　3优劣势分析

　　3.1优势

　　该产品优势在于与建筑完美结合，相应导热介质的循环管路全部隐藏在铝合金护栏的腔体内，且铝合金的护栏美观性好、安全性高。为实现上述优势，我们的产品设计的几方面难题。一来，平板集热器通常是80mm的厚度，但是考虑到用户的舒适度，我们将集热平板的厚度设计到60mm，这对平板集热器内侧的板芯流道及保温提出了很高的要求。二来，为了达到平板集热器与护栏可拆卸连接形式，我们跟南平铝业集团商议多次开模试验，最终开出了近十套铝合金模具。

　　3.2劣势

　　太阳能集热器完全垂直安装，存在集热效率低的问题，有其是夏季太阳高度角较大，集热平板所得热效率较低，但毕竟是夏季，环境温度较高，而上午6:00-10:00时段及15:00-19:00时段的阳光，集热器足以将热量传递至水箱，满足热水洗浴，实践证明满足用户需求。冬季相对太阳能照射角较小，虽然其辐照强度不如夏季，但是就平板集热器而言，冬季光照时段较长，同样可以满足洗浴热水的热量需求。

　　因为“阳台护栏式太阳能热水器”中的平板集热器是垂直安装，我们采取了两方面有效措施来提升集热效果。一方面，我们通过增大平板集热器集热面积，通常100升水箱需要1.8㎡以上集热面积，而我们实际采用的是2.4㎡以上的集热面积。二者，强制微循环泵的增加，也大大增加了集热板芯内的介质循环次数。这两者也是设计时考虑对垂直集热器安装缺陷的补偿方式。

　　4系统节能环保效益与经济效益分析

　　根据国家标准GB/T50801《可再生能源建筑应用工程评价标准》的规定，结合测试数据得出本项目的节能环保效益如表所示：按照每平方米每小时集热量按一般情况2.88MJ(800W·h/㎡)以上(较好情况约为1000W·h/㎡以上，日照强度最好时集热量可达1300W·h/㎡以上——标准值)全年平均日照8小时计算，当地有效应用时间300天。则2.88MJ/㎡热量×41%系统效率×8小时×300天×(2.52㎡×462户)=3299363.02MJ。根据标准值：每吨标准煤的热值是29308MJ，每吨标准煤燃烧时产生2.62吨二氧化碳，产生0.0085吨二氧化硫，则3299363.02MJ÷29308MJ=112.6吨标准煤。减少二氧化碳排放约计294.75吨。减少二氧化硫排放约计0.96吨。经济效益：0.8kW·h/㎡热量×41%系统效率×8小时×300天×(2.52㎡×462户)=916489.73kW·h现居民用电价格为0.54元/kW·h=494904.45元/年。

　　5论证与推广

　　(1)产品经住建部门委托专家进行论证。经多次与本项目设计院交流探讨，认真考虑护栏相关标准及图集，我司向当地住建部门提出申请，对款产品的功能性及安全性进行论证并准予推广。自2017年末到2018年初，住建部门先后两次组织专家对该款产品进行论证，最终确定为“该太阳能集热板作为阳台护栏的功能性完备，安全性可靠”。相应主办的市图纸审查中心审查合格并建议住建部门予以推广。(2)该款产品在“第十四届中国国际太阳能热利用品牌博览会”举办的“2017年中国太阳能热利用与多能源互补新产品交流展示活动中”荣获“创新奖”。

　　6总结

　　伴随着太阳能建筑应用规模的迅速发展，我国的太阳能建筑应用水平在不断提高，从屋顶真空管式到阳台壁挂平板式，再升级到本实用案例的“阳台护栏式太阳能热水器”的应用形式，我国的太阳能建筑一体化应用已经进入新时代，再与可实现的家居“职能化”的相结合，我们的未来生活将更加美好!

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