建筑设计中太阳能给水系统应用技术分析

冯素娜 王鹏举

（1、河南省城乡建筑设计院有限公司，河南 郑州 450000 2、郑州市建筑设计院，河南 郑州 450006）

1 前言

当煤炭、石油即将耗尽，能源问题日益成为人类发展的瓶颈时，越来越多的国家开始开发太阳能给水资源，寻求经济发展的新动力。太阳能给水是一种清洁可再生能源，利用太阳能给水供电、供热、供冷、照明，建成太阳能给水综合利用建筑物，是必然的发展方向。尽快推动我国太阳能给水建筑的发展,达到低能耗、零排污，是我国建筑行业面临的重要课题。

2 世界上主要国家对太阳能给水利用状况

2.1 美国

美国建筑用能占全国总能耗的30%～90%，为减少能耗，美国对太阳能给水的利用做了积极探索。1993年6月，美国能源部和再生能源实验室耗资2500万美元研发与建筑相结合的光伏产品，即建筑幕墙光伏器件和大型屋顶光伏组件。美国前总统克林顿1997年6月26日宣布实施“百万太阳能给水屋顶”计划，到2010年在全国住宅、商业建筑、学校和政府办公楼屋顶安装100万套太阳能给水系统，包括太阳能给水光伏发电系统、太阳能给水热水系统和太阳能给水空气集热系统。以达到减少温室气体排放，扩展能源选择，创造高新技术岗位等目的。该计划是美国面向21世纪一项由政府倡导发展的中长期计划。

2.2 日本

在日本，建筑规范对居住区节能有明确规定。所以居住区普遍应用太阳能给水，通过屋顶吸阳板和太阳能给水电池自动控制系统，自动向室内输入冷热风和热水。不仅可以节省电能，同时可以改善和保护环境，倍受日本政府的支持。日本很重视光伏与建筑相结合的技术。20世纪90年代，推出了几种非晶硅电池与建筑材料相结合的产品：一种是曲线形瓦片，面积为305cm2、输出功率2.7 WP;另一种是90cm×35cm的平板，输出功率25 WP,用做屋顶材料。另外还推出了非晶硅玻璃组件，用于建筑幕墙。透光率为30%，既可采光，又可发电。以上光伏组件已安装在三洋电气公司、Fsukasa电力公司等办公楼建筑物上。1997年，通产省宣布“七万屋顶”计划，安装了37MWP屋顶光伏系统。日本政府计划到2010年总计安装500万千瓦。

3 我国对太阳能给水的利用现状

太阳能给水建筑的发展可分为三个层次：第一层次为被动式太阳房，是一种完全通过太阳能给水集热器进行集取、储存和分配太阳能给水的建筑。第二层次为主动式太阳房，是一种以太阳能给水集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能给水采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能给水空调及供热系统的建筑。第三层次是应用太阳电池，为建筑提供采暖、空调、照明用电，建成“零能耗房屋”。我国太阳能给水建筑处于第一层次广泛应用，第二层次深度发展，第三层次大力投入阶段。

我国太阳能给水热水器已经由最原始的闷晒式热水器发展到全玻璃真空管热水器，并大范围的应用。年平均递增率达15%。太阳能给水空调及供热系统的研制成功，为第二层次的主动式太阳房发展创造了条件。2004年6月，北京市大兴区天普工业园的一幢建筑面积8000m2的生态建筑工程，被专家评为“利用太阳能给水解决能源问题的建筑示范工程”。该建筑洗浴、供热、供电等所有能源都由太阳能给水提供。建筑南墙、屋顶都安装着太阳能给水集热器，夏季为空调提供驱动，冬季为采暖提供热源。建筑还安装了50kW太阳能给水发电系统，满足日常用电所需。该工程是奥运场馆的试验性建筑。

中国光伏产业正以每年30%的速度增长，2004年中国太阳能给水电池生产总量达到139MW，2007年产能则达到惊人的1180MW，成为全球发展最快的国家。随着产能的提升和成本的降低，太阳电池与建筑结合是一个必然的趋势。从“六五”一直到到“十一五”，国家科技攻关计划中都列入了太阳能给水建筑项目，取得了一系列成效。并网太阳能给水光伏发电站及建筑物屋顶、墙立面并网太阳能给水光伏发电工程也已开始启动。这将为太阳能给水建筑的蓬勃发展奠定坚实的基础。

4 建筑设计中利用太阳能给水的主要方式

4.1 太阳能给水热水器

由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及附件组成，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。

4.2 太阳能给水吸收式制冷空调

利用太阳集热器提供吸收式制冷机发生器所需要的热媒水。可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能。采暖季节，将集热器加热的热水直通生活用储水箱中的热交换器，就可将储水箱中的冷水加热以供使用。太阳能给水空调的季节适应性好，制冷能力随太阳辐射能的增加而增大，与人们对空调的要求一致;且制冷机以无毒、无害的溴化锂为介质，对保护环境十分有利。

4.3 太阳能给水产氧空调机

通过光能高效产氧制冷、制热，比传统空调节约电能达60%左右。由太阳能给水吸附式热助器和冷助器根据制冷、制热需要随时满足使用，实现了昼夜全天候高效运行。热值高，升降温快，无烟尘、无污染。

4.4 采暖降温净化器

在阳光作用下，利用冷热空气的微循环，实现冬季供暖、夏季降温。该系统室内冬季最高平均室温在19.5℃以上，夏季比传统建筑的室内温度低6℃左右，同时使室内空气得到不断的过滤、净化，保持清新。

4.5 太阳能给水辅助电加热低温地板辐射采暖

采用“U”形管式太阳能给水集热器，机械循环方式，循环介质是防冻液，没有冬季冻结的担忧。采用集热和采暖独立的间接式系统，既方便防冻液使用又有利采暖运行。配备电加热辅助系统，满足集热不足时的需要。

4.6 全天候太阳能给水灶

由聚光罩、集热器、保温储能箱、支撑架、自动跟踪调节装置、导热体、保温盖等组成。在晴朗天气，内部温度可达280°以上，可进行蒸、煮、炒、炖等多种烹饪，且一天三顿饭均可利用。适用于广大农村。

4.7 一体化建筑光伏电池

在建筑围护结构布设光伏阵列发电。系统一般由光伏阵列(电池板)、墙面(屋顶)和冷却空气流道、支架、负载、蓄电池、逆变器、系统控制、滤波保护等装置组成。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可使建筑外观更具魅力。光伏系统还可与公共电网并网。光伏-建筑一体化有以下优点：①光伏阵列一般安装在屋顶或墙面，无需用地或增建其他设施，对于土地昂贵的城市尤其重要。②所发电力既可供给本建筑物，也可并入电网。在阴雨天、夜晚时，可由电网供电。光伏阵列和公共电网共同供电，增加了供电的可靠性。③夏季日照最强时，由于大量制冷设备的使用形成电网用电高峰。而这时也是光伏阵列发电最多的时候。从而缓解电力需求高峰。④避免了化石燃料发电导致的空气污染和废渣污染。⑤安装简便，且可任意选择发电容量。

5 结语

我国太阳能给水建筑开发利用的过程中也存在一定的问题，如国家没有明确的规范，建设单位缺少积极性，另外，太阳能给水热水器与建筑缺乏统一性，破坏建筑外观也是一个很大的问题。因此，我国应做以下工作:一是在现行国家规范节能标准中，加入太阳能给水利用的有关章节，并作为强制性条文。二是发展多层次太阳房，以满足不同的需要。对不同类型的建筑、不同经济发展地区，区别对待。高档太阳房具有采暖、空调、供热水和供电等功能;中档太阳房可以利用太阳能给水提供热水和部分电力;低档太阳房采用太阳能给水热水器。三是发展具备建筑装饰效果的新型太阳能给水器件，在建筑设计中优先使用，实现太阳能给水系统与建筑的一体化。目前，可挂于外墙，具备装饰效果的彩色太阳能给水热水器推出，充分代表了这一发展趋势，设计师应对此进行深入的研究。

[1]《民用建筑太阳能给水热水系统应用技术规范》(GB50364-2005)

[2]《居住建筑与太阳能给水热水系统一体化设计、安装及验收规程》(省标J10807-2006)