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摘要：随着国家对建筑节能要求的不断深入以及人们环保意识的逐渐提高，人们对新建居住建筑的能耗要求越来越严格，包括减小建筑物围护结构传热系数、限制居住建筑体形系数、积极利用太阳能等一系列措施被提出，这其中太阳能应用作为其中重要的一种节能措施越来越被大家所关注；本文重点介绍太阳能热水系统在住宅建筑中的应用, 秉承优先、充分的利用太阳能并提供稳定热水供应的使用原则，探索出合理的、适合住宅建筑推广应用的太阳能热水系统模式，以期供同行参考。
关键词：太阳能热水系统住宅建筑 应用分析
Abstract: along with the country the building energy requirements and the deepening of the people environmental protection consciousness gradually improve the, people on the new residential building energy consumption of more and more strict requirements, including reducing building palisade structure heat transfer coefficient, limited residential building shape coefficient, actively use solar energy and so on a series of measures were put forward, including solar energy application as an important one of a kind of energy saving measures is more and more attention by all; This article introduced the solar energy hot water system in residential construction application, adhering to the priority, the full use solar energy and to provide a stable supply of hot water use principle, and find out the reasonable, suitable for application of residential building solar hot water system model, so as to offer reference to fellow.
Keywords: solar hot water system analysis is applied in the residential buildings
中图分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：
能源是经济和社会发展的重要物质基础。随着我国经济的高速发展，能源需求呈现了一个持续增长的态势，尤其是近年来，我国建筑业迅速发展的同时也带来了建筑能源的迅猛增长。日前，建筑能耗已接近全国总能耗的30%，并将持续增加。随着人们生活水平的提高和小康社会的建设，人们对生活热水的需求量越来越大，在我国发达地区的住宅中其生活热水能耗已占到建筑总能耗的15-20%，而我国既是一个煤炭、石油以及天然气等常规能源消耗的大国，又是个常规能源资源短缺的国家，以常规能源为主的能源结构产生大量的污染物，给我国整体环境造成了巨大的污染，一次性能源为主的能源开发利用模式与生态环境矛盾的日益激化，使人类社会的可持续发展受到严峻挑战。因此，大力开发利用清潔可再生能源---太阳能，是优化能源结构、改善环境、促进经济社会可持续发展的战略之一。
一、目前太阳能热水系统使用现状及集热器性能比较
在太阳能利用领域，包括光电与光热两大部分。其中光热技术是最成熟，应用范围最广泛，产业化发展最兴旺的领域之一，其可靠的技术性能以及明显的经济性能，正日益为大家所接受。在世界范围内我国已是太阳能热水器生产的第一大国，但与发达国家相比，人均集热面积不足0.06㎡，急需在太阳能热水器与建筑一体化的整合发展中寻求突破。
根据集热器中是否有真空空间，太阳能集热器分为平板型集热器和真空管型集热器。几种常见太阳能集热器的性能比较
1、平板型太阳能集热器：平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。平板型集热器的工作原理，是让阳光透过盖板（一般为钢化玻璃）照射在表面涂有高太阳能吸收率涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳能辐射能量后温度升高，一方面将热量传递给集热器内的介质（也可以是水），使介质温度升高，另一方面也向四周散热。由于吸热板与盖板之间存在着空气夹层，会产生对流散热，金属吸热板与金属边框又会产生传导散热，造成集热器的热量损失。
平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、造价适中，还具有抗机械冲击和内外热冲击性能好、承压高、中低温集热效率高等特点，而且，易与建筑结合，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。
平板型集热器也存在着集热快、散热快、效率受环境温度影响大等问题。而且平板型集热器的集热排管内易产生水垢，由于集热管管径较小，一旦被水垢堵住，会妨碍水的流动，降低集热效果。平板型集热器的防冻性能比较差。
图1 平板型太阳能集热器基本结构
2、真空管型太阳能集热器：真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。目前市场上的产品主要分为全玻璃真空管太阳能集热器、热管式太阳能集热器和U型管式真空管太阳能集热器三种。
1）全玻璃真空管太阳能集热器：全玻璃管由内、外两层玻璃构成。内管外表有高吸收率和低发射率的选择性吸收涂层，夹层之间抽成高真空。形状类似一个细长的暖水瓶胆，水注满在内管内吸收阳光被加热。
全玻璃管具有价格便宜、吸热效率高、防冻性能好等特点，适用范围广，可以在低温环境下正常运行。
但是，由于自身结构的问题，可靠性差，如果一根损坏，就会因为该处漏水，而导致整个系统无法运行；抗机械冲击性能差，存在安全隐患，尤其是放在阳台上，一旦炸管或遭到楼上坠物破损，对下面的行人容易造成人身伤害；对设计和施工要求很高，如设计不当或安装不良，会出现爆管现象；再者，系统不能承压。
图2 全玻璃真空管结构示意图
2）热管式真空管太阳能集热器：热管式真空管是近年来开发出的一种金属—玻璃结构的真空管。主要由热管、吸热板金属翼片（带涂层）、真空玻璃管3部分组成，热管是一段两端封闭的盲管。其工作原理是：太阳光透过玻璃管照射到吸热板上，吸热板吸收的热量使金属管内的工作介质汽化，被汽化的介质升到冷凝端，放出汽化潜热后冷凝成液体，同时加热水箱或联箱中的水，介质又在重力作用下流回热管的下端，如此重复工作，不断的将吸收的辐射能传递给需要加热的介质（水）。这种单向传热的特点是热管性能所决定的。为了确保热管的正常工作，热管真空管与地面角度应大于10°。
热管具有承压高、抗内外热冲击性能高、中温式集热效率高热损小、防冻性能好、破管无泄漏等特点。易与建筑结合，便于太阳能建筑一体化设计。
热管是一种效率很高的换热元件，在热管式真空管集热器安装初期，其热效率比较高，但其换热性能会随时间的推移而降低。由于热管内是集热介质，所以不会产生水垢，但在热量的冷凝端，由于热管本身工作原理，该处的温度一般均会超过65℃，与水接触的地方会产生大量的水垢，而且垢层厚度增加很快，极大的降低集热效率。而且，造价高，抗机械冲击性能差，寿命短（一般5~8年），对生产工艺要求严格。
图3 热管式真空管结构示意图
3）U型管式真空管太阳能集热器：U型管式真空管是在普通真空管内，插入U型管（铜管），U型管外包铝型翅片，铝型翅片与真空管内壁接触，起到传递热量的作用。U型管与管路系统、水箱内的换热盘管组成封闭的环路，通过介质的强制循环间接加热。
U型管具有承压高、系统稳定、使用寿命长、热效率较高、爆管无泄漏等特点，可实现间接换热，保证了水质的卫生。但是，U型管造价高，限制了它的大量使用。目前主要用于高档的住宅中。
图4 U型管式真空管结构示意图
二、太阳能热水器在住宅中应用的现状
随着太阳能热水器在城市普及率的不断提高，由事后安装，无序安装这种使用方式所带来的一系列问题与矛盾也逐渐显现。例如影响建筑物外观和城市景观，破坏了房屋的使用功能，无序不规范的安装也产生了一些安全隐患。最大的制约因素是由于大多数住宅小区容积率偏高，住宅间的间距偏小，按日照分析得到的数据，分散的太阳能热水系统，仅住宅高区极少数的楼层能满足冬至日太阳能热水器日照4小时的要求。目前状况是住宅仅仅顶层住户在安装使用太阳能热水器，人均太阳能利用率极低，让每家每户都能享受及充分利用太阳能资源，这正是住宅太阳能热水器系统整合设计所面临与解决的重大问题。
三、太阳能热水器在住宅中的设置位置
从住宅建筑与太阳能一体化的角度考虑，太阳能集热器结合建筑可布置在屋面、墙面、每家每户的朝南的阳台围栏、空调室外机板上等位置，从理论上来讲，太阳能集热器设置在上述位置对低密度独立式或联排式底层住宅都是不错的选择。但依据目前的小区住宅标准、住宅的朝向、日照标准、房屋间距等来看，对于青岛及至全国实际情况来讲，开发商为了达到其最大的经济效益，一般住宅的容积率相对偏高，多层住宅间的间距仅为住宅建筑高度的1.2倍，小高层间距在40米左右。太阳能集热器设置在阳台、空调室外机挑板上、外墙上等位置，多层及高层住宅中低区住户都不能满足《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中每家每户集热器年均每天日照时数不少于4小时的规范要求。即使是住宅高区住户，满足了日照4小时的光照，但由于安装角度的限制，设置在外墙面、檐口、阳台以及建筑雨蓬、遮阳板等位置的集热器，需要补偿一定数量的集热面积，造成一次性投资增加，热利用率降低。另外如何保障集热器的安全防护及住户的安全也是摆在我们面前的一大难题。
分散布置太阳能集热器，除住宅上部能满足上述要求外，多层住宅的下部，高层住宅的中下部大多很难满足要求，太阳能资源的利用率极低。而集中放置在屋面，虽然能满足日照时数的要求，但实际操作中分散式太阳能热水系统每户上下二根管道要增加管道井的位置，尤其是住宅下部至屋面管线过长，要散发大量的热量，并且在使用过程中要放掉大量的管道中的冷水，与节水节能相违背。为了最大限度的充分利用太阳能资源，让每家每户都能享受绿色清洁可再生能源，实用可行的做法，就是将太阳能集热器布置在屋面上，采用集中集热的形式。
四、太阳能集中集热系统的设置原则
（1）太阳能热水系统设计与建筑设计同步进行。集热器应作为建筑的组成元素，应与建筑有机结合，做到造型美观，构件耐用，安装、维护方便。
（2）充分利用太阳能资源，为住户提供安全可靠的生活热水。采用成熟的太阳能热水技术，控制成本，避免复杂的后期运行维护管理。
（3）进行经济技术分析，达到节地、节水、节能、安全、卫生、环保的要求。
（4）集热器及其部件标准化、模式化，便于维修更换。
结束语
当今世界，能源紧缺、气候变化和环境污染等在内的诸多问题日益凸现，已成为各国面临的共同挑战。二十一世纪的中国必须在保证经济持续稳定增长的同时，消除能源消费结构不合理造成的环境破坏和温室气体的过分排放，降低经济发展的真实成本。
综上所述，在目前日益紧张的能源市场，我们应该在新建住宅小区中充分合理地开发与利用太阳能资源。我们希望太阳能热水器厂家能加快技术革新的步伐，推出更节能、更安全、更经济、利用效率更高的太阳能热水器，以促进太阳能应用事业的发展，减少常规能源的消耗，改善居民生活质量，促进环境可持续发展。太陽能热水系统的应用，将具有广阔的市场前景，可观的经济效益与环境保护效益，推动社会经济的可持续发展，符合国家建设节约型社会的要求。
参考文献：
[1]郄昭昭,太阳能集热器与建筑的一体化设计方法初探[J],山西建筑,2007(09).
[2]吕风芹,袁林,太阳能热水器供暖住宅建筑设计应考虑的问题[J],煤气与热力,2002(04)
[3] 杨艳娟；黄旺钦; 太阳能热水器在建筑工程中的应用[J], 黑龙江科技信息,2008(34).
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：太阳能热水系统住宅建筑 应用分析
Abstract: along with the country the building energy requirements and the deepening of the people environmental protection consciousness gradually improve the, people on the new residential building energy consumption of more and more strict requirements, including reducing building palisade structure heat transfer coefficient, limited residential building shape coefficient, actively use solar energy and so on a series of measures were put forward, including solar energy application as an important one of a kind of energy saving measures is more and more attention by all; This article introduced the solar energy hot water system in residential construction application, adhering to the priority, the full use solar energy and to provide a stable supply of hot water use principle, and find out the reasonable, suitable for application of residential building solar hot water system model, so as to offer reference to fellow.
Keywords: solar hot water system analysis is applied in the residential buildings
中图分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：
能源是经济和社会发展的重要物质基础。随着我国经济的高速发展，能源需求呈现了一个持续增长的态势，尤其是近年来，我国建筑业迅速发展的同时也带来了建筑能源的迅猛增长。日前，建筑能耗已接近全国总能耗的30%，并将持续增加。随着人们生活水平的提高和小康社会的建设，人们对生活热水的需求量越来越大，在我国发达地区的住宅中其生活热水能耗已占到建筑总能耗的15-20%，而我国既是一个煤炭、石油以及天然气等常规能源消耗的大国，又是个常规能源资源短缺的国家，以常规能源为主的能源结构产生大量的污染物，给我国整体环境造成了巨大的污染，一次性能源为主的能源开发利用模式与生态环境矛盾的日益激化，使人类社会的可持续发展受到严峻挑战。因此，大力开发利用清潔可再生能源---太阳能，是优化能源结构、改善环境、促进经济社会可持续发展的战略之一。
一、目前太阳能热水系统使用现状及集热器性能比较
在太阳能利用领域，包括光电与光热两大部分。其中光热技术是最成熟，应用范围最广泛，产业化发展最兴旺的领域之一，其可靠的技术性能以及明显的经济性能，正日益为大家所接受。在世界范围内我国已是太阳能热水器生产的第一大国，但与发达国家相比，人均集热面积不足0.06㎡，急需在太阳能热水器与建筑一体化的整合发展中寻求突破。
根据集热器中是否有真空空间，太阳能集热器分为平板型集热器和真空管型集热器。几种常见太阳能集热器的性能比较
1、平板型太阳能集热器：平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。平板型集热器的工作原理，是让阳光透过盖板（一般为钢化玻璃）照射在表面涂有高太阳能吸收率涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳能辐射能量后温度升高，一方面将热量传递给集热器内的介质（也可以是水），使介质温度升高，另一方面也向四周散热。由于吸热板与盖板之间存在着空气夹层，会产生对流散热，金属吸热板与金属边框又会产生传导散热，造成集热器的热量损失。
平板型太阳能集热器是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、造价适中，还具有抗机械冲击和内外热冲击性能好、承压高、中低温集热效率高等特点，而且，易与建筑结合，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。
平板型集热器也存在着集热快、散热快、效率受环境温度影响大等问题。而且平板型集热器的集热排管内易产生水垢，由于集热管管径较小，一旦被水垢堵住，会妨碍水的流动，降低集热效果。平板型集热器的防冻性能比较差。
图1 平板型太阳能集热器基本结构
2、真空管型太阳能集热器：真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。目前市场上的产品主要分为全玻璃真空管太阳能集热器、热管式太阳能集热器和U型管式真空管太阳能集热器三种。
1）全玻璃真空管太阳能集热器：全玻璃管由内、外两层玻璃构成。内管外表有高吸收率和低发射率的选择性吸收涂层，夹层之间抽成高真空。形状类似一个细长的暖水瓶胆，水注满在内管内吸收阳光被加热。
全玻璃管具有价格便宜、吸热效率高、防冻性能好等特点，适用范围广，可以在低温环境下正常运行。
但是，由于自身结构的问题，可靠性差，如果一根损坏，就会因为该处漏水，而导致整个系统无法运行；抗机械冲击性能差，存在安全隐患，尤其是放在阳台上，一旦炸管或遭到楼上坠物破损，对下面的行人容易造成人身伤害；对设计和施工要求很高，如设计不当或安装不良，会出现爆管现象；再者，系统不能承压。
图2 全玻璃真空管结构示意图
2）热管式真空管太阳能集热器：热管式真空管是近年来开发出的一种金属—玻璃结构的真空管。主要由热管、吸热板金属翼片（带涂层）、真空玻璃管3部分组成，热管是一段两端封闭的盲管。其工作原理是：太阳光透过玻璃管照射到吸热板上，吸热板吸收的热量使金属管内的工作介质汽化，被汽化的介质升到冷凝端，放出汽化潜热后冷凝成液体，同时加热水箱或联箱中的水，介质又在重力作用下流回热管的下端，如此重复工作，不断的将吸收的辐射能传递给需要加热的介质（水）。这种单向传热的特点是热管性能所决定的。为了确保热管的正常工作，热管真空管与地面角度应大于10°。
热管具有承压高、抗内外热冲击性能高、中温式集热效率高热损小、防冻性能好、破管无泄漏等特点。易与建筑结合，便于太阳能建筑一体化设计。
热管是一种效率很高的换热元件，在热管式真空管集热器安装初期，其热效率比较高，但其换热性能会随时间的推移而降低。由于热管内是集热介质，所以不会产生水垢，但在热量的冷凝端，由于热管本身工作原理，该处的温度一般均会超过65℃，与水接触的地方会产生大量的水垢，而且垢层厚度增加很快，极大的降低集热效率。而且，造价高，抗机械冲击性能差，寿命短（一般5~8年），对生产工艺要求严格。
图3 热管式真空管结构示意图
3）U型管式真空管太阳能集热器：U型管式真空管是在普通真空管内，插入U型管（铜管），U型管外包铝型翅片，铝型翅片与真空管内壁接触，起到传递热量的作用。U型管与管路系统、水箱内的换热盘管组成封闭的环路，通过介质的强制循环间接加热。
U型管具有承压高、系统稳定、使用寿命长、热效率较高、爆管无泄漏等特点，可实现间接换热，保证了水质的卫生。但是，U型管造价高，限制了它的大量使用。目前主要用于高档的住宅中。
图4 U型管式真空管结构示意图
二、太阳能热水器在住宅中应用的现状
随着太阳能热水器在城市普及率的不断提高，由事后安装，无序安装这种使用方式所带来的一系列问题与矛盾也逐渐显现。例如影响建筑物外观和城市景观，破坏了房屋的使用功能，无序不规范的安装也产生了一些安全隐患。最大的制约因素是由于大多数住宅小区容积率偏高，住宅间的间距偏小，按日照分析得到的数据，分散的太阳能热水系统，仅住宅高区极少数的楼层能满足冬至日太阳能热水器日照4小时的要求。目前状况是住宅仅仅顶层住户在安装使用太阳能热水器，人均太阳能利用率极低，让每家每户都能享受及充分利用太阳能资源，这正是住宅太阳能热水器系统整合设计所面临与解决的重大问题。
三、太阳能热水器在住宅中的设置位置
从住宅建筑与太阳能一体化的角度考虑，太阳能集热器结合建筑可布置在屋面、墙面、每家每户的朝南的阳台围栏、空调室外机板上等位置，从理论上来讲，太阳能集热器设置在上述位置对低密度独立式或联排式底层住宅都是不错的选择。但依据目前的小区住宅标准、住宅的朝向、日照标准、房屋间距等来看，对于青岛及至全国实际情况来讲，开发商为了达到其最大的经济效益，一般住宅的容积率相对偏高，多层住宅间的间距仅为住宅建筑高度的1.2倍，小高层间距在40米左右。太阳能集热器设置在阳台、空调室外机挑板上、外墙上等位置，多层及高层住宅中低区住户都不能满足《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中每家每户集热器年均每天日照时数不少于4小时的规范要求。即使是住宅高区住户，满足了日照4小时的光照，但由于安装角度的限制，设置在外墙面、檐口、阳台以及建筑雨蓬、遮阳板等位置的集热器，需要补偿一定数量的集热面积，造成一次性投资增加，热利用率降低。另外如何保障集热器的安全防护及住户的安全也是摆在我们面前的一大难题。
分散布置太阳能集热器，除住宅上部能满足上述要求外，多层住宅的下部，高层住宅的中下部大多很难满足要求，太阳能资源的利用率极低。而集中放置在屋面，虽然能满足日照时数的要求，但实际操作中分散式太阳能热水系统每户上下二根管道要增加管道井的位置，尤其是住宅下部至屋面管线过长，要散发大量的热量，并且在使用过程中要放掉大量的管道中的冷水，与节水节能相违背。为了最大限度的充分利用太阳能资源，让每家每户都能享受绿色清洁可再生能源，实用可行的做法，就是将太阳能集热器布置在屋面上，采用集中集热的形式。
四、太阳能集中集热系统的设置原则
（1）太阳能热水系统设计与建筑设计同步进行。集热器应作为建筑的组成元素，应与建筑有机结合，做到造型美观，构件耐用，安装、维护方便。
（2）充分利用太阳能资源，为住户提供安全可靠的生活热水。采用成熟的太阳能热水技术，控制成本，避免复杂的后期运行维护管理。
（3）进行经济技术分析，达到节地、节水、节能、安全、卫生、环保的要求。
（4）集热器及其部件标准化、模式化，便于维修更换。
结束语
当今世界，能源紧缺、气候变化和环境污染等在内的诸多问题日益凸现，已成为各国面临的共同挑战。二十一世纪的中国必须在保证经济持续稳定增长的同时，消除能源消费结构不合理造成的环境破坏和温室气体的过分排放，降低经济发展的真实成本。
综上所述，在目前日益紧张的能源市场，我们应该在新建住宅小区中充分合理地开发与利用太阳能资源。我们希望太阳能热水器厂家能加快技术革新的步伐，推出更节能、更安全、更经济、利用效率更高的太阳能热水器，以促进太阳能应用事业的发展，减少常规能源的消耗，改善居民生活质量，促进环境可持续发展。太陽能热水系统的应用，将具有广阔的市场前景，可观的经济效益与环境保护效益，推动社会经济的可持续发展，符合国家建设节约型社会的要求。
参考文献：
[1]郄昭昭,太阳能集热器与建筑的一体化设计方法初探[J],山西建筑,2007(09).
[2]吕风芹,袁林,太阳能热水器供暖住宅建筑设计应考虑的问题[J],煤气与热力,2002(04)
[3] 杨艳娟；黄旺钦; 太阳能热水器在建筑工程中的应用[J], 黑龙江科技信息,2008(34).
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。