1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、研究背景

20世纪70年代以来，世界性的能源危机导致了世界各国对节约能源和开发利用可再生能源的重视[1]。在常规能源越来越紧张和环境污染不断加剧的双从压力下，大部分国家加快了对新能源开发和利用的步伐。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已成为当前国际开发和利用领域中的重点。这也推动了太阳能热利用，特别是太阳能技术迅速的发展。面对能源匮乏的严峻形式，国家鼓励和扶持在新建节能改造中采用太阳能等可再生能源[2]。

在太阳能的利用中，人们利用太阳能热水系统提供生活热水，这可以大大的节约能了费用减少居民的生活开支，太阳能热水系统有诸多的优点受到大众的欢迎。在我国随着农村人口向城市涌入的现象，城市居民的大量增加，城市住宅朝着高层的趋势发展，在高层住宅建筑中运用太阳能系统将会变成太阳能热水工程主要运用的场所。太阳能热水系统与住宅建筑一体化是今后的必然趋势，解决太阳能热水系统与建筑一体化的问题必须根据不同的建筑设计相应的太阳热水系统。由于我国人多地少，中高层住宅将是大中型城市的主要住宅类型。解决中高层住宅建筑太阳能热水系统是太阳能热水系统与住宅建筑一体化的一大发展趋势[3]。

太阳能集热板的类型也有好多种类型，比如说平板式和真空管式，对于平板式和真空管式的优缺点不同他们运用的地方页会有所差别，平板式太阳能集热器更适合于斜屋顶或屋顶桁架。然而对于垂直面,由于受到太阳直射角度的限制,真空管的集热效率比平板式更高。真空管集热器是由循环管组成,可以嵌入在阳台板之间和不同方向窗户的适当壁表面(水平或垂直)。应用在一体化的建筑设计和太阳能热水系统中,它有着形状和大小方面的优势[4]。

下面是一些平板式和真空管式太阳能集热器的图片。如下：

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平板式太阳能集热器

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真空管式太阳能集热器

平板式太阳能热水集热器的利用的一个例子就是英国的ARK学校，这所学校运用平板式太阳能集热系统来提供学校学生的热水供应，这大大的减少了一些能源的利用，不仅节能而且环保[5]。太阳能热水器的研究在世界各国中展开，各国的科学家对太阳能集热器的研究不断地深入。例如，对于集热装置在夜间吸收不到太阳的辐射，太阳能热水器中的存水的温度会有所降低，各国的科学家对于运用到太阳能中的材料进行了研究，#160;1976年Chauhan#160;and#160;Kadambi#160;，1982年#160;Garg#160;and#160;Rani，1984年#160;Sodha#160;等人，1992年Hamdan#160;and#160;Jubrab#160;，1996年Kaptan#160;and#160;Kilic#160;；1997年#160;Mohamad#160;；2000年#160;Mohsen#160;等等。这些科学家都在研究各种类型的集热太阳能系统。采用特殊树脂的玻璃纤维吸热板在集热方面的的性能上都表现的相当不错，人们在这种材料上进行了一系列的测试研究[6]。

#160;#160;在上世纪90年代和本世纪初，真空管太阳能集热器已经成功的商业化了。到2010年时，世纪范围内的太阳能集热器的安装容量已经达到56%[7]。最广泛采用的全玻璃真空管是没有插入金属片单依靠热虹吸循环实现管与水箱之间的循环的。然而有一种真空管，它是在真空管中插入金属翅片。简单的插入金属翅片作为另一个系统，可以降低传热原件的传热效率，降低系统的效率[8]。改进后的系统能够维持温度的冲击，这种改进过的太阳能集热管已经被广泛的应用到工业项目上来提供低温热水[9]。在新一代太阳能温度采集器的研究发展中，使用非成像追踪温度轨迹的研究应用中，他们现在处于从示范到产业规模化阶段的一个过渡阶段，这将太阳能的利用上展现出了一个广阔的前景。#160;#160;#160;#160;#160;#160;

#160;#160;#160;#160;还有一种槽式的太阳能集热器，在美国的亚利桑那州的凤凰联邦监狱中，联邦监狱局（FBP)完成了1584平方米（17040平方英尺）的拋面太阳能热水器的安装运营系统的一个实验室。对这种的实验研究表明，该系统能够可靠的提供热量，只有轻微的操作问题。这项研究得到了美国政府的大力支持，这在新能源开发利用上和减轻能源危机都带来了巨大的意义[10]。

对于各种性能的集热器的效率等一系列的问题需要讨论和解决。各国的科学家们运用了一些软件来模拟集热器的效率和分析集热器的数值。TRNSYS线性的模拟了太阳能集热器的热水器的应用。它有效的模拟了安装在屋顶的太阳能集热器的吸热能力。该系统在澳大利亚四个不同的城市采用典型的气象参数仿真模拟了集热器的效率。TRNSYS通过澳大利亚四个不同城市仿真模拟的开发，对模拟的准确性进一步的优化[11]。这些模拟软件都是为了提高太阳能效率的一种研究方法。太阳能集热器热效率将会越来高。

得力于有较高效率的太阳能集热器，太阳能系统才被有效的利用到建筑当中来给住户提供热水资源。最广泛的太阳能应用是住宅热水和供暖。今天，单一家庭住宅中太阳能热水产量占主导地位。因为他们在经济上被证明是经济可行的。随着太阳能平板集热器和虹吸式太阳能集热器已广泛安装在住宅和商业楼宇之中。2006年，在美国和瑞士太阳能系统的安装容量为每1000个人27千瓦时，呈现出惊人的47%的增长[12]。#160;#160;#160;

二．课题研究的目的和方法

#160;#160;2004年，我国一次能源生产量达18.46亿吨标准煤，一次能源消耗总量达到19.7亿吨标准煤，一次能源自给率达90%，我过生产和消耗总量约占世界能源生产和消耗总量的11%，成为世界第二大能源生产、消耗国。同时，我国能源消费结构以煤炭为主，是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭以成为我国大气污染的主要来源[13]

然而在发展当中，这些常规能源有限性及使用中对环境造成危害，让人们不得不面对前所未有的威胁和挑战，这促使人们越来越多的关注可再生能源。这促使人们关注能源的长远价值与社会价值，而不仅限于眼前利益和经济价值，也促使人们在越来越广的范围内，考虑到自己建设行内的取向。从长远角度看走可持续发展之路，已不是一种选择而是一种必然[14]。

#160;#160;#160;众所周知，太阳能是取之不尽用之不竭的无污染能源。太阳能技师一次能源又是可再生能源。它丰富又可以免费使用，又无需运输，且对环境无污染。大力推广太阳能技术对改善环境有着非常重要的意义。在我国太阳能的应用非常广泛，到2002年底，我国已累计拥有太阳能热水器达4000万㎡左右，居世界第一[15]。

#160;#160;#160;我国燃料资源储藏以煤比较丰富,#160;但人均拥有量较低。电力生产仍以火力发电为主,#160;燃煤发电的比重高达80%以上,#160;发电煤耗量占全国煤炭产量的50%以上。电力工业能源利用效益水平相对落后,与世界先进水平相比差距较大[16]#160;。

我国太阳能资源非常丰富,#160;年平均日照时间大于2200#160;h/a,#160;太阳年辐照度总量高于5#160;016#160;MJ/m2的地区占我国国土面积的66。7%以上。丰富的太阳能资源为太阳能热水器的发展、推广和普及提供了良好的资源基础,#160;其中平板型、真空管太阳能热水器的年均增长率为25%[17]。

节能是建筑未来发展的主题和重点[#160;18]#160;,#160;深化太阳能利用是解决建筑高能耗问题以及节约能源的有效途径之一[#160;19～#160;23]#160;。常规热水器的高能耗是热水加热技术发展的缺憾[#160;24]#160;,#160;太阳能热水器能降低电力的高峰负荷,#160;减少木材、煤炭、燃油等燃料的消耗[#160;25、26]#160;。开发、生产高品质的太阳能热水器产品是热水器技术发展的主题和方向。

太阳能热利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越大。在欧洲，过去10#160;年来太阳能热水器的增长率一直保持在18%左右，预计未来十年增长率会达到23%。欧盟提出到2010#160;年安装1#160;亿m2#160;太阳能热水器的规划，欧洲太阳能学会预算2020#160;年欧洲太阳能热水器应用高达14#160;亿m2[27]。但欧洲的太阳能热水器行业发展与中国有许多不同。

#160;#160;#160;#160;太阳能热水器作为可再生能源利用的重要组成部分，在中国市场的发展取得了长足的进步。虽然没有政府补贴和强制性的市场要求，但实现了较好的商业化运作。截止到2005#160;年底，我国太阳能热水器保有面积达7500#160;万m2，居世界第一；年生产量达1500#160;万m2，总产值150#160;亿元，已经形成了从全玻璃真空集热管、主机到配件的太阳能热水器产业链。

三、太阳能系统在建筑中的应用

#160;#160;#160;#160;随着经济的发展，城市化进程的加快和人民生活水平的提高，我国各地的城市建筑面积急剧增加，建筑面积的增加也导致供热与制冷所需能源的快速增长，目前我国的建筑能耗已占整体能耗的20%。未来，我国的建筑能耗占整体能耗的比例将超过30%，因此建筑节能将是整个社会的重点。

#160;#160;#160;#160;另外，传统建筑采暖主要靠煤和油来提供，这不仅造成能源的巨大浪费，也给环境保护带来了巨大的压力。在全球经济迅猛增长的浪潮下，我国建筑市场竞争要求越来越高，不少公共建筑产品投产运营不仅要看重建筑质量和安全性，同时也要兼顾成本、建筑风格、设计理念等。特别是当前市场准入背景下，建筑行业间的竞争已经走向价格之间的竞争，强调精打细算，更为重视节能、低碳、环保设计理念的应用，一方面通过绿色设计可以减少工程总投成本，另一方面也能高度满足建筑市场下生态环保和产业经济增长的可持续发展要求。文章主要以绿色建筑设计作为阐述视角，探讨了公共建筑绿色设计遵循原则与设计中需要注意的一些问题[28]。

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#160;#160;3.1合理设计

#160;#160;#160;在城市建筑中运用太阳能热水器时，在太阳能集中热水供应系统的设计当中，合理的针对设计过程进行探讨，并且针对楼层的特征，给予合理化的构建，是全面提升设计以及使用效果的关键点所在。太阳能热水系统是一种使用清洁能源的新型节能系统。近些年以来利用太阳能制备生活热水的工程应用有了很大的发展。而在实践的操作当中，为了更好的针对设计合理性进行提升、针对设计的具体流程进行规划和管理，相关部门制定出了相关的设计规范手册以及设计指导，同时提供了一些设计的计算公式以及参考的系统型式、设计的参数标准等，为太阳能热水系统的设计工作提供了依据和参考。某些地区利用太阳能设备进行集中的热水制备已经是有了较长时间的历史，但主要用于多层住宅，随着经济社会的发展，中高层住宅的大量修建，一些大型的太阳能集中热水系统，则是在近些年才开始出现。在相关设计的过程当中，还需要很好的结合住宅建筑的建筑特点以及高层或者是中层楼层的特征，来进行全面的考虑和研究，综合的将多方面的影响因素都考虑进去，进而提升设计和使用的效果[29]。#160;

#160;#160;#160;合理选择设计计算参数，太阳能集热系统，集热器产品及配套设备、附件，系统规模，防过热、防冻等措施，以及与建筑等专业的密切配合、精心安装施工，是一个成功的太阳能集中热水供应系统的重要保证。利用太阳能制备生活热水在我国已有很长的历史，但较大型或大型的太阳能集中热水供应系统则是近几年才出现。由于太阳能具有与常规热源不同的特点，其集中热水供应系统也有别于常规。　太阳能热源与常规热源相比，具有低密度、不稳定、不可控3个主要特点。”低密度”即太阳能单位时间内提供的热量很低，也就是加热水的时间长，不可能如常规热源一样冷水一次通过加热器便可达到使用温度。”不稳定”即太阳能一年四季变化，或有或无，因此作为全日供应热水的集中系统，必须备用完整的辅助热源。”不可控”即太阳能集热时很难控制，因此带来了系统不用热水或用热水量少时，太阳能集热的过热处理问题[30]。

3.2集热器类型的选择

#160;#160;#160;太阳能热水器：节能减排，使用费较低，在热效率高、利用率高、水浪费少的情况下，优先考虑。燃气热水器：安装简单、使用方便、浪费少、费用不高。在使用率低、太阳能不便安装时，考虑采用。电热水器：安装简单、使用方便、费用较高。对安装太阳能不合适、不通管道气时，考虑采用[31]。

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3.3辅热及辅热设备

#160;#160;#160;#160;辅助加热设备是相关设计当中的要点和难点。针对辅助加热设备的选择，还需要因地制宜，一般的小型住宅使用的太阳集中热水供应系统当中，大多数都是选择的电力作为其辅助的加热设备，而设计的方式也较为简便，将电热的原件直接的放置进入储热水箱当中，但是此种类型的加热方式缺点也是非常的明显，其加热的方式需要采取一定的防垢措施。而对于一些住宅式的大型的太阳能集中热水供应设备系统，有条件的应采用空气源或水源热泵等设备来进行辅助式的加热，这样可以保证其耐用并且兼具有较强的安全性。

对于太阳能水箱放里在住户家里的太阳能系统,辅助加热选用电最为方便。如果有天燃气条件，#160;也可以选择天然气作为辅助热源.。就国内而言市场上带有电加热的贮水箱很普遍，但带有燃气加热的贮水箱较少。#160;因此建议选择带有电加热的贮水箱。辅助加热功率的选取应根据水箱大小和用户可以提供的电负荷容量选取。可选择的具体大小为1.5#160;kw#160;/#160;2#160;kw/#160;3.8#160;k#160;w#160;/4.5#160;kw#160;等[32]。

3.4安全措施

#160;#160;#160;#160;太阳能热水系统的安全措施主要是防爆、防过热、防冻等。还有防风防雷等安全问题[31]。

#160;针对太阳能集中热水供应系统，需要对防爆、防过热等安全方面的项目，进行全面的设计和技术上的提升，同时，还需要采取一定的防冻措施，使得设备可以在较为寒冷的季节条件之下正常稳定的运行工作。

3.5下面有几个建筑太阳能应用方面的实例分析

#160;#160;#160;#160;#160;国家康居示范小区”#160;翡翠园”第一期住宅工程建设中,#160;全部设计使用太阳能热水系统提供生活热水,#160;根据建筑不同结构和朝向实现太阳能与建筑一体化新技术,#160;并得到了较好的应用。

#160;#160;#160;#160;2002#160;年中房集团南宁房地产开发公司在开始开发国家康居示范小区”翡翠园”#160;时,#160;就朝着把建设为”#160;四节”#160;的示范小区目标进行设计,#160;在节能方面,#160;除了考虑门窗、外墙和屋面使用新型节能材料外,#160;家庭热水供应全部使用太阳能热水供应系统。在节能同时,#160;考虑到生活热水的舒适性,#160;已完成的第一期住宅工程,#160;除别墅的特殊性外,#160;所有建筑均使用具有主管道热水循环设置的中央太阳能热水系统,#160;其中东升阁和东坡阁安装中央承压式太阳能热水系统,#160;创国内的先例。从已竣工住宅楼的太阳能热水系统工程看,#160;有令人满意的地方,也发现了一些新问题,#160;对推动中国太阳能与建筑一体化的发

展起到一定的示范作用。

在”#160;翡翠园”#160;小区的建筑总图已经确定的情况下,#160;在如何设计与实施太阳能与建筑一体化这个课题下。为此,#160;明确在”#160;翡翠园”#160;实施太阳能与建筑一体化的理念,#160;即”#160;在不破坏和影响建筑的外观与结构情况下,#160;利用建筑的现有条件设计与安装太阳能光热系统,#160;使太阳能光热系统成为建筑整体的一部分,#160;同时达到节能和满足使用功能的目的”。

根据太阳能与建筑一体化的理念,#160;太阳能热水系统是建筑整体的一部分,#160;因此,#160;在建筑设计的同时必须考虑太阳能热水系统的同步设计,#160;使太阳能热水系统与建筑达到和谐统一。

太阳能热水系统运行方式的确定直接影响和决定太阳与建筑的结合方式,#160;可与建筑结合的运行方式主要有三种:分户集热、分户使用(即每户安装一台独立的太阳能热水器)、中央太阳能热水系统和集中集热分户使用(还分直接式与间接式)[33]。

#160;#160;#160;#160;如何使太阳能设备与建筑完美结合，#160;不破坏建筑的外观及室内管路系统，并且使太阳能系统正常运行，是摆在太阳能厂家、房地产开发商及建筑设计院面前的一个难题。要达到真正意义上的结合，即太阳能设备作为建筑的必备构件安放在建筑上，还需要多方的共同努力。

#160;#160;#160;#160;安徽蚌埠”#160;山水华庭”一期工程太阳能与建筑设计结合的案例为例，在其施工当中出现了设计出的方案与建筑表面不协调等一系列的问题。

目前，太阳能与建筑结合只是作为建筑整体的”#160;后天”附加设施，难免有些不和谐，还不够浑然天成，但作为未来太阳能建筑的雏形，已经具有相当重要的意义。真正意义上的太阳能与建筑结合应该是在建筑的最初设计阶段（#160;不是图纸设计阶段而是在构思建筑造型及功能的阶段）把太阳能利用考虑到建筑的造型及结构中去，使这种建筑不只是传统意义上的建筑与太阳能装置结合在一起，而是建筑为太阳能利用提供载体，太阳能装置美化建筑、提供能源，真正实现”#160;太阳能建筑”这一理念[34]。

3.6太阳能集中热水供应系统设计中的几个问题

#160;#160;#160;#160;针对集热器的总面积进行计算，要确定其中几个关键因素的取值。①日用水量，其中包含有用水的人数以及用水的定额等两个方面的内容，例如，在住宅区域之内，按照目前已经设置有的集中式的热水供应系统的建筑的入住率，进行分析，一般的来讲其平均不超过70%，所以其取值的总人数则需要按照70%进行计算。日用水定额的计算，需要考虑多方面的因素。在设计和取值的过程当中，需要针对住宅设计的实际情况，进行全面的考虑，并且从经济以及能耗的角度入手，进行必要的调整和改进。②针对太阳能保证率的设计，需要很好的考虑到季节的影响因素，在夏季之时太阳能比较的充分而在冬季之时则热量难以满足实际的要求，所以，对于减少集热系统的热量损失途径进行研究：a.要做好管道、设备以及水箱等的保温工作；b.需要很好的避免集热系统过大进而导致集热管道的长度难以满足设计的需求；c.#160;还需要对产品设计以及施工安装等流程，进行严格的监督和控制，力求所有工作都扎实到位[35]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题为设计课题。设计内容为：设计建筑日均10t/d的太阳能热水工程。

设计条件如下：

（1）建筑所在地区为黑龙江哈尔滨市，热水工程需要考虑全年的运行。