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    太阳能系统与建筑的集成方式及功能影响

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2.1集成的要求、内容和程度
太阳能系统(如果没有特别指出在本文中均为主动太阳能系统)安装在建筑上的初始目的是改善建筑物的能源供应构成(增加供能总量、改用洁净能源)和保持意外情况下能源供应的稳定性。但是,当太阳能系统和建筑的设计没有协调到彼此适应得势候,建筑原有的功能和太阳能系统的能效都将受到削弱,同时一些不必要的成本也得以滞留。这些问题涉及到建筑的功能设计、结构安全及寿命、热工性能、景观,太阳能系统的产能、转换效率、可维护性等多个重要方面。因此,解决好二者的功能冲突和成本重叠,一方面维持各自的正常工作状态,一方面降低建造成本,是太阳能建筑集成设计的基本要求。
当然,对优秀太阳能建筑的要求不应止步于此。考虑到太阳能系统的特点,除了改善建筑能源结构之外,在热工性能和景观方面还有可能进一步改善建筑功能。这些不必增添成本就可以实现的功能,称为太阳能系统集成于建筑时产生的外部效果。如何扩大这类外部效果,是太阳能建筑集成设计的较高要求。
集成设计工作包括如下内容:
1)太阳能系统的选型。
2)集光器的形态、在建筑上的安装部位以及连接构造。
3)平衡设施(控制器、逆变器)和蓄能设施(蓄电池、水箱)的布置场所。
4)管井布置、孔洞预留以及维护与检修平台布置。
其中,集光器与建筑的功能冲突为明显,解决为困难,是近期集成研究的重点,本文所讨论的集成方式,也正是指集光器与建筑的集成方式。
按照集光器与建筑集成紧密程度的依次递增,可以将集成方式分为加层式、架空式、支架式、叠合式与复合式。集光器的建筑部件化是目前集成工作的热点,但这一热点却造成对太阳能系统与建筑一体化的一种误解,认为集光器与建筑的紧密程度越高,集成的效果就越好。其实,过分追求集成的紧密程度并不能全面缓解太阳能系统与建筑在功能上的冲突,甚至可能由于构造过于复杂导致成本过高和使用不可靠。经过多年的努力和实践检验,常规的建筑材料、结构和一些经常采用的构造,已经能够很好地解决建筑荷载、防水排水、热工性能等多方面的问题,并且成本远比太阳能系统构件低廉。因此,在集成方式上应该充分继承这些成果,而不要盲目以太阳能构件对其进行替代。另一方面,由于集光材料价格昂贵,使用寿命相对较短,本不应与便宜而使用寿命长的常规建筑材料及结构进行难以分离的集成,否则,在进行更换时,原本可以继续使用的部分将被迫废置。总之,集成效果的好坏与集成的紧密程度并不具有正相关关系,应根据功能必要、技术可行、经济合理的原则选择集成方式。
2.2以程度划分的集成方式
2.2.1加层方式

加层方式可令屋面避免直接暴露于降水以及炎热季节的直射辐射之下,因此采用这种方式的主要目的是希望获得太阳能的同时能够在屋面形成休憩平台,如图2-1所示。其主要特点是:
1)集光器的姿态可根据需要确定、其材料可自由选择,因而建筑处理灵活、能效高。但总体坡度不宜过大,宜布置在小倾角状态下工作为主的光伏集光器。
2)适合植物生长、维护以及布置小品,拓展了屋面作为休憩空间的功能,扩大了用户的室外活动场所。
3)减少反复热胀冷缩产生的疲劳与长期日晒雨淋产生的老化、开裂,显著延缓防水层失效。
4)遮蔽太阳直射辐射并有利于通风、散热和隔热,实际效果则随不同的建筑热工设计分区而异。
5)炎热季节可以借助气流降低光伏电池背面温度,减少发电效率的降低。
6)不利于承受较大的风荷载,在强风地区应谨慎采用。
7)支撑结构费用稍高,屋面的绿化和小品布置也需要额外费用。
虽然加层是为宽松的集成方式,与建筑的集成程度低,但可使屋面功能得到丰富和优化,因而显著提高了屋面的性价比。在平屋面上,其余几种方式很难同时满足技术和景观要求,因此一般首选加层方式。
这种方式的构造相对简单,但支撑结构体量在所有集成方式中是大的,为了避免对屋面结构层和防水层的影响以及降低热桥作用,对于拟建建筑,宜采用钢筋混凝土柱和在斜梁上辅以预埋螺栓作为支撑结构;而对已建建筑进行太阳能主动利用改造时,宜采用混凝土基座—预埋螺栓—轻钢结构作为支撑结构,为了减少屋面构造层在基座下端产生过大变形以致破裂,可在基座下加混凝土垫板,如图2-2所示。不应采用破坏防水层的膨胀螺栓固定方式和直接将轻钢结构与屋面结构层钢筋相连的方式。

2.2.2支架方式
支架方式是为了在平屋面和平缓的坡屋面上使集光器的姿态符合技术要求而采用的方式,常见于早期在屋面集成的太阳能系统,当成规模安装时,常将支架单元在屋面组合成锯齿阵列或者在墙面组合成百叶阵列。这种方式的特点如下:

1)在太阳高度角hs较小时,屋面后排支架单元受到前排遮挡,如图2-3a所示;而hs较大时,墙面下排支架单元受到上排遮挡,如图2-3b所示。因此支架单元能效虽高,但组合成阵列后能效降低。这一缺陷在冬季尤其明显,不利于热水系统。
2)屋面阵列不能遮挡夏季正午附近时段的太阳辐射,不利于夏季炎热地区屋面阻隔辐射得热和通风散热,且无助于延长防水层寿命。
3)墙面阵列的支架单元要求集中连续布置,否则造成连接线缆过长,电力的线路损失增加,使光伏系统的能效降低。
4)户用单元布置散乱,阵列姿态单调,对建筑视觉效果负面影响很大。
5)构造简易,成本低廉,寿命期结束后容易更换。
在建筑墙面上以支架方式布置光伏遮阳构件可兼具发电与遮阳的功能,又不影响冬季采光,实现了光伏系统的安装部位由屋面至墙面的拓展。
支架方式早期的应用常见于对已有建筑的屋面进行主动利用太阳能的改造,尤其是户用的太阳能系统。由于不合理的设计和施工会对建筑造成明显负面影响,因而集中暴露了早期太阳能系统集成于建筑的通病。但通过防水排水、抗风、防雷及减弱热桥作用等方面的设计改进,对于景观要求不高的屋面以及需要在屋面也布置中央热水系统的建筑可以采用。
2.2.3架空方式
架空方式是指集光器与屋面或墙面围护结构平行隔开一定间距,中间形成通风层(井)或排水通道的方式。其特点如下:


1)在炎热季节中,利用通风层(井)中热压差产生的气流散热,必要时也可以在出入口处安装电驱动小功率排风扇,以降低电池背面的温度;同时避免围护结构直接吸收辐射而过分升温。这在夏季炎热地区的屋面十分有效,如图2-4a所示。
2)在寒冷季节关闭通风层(井)的进出风口,同时打开围护结构上与室内相连的进气口,有利于室内得热。在强风条件下也要关闭通风层(井)的进出风口,可避免破坏,如图2-4b所示。
3)集光面姿态与围护结构相同,看起来只是加厚了围护结构,对建筑外形影响不大,当建筑外装饰材料昂贵时,集光器是很好的替代装饰。但集光面姿态也受到围护结构限制,能效通常有所降低。
4)屋面宜采用晶体硅电池或真空管;墙面不宜布置大倾角的光伏电池,如果一定要布置,也好采用非晶硅电池,一方面因为这种材料在太阳辐射较弱的条件下也能发电,另一方面其单位面积成本也更低。
5)若在屋面布置太阳能热水系统,则系统中往往会设置部分水平管道,妨碍屋面排水。采用架空方式可避免这些管道妨碍排水。
这种方式体现了太阳能系统利用成熟被动技术改善围护结构热工性能的优点,但设计和施工工艺相对复杂。在纬度较低、需要隔热的地区布置在屋面更好;而在纬度较高、以保温为主的地区,如果建筑前方没有遮挡,则可以布置在南墙面。散热通风井的长度应保证产生足够的热压差。
2.2.4叠合方式

叠合方式是指集光器与建筑围护结构紧贴在一起的集成方式,仍以建筑围护结构完成集光器不具备的部分围护功能,如图2-5所示。由于集光器背面紧贴围护结构,散热有困难,因此真空管或平板集光器更适合采用这种方式,而光伏集光器若采用该方式必须首先解决背面散热的问题。该方式特点如下:
1)热水系统的集光器叠合于南墙面即构成特朗布壁(Trombewall)[29],只不过不是将辐射能储存在厚重的墙体里,而是储存在保温水箱里供使用;在采暖期长、南墙面辐射条件好的地区还可以与低温热水辐射采暖地板相连,如图2-6所示。
2)对于一个圆柱面,如果一束垂直于圆柱中心线的入射光围绕该中心线转动,则不管入射光从哪个角度射过来,圆柱面上接受的光都是一样多。因此,只要集光器的真空管之间保证有足够间距,则整个集光器在不同hs下接收辐射的面积就不会减少。圆柱面这种能够自动适应入射光角度变化的特性,使得真空管集光器不管是在平屋面、坡屋面还是在墙面上都可较好地吸收入射光。
3)如果采用平板集光器,虽然在墙面能效不如真空管集光器,但其保温层可改善围护结构的保温及隔热性能。
4)若不希望炎热季节产生过量热水,则叠合于屋面的集光器倾角一般较大,不便于在较平缓的屋面上满铺,仅适合在屋脊、檐口上部、女儿墙等处进行局部叠合。
5)由于辐射热能主要被储存在保温水箱中而不被围护结构所直接吸收,因此屋面的热水系统不仅较冷季节可做特朗布壁,炎热季节也可作为水冷系统保持屋面温度不致过高。
6)紧贴于外表面,对建筑几何形态几乎没有影响,并可替代建筑的中高档外装饰。
这种方式适合在建筑墙面利用太阳能,由于主要采用聚能效率较高的热水集光器(热水集光器效率在50%左右,而多晶硅光伏电池不超过15%),因此对于拓展高层建筑的主动太阳能利用空间意义重大,特别适用于采暖期长、墙面接收辐射条件较好的地区。由于墙面的凸凹变化多、门窗洞口多,同时系统管道多、自重大(含水),因此集成设计和施工工艺比墙面架空方式更加复杂。但无论如何,在利用太阳能的同时还可提高建筑围护结构热工性能,且视觉效果良好,不失为一种高性能价格比的集成方式。
2.2.5复合方式

复合方式是指集光器与建筑围护结构合二为一的集成方式,具有高的集成程度,采用这种方式的主要目的是为了保证太阳能系统在建筑中的美观,如图2-7所示。其特点如下:
1)集光面与所替代的建筑围护面姿态相同,不一定处于较为理想地接收太阳辐射的姿态,集光效率可能会降低。
2)很难在承载力、防水、隔声、保温隔热等功能方面及使用寿命方面以同一成本水平替代常规外墙和屋面。
3)可在屋面、窗户、遮阳、阳台栏板、女儿墙等部位替代原有建筑构件。
4)构造复杂,造成生产、安装和更换都比较困难,仅适合作为建筑装饰的点缀。
2.3集成后的安全
建筑应满足“适用、经济、美观”的要求,其中,“适用”的含义中还包括“安全”。对于安全的研究内容包括如何保证人的生命安全、不损害人的健康、避免财产损失,以及避免建筑功能削弱和设备故障。太阳能系统在人口密集的城市环境中运行,首先应保证人的生命安全和健康。
随着太阳能系统安装规模的扩大,一些安全问题逐渐显露出来。根据近年的应用经验,影响人安全的常见问题包括如下几类:设计承载力不足的问题,渗漏水问题,雷电及电磁辐射问题,坠落问题,管路的老化,破损与设备检修问题,下面逐一分析、讨论。
2.3.1设计承载力不足
建筑对太阳能系统的设计承载力主要考虑自重引起的恒载、上人和风引起的活载。由于目前的绝大多数建筑在设计之初没有明确考虑太阳能系统产生的荷载,轻则导致后来安装的太阳能系统过多消耗了建筑设计承载力的余量,降低其安全系数,重则直接对建筑产生破坏。避免这类问题的方法是在建筑设计时即考虑如何安装太阳能系统。
太阳能系统各部分自重及产生的恒荷载如表2-1所示。其中,自重按常规产品及布置中的大值考虑;表中面积均指各部分在布置平面上的正投影面积,其荷载在设计中要转换成斜投影面积荷载或线均布荷载;支撑钢架面积按集光器面积考虑;恒载分项系数为1.2。

注:1)集光器指轮廓面积,其它指在放置面上投影面积,除非特别标明,表中单位均为kg/m2;
2)除非特别标明,表中单位为kN/m2。
在选择上述各部分的布置部位时要注意建筑结构受力的合理:避免因大规模安装太阳能系统导致整个建筑结构受力不均;支撑钢架支座应布置在屋面结构层下有柱或梁的部位;中央热水系统的水箱应布置在有柱的部位;户用小型水箱应布置在正下方有承重构件的部位,尽量不要悬挑。如果系统部件的集中荷载比较大,还要注意采取增加垫板等措施避免压坏防水层、保温隔热层。
加层集成方式的屋面为若为上人屋面,则活荷载为1.5kN/m2;若设计为屋面花园则为3.0kN/m2;其余集成方式的屋面以及检修平台活荷载为0.7kN/m2;活荷载分项系数为1.4。


《家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》(GB/T19604—2003)中规定光伏电池方阵及支撑结构必须能够抵抗120km/h,即约33.3m/s的风力而不损坏,然而近年较强台风的风速却屡次接近和超过这一数值(2003年的“杜鹃”、2004年的“云娜”、2005年的“海棠”和“麦莎”),包括太阳能系统部件在内的屋面和墙面的附加部分容易遭到破坏,如图2-8所示。因此,需要根据当地的气象条件进行太阳能系统的抗风设计,且风荷载与恒载、上人活载需按不利方式叠加计算其产生的支座反力。在对台风破坏后的调查中发现,当台风来袭时,在建筑墙面迎风面拐角处的附加部分尤其容易遭到破坏,如图2-9所示。当太阳能集光器布置在该部位时,需要重点加固。
2.3.2渗漏
当建筑内部的电力线路老化时,渗漏可能导致一些触电事故,但更为普遍的影响是使室内发霉,不利于人体健康。防水层破坏是太阳能系统集成于建筑的常见问题,产生的原因主要包括:不文明施工致重物对屋面的冲击破坏、在屋面上钻孔、日晒雨淋造成的老化以及反复的昼夜温差和季节温差的温度应力产生的疲劳。如下措施可避免出现渗漏:
1)在设计中,自重较大的太阳能系统不是由屋面板承担,而应由梁、柱承担。
2)文明施工,不使构件、工具撞击屋面。
3)用膨胀螺栓固定集光器时,不宜采用竖向连接,将膨胀螺栓打在屋面上,而应设法采用侧向连接,将螺栓打在女儿墙等竖向构件上。如果必须打在屋面上则需用防水沥青等材料仔细充填,并根据防水材料的寿命定期进行补填。
4)应采用伸缩缝和长圆螺栓孔等构造为反复产生胀缩的构件预留变形空间,支撑结构在防水层附近与建筑主体结构的连接采用滑移支座而非刚接,减少支撑结构变形产生的剪力,如图2-10所示。

5)避免屋面长时间接收高强度的直射辐射(主要是指夏季正午附近的直射辐射)。
为进一步减小渗漏的可能,各集成方式应有组织排水,且降水停止之后围护结构不能长时间处于潮湿环境之中。措施如下:
1)加层集成方式中集光器下缘应设置天沟,不宜采用自然落水。
2)支架集成方式中,支架单元下缘架空300mm,以利通风和排水。
3)架空集成方式中,在日低气温稳定在0℃以上之后,应打开通风层(井)两端关闭的进出风口,待通风层(井)内部干燥后再行关闭,防止春季发霉。

4)在任何情况下,集光器之间及与支撑结构和围护结构之间的连接和接触构造上都要避免产生毛细管,否则会形成不易散失的积水。叠合集成方式尤其要避免出现此类问题,因为采用这种方式的集光器与围护结构之间的积水很难散失,如图2-11所示。


太阳能系统与建筑各个部分的寿命不同,寿命较短的部分需要及时拆除更换。表2-2给出了太阳能系统常见构件的一般使用寿命。如果考虑到功能性折旧,部分构件的寿命可能还要缩短。显然,不同构件寿命到期的更换可能导致建筑裂缝的出现,因此,系统各构件之间及系统与建筑之间的连接宜采用能够重复拆装并在此过程中不损及建筑结构的设计。
2.3.3雷、电及电磁辐射
目前住宅防雷设施防护总有效率一般在80%左右,防雷设施的设计一般也很少考虑对太阳能热水器的防护,因此,在交付使用后有可能因为在建筑物顶部安装太阳能系统而失去防雷作用。一旦出现雷暴天气,集光器尽速边框就可能使雷电沿着水管、内置电加热器的电源线及信号线等金属设备进入室内,损坏设备、引发火灾甚至人员触电死亡。
雷电对于人类的危害一般分三种:直击雷、雷电波侵入和感应雷击。直击雷是指雷电直接击中建筑、树木、大地、防雷装置或人体;雷电波侵入是指雷电对架空线路和金属管线作用,雷电波可能沿着这些管线侵入屋内,危及人身安全或损坏设备;感应雷击是指雷电放电时,在附近导体上产生的静电感应和电磁感应,它可以使金属部件之间产生火花而损害设备。在城市运行环境下,太阳能系统引发的雷击事故以感应雷击为主,约占80%。
要减少雷击隐患,须按《建筑物防雷设计规范》(GB50207—1994)规定要求增设太阳能系统的避雷装置。一般而言,可采用如下措施:
1)水箱外壳宜采用彩钢板代替不锈钢板,以降低其导电能力。
2)集光器在接避雷针或避雷带时,其金属架(座)应做接地处理;若不在接避雷针或避雷带的保护范围内,除其金属架(座)做接地处理外,还应单独装设避雷针,避雷针应至少离热水器3m,并应高出热水器顶部1.5m,使其在避雷针的保护范围内。
3)入室的金属管道应按要求在相应的部位做接地和等电位连接。
4)安装在楼顶的集光器的电源线、信号线均应采用金属屏蔽保护,以防感应雷击。
5)室内应在漏电开关后端增设电源的电涌保护器,一方面防止从导体传导下来的雷电流损坏太阳能系统的电加热和水位、温度监测显示系统,控制系统,另外一方面可防止雷电流通过该电源线路反馈到电源系统,损坏其他家用电器。
除了雷击以外,处于正常工作中的电加热器、光伏阵列的电缆及接头也有可能造成触电事故。可采取如下措施:
1)对于电加热器,好设定一个保护装置,使电加热器在使用热水的过程中即使水温过低也不启动。
2)将光伏系统电缆穿在PVC管里,避免暴露在阳光之下过早老化,同时要避免管内积水。
3)光伏电缆的各接头应做好绝缘,避免直接裸露造成的雨淋或误触。
4)逆变器、控制器应设有专门的操作间。需要注意的是,人体长期处在强磁场中不利于健康。因此,设有大功率电力设备的操作间应远离人们经常活动的位置,其电磁辐射可初步参照工作室以外的磁场强度小于0.2这一标准[30]。
2.3.4集光器的坠落
不论是热水系统还是光伏系统,其集光器均属于脆性构件,可能因为某些原因碎裂,并且不论是在屋面还是在墙面,均有可能导致坠落伤人事故。
有些太阳能热水系统选用热管真空管,水循环采用强迫循环方式。这种在整个使用寿命期内,只要有一次在太阳辐射比较强的时候水循环中断,热管真空管内的相变传热工质就有可能产生高达几十个大气压的压力,使真空管炸飞坠落伤人。由于水的强迫循环是通过电泵完成的,因此如果采用这类系统,必须有确保在整个使用寿命期内系统不断水、断电的措施。在水、电供应不稳定的地区,推荐采用直接以热容量很大的水作为传热工质的真空管系统,这样,即使出现短时间的水、电供应中断也不致于出现真空管坠落伤人的事故。
对集光器的撞击是使其坠落常见的原因,包括人和物两个方面:人的误动作、冰雹及上方坠落的杂物、由风等原因引起的随机出现的杂物等。
人对集光器的撞击主要集中在集光器的内侧,因此以集光器代替某些建筑围护构件并不可取,比如阳台及较低的窗台,如果外面安装了集光器,在内侧就应有必要的防护构件。目前,较好的集光器已经可以抵御一定大小(直径在25mm以下)冰雹的撞击,为安全见,在容易出现冰雹的地区,集光器上方应设置防雹网。为了防止施工安装和使用行为(包括空调安装、花草养殖和衣物晾晒等)中出现坠落物,要在相应的部位设置围护构件,这样的设计在容易出现大风天气的地区尤其必要。尽管如此,大风还是会卷起一些杂物,使集光器遭到随机的撞击,但从集光器的防雹能力可以看出,这些动能不大的杂物一般不会导致布置于建筑墙面集光器的连锁破坏。
2.4检修通道及平台
如果在房屋建成以后再考虑太阳能系统的管线、平衡设施、蓄能设施和检修空间的布置,则可能产生如下问题:
1)管线过长,使得热水系统保温成本增加,或者光伏系统线路损失增加,降低太阳能系统能效。
2)管线直接曝露于室外空气和太阳辐射之下,更容易产生机械破坏、锈蚀和保护层老化。
3)管线布置破坏原有建筑围护结构(例如必须在已经做好的屋面、楼面及墙面上开孔),降低其保温、隔声和防水性能。
4)缺乏维护检修空间与设施(需要固定在结构上的扶梯、挂钩、滑轮,以及清洁用水的龙头等),缺乏防止集光器在损坏后从高空坠落的挡板,不能保证检修人员与行人的方便和安全。
5)影响已经设计好的室内布局,破坏建筑外观。
因此,尽管太阳能系统与建筑集成研究的焦点是在集光器方面,但若想使太阳能系统真正集成于建筑物并保证在以后运行过程中的可维护性,则管井、孔洞和平台的布置必须通过早期介入建筑设计解决。这些设计内容包括确定与建筑水、电的连接方式,确定水管和电缆孔洞、平衡设施布置空间、水箱布置空间、检修管井及平台的尺寸和位置。基本的布置原则如下:
1)电缆和水管不直接曝露于太阳辐射及雨水之下,尽量延缓其老化。
2)必须做好热水管保温,并且要尽量延缓保温层的老化及破损失效。
3)光伏集光器之间及集光器与逆变、控制器、蓄电池之间的电缆尽可能短,避免过大的电力损失。
4)管线与管线之间、管线凸起物之间以及管线与检修井、墙壁等构筑物之间要保证足够的人员操作空间、机具施展空间和构件更换空间,具体可参照有关施工手册[31]。检修平台尺寸要便于操作人员活动,其部位与数量根据所控制的集光器或管线范围确定。
5)有必要的检修维护辅助设施,包括能够方便获得清洗用水的龙头、锚固钩、滑轮、通达检修部分的楼梯等。
6)有必要的防止人为破坏的设施和标识。
7)管线、管井、户用水箱应尽可能在设置诸如墙角、结构柱、吊顶等不影响室内外视觉效果和功能的部位处。
8)与给水系统连接方式要符合通常的功能和安全要求,具有严格的防渗漏措施和渗漏后防止危害扩大的措施,严禁与电气线路与弱电线交叉并行,穿越主卧室、储藏室、烟道、风道时要有方便的检修口,墙内不能有接头,具体可参照有关施工手册[31]。
9)与市电连接方式应保证各相功率的均衡,控制器、逆变器应布置在温度、湿度适宜和保证通风的房间,并远离经常使用的房间,具有避免电力事故、电磁辐射和噪声干扰的安全保证措施。
10)方便监控,若控制器不采用远程控制,至少也要易于通达,以减少人力成本。
2.5集成后的热工性能
2.5.1对建筑热工性能的不利影响
2.5.1.1热桥
很多太阳能集光器的金属支撑结构是通过预埋件与混凝土中的钢筋相连。在这种情况下,金属支撑结构实际上显著增加了导热路径,形成热桥,弱化了对建筑与环境之间热量出入的控制。有学者认为,即使进行了外保温处理的外墙,有预埋件部位局部的传热系数也是无预埋件部位的5倍多[32]。考虑到目前已经安装的集光器(包括集热器和光伏电池)支撑金属构件大多缺乏保温或隔热措施,其热桥效应应该还要明显。
根据不同的建筑部位可以灵活选择减弱热桥的手段:在屋面上,可以在保温(隔热)层之上设置混凝土基座及垫板,使集光器的支撑结构不直接与结构层钢筋相连而在基座上生根,从而阻断导热路径;可以以钢筋混凝土构件取代钢构件作为支撑结构,由于普通钢筋混凝土的导热系数为1.74W/(m•K),而钢材为58.2W/(m•K),可显著弱化热桥作用。在墙面上,无法有效阻断建筑围护结构与集光器支撑结构之间的热传导,但可以将金属支撑结构隐藏到集光器背面以弱化其对流与辐射换热,必要时可将围护结构与集光器之间的空气层封闭。
2.5.1.2多余热量负担
由太阳能系统引起的围护结构外表面过热主要出现在屋面。当屋面采用支架集成方式时,光伏电池在环境温度达到35~40℃并且太阳辐照度达到800~1000W/m2的时候,其背面温度可以达到50~55℃。由于支架单元阻断了屋面表面主导风向上的(通常为南北方向)的对流散热,但又不能阻隔正午附近时段太阳的直射辐射,因此既不利于电池散热,在夏季炎热地区又没有充分减轻隔热负担。若采用通风不良的架空或叠合方式,则温升还要明显。
为加强屋面支架集成方式的通风散热,可使支架单元沿东西向间隔布置,且前后排采用错列式以减少旋涡区,如图2-12所示;此外,还可用基座将支架下部架空,同时采用通透的女儿墙。如果采用的是加层或者通风良好的架空方式,一般不会因太阳能系统加重屋面外表面的过热。

对于居住建筑而言,冬季是主要的热水使用季节,并且需要更多的热量来产生同等数量的热水,但绝大多数热水系统的集光器却设计为能够在夏季获得比冬季多得多的热水。在这种情况下,热水不能及时用掉,造成温度持续上升,较高温度的热水会造成系统效率下降(从而产能闲置),会加重建筑的冷负荷,以及容易产生水垢。
由于夏季太阳高度角比较大,因此可以让热水系统的集光器采用有利于冬季工作的大倾角姿态,以减少过量热水的产生。对于冬季工作的倾角,规范推荐采用当地纬度加10º[33],但考虑到夏季的辐射照度也比较大以及建筑墙面构件的倾角限制,可以采用加20º以上的倾角(冬季佳工作倾角为纬度加23.5º),以使热水集光器兼顾冬季能效和美观[34]。
2.5.2对建筑热工性能的有利影响
2.5.2.1保温及隔热层的共用
近年价格相对低廉的平板集热器由于防冻问题得到了比较满意的解决,因而全年都可以使用。平板集热器的构造如图2-13所示,当采用叠合方式集成于建筑围护结构表面时,其保温层同时可以作为围护结构冬季的保温层和夏季的隔热层。对于夏热冬冷地区居住建筑的节能设计,要求屋面和外墙传热系数K分别小于1.0W/(m2•K)和1.5W/(m2•K),目前集热器的保温层采用20mm的聚苯乙烯泡沫板,尚不能满足节能设计要求,但若采用硬质无氟聚氨酯泡沫塑料(K≤0.02W/(m2•K))做保温层,则分别有20mm和15mm即可满足要求。

2.5.2.2流体的蓄热与散热
围护结构通常采用聚苯乙烯泡沫板作为围护结构的保温或者隔热层,这种隔热层的缺点是一方面在较冷季节不利于对太阳能辐射的吸收,另一方面在较热季节对围护结构的太阳辐射得热只能延缓而不能反射或散失,同时也不利于夜间的散热。但是,如果与热水系统配合使用,则可以弥补这些缺点。

作为一种极好的蓄热材料,水在建筑中很早就作为被动利用太阳能的工质在使用,其做法包括屋面水池和在南窗处放置外面涂黑水桶的太阳能吸热壁,如图2-14所示[29]。但绝大多数的设计要么在冬季hs比较小的状态下聚集的热量不足,如屋面水池;要么白天聚集的热量容易在夜间散失于室外,如普通吸热壁;水的蓄热能力并没有得到充分发挥。然而,对于主动热水系统来说,一方面可以选择有利的工作姿态以获得更好的集热效率;另一方面蓄热后的水可在保温水箱或采暖地板中存起来避免热量在夜间的损失,十分符合太阳能吸热壁的技术特点。这种太阳能吸热壁特别适用于辐射条件好、采暖期长的地区,但如果仅从采暖保温方面考虑,在辐射条件稍差同时采暖期较短的夏热冬冷地区推广,则还需进一步降低价格。

外表面覆盖了集光器的围护结构在夏季显著减少了对太阳辐射热的直接吸收,从而有效降低了在围护结构上形成的综合温度。这种设想已经在很多空气供热项目中得到实现,如图2-15和2-16所示。将空气供热系统中的集热器换成热水或者光伏集光器,也可以获得类似效果。由此节约的制冷耗电量,可进一步提高主动太阳能系统作为维持室内热舒适设备的经济性。

光伏电池背面的发热也可在冬季利用。前曾述及,夏季在墙面上可采用架空集成方式,利用热压差产生的气流散热。如果在冬季将这种构造中的进出风口关闭,同时在白天打开围护结构上与室内相连的进气口,可将热空气引入室内,特别是屋面产生的热空气可以被动改善北面房间的热舒适状况。于是光伏电池产生的电和热都可以得到有效利用,参见图2-4b的分析。
总之,将太阳能系统中的流体(热水和电池背面的空气)利用起来,既可以在冬季蓄热,又可以在夏季散热,对于降低维持室内热舒适的能耗具有明显作用。
2.5.2.3透光量控制
平板集热器和光伏电池均可以设计成遮阳挡板,只是由于有利工作姿态的不同,集热器好作为东西向阳光(太阳高度角相对较低)的挡板,而光伏电池好作为南向阳光(太阳高度角相对较高)的挡板。
对于有采光要求的部位,也可以通过百叶或者点阵构造使部分直射阳光透过,如图2-17a—2-17c所示。热管真空集热管由于具有柱面结构,其有效接收太阳辐射的截面积不随太阳高度角的变化而减少,因而可以平行或基本平行于外墙布置,只要合理确定相邻真空管间间距,即可成为具有较高集热效率的百叶遮阳构造。如果光伏电池的衬底采用透明材料,那么没有布置硅片的部位可以透过阳光,而不透光的硅片共同构成遮阳点阵,并可利用点阵的疏密来控制透光量。百叶或点阵构造的遮阳特点是:可将多余的辐射能转为有效利用的能量,且透过的光谱没有变化,因而不失真,但不透光点阵的遮挡使室外景观显得不完整。



另一类具有采光功能的遮阳方案是采用半透明的光伏电池材料做遮阳构件,虽然目前转换效率不高,使用寿命也不长,但价格有很大的下降潜力。除此之外,也有采用电致变色和光致变色材料做遮阳构件的,这类材料的颜色可随光强的增大而加深,能够有效阻挡多余阳光,然而寿命更短。无论是半透明光伏电池还是变色材料,将多余辐射能转换为可有效利用能量的作用都不够强,而且由于某些波长的辐射被吸收,透过的光谱有变化,使室内颜色失真,但不影响室外景观的完整性。
总之,即使对有采光要求的建筑部位,集光器也可以通过对透光量的控制来维持室内的热舒适。
2.6集成后的建筑景观与休憩空间
集光单元及其组合可代替如下关于建筑景观表现的元素:瓦、玻璃(及幕墙)、涂层、贴面、栏杆、挡板等,并通过不同的材料、质感、纹理及色彩形成特殊的景观。在太阳能系统建筑一体化的过程中,两种片面的思路都要避免:一方面厂商设计太阳能产品时片面追求能效和性价比,往往造成产品虽简洁实用,却不能满足多样化的建筑风格;另一方面对已有的建筑构件形式进行简单的模仿则可能会过分降低系统性能。应分析何种构件在所处的工作环境、需要担负的功能、颜色、质感以及形态方面适合太阳能系统,而在尽量不降低性能的前提下完成太阳能构件对各式风格建筑构件形态的模仿,或形成太阳能建筑自身的风格。
此外,在屋面上布置太阳能系统,还可以使这部分空间避免直接暴露于降水和直射辐射之下,从而使屋面具备更好的绿化条件,有利于形成空中休憩平台。这一功能,不但可使城市居民从新的视点来欣赏城市景观,而且对于在城市土地资源日益稀缺和昂贵的条件下开发足够的户外活动空间也开拓了一条有用的途径。
但是,即使是考虑了太阳能与建筑的一体化,太阳能系统的设计也通常在建筑主要的施工过程结束后才开始;稍早一些是在建筑设计基本定型后介入。在这些情况下,太阳能系统可能会对建筑景观和环境景观造成不利影响。这些影响容易让业主、开发商、物业管理部门及建筑师反对太阳能系统在建筑中的利用。
2.6.1集成后容易产生的景观问题
1)户用热水系统的集光器布置散乱、简易的支架、外挂或者与集光器连为一体的水箱等系统构件对建筑景观的适应性处理不足,导致与建筑的融合感差。
2)集光板颜色以灰、蓝为主,质感以玻璃为主,过于单调,即使少量多晶硅电池可加工成彩色,但又会明显降低发电效率。边框、支架颜色以银灰色为主,质感以金属为主,过于单调。
3)集光单元的工作特性决定其形态只能以平面和多个小柱面组成的平面为主,并且多个集光单元的组合形态以锯齿阵列、平面阵列为主,很少看到曲面组合,面元素的形态不够丰富,限制了在建筑中的运用。
4)集光器的安装部位主要集中在屋面,而对在同样具有安装潜力、且景观效果更好的墙面却考虑不多。即使是考虑了,也往往受到关于阳台、窗等构件思维定势的限制,缺乏对这些构件的功能及形态的取舍和变化,造成集光器的安装部位既不够、又分散,不能以足够的体量和多变的组合形成景观。
5)城市住宅间距较小,又往往有低绿化率的限制。宅旁高大乔木长成后可能高达5~6层楼,树冠的展开范围也很宽。这种情况往往在太阳能系统安装时被忽视,若干年后,乔木对安装在墙面上的集光器会产生严重遮挡。
2.6.2关于景观的集成要点
太阳能系统与建筑在景观上的融合要从完整性、形态、颜色和质感这几方面统一考虑,并应进行主动设计,在建筑设计方案阶段就介入,其要点如下:
1)支架、水箱、管线等尽量采用隐藏方式,水箱与集光器分离。
2)集热单元可以是由一维曲线和一维直线组成的曲面形态,如图2-1所示;但集电单元不宜采用曲面组合,因为这样会使电池组各支路输出功率不同而造成串并联的困难。
3)采用尺寸得当的集光单元,集光瓦片等尺寸过小的构件会增加切割和封装的成本,但有利于更换;而尺寸过大的构件在承受荷载方面可靠性不高,并且一旦损坏则浪费严重。
4)为保证系统构件的使用要求和对建筑装饰的适应性,可仿照贴面木制家具的思路,将边框的装饰部分与围护部分分离,以寻求质感和颜色上的变化。
5)建筑墙面构件功能上寻求适当转移(例如,可将部分构件关于观景的功能转移至空中休憩平台,从而缩小这些墙面构件的体量。),形态上寻求变化,为集光器留出具有足够体量的安装空间。
6)建筑本身的形态特点和周围环境使得并非任一部位都具有同样好的条件或者以同一种方式利用太阳能。在建筑不同部位的太阳能系统其视觉效果可能不同,因此,不可呆板地强求一律,应根据集光单元组合的疏密、部位及图案上的变化形成具有个性的景观。
7)南墙附近尽可能布置灌木,其生长极限高度应在3楼以下;而在没有集光器的东、西、北墙面附近,布置较为耐阴的乔木,并控制其生长高度,使其地面投影处于集光器正常工作时建筑的阴影区之内。
2.7各集成方式中的优势方案功能比较
在五种集成方式中,屋面加层、屋面架空、墙面支架、墙面叠合和墙面复合是比较合理的方案,这些方案的功能特点概括见表2-3。

2.8本章小结
本章首先归纳了太阳能系统与建筑集成应满足的要求以及相应集成设计的工作内容,提出了“集成程度”的概念,认为集成效果的好坏并不取决于集成程度。
根据集成程度由低到高的顺序,将已有的具体集成方式归纳为加层、支架、架空、叠合和复合这五类,对各类方式的采用目的、特点及适用条件进行了分析,明确了建筑和太阳能系统在各种集成方式中的相互影响与集成后果。在集成安全方面,讨论了可能产生的安全隐患及其对策,提出了与集成相关的检修通道、管井和平台的设计要点;在建筑热工性能方面,讨论了如何利用太阳能系统改进建筑的热工性能,以及如何避免太阳能系统对建筑热工性能的不利影响;在景观方面,讨论了如何避免太阳能系统对建筑景观产生的不利影响,如何因太阳能系统的集成而拓展建筑的景观、休憩功能,使集成太阳能系统的建筑成为一种新的城市景观。
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