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太阳能利用与建筑结合技术设计方案

时间:2014-02-19 09:53 来源:网络转载 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
太阳能是世界上最清洁、储备最丰富的能源。如果中国能在初见端倪的“绿色革命——太阳能利用”中拔得头筹,那么中国既能解决日益恶化的环境与能源问题,也能为世界经济的发展作出贡献,推动人类社会的重大进步。本文介绍了太阳能热水器与建筑整合设计几个方案太原理。

1、 太阳能热水器与建筑整合设计的概念与一般原则

  (1) 太阳能热水器与建筑整合设计的概念

  太阳能热水器与建筑的结合设计已经历经许多年,但关于太阳能热水器与建筑一体化设计概念至今仍众说纷纭。早期有相当一部分人认为,所谓太阳能热水器与建筑一体化设计,就是太阳能构配件能够达到建筑业所要求的整体化与美观协调,这也真实地反映了太阳能技术与建筑结合初期存在的种种问题。

  然而,太阳能热水器与建筑的结合不会是二者简单的相加。这是由于太阳能热水器与建筑结合有它独特的特点:一是安装部位的限制性。因为太阳能热水器的主要集热装置必须面对阳光,因此决定了安装使用的部位只能在屋顶和南向,东西方向次之,北向基本不行,造成了一定安装局限性;二是太阳能热水器与建筑结合属于一项综合性技术。

  太阳能热水器安装后要既好看又好用又安全,涉及建筑、结构、给排水和电气等各专业,需要在设计初期各专业人员就能良好配合。因此,在设计之初,就需要把太阳能利用纳入到总体设计中,把建筑、技术和美学融为一体,使太阳能装置成为建筑的一部分,相互间有机结合。为了与以往太阳能与建筑一体化的概念有所区别,本文特提出太阳能热水器与建筑整合设计的概念。

  所谓太阳能热水器与建筑整合设计,是指采用太阳能(或与其他能源组合)作为热源,将太阳能热水器的应用技术纳入到建筑设计的全过程,把太阳能热水器作为建筑构件之一,与房屋建筑统一规划、设计和施工,与建筑融为一体,使其成为建筑的有机组成部分。太阳能热水器布置合理、有序、安全,输水管道集中设置,室内看不见明管,充分发挥其环保节能效果。因此,从规划方案到完成施工图设计的整个过程中,要综合考虑建筑所处的地域纬度和气候特点,太阳能热水器的不同类型、技术要求,建筑的造型、平面功能与热水器(集热器)位置、构造节点等因素,做到既符合建筑造型和使用功能,又满足高质量供水要求。

  为了达到整合设计的目的,一定要改变太阳能装置作为后置设备安装这一状态,因此,在设计之初务必要做到将太阳能热水器作为建筑组成的一部分进行考虑,遵循一定的设计原则,这样才有可能实现真正意义上的太阳能热水器与建筑的的整合设计。

  (2) 太阳能热水器与建筑整合设计的一般原则

  太阳能热水器与建筑的整合设计要满足技术和美学两方面的要求,需要各专业的良好配合,一般需遵循意下原则:

  1)充分利用太阳能。由于太阳能热水器的特殊工作原理,集热器必须暴露在阳光下。在设计中不仅应尽量地减少其周围遮挡,而且在造型上也应使其处于比较明显的位置。

  2)太阳能热水系统设计应与规划、建筑设计同步进行,做到统一规划、同步设计、合理布局、因地制宜。

  3)在规划设计中,应结合当地的地理条件,考虑当地地域的气候条件,日照条件等因素来确定和设计建筑的朝向、建筑之间的间距及建筑形体组合,最大限度地满足太阳热水系统设计和安装的技术要求。

  4)在建筑单体设计时,应用太阳能热水系统的建筑要根据建筑功能及对热水供应方式的需求,综合考虑气候、太阳能资源、常规辅助能源类型,施工条件等诸因素,进行太阳能热水系统的选型;进而结合集热器安装部位、贮热水箱位置、用水空间等条件进行相应的平、立面和造型设计。

  5)应用太阳热水系统的建筑,应把集热器应作为建筑的组成元素,与建筑有机结合,做到造型美观、构件耐用、安装维护方便。

  2、 整合设计的一般设计流程及要点

                                         整合设计的一般流程

  (1) 确定太阳能热水器系统的设计条件

  在建筑设计中考虑应用太阳能热水系统,建筑师首先面临的是对太阳能热水系统形式的合理选择。所以除了对太阳能热水设备有初步的了解之外,还要象一般建筑设计一样,首先应该确认的就是影响太阳能热水系统设置的设计条件,因地制宜、优化选用。

  涉及到的具体条件主要有以下几条:

  1) 自然条件

  了解安装地点的纬度、年平均日太阳辐照量、日照时间、环境温度等。

  2) 用水情况

  进行日平均用水量、用水方式、用水温度、用水位置、用水流量等调查。

  3) 场地情况

  这里主要包括场地面积、场地形状、建筑物承载能力、遮挡情况等。

  4) 进行水压、电压、水电等供应情况的调查

  a、了解当地的冷水供应方式、水压及水温。通常冷水系统的供水压力以顶层的卫生器为最不利点考虑,而太阳能热水器最佳的安装位置是在建筑屋顶上,所需要的水压至少比常规的系统高4~5米。

  b、了解当地电以及燃气的供应方式、计费方式等,或考虑其他适宜的辅助热源。

  (2)太阳能热水器的选用

  应用太阳能热水系统的居住建筑,其太阳能热水器的选择应综合考虑小区内不同户型的实用性、经济性、美观性要求,分别选用不同类型的热水系统。其中需要确定的因素主要包括以下几个方面:

  1) 系统运行方式的确定

  太阳热水系统的运行方式,应根据用户基本条件、用户使用需求以及集热器和储水箱的相对安装位置等因素来确定(如下表)。

                                         太阳能热水系统运行方式选用表

  2) 集热器选型

  太阳热水系统中集热器的类型,应根据太阳热水系统在一年中的运行时间、运行期内最低环境温度等因素确定。

  目前集热器主要类型有全玻璃真空管式、热管式和U型管式、平板式几种。集热器在选用的过程中应该对当地太阳能资源条件、环境温度、经济条件、与建筑外观结合程度、维护管理等影响因素进行综合考虑,选用合适的集热器类型,选择方法详见下表。

                                             集热器类型选用表

  3) 集热器面积确定

  系统的集热面积应结合建筑可以提供的安装集热器的面积及所设定的太阳能保证率确定,并保证按照该面积配置的集热器所采集的热量能够被充分利用。通常可以按照生活热水系统的平均R耗热量与每m2太阳能集热器的得热量值之比计算。根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364---2005的规定,按照系统传热类型有两种计算方法:

  a、直接系统集热器总面积

  集热器总面积可以根据用户的每日用水量和用水温度确定,按下面公式计算:


 

  在有些情况下,还可以根据建筑所在地区的太阳能资源条件进行集热器面积的估算。下表给出了系统提供100升热水量的集热器面积推荐选用值。

  4) 集热器的安装

  a、安装倾角的选取

  当选择整体式太阳能热水器或在屋面集中布置分体式太阳能集热器时,为了保证集热装置的集热效率,我们必须计算出其最佳的采光倾斜角度,并在实际设计和安装过程中严格按照这一数据选型、施工。

  一般情况下,由于屋面形式或建筑立面设计的要求,实际集热器的安装倾角通常并非理论计算的最佳数值,但相关模拟计算表明,安装倾角误差为±50的小范围内变动,对太阳能热水器的整体性能影响不大。

  b、集热器前后排距离的确定

  若在平屋面上设计安装多排整体式太阳能热水器(或集热器)时,需要考虑到前后排的遮挡问题,因此必须通过一定的计算得出排与排之间不遮阳的最小间距。

  集热器与遮光物或集热器前后排间的最小距离可按公式计算:

                                                    集热器前后排距离示意图
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