摘要：自地球誕生生命以來，太陽能就成為人類使用的重要能源，隨著科技的進步與社會的發展，太陽能的利用越來越受到社會的重視，太陽能與建筑一體化設計已經成為行業發展的重要設計理念。各地住建部門陸續出臺方案，要求太陽能與建筑同步設計、同步施工、同步驗收，將太陽能作為建筑的部品部件，充分融入建筑。我們通過多年的實踐與探索，在中國科技大學及中國南平鋁業的輔導及支持下，成功開發了一款太陽能與建筑充分一體化的“陽臺護欄式太陽能熱水器”，該項目成功獲得了“住建部低碳技術創新及產業化示范項目”。

　　關鍵詞：護欄式太陽能熱水器;太陽能陽臺熱水器;太陽能與建筑一體化

　　引言

　　隨著國家城鎮化建設的發展，城市樓層越造越高，樓頂的面積已經無法實現全樓層的用戶安裝太陽能的需求，因此太陽能行業已經由傳統的樓頂真空管式太陽能，轉變為陽臺壁掛平板式太陽能，充分利用用戶的陽臺護欄，安裝太陽能熱水器，以達到家庭熱水需求的目的。

　　而此類外掛的陽臺護欄外側的平板集熱器，有相當一部分，未曾形成充分有效的設計，與建筑的結合還是不能達到完美，基于此，從平板集熱器有效地結合陽臺護欄方面入手，將平板集熱器與陽臺護欄有機結合，設計出該款“陽臺護欄式太陽能熱水器”，經過嚴格的設計、討論、檢測、安裝及調試等各項工作后，終于該示范小區已經成功交付，勢將掀起行業的太陽能與建筑一體化應用的升級浪潮。

　　1項目及系統概況

　　1.1項目概況

　　位于安徽省蕪湖市的某地產開發住宅項目“沁園小區”(項目名稱)一期11-17號樓，共計462戶，從項目設計之初，我司與該項目設計院共同研究討論，將太陽能熱水器融入建筑設計，最終于2018年4月份順利驗收交付。

　　1.2設計依據

　　本項目依據國家標準GB50300-2013《建筑工程施工質量驗收統一標準》的基本原則以及GB/T18713-2002《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》，結合實際情況和工程實踐經驗設計。GB/T20095-2006《太陽能熱水系統性能評定規范》;GBJ15-88《建筑給水排水設計規范》;GB50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》;GB50017-2003《鋼結構設計規范》;GB50009-2012《建筑結構荷載規范》;GB50096-2011《住宅設計規范》;GB50352-2005《民用建筑設計通則》;GB50368-2005《住宅建筑規范》;JGJ113-2015《建筑玻璃應用技術規程》;GB5009-2012《建筑結構荷載規范》;GB5011-2016《建筑抗震設計規范》;GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》;GB/T6424-2007《平板型太陽集熱器》;GB50057《建筑物防雷設計規范》。

　　1.3設計參數

　　1.3.1自然氣象參數

　　安徽省東南部，長江三角洲平原腹地，亞熱帶濕潤氣候，光照條件充足，平均溫度15~16℃，日照時數2000小時左右;33°傾斜輻照量為18.25MJ/㎡，50°輻照量為17.04MJ/㎡，水平面上年太陽輻照量4200~5000MJ/㎡。

　　(1)該系統的形式與分體式陽臺壁掛太陽能熱水器形式一樣，則陽臺壁掛太陽能熱水器的相應特點，本系統自然傳承，恒溫恒壓供水成為本系統的一大特點。

　　(2)為了與建筑充分結合且更加美觀，我們設計并隱藏了循環管道，添置微型循環泵，提升集熱效果的同時，有效地將管道從預埋的墻體中及護欄欄桿中隱藏。為了減少因集熱器豎直帶來的集熱效果的影響，我們通過增大集熱器面積及添置微型循環泵的途徑，補償并提升集熱效果，故此這成為了系統集熱的一大特點。

　　(3)最終從南外立面看，太陽能與建筑完美結合，造型設計、色調、與建筑預埋件的連接等，均成為建筑的一部分，是本系統最大的特點。

　　1.4與建筑結合的節點設計

　　1.4.1陽臺護欄橫桿與建筑側墻的節點采用預埋的螺栓，加定制鋁合金護套連接的方式。從陽臺側立面混凝土預埋φ12*100的外螺紋螺栓，左右兩個立面各三顆。安裝時套上定制的鋁合金護套，然后螺帽收緊固定。

　　1.4.2陽臺兩端主立桿與建筑水平面的節點在陽臺水平地面，指定位置處(即沒根立桿落腳處)預埋兩根φ12*100外螺紋螺栓，兩根立桿共計四顆預埋螺栓，與立桿內襯鋼管連接固定。

　　1.5負荷計算結果

　　1.5.1結構計算依據及結論

　　計算依據：GB50017-2003《鋼結構設計規范》;GB50429-2007《鋁合金結構設計規范》;GB50009-2012《建筑結構荷載規范》;JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》。A.陽臺太陽能建筑一體化系統的太陽能玻璃集熱板支承框架同時兼作陽臺欄桿。B.計算軟件：PKPM，對構件自重及陽能玻璃板重量作用和風荷載作用分別建模計算。C.荷載取值：太陽能玻璃集熱板總重，0.5kN。D.風荷載取0.45kN/m2，體型系數取1.3，相乘得0.585kN/m2作為面荷載加在太陽能玻璃集熱面板上。E.陽臺太陽能系統欄桿構件均為鋁合金材質，為6063牌號T5，壁厚取2mm。抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為90MPa，抗剪強度設計值為55MPa，彈性模量7000MPa。上述計算取值滿足要求。

　　2維修方案

　　本“陽臺護欄式太陽能熱水器”在設計之初，就強調便于售后維修，一體化護欄，萬一集熱器內側紫銅管流道滲漏，或者多年后集熱板玻璃破損，該如何售后維修，故此經多次設計碰撞及試驗，最終確定基本為裝配式護欄集熱器。首先，護欄主橫桿，由于靠兩端模套固定，而兩側模套又是與墻體預埋件螺栓連接，故此護欄主橫桿可以直接拆卸。其次，當護欄主橫桿拆卸后，我們的太陽能集熱平板就可以從三邊卡套式邊框中向上抽出，這樣集熱平板即可以抽出維修或更換。

　　3優劣勢分析

　　3.1優勢

　　該產品優勢在于與建筑完美結合，相應導熱介質的循環管路全部隱藏在鋁合金護欄的腔體內，且鋁合金的護欄美觀性好、安全性高。為實現上述優勢，我們的產品設計的幾方面難題。一來，平板集熱器通常是80mm的厚度，但是考慮到用戶的舒適度，我們將集熱平板的厚度設計到60mm，這對平板集熱器內側的板芯流道及保溫提出了很高的要求。二來，為了達到平板集熱器與護欄可拆卸連接形式，我們跟南平鋁業集團商議多次開模試驗，最終開出了近十套鋁合金模具。

　　3.2劣勢

　　太陽能集熱器完全垂直安裝，存在集熱效率低的問題，有其是夏季太陽高度角較大，集熱平板所得熱效率較低，但畢竟是夏季，環境溫度較高，而上午6:00-10:00時段及15:00-19:00時段的陽光，集熱器足以將熱量傳遞至水箱，滿足熱水洗浴，實踐證明滿足用戶需求。冬季相對太陽能照射角較小，雖然其輻照強度不如夏季，但是就平板集熱器而言，冬季光照時段較長，同樣可以滿足洗浴熱水的熱量需求。

　　因為“陽臺護欄式太陽能熱水器”中的平板集熱器是垂直安裝，我們采取了兩方面有效措施來提升集熱效果。一方面，我們通過增大平板集熱器集熱面積，通常100升水箱需要1.8㎡以上集熱面積，而我們實際采用的是2.4㎡以上的集熱面積。二者，強制微循環泵的增加，也大大增加了集熱板芯內的介質循環次數。這兩者也是設計時考慮對垂直集熱器安裝缺陷的補償方式。

　　4系統節能環保效益與經濟效益分析

　　根據國家標準GB/T50801《可再生能源建筑應用工程評價標準》的規定，結合測試數據得出本項目的節能環保效益如表所示：按照每平方米每小時集熱量按一般情況2.88MJ(800W·h/㎡)以上(較好情況約為1000W·h/㎡以上，日照強度最好時集熱量可達1300W·h/㎡以上——標準值)全年平均日照8小時計算，當地有效應用時間300天。則2.88MJ/㎡熱量×41%系統效率×8小時×300天×(2.52㎡×462戶)=3299363.02MJ。根據標準值：每噸標準煤的熱值是29308MJ，每噸標準煤燃燒時產生2.62噸二氧化碳，產生0.0085噸二氧化硫，則3299363.02MJ÷29308MJ=112.6噸標準煤。減少二氧化碳排放約計294.75噸。減少二氧化硫排放約計0.96噸。經濟效益：0.8kW·h/㎡熱量×41%系統效率×8小時×300天×(2.52㎡×462戶)=916489.73kW·h現居民用電價格為0.54元/kW·h=494904.45元/年。

　　5論證與推廣

　　(1)產品經住建部門委托專家進行論證。經多次與本項目設計院交流探討，認真考慮護欄相關標準及圖集，我司向當地住建部門提出申請，對款產品的功能性及安全性進行論證并準予推廣。自2017年末到2018年初，住建部門先后兩次組織專家對該款產品進行論證，最終確定為“該太陽能集熱板作為陽臺護欄的功能性完備，安全性可靠”。相應主辦的市圖紙審查中心審查合格并建議住建部門予以推廣。(2)該款產品在“第十四屆中國國際太陽能熱利用品牌博覽會”舉辦的“2017年中國太陽能熱利用與多能源互補新產品交流展示活動中”榮獲“創新獎”。

　　6總結

　　伴隨著太陽能建筑應用規模的迅速發展，我國的太陽能建筑應用水平在不斷提高，從屋頂真空管式到陽臺壁掛平板式，再升級到本實用案例的“陽臺護欄式太陽能熱水器”的應用形式，我國的太陽能建筑一體化應用已經進入新時代，再與可實現的家居“職能化”的相結合，我們的未來生活將更加美好!

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