1、前言
2023年筆者參與了由廈門市建設與管理局組織的《廈門市太陽能熱利用與建築一體化實施可行性報告》的課題研究，經過近一年的努力，調研、學習總結太陽能熱水系統運用較好的雲南、山東省份的工程經驗，針對廈門太陽能資源及氣候條件的實際情況，提出了在廈門地區太陽能熱利用與建築一體化的可行實施方案，課題針對不同的建築形式提出了在廈門市太陽能利用推薦方案，對今後廈門市實施太陽能熱利用與建築一體化具有科學、實際的指導意義。近幾年筆者多次參與廈門市太陽能試點工程的設計及專家論證會，並對工程進行跟蹤調研，積累了一些經驗。下面筆者就太陽能在民用建築應用技術方面的設計要點進行闡述，供同行參考。
中華太陽能
２、我國目前太陽能熱水系統應用技術現狀
太陽能作為一種可持續使用的綠色能源，在我國已廣泛開發使用，建設部根據國家可持續發展規律戰略要求，已在民用建築中積極推廣使用太陽能熱水器，並在全國範圍內推廣實施"陽光計畫"。近年來，我國太陽能利用雖然取得了很好的節能效益，但在民用建築中太陽能利用往往自成系統，作為建築的後置裝置安裝和使用，即使是新建築，也是簡單的安裝在屋面上。因為早期沒有可執行的相關國家規範，太陽能熱水器在建築上布置極為隨意，未預留管井，無位置隨意占用煙道，集熱器、熱水箱的承載、防風、避雷等安全措施不健全，給城市景觀、建築的安全帶來及不利的影響。
筆者在參觀昆明太陽能利用情況時，看到許多類似的情況，已大大影響了市容市貌和建築安全，致使國內有些城市禁止在建築上安裝太陽能熱水器，並要求拆除已安裝的太陽能熱水器，這些都將制約太陽能熱水系統在建築中的利用。為使太陽能熱水系統安全可靠、效能穩定，與建築和周邊環境協調統一，並規範太陽能熱水系統的設計、安裝和驗收，推動太陽能熱水系統在建築中的利用，近年來國家先後出台了一系列相關規範和國標圖集，有gb/t18713-2002《太陽能熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規範》、gb50364-2005《民用建築太陽能熱水系統應用技術規範》、gb/t20095-2006《太陽熱水系統效能評定規範》、國標圖集06j908-6《太陽能熱水器選用與安裝》06ss128《太陽能集中熱水系統選用與安裝》….及省標j10807-2006《居住建築與太陽能熱水系統一體化設計、安裝及驗收規程》（以下簡稱省標j10807-2006），以上標準都各具特色，特別是國標gb50364-2005是我國第一項有關太陽能熱水系統在建築中應用的國家標準，為我國太陽能熱水系統在建築中推廣應用提供了技術依據。
３、民用建築太陽能熱水系統設計要點及主要設計步驟
《民用建築太陽能熱水系統應用技術規範》中（以下簡稱gb50364-2005）首先強調民用建築太陽能熱水系統設計應納入建築給排水設計中，建築給排水專業人員在太陽能企業技術人員的配合下，依據規範gb50364-2005的要求，對太陽能熱水系統進行設計，同時並應符合國家現行有關標準的要求。
3.1、民用建築太陽能熱水系統設計的基本條件：
根據我國太陽能資源分布情況，福建南部屬於太陽能資源較豐富地區，福建北部屬於太陽能資源一般地區。參照省標j10807-2006表3.1.
2：福建省又可分為i類地區和ii類地區，福州、廈門等城市屬i類地區，太陽能資源較豐富，民用建築宜設計選用太陽能熱水系統。
3.2、民用建築主要基本情況調查：
周圍環境：建築所處地點緯度、年日照時間、年太陽輻射強度、年環境溫度等；
建築功能：最高日熱水量、供水方式、用水溫度、用水點位置等；
安裝條件：場地面積、形狀、建築結構承載力、遮擋情況等；
輔助熱源情況：電價、氣價
3.3、太陽能熱水系統型別的確定：
設計人員應根據建築物以上綜合因素，依據規範gb50364-2005表4.2.6選擇系統型別，選擇其型別、色澤和安裝位置，應與建築物整體及周圍環境相協調。
系統選型舉例：圖（1）太陽能熱水系統對照表4.2.6選擇系統型別即為：集中供熱水系統、強制迴圈系統、間接系統、內建加熱系統、全日自動啟動系統。
3.4、太陽能集熱器型別的確定：
太陽能集熱器的型別有平板型集熱器和真空管集熱器，真空管集熱器又分全玻璃真空管和熱管式真空管。真空管集熱器具有保溫效能好，低溫熱效率高，其吸收係數可達到94～96%，輻射係數小於6%，適合在北方地區使用，國內應用約80%。而平板型集熱器在高溫時熱效率高，低溫時熱效率較低，具有承壓高、熱傳遞效能好等優點，適合在南方地區使用，在國內應用約佔20%，在國外平板型集熱器應用約佔90%。
太陽能集熱器型別的確定應根據系統的特徵、執行時間，執行環境及使用者需求等綜合因素來確定。
3.5、太陽能集熱器面積的確定：
3.5.1直接系統集熱器面積：（根據規範gb50364-2005 公式4.4.2-1）
式中 a c -- 直接系統集熱器總面積，m2；
q w -- 日均用水量，kg；
c w -- 水的定壓比熱容，kj /（kg ·℃）；
tend -- 貯水箱內水的設計溫度，℃；
ti -- 水的初始溫度，℃；
jt -- 當地集熱器採光面上的年平均日太陽輻照量，kj/m2；
f -- 太陽能保證率，%；根據系統使用期內的太陽輻照、系統經濟性及使用者要求等因素綜合考慮後確定，宜為30%～80%；
ηcd -- 集熱器的年平均集熱效率；根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據集熱器產品的實際測試結果而定；
ηl-- 貯水箱和管路的熱損失率；根據經驗取值宜為0.20～0.30。
3.5.2間接系統集熱器面積：（規範gb50364-2005 公式4.4.2-2）
式中 ain --間接系統集熱器總面積，
ac --直接系統集熱器總面積，m2；
frul -- 集熱器總熱損係數，w/（m2·℃）；
對平板型集熱器，frul宜取4～6 w/（m2·℃）；
對真空管集熱器，frul宜取1～2w/（m2·℃）；
具體數值應根據集熱器產品實際測試結果而定；
uhx -- 換熱器傳熱系數，w/（m2·℃）；（該效能引數可由所選產品廠家提供）
ahx -- 換熱器換熱面積，m2。 （該效能引數可由所選產品廠家提供）
3.5.3集熱器面積的簡化計算：(適用於方案設計階段)
式中 as --太陽能集熱器集熱面積， m2;
qrd--設計最大日用水量 ，l/d；
qt --太陽能集熱器單位面積每天產熱水量，l/m2.d （該效能引數由所選產品廠家提供，福建南部地區可按50～70l/m2.d選用）
3.5.4 根據筆者經驗廈門地區集熱器的面積也可按：2.5～3.5ｍ２/戶進行估算。
3.6、太陽能集熱器的設定：
太陽能集熱器是太陽能熱水系統的集熱部件，也是太陽能熱水系統的核心部件。太陽能集熱器位置的設定，不僅影響系統的有效執行，還直接影響到建築的外觀，如何正確選定太陽能集熱器在建築中的位置，是太陽能熱水系統設計的重要步驟。
3.6.1太陽能集熱器的主要設定方式有：
１、在建築的平屋面、坡屋面上
２、在建築的外牆面上
３、在建築的陽台上
3.6.2太陽能集熱器的安全效能：
太陽能集熱器的設定首先應確保建築的安全效能，設計應注意規範gb50364-2005中以下幾點：
1、架空在建築屋面和附著在陽台或牆面上的太陽能集熱器，應具有相應的承載能力、剛度、穩定性和相對於主體結構的位移能力（第4.4.12條）；
2、當集熱器做為建築構件時，如嵌入建築屋面、陽台、牆面或建築其他部位的太陽能集熱器，應滿足建築維護結構的承載、保溫、隔熱、隔聲、防水、防護等功能（第4.4.11條）；
3、安裝在建築上或直接構成建築維護結構的太陽能集熱器，應有防止熱水滲漏的安全保障設施（第4.4.13條）；
4、太陽能集熱器不應跨越建築變形縫設定。3.6.3太陽能集熱器的安裝方位和傾角：
1、集熱器的安裝方位：根據規範gb50364-2005第4.4.7條，集熱器的安裝方位應朝向正南，如受建築物條件的制約，也可選擇偏東南或偏西南方向。
2、集熱器的安裝傾角可按下式確定：
使集熱器全年得熱量最大時，θ＝φ
式中：θ：集熱安裝傾角 φ：安裝地的緯度
當使集熱器的集熱效率在夏季最高，安裝傾角可由當地緯度減10°來確定。即θ=φ-10°去確定集熱器安裝傾角。 當使集熱器的集熱效率在冬季最高，安裝傾角可由當地緯度加10°來確定。
即θ=φ+10°去確定集熱器安裝傾角。 福建省主要代表城市安裝傾角的選擇參見省規j10807-2006附錄表a（冬季使用查考）
例如：福州的集熱器安裝傾角：θ＝φ＋10＝26.05+10＝36.05，設計可按36°取值。
廈門的集熱器安裝傾角：θ＝φ＋10＝24.56+10＝34.56，設計可按35°取值。
3.6.4太陽能集熱器前後排間距：
集熱器的布置應避免受遮擋，與遮光物或集熱器前後排的最小間距應按規gb50364-2005 公式4.4.7計算：
d = h × ctg αs
式中 d --集熱器與遮光物或集熱器前後排間的最小距離，m；n
h --遮光物最高點與集熱器最低點的垂直距離，m；
αs --太陽高度角；
當地春秋分正午12時的太陽高度角（季節性使用）；
當地冬至日正午12時的太陽高度角（全年性使用）。
3.6.5太陽能集熱器的連線：
太陽能集熱器連線成集熱器組的方式主要分三種：串聯、併聯、串並聯
上述例題圖（１）太陽能集熱器的連線即為串並聯連線方式，集熱器的布置原則應依據規範gb50364-2005第4.4.7條第7、第8款設計。
3.7、太陽能熱水系統貯水箱的設計：
1、貯水箱的有效容積可按下式確定：
v=(50～100)as式中：v：貯水箱的有效容積(l) aa：集熱器的集熱面積（m2）
2、貯水箱分開式或閉式，大面積太陽能熱水系統的貯水箱宜設計成開式水箱；中華太陽能
3、貯水箱應具有良好的保溫措施，水箱的材質、管道布置等設計應符合《建築給水排水設計規範》gb50015中有關規定。中華太陽能
3.8、太陽能熱水系統輔助熱源的選擇：
太陽能熱水系統目前常用的輔助熱源有空氣源熱幫浦、電加熱、燃油和燃氣鍋爐加熱等方式，太陽能熱水系統都有乙個貯水箱，各種輔助熱源都是通過貯水箱發揮作用的，常用的輔助補熱方式有以下幾種：
1、空氣源熱幫浦輔助方式
在貯水箱和空氣源熱幫浦之間設定迴圈管道，通過迴圈幫浦、控制系統實現熱幫浦與水箱之間換熱，使貯水箱內的水公升溫。
2、直接電加熱方式
在貯水箱的底部設定電加熱裝置，通過控制系統對電加熱實現定時、定溫等控制。
3、熱水型電、燃油、燃氣鍋爐方式
在貯水箱內設定換熱器（銅盤管），通過迴圈幫浦、控制系統、換熱器實現鍋爐與水箱之間的換熱，使貯水箱內水公升溫。
4、蒸汽型燃油、燃氣鍋爐方式
在貯水箱內設定多孔管或帶消聲裝置的蒸汽噴射器，鍋爐產生的蒸汽直接通過多孔管或蒸汽噴射器進入貯水箱內使水公升溫。
4、結束語
太陽能熱水系統的迴圈管路、迴圈水幫浦、控制系統等設計均應根據有關國家規範進行設計，這裡就不一一闡述。總之民用建築太陽能熱水系統應用技術需要建築設計單位建築、給排水、結構、電氣工程師相互配合，並與太陽能熱水系統**商配合，才能實現太陽能熱水系統與建築一體化設計。
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