太阳能日益受到人们的重视
1前言
在当今世界能源与环境问题日益严重的形势下，太阳能作为可利用的再生能源，正日益受到人们的重视。我国太阳能建筑领域中技术最成熟、应用范围最广、产业化发展最快的是家用太阳能热水器。但是，如何使建筑与太阳能实现有机结合，人们还关注不多。建筑与太阳能结合既消除了二次安装太阳能对建筑形象的影响，保持建筑物的整体美观性不受破坏，又能避免重复投资，降低成本，这是未来的发展方向。
2太阳能与建筑结合技术现状
目前建筑上使用太阳能，有的是“前置”，有的是“外置”，有的是“附上”，都不是真正的有效“嵌入”，都会带来一些隐性的风险，如容易跌落、安装维修困难、给建筑物造成破坏等。同时，热水器本身也有很多亟待解决的问题，如平板式太阳能与集热管式太阳能相比，虽然有很多优势，集热效率高、较适合与建筑结合，但其制作工艺复杂、成本较高、集热效率受气候影响大。此外，平板式集热器对安装方向和角度有较高的要求，储热水箱占据了建筑空间，强制循环的动力耗能多，加大了生产和管理成本。而真空管太阳能热水器成本低，技术和市场成熟，赢得了广大消费者的青睐。但因其构造和形状与楼房不协调，影响了楼房的整体形象。又因二次安装给楼房带来不同程度的破坏和影响及受屋面空间的限制，使一些居户不愿安装。此外，真空管太阳能如供水压力大容易造成集热器脱管、爆管和密封圈损坏。真空管太阳能的抗冻性能虽然好于平板集热器，但是超过零下7度仍可能冻结。太阳能与建筑结合需要有机融合和有效嵌入，热水工程需要系统性、稳定性和安全性。要实现太阳能与建筑结合，我个人认为最经济、有效的方法是以传统优势为基础，根据建筑结构特点和热水需求正确选择集热器的结构形式，使热水系统结构配置更加科学合理、功能更加完善、可靠，满足人们在各种条件下的使用要求，从而提高太阳能的利用率。
3太阳能热水系统
为实现上述目的，笔者对当前各种建筑应用的太阳能集热器形式进行了研究，综合能耗、技术成熟度、制造成本、安全稳定性、运行成本和与建筑配合等因素进行分析比对，提出本方案。方案针对当前建筑应用太阳能热水器存在的种种问题和不足，以提高太阳能热能转换效率和太阳能热水利用率、降低热水生产成本、满足不同季节和地区的需要为目的，以集中供热水为目标，本着简洁、经济、实用和安全可靠的原则解决好热水工程的系统运转与各用户用水的关系，结合建筑的结构特点和太阳能热水的使用规律，探索了热水系统的技术优化设计，将真空管集热器和列管式换热器进行整合，利用真空集热管集热，利用列管式换热器换热、储热，将系统加热和辅助加热分开，太阳能承担系统加热，用户用水终端进行辅助加热。在管理上，将系统管理和用水终端管理分离，使之适应于集中供热水和太阳能热水系统运转、管理的需要，实现个体太阳能热水器向集中供热水方式的转换。按照上述思路构成的热水系统可简化系统设置，有效解决建筑结合太阳能热水工程的诸多难题。本方案根据结合的需要对反光板、供水管道、恒温箱等系统设置和构件也进行了相应的研究和探索，以满足用户的热水需求和热水系统工程化施工的需要。本方案采用真空管集热，热水箱内换热管换热、储热，集集热、换热、储热于一体（参见示意图1、2），选用较大热水箱一箱多供，实现太阳能系统加热、压力供水、保温管道输送、用水终端恒温箱辅助加热和温度调控、加压泵循环加热和增压供水，形成一个以太阳能热水设施与建筑结合设计施工，供热水装置统一配置，热水系统统一管理，用水终端辅助加热、调控、管理各自独立为特点的太阳能热水系统。该系统主要由系统集储热装置、保温管道、用户用水终端组成。
一、系统集储热装置：包括真空集热管、反光板、多组一箱多供的热水箱和热水箱内均布一至多组与热水箱平行的不锈钢波纹换热管组，各组换热管管与管之间自下而上依次串通连接。热水箱内充注介质液，介质液注液管道（兼排气管）将热水箱水平串通联接在一起（参见示意图1、2）。集储热装置的主要作用是集热、换热、储热，工作原理是当真空集热管吸收太阳光热后集热管内的传热介质被加热升温，传热介质温度升高，自动由集热管上升到水箱上部，自上而下对均布在热水箱换热管内的水进行加热，换热管置换出来的冷介质在密度差作用下，下沉到水箱底部，然后返回到集热管进行加热，形成温差循环，持续不断地对换热管内的水进行循环加热。
二、组合保温管道，一般由冷水管和热水管外加套管组成，水管与套管中间空隙填充保温材料（参见示意图5），主要作用是冷热水的输送与保温。
三、用水终端，由恒温箱、增压泵、阀门以及喷淋头和水嘴等用水装置组成（参见示意图6），恒温箱内装有辅助加热器、温度传感器和温控阀以及限位排气阀等装置（参见示意图4）。人们在使用时打开阀门，自来水在压力作用下，由供水管道进入系统热水箱底部的进水管口，沿换热管道流动，由底层到高层，由低温到高温，层层加热，逐步升温，然后由顶层换热管一端出水口经热水管道进入恒温箱，安装在恒温箱内的温度传感器发出温度变化信息，控制器根据恒温箱热水温度的变化和人们设定的温度调控范围，随时启动辅助加热器进行加热，同时温控阀根据人们的需要随时调整冷水供应量，以保证用水温度的稳定和适宜。
本供热水方案的技术关键在于系统热水箱内利用与热水箱平行的不锈钢换热管组进行换热和储热，集集热、换热、储热于一体，一箱多供，各户用水终端恒温箱辅助加热和温度调控。它的优点是：
1、安全可靠1）集、储热装置由真空集热管和防冻介质液共同保温，加之采用管道组合保温措施，可以大幅度提高热水装置的抗冻能力。在极端低温的情况下，也可采用定时循环的办法，利用热水箱的余热或通过恒温箱加热的水来确保供水管不被冻结，比其它防冻方法更安全、更可靠、更经济。2）水在承压管道中运行，集热管、热水箱属非承压工作状态，不受供水管网压力的影响，无脱管、裂管、硅胶密封圈损坏之隐患。3）换热箱内使用介质液和不锈钢波纹管换热无结垢之忧。4）因采用换热式加热，即使白天使用，介质液缓慢降温，无注水骤冷炸管之顾虑。5）因采用压力供水，水箱无缺水之忧，用户遇到自来水压力突然降低时，启动增压泵仍可照常使用。6）系统设置简单，无任何控制电器和机械装置，消除了因传感器结垢导致的传感失灵、操作失控和运转机械故障等隐患。
2、节能1）采用压力供水、上出水，确保优先使用热水，只要太阳能热水够用，就无需启动电加热器进行加热。2）需辅助加热时，采用分户即时辅助加热、随用随加热、用多少水就加热多少水，耗电少。3）集热管内的热能可毫无保留的置换出来使用。4）集热、换热、储热集于一体，有利于储热保温，无管道循环热损，降低了加热的耗能。5）太阳能系统加热自然循环，无机运行。
3、卫生1）使用单程水，杜绝千滚混合水。2）水在管道封闭空间中运行，无污染。
4、管理1）集中供热水系统除注液泵和控制开关外，再无任何系统控制电器和机械装置，降低了运转费用和后期管理费用。2）用户用水各自独立，无需二次计量，管理简单。
5、使用1）采用顶水式供水，承压运行，出水压力大，用水不受容量限制。2）用完热水后，即可选择用完放空热水，又可选择再次用水前启动增压泵循环加热，无管道排空和水箱底部冷水排放之麻烦，即开即出热水，先出热水，便于用户温度控制，且能从根本上杜绝水资源的浪费。3）因使用分户恒温箱辅助加热和温度调控，升温快，出水温度稳定可调，调控方便。
太阳能与建筑结合的关键在于集热位置合理、外观风格一致和技术结构互融。我国以坡屋面楼房居多，笔者根据太阳能与建筑结合配合的需要，对坡屋面楼房建筑结构特点和集热器与坡屋面楼房的配合形式进行了探索。认为，统一集热位置，合理有效的利用屋面资源，是坡屋面楼房太阳能热水设施与建筑配合的最佳选择。太阳能热水设施与建筑同步设计，工程化施工，屋面底板在设计和浇筑施工时预留系统热水箱底座平台(参见示意图1)，系统热水箱与屋面横向平行布置，集热管与屋面坡度平行一致安装，集储热器与屋面建筑结构有机配合，互为依托和利用，实现与建筑在技术和风格上的结合。根据向阳坡屋面可利用的集热面积和总户数，合理确定集热器热水箱的分组与横向宽度，根据集储热器的安装要求和管道连接、排列顺序及走向需要，把屋面热水箱底座、墙体管道预留孔进行一体化设计和施工。热水箱安装在热水箱底座上，反光板粘附固定在屋面底板上，集热管与反光板平行插进热水箱前端的集热管口，组合保温管道由管道预留孔进入各户连接用水装置。
1、把太阳能的利用纳入建筑的总体设计，在建筑技术和风格上融为一体，太阳能设施成为建筑的要素，集热器沿屋面平行布置，屋面整齐、错落有致、间隔合理有据。
2、统一集热位置，有效利用屋面空间资源，储热箱镶嵌在屋面中不占用其它建筑有效空间，十二层以下楼房无需在墙体和阳台等处安装其它形式的太阳能，不受楼层楼距的限制。
3、有利于实现标准化、规范化。工程一体化设计、施工，杜绝了二次施工对建筑造成的破坏和影响。
4、换储热箱安装在屋面底座上，即牢固又安全，反射板粘附固定在屋面底板上，平展稳定，既不阻风，屋面又可为太阳能集热器提供依托。
5、有机结合，互为依托和利用。1）集热管受屋面底板上不锈钢波形反光板的反射和烘托，弥补了真空集热器集热面积的不足，提高了集热效率。波形反光板还能防止光污染（参见示意图3）。2）不锈钢反光板替代屋面瓦为屋面遮盖，起到了防水和保温的作用，减轻了建筑主体承重负荷，屋面防水保温效果好。3）屋面为供水管道和附件提供遮盖和保温，消除了管件管道对楼房外观形象的影响，又能遮风挡雨、防寒、防辐射。
6、安装，因热水设施与建筑同步设计，配套制作，构件实现标准化、规范化，可提高热水工程安装的质量标准和施工效率。
下面通过计算进行可行性分析：
1.屋面可利用空间面积的计算和分析：
现以坡屋面小高层（十二层）楼房为例，以户为单位进行计算和分析：楼房屋面横向宽度户均一般不低于0.45m/户（楼房坡屋面横向总宽度与总户数之比），楼房的纵向宽度一般不低于10m，若按宽度10m计算，屋尖夹角按照120°计算，屋面坡长约5.8m，热水箱安装占用屋面的坡长为1m，集热管选用长度为1.8m，以此计算屋面坡长安装真空集热器的太阳能应用数量为（1m+1.74m）×2<5.8m;由此可见在屋面上安装双排真空集热器是可行的。
2.集热面积的计算和分析：
在确定了双排集热器的布局后，那集热面积的计算就显而易见了，户均宽度按0.45m，双排集热器为0.45m×2，那户均集热面积为：1.74m×(0.45m×2)=1.57m2(采用反光板的真空集热器按反光板实际占用面积计算)。
以北京为例，太阳能每平方集热面积可加热45℃~65℃的热水90L，以每人每天平均使用35L~40L热水计算，1.57m2的集热面积提供的热水平均可满足2~3人洗浴用水。
3.户热水箱容量的计算：
热水箱端面截径为φ320mm不规则椭圆形水箱，有效容量截面积为0.108m2，户均水箱横向宽度0.45m×2=0.9m以此计算户水箱储水容量为：0.108m2×0.9m=0.097m3每平方集热面积对应热水箱容量之比为：0.097m3/1.57m2=0.062m3/m2每平方集热面积对应热水箱储水容量为62L/m2是可行的。
4.户集热管容量的计算：
采用直径0.058m的集热管，管中心距0.075m，0.9m可排列12支管计算户集热管容量为：0.0215２m×3.14×1.8m×12=0.031m３
5.户集热面积加热液水总量为：0.097m3+0.031m3=0.128m3按照行业一般计算方法，每只58mm×1800mm的集热管正常情况下每天加热热水9.5L,12只管加热液水总量为9.5L×12=114L，加之反光板的反射和烘托提高了集热效率，户集热管加热的液水总量为128L/户/天，是可行的。
6.每平方集热面积与液水总容量之比：0.128m3/1.57m２=0.082m3/m２每平方集热面积平均加热的液水总量为82L/m２<.90L/m２是可行的。
7.户换热管换热面积的计算：
换热管的换热面积与换热管的直径和长度有关，现以直径0.05m的不锈钢波纹换热管为例，每户热水箱宽度为0.9m，该方案中热水箱可均布排列18只换热管，以此计算每户换热管的换热面积为：0.0508m×3.14×0.9m×18×1.2（波纹管换热面积增加系数）=3.1m２每户3.1m２的换热面积加之太阳能热水的使用规律一般为间歇性而非连续性使用，属积累性换、储热，故换热管影响热效率的因素可忽略不计。
8.户换热管储水容量的计算分析：
换热管的容积与波纹换热管的节径和长度有关，与7同例进行计算，换热管峰径以0.06m计算，内节径按峰谷平均数0.054m计算户换热管储存容量为0.027２m×3.14×0.9m×18=0.037m3户换热管储存的热水可满足一个人的洗浴用水。
9.户换热管储存容量与换热面积之比：0.037m３/3.1m２=0.012m３/m２一个人的洗浴时间一般为15~20分钟，在这段时间里每平方换热面积加热12L/m２的水是可行的。
10.户换热介质液与换热管储水容量之比：（0.128m3—0.037m3）/0.037m3=0.091m3/0.037m3=2.46户换热介质液是换热管储水容量的2.46倍是可行的。
11.在有效利用屋面空间，节约制造成本，热水利用率高，工艺难度不大，不影响建筑和水箱结构安全稳定的情况下，尽量选用较大的热水箱，采用一箱多供。假如每三户共用一组热水箱，共用水箱换热介质液与户储水容量之比为：0.091m3×3/0.037m3=0.273m3/0.037m3=7.38共用水箱换热介质液容量是单户换热管储水容量的7.38倍，在屋面空间受限，户均集热面积和容量配置无法做得很大的情况下，利用用户在大量使用热水的概率和时间上的差异，为部分用户使用超出计算容量的热水提供了可能。而且在占用空间上，每组集热器可少占用0.3m×2=0.6m宽度的无效空间（水箱封头保温层、管道安装预留空间）每户可增加集热面积0.3m2，这一点对小户型的楼房尤为重要。在制造成本上可节约四个水箱封头和36个管道弯头的连接费用，还降低了水箱封头热损失。
12.该换热箱内换热管排列中心距大于或等于75mm,是波纹换热管峰径的1.25倍，是波纹换热管直径的1.5倍，属换热器换热管最佳排列间距是可行的。
5结论
通过以上计算和数据分析证明，本结构设计合理，热能转换率和热水利用率高，可满足正常气候条件下居民生活热水的需要。该装置的运行成本和管理费用比其它的热水装置低得多，它方便、快捷、卫生、出水压力大，比其他形式的热水装置具有更优越的市场竞争力。太阳能集热器嵌入到屋面上，统一集热位置，减少建筑空间占用，与建筑有机配合实现互补。但是，太阳能与建筑结合需要多学科、多层面参与和合作，需要太阳能厂商、房地产开发商、建筑设计单位的协调行动。愿我们共同努力，一起把这项工作做好。
