高层建筑中太阳能与建筑一体化的应用
王成勇 张丽 李洪勇 王福德
（皇明太阳能股份有限公司）
摘要：针对现在高层建筑太阳能与建筑一体化和太阳能利用的难题，以蔚来城节能示范小区为例，介绍了通过太阳能与建筑同时设计和施工，实现高层建筑的太阳能与建筑一体化，同时介绍了高层建筑小区如何利用太阳能满足生活热水、制冷、采暖需求，实现建筑节能的目的，为太阳能在高层建筑上的利用拓展更大空间。
关键词：高层建筑 太阳能与建筑一体化 建筑节能
1 前言
由于安装朝向、位置和空间的限制，太阳能热水器的应用主要集中在农村及中小城市地区。在城市的低层和多层建筑中，太阳能的应用技术已经非常成熟，同时多地也已出台政策鼓励甚至强制在12层以下新建建筑中安装使用太阳能，因此在建造低层和中层建筑时人们会选择太阳能来满足基本的热水需求。然而在城市化高速发展的今天，越来越多的居住建筑成为高层或小高层建筑，集热器安装在楼顶存在一些问题，如屋顶面积有限、管路长、热损大，并且会引发高层屋顶所有权的纠纷等。同时考虑到太阳能的美观、与建筑的一致性、安全性以及技术限制，太阳能的推广应用处于低迷状态。本文介绍了高层住宅建筑——蔚来城小区的太阳能综合利用，该小区充分利用高层建筑朝阳的南立面和屋顶飘板位置，实现太阳能与建筑一体化完美结合，并实现利用太阳能来满足生活热水及建筑的制冷、采暖的部分需求。
2 工程概况
蔚来城节能示范小区位于德州市新城区，天衢路以南，三八路以北，河东大街以西。小区总用地面积：121633.00㎡，总建筑面积：382820㎡（含车库68467㎡）。该项目分三期实施。一期已2010年12月份交付使用，二期主体已完工。项目一期完成4栋楼，建筑面积6.3万㎡，共计324户。安装太阳能集热器总面积3496.7㎡。建筑阳台及立面安装分体式太阳热水系统来满足家庭生活热水，建筑楼顶飘板安装太阳能系统，通过与地源热泵技术的耦合，满足小区的采暖制冷需求。
图1 蔚来城正面照片
3 南立面集热系统设计
南立面集热系统设计理念是收集原本被浪费掉的照射在建筑南立面上的太阳能，产生热水，供生活使用。在高档小区的建筑南立面和阳台多采用大理石、墙砖和玻璃等作为装饰，来彰显小区的稳重、大气、华丽。而蔚来城小区则将墙面集热器和阳台集热器安装在建筑南立面，使集热器作为建筑墙面装饰的组成，成为建筑的一部分，美观大方，实现建筑美观与功能需求的完美统一。
图2 立面集热器安装照片
3.1墙面式集热系统
墙面式集热系统设计将墙面集热器安装在阳台之间墙面外侧的挑板上，将300L水箱统一放置于墙面集热器后面的挑板之上。墙面式集热器又分为外挂式墙面集热器和内嵌式墙面集热器。外挂式墙面集热器为34支1.9米真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为2153mm×2960mm，轮廓采光面积为5.396㎡；内嵌式墙面集热器为32支1.8米真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为2030 mm×2760 mm，轮廓采光面积为5.076㎡。这两种形式的墙面集热器，是两种不同形式的太阳能与建筑结合的集热器安装方式，能够达到相同的功能需求，根据建筑外观设计需求和结构预留选择。
图3 外挂式墙面集热器安装图
图4 内嵌式墙面集热器安装图
蔚来城一期共安装了170套外挂式墙面集热系统和36套内嵌式墙面集热系统。墙面式集热系统采用温差强制循环方式，选用U型管墙面太阳能集热器为集热元件，每天为用户提供300L热水。同时，每个系统都配有室内机保证即开即有热水，在阴雨天太阳能不够时，能开启2.4KW电加热确保热水使用，整个系统采用影屏智控系统实现系统可控全自动运行。
3.2阳台壁挂式集热系统
阳台壁挂式太阳能热水系统分为一步台式阳台太阳能热水系统和阳台式太阳能热水系统两种。一步台式太阳能集热器安装在建筑一步台外墙，采用3片12支2.1米的真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为994mm×1990mm，轮廓采光面积为1.876㎡；阳台式太阳能集热器安装在封闭阳台外侧，采用2片15支2.1米的真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为1234mm×2290mm，轮廓采光面积为2.356㎡。
图6 阳台式集热器安装图
阳台壁挂式太阳能热水系统主要由集热器、贮热水箱、影屏智控系统、室内机及其管路配件组成。蔚来城安装68 套阳台式太阳能热水系统和50 套一步台式太阳能热水系统，贮热水箱安装在阳台内。太阳能热水系统类型为温差强制循环系统，采用U 型管太阳能集热器为集热元件，每天为用户提供300L热水。而且在每个系统都有室内机保证即开即有热水使用，在阴雨天太阳能不够时，能开启2.4KW 电加热保证用户用热水。影屏智控系统集电视、多媒体影音以及太阳能智能控制仪表于一体，可实现系统可控全自动运行。 4 屋顶飘板太阳能系统设计
在屋顶架设飘板钢结构，钢结构之上安装太阳能热水系统，好似巨龙在天，翱翔天际。飘板太阳能热水系统收集太阳能用于小区部分的采暖与制冷需求。太阳能采暖与制冷系统由太阳能集热器系统、储热水箱、溴化锂吸收式制冷机组、管路配件及控制系统组成。太阳能集热系统采用20支2.1米真空管的热管型太阳能集热器，集热器外形尺寸为2277mm×
1606mm，轮廓采光面积为2.90㎡。太阳能集热系统共选用集热器504台，分成6套系统，总轮廓采光面积1461㎡；2台温水型吸收式制冷机,单台制冷功率141KW；2个9吨储热水箱，分别是集热水箱和防过热水箱。自动控制系统采用PLC控制，实现系统自动运行。太阳能空调制冷、采暖系统为2#楼东单元和中单元约7500㎡提供冬季采暖、夏季制冷。
系统运行：集热器安装在建筑屋顶飘板上，集热器收集的热量通过板式换热器换到集热水箱内，产生高温热水。夏季制冷时，83℃～88℃的高温热水由水泵输送至吸收式溴化锂制冷机，机组产生7℃～12℃的冷冻水送入分水器,采用风机盘管系统进行室内的制冷。溴化锂吸收式制冷机组的冷却水通过地源热泵系统地埋管侧土壤进行换热。冬季采暖时，集热器收集的热量通过板式换热器将热量换到集热水箱内，集热水箱的热水通过循环泵和板式换热器直接给用户冬季采暖。春秋季太阳能产生的热量用于给小区中心休闲会所游泳池加热或与地源热泵系统结合，平衡地源热泵能量。秋季蓄存热量,用于提高土壤的温度,提高地源热泵冬季制热效率。蔚来城一期采用太阳能空调和地源热泵耦合制冷采暖系统，与泳池联合运行，解决了大型太阳能系统四季连续运行的难题，对于小区内能源的综合可持续利用发挥了重大作用。
图7 太阳能空调制冷、采暖系统运行流程图
5.工程效益分析
蔚来城立体化的太阳能利用系统，对于整个建筑的增量成本为148.6元/㎡，而大大提升了整个小区的品味和档次，蔚来城作为德州市最高端的小区，已成为人们争相追捧的宠物。
从项目投资回收期来看，是由于采用太阳能系统来提供采暖、制冷和热水，而减少了常规能源消耗，因此节约的费用，通常是用与常规能源煤炭的比较来确定。整个蔚来城一期使用太阳能系统，一年节约标准煤约600吨，按照目前标准煤价格为1200元/吨（由普通煤炭折合而来），每年可节约72万，因此可得此项目的静态回收期约为8-9年。考虑到近些年，煤炭价格持续上涨，尤其是2007年到2008年，一年时间，煤炭价格上涨超过一倍。而在未来，能源需求仍然日益高涨，煤炭等化石能源需求仍不断增加，但是其存储量却在不断减少，因此其价格将继续攀升。因此，此项目的投资回收期还将大大减少。
除了经济效益以外，此项目对于社会效益的贡献更巨大。使用太阳能系统，减少了常规能源的消耗，因此每年可节约标准煤600吨，减少CO2排放1596吨，减少SO2排放13.66吨，减少NOX排放30.47吨。我们无时不刻在进行着碳排放，使我们的环境更加不堪重负，在处处倡导低碳的现在，我们使用太阳能系统，是我们对环境、对社会的巨大贡献。
5.结语
蔚来城项目实现和示范了太阳能在高层住宅项目中的应用，解决了高层建筑应用太阳能的难题，扩大了太阳能的应用领域。蔚来城实现了太阳能与建筑的完美结合，充分利用建筑物的南立面和屋面，把集热器作为建筑物的装饰，实现建筑美观和功能的和谐统一。蔚来城节能示范小区，真正实践了低碳微排节能小区的理念，提供了完美的太阳能与建筑结合的工程解决方案和满足建筑能源需求的工程解决方案。
参考文献
[1] 马最良，姚杨.民用建筑空调设计.北京：化学工业出版社.2003
[2] 何梓年，朱宇，刘芳等.太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能.太阳能学报，2001，22（1）6-11.
[3] 丁国华主编.太阳能与建筑一体化研究应用及实例，中国建筑工业出版社，2007年.
THE SOLAR ENERGY AND THE BUILDING
INTEGRATION OF HIGH-RISE BUILDINGS
Wang Chengyong Zhang Li Li Hongyong Wang Fude
(Himin Solor Co. Ltd.)
Abstract: In view of the puzzle of the solar energy and the building integration of high rise building , taking UTOPIA GARDEN energy-saving demonstration area in Dezhou for an example , we introduce Solar energy and architecture design and construction at the same time and the solar energy and the building integration of high rise building . At the same time , we introduce utilization of solar energy to meet the building hot water, refrigeration, heating demand of high-rise buildings area, realizing the purpose of energy saving. We expand the space of the use of Solar energy in high-rise building.
Key words：High-rise building The solar energy and the building integration
Energy-saving building
作者基本情况表
高层建筑中太阳能与建筑一体化的应用
王成勇 张丽 李洪勇 王福德
（皇明太阳能股份有限公司）
摘要：针对现在高层建筑太阳能与建筑一体化和太阳能利用的难题，以蔚来城节能示范小区为例，介绍了通过太阳能与建筑同时设计和施工，实现高层建筑的太阳能与建筑一体化，同时介绍了高层建筑小区如何利用太阳能满足生活热水、制冷、采暖需求，实现建筑节能的目的，为太阳能在高层建筑上的利用拓展更大空间。
关键词：高层建筑 太阳能与建筑一体化 建筑节能
1 前言
由于安装朝向、位置和空间的限制，太阳能热水器的应用主要集中在农村及中小城市地区。在城市的低层和多层建筑中，太阳能的应用技术已经非常成熟，同时多地也已出台政策鼓励甚至强制在12层以下新建建筑中安装使用太阳能，因此在建造低层和中层建筑时人们会选择太阳能来满足基本的热水需求。然而在城市化高速发展的今天，越来越多的居住建筑成为高层或小高层建筑，集热器安装在楼顶存在一些问题，如屋顶面积有限、管路长、热损大，并且会引发高层屋顶所有权的纠纷等。同时考虑到太阳能的美观、与建筑的一致性、安全性以及技术限制，太阳能的推广应用处于低迷状态。本文介绍了高层住宅建筑——蔚来城小区的太阳能综合利用，该小区充分利用高层建筑朝阳的南立面和屋顶飘板位置，实现太阳能与建筑一体化完美结合，并实现利用太阳能来满足生活热水及建筑的制冷、采暖的部分需求。
2 工程概况
蔚来城节能示范小区位于德州市新城区，天衢路以南，三八路以北，河东大街以西。小区总用地面积：121633.00㎡，总建筑面积：382820㎡（含车库68467㎡）。该项目分三期实施。一期已2010年12月份交付使用，二期主体已完工。项目一期完成4栋楼，建筑面积6.3万㎡，共计324户。安装太阳能集热器总面积3496.7㎡。建筑阳台及立面安装分体式太阳热水系统来满足家庭生活热水，建筑楼顶飘板安装太阳能系统，通过与地源热泵技术的耦合，满足小区的采暖制冷需求。
图1 蔚来城正面照片
3 南立面集热系统设计
南立面集热系统设计理念是收集原本被浪费掉的照射在建筑南立面上的太阳能，产生热水，供生活使用。在高档小区的建筑南立面和阳台多采用大理石、墙砖和玻璃等作为装饰，来彰显小区的稳重、大气、华丽。而蔚来城小区则将墙面集热器和阳台集热器安装在建筑南立面，使集热器作为建筑墙面装饰的组成，成为建筑的一部分，美观大方，实现建筑美观与功能需求的完美统一。
图2 立面集热器安装照片
3.1墙面式集热系统
墙面式集热系统设计将墙面集热器安装在阳台之间墙面外侧的挑板上，将300L水箱统一放置于墙面集热器后面的挑板之上。墙面式集热器又分为外挂式墙面集热器和内嵌式墙面集热器。外挂式墙面集热器为34支1.9米真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为2153mm×2960mm，轮廓采光面积为5.396㎡；内嵌式墙面集热器为32支1.8米真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为2030 mm×2760 mm，轮廓采光面积为5.076㎡。这两种形式的墙面集热器，是两种不同形式的太阳能与建筑结合的集热器安装方式，能够达到相同的功能需求，根据建筑外观设计需求和结构预留选择。
图3 外挂式墙面集热器安装图
图4 内嵌式墙面集热器安装图
蔚来城一期共安装了170套外挂式墙面集热系统和36套内嵌式墙面集热系统。墙面式集热系统采用温差强制循环方式，选用U型管墙面太阳能集热器为集热元件，每天为用户提供300L热水。同时，每个系统都配有室内机保证即开即有热水，在阴雨天太阳能不够时，能开启2.4KW电加热确保热水使用，整个系统采用影屏智控系统实现系统可控全自动运行。
3.2阳台壁挂式集热系统
阳台壁挂式太阳能热水系统分为一步台式阳台太阳能热水系统和阳台式太阳能热水系统两种。一步台式太阳能集热器安装在建筑一步台外墙，采用3片12支2.1米的真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为994mm×1990mm，轮廓采光面积为1.876㎡；阳台式太阳能集热器安装在封闭阳台外侧，采用2片15支2.1米的真空管的U型管集热器，集热器外形尺寸为1234mm×2290mm，轮廓采光面积为2.356㎡。
图6 阳台式集热器安装图
阳台壁挂式太阳能热水系统主要由集热器、贮热水箱、影屏智控系统、室内机及其管路配件组成。蔚来城安装68 套阳台式太阳能热水系统和50 套一步台式太阳能热水系统，贮热水箱安装在阳台内。太阳能热水系统类型为温差强制循环系统，采用U 型管太阳能集热器为集热元件，每天为用户提供300L热水。而且在每个系统都有室内机保证即开即有热水使用，在阴雨天太阳能不够时，能开启2.4KW 电加热保证用户用热水。影屏智控系统集电视、多媒体影音以及太阳能智能控制仪表于一体，可实现系统可控全自动运行。 4 屋顶飘板太阳能系统设计
在屋顶架设飘板钢结构，钢结构之上安装太阳能热水系统，好似巨龙在天，翱翔天际。飘板太阳能热水系统收集太阳能用于小区部分的采暖与制冷需求。太阳能采暖与制冷系统由太阳能集热器系统、储热水箱、溴化锂吸收式制冷机组、管路配件及控制系统组成。太阳能集热系统采用20支2.1米真空管的热管型太阳能集热器，集热器外形尺寸为2277mm×
1606mm，轮廓采光面积为2.90㎡。太阳能集热系统共选用集热器504台，分成6套系统，总轮廓采光面积1461㎡；2台温水型吸收式制冷机,单台制冷功率141KW；2个9吨储热水箱，分别是集热水箱和防过热水箱。自动控制系统采用PLC控制，实现系统自动运行。太阳能空调制冷、采暖系统为2#楼东单元和中单元约7500㎡提供冬季采暖、夏季制冷。
系统运行：集热器安装在建筑屋顶飘板上，集热器收集的热量通过板式换热器换到集热水箱内，产生高温热水。夏季制冷时，83℃～88℃的高温热水由水泵输送至吸收式溴化锂制冷机，机组产生7℃～12℃的冷冻水送入分水器,采用风机盘管系统进行室内的制冷。溴化锂吸收式制冷机组的冷却水通过地源热泵系统地埋管侧土壤进行换热。冬季采暖时，集热器收集的热量通过板式换热器将热量换到集热水箱内，集热水箱的热水通过循环泵和板式换热器直接给用户冬季采暖。春秋季太阳能产生的热量用于给小区中心休闲会所游泳池加热或与地源热泵系统结合，平衡地源热泵能量。秋季蓄存热量,用于提高土壤的温度,提高地源热泵冬季制热效率。蔚来城一期采用太阳能空调和地源热泵耦合制冷采暖系统，与泳池联合运行，解决了大型太阳能系统四季连续运行的难题，对于小区内能源的综合可持续利用发挥了重大作用。
图7 太阳能空调制冷、采暖系统运行流程图
5.工程效益分析
蔚来城立体化的太阳能利用系统，对于整个建筑的增量成本为148.6元/㎡，而大大提升了整个小区的品味和档次，蔚来城作为德州市最高端的小区，已成为人们争相追捧的宠物。
从项目投资回收期来看，是由于采用太阳能系统来提供采暖、制冷和热水，而减少了常规能源消耗，因此节约的费用，通常是用与常规能源煤炭的比较来确定。整个蔚来城一期使用太阳能系统，一年节约标准煤约600吨，按照目前标准煤价格为1200元/吨（由普通煤炭折合而来），每年可节约72万，因此可得此项目的静态回收期约为8-9年。考虑到近些年，煤炭价格持续上涨，尤其是2007年到2008年，一年时间，煤炭价格上涨超过一倍。而在未来，能源需求仍然日益高涨，煤炭等化石能源需求仍不断增加，但是其存储量却在不断减少，因此其价格将继续攀升。因此，此项目的投资回收期还将大大减少。
除了经济效益以外，此项目对于社会效益的贡献更巨大。使用太阳能系统，减少了常规能源的消耗，因此每年可节约标准煤600吨，减少CO2排放1596吨，减少SO2排放13.66吨，减少NOX排放30.47吨。我们无时不刻在进行着碳排放，使我们的环境更加不堪重负，在处处倡导低碳的现在，我们使用太阳能系统，是我们对环境、对社会的巨大贡献。
5.结语
蔚来城项目实现和示范了太阳能在高层住宅项目中的应用，解决了高层建筑应用太阳能的难题，扩大了太阳能的应用领域。蔚来城实现了太阳能与建筑的完美结合，充分利用建筑物的南立面和屋面，把集热器作为建筑物的装饰，实现建筑美观和功能的和谐统一。蔚来城节能示范小区，真正实践了低碳微排节能小区的理念，提供了完美的太阳能与建筑结合的工程解决方案和满足建筑能源需求的工程解决方案。
参考文献
[1] 马最良，姚杨.民用建筑空调设计.北京：化学工业出版社.2003
[2] 何梓年，朱宇，刘芳等.太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能.太阳能学报，2001，22（1）6-11.
[3] 丁国华主编.太阳能与建筑一体化研究应用及实例，中国建筑工业出版社，2007年.
THE SOLAR ENERGY AND THE BUILDING
INTEGRATION OF HIGH-RISE BUILDINGS
Wang Chengyong Zhang Li Li Hongyong Wang Fude
(Himin Solor Co. Ltd.)
Abstract: In view of the puzzle of the solar energy and the building integration of high rise building , taking UTOPIA GARDEN energy-saving demonstration area in Dezhou for an example , we introduce Solar energy and architecture design and construction at the same time and the solar energy and the building integration of high rise building . At the same time , we introduce utilization of solar energy to meet the building hot water, refrigeration, heating demand of high-rise buildings area, realizing the purpose of energy saving. We expand the space of the use of Solar energy in high-rise building.
Key words：High-rise building The solar energy and the building integration
Energy-saving building
作者基本情况表