2016年12月16—21日, 我国雾霾区域达到142万km^2[1], 这与广大村镇地区大量使用小煤炉取暖的方式密不可分。然而我国中部地区仍有数千万户农宅的采暖需求尚未得到满足, 随着生活水平提高, 将带来更为严重的环境问题。如在我国相对贫困的村镇地区采用发达国家常规的电、天然气等方式解决数亿人口的采暖问题^[2], 难免缺乏可行性。在国家节能减排的政策引导和要求下, 太阳能光热技术在建筑中的应用量显著增加, 对太阳能建筑一体化的要求也越来越高。但是, 我国最为普遍的玻璃真空管式太阳能集热器与金属平板式太阳能集热器在乡镇的推广应用中存在设备成本高、综合效率低、架设方式不合理等显著问题, 最重要的是使用年限较短, 无法与建筑同寿命^[3]。一种廉价的钒钛黑瓷太阳能集热器 (见图 1) 采用普通陶瓷注浆工艺成型, 外表面喷涂多孔钒钛黑瓷泥浆, 内表面有釉层, 经1 200℃烧制整体成瓷, 黑瓷层不老化且性能稳定, 使用寿命长达50年, 为农村住宅太阳能建筑一体化应用提供了新的发展思路。

为进一步降低成本, 多数钒钛黑瓷集热器项目摒弃了传统铝合金框架在屋面安装集热器的方法, 而使用了更为简易的锚桩结构安装方法。具体而言, 锚桩结构是将螺栓下部固定于屋顶保温材料上部的刚性垫板表面, 螺栓上端支撑玻璃盖板, 并利用螺栓杆顶住集热板使其位置固定 (见图 2) 。然而, 目前钒钛黑瓷集热板的建筑部品化水平不高, 现场施工工艺繁琐, 施工水平参差不齐。如能将集热板设计为建筑的一种装配式构件——集热模块, 可以有效解决以上问题。本文将从集热模块与建筑一体化构成的原则与原理入手, 探讨模块单体设计及建筑安装构造可行性。

考虑本文主要解决钒钛黑瓷太阳能集热系统在农宅采暖中应用的问题, 而采暖用贮热水箱容量相对较大, 系统采用分体式形式。因最适宜安装太阳能器的建筑部位为坡屋顶, 限于篇幅, 本文将不再探讨集热器安装于墙面及平屋顶等位置的形式。

1) 以一或多块成品钒钛黑瓷太阳能集热板 (见图 1) 为吸热芯体, 配以框架、透光罩、保温隔热层等, 形成利于运输与施工的建筑装配式模块。

2) 钒钛黑瓷太阳能集热模块形成建筑一体化的设计与施工, 部分或全部替代建筑屋顶的保温、防水功能。

3) 钒钛黑瓷太阳能集热系统与建筑外观及性能耦合良好。

考虑农宅建筑通常密度较低且产权问题宜明确, 钒钛黑瓷太阳能集热系统采用单户集热、单户储热的独立系统。每套系统由屋顶构件化的钒钛黑瓷太阳能集热器模块、贮热水箱、控制器、管道配件及用热末端等组成 (见图 3) 。系统可以根据实际需要选择直接或间接换热模式。

集热模块规格与构件质量及尺寸有关。考虑钒钛黑瓷集热板在空板状态下的质量为20kg/m², 常用尺寸为710mm×710mm, 则单块集热板的质量约为10kg。为保障施工方便, 兼顾充分利用框架型材, 参考11BJZ84《建筑一体化阳台栏板陶瓷太阳能热水系统》, 常规集热模块包括3～5块集热板, 其长度为2 290～3 710mm, 宽度为850mm, 其厚度因所需保温层厚度不同可有所变化, 常规尺寸为140mm。

单个屋顶构件化的钒钛黑瓷太阳能集热模块由集热板、支撑框架、玻璃盖板、保温材料、背板及相关配件组成 (见图4) 。其中, 模块内集热板的数量依据设计确定;标准支撑框架采用铝型材, 也可选用不锈钢、混凝土等材料;边框为断桥结构, 减小热桥;玻璃盖板选用超白布纹钢化玻璃, 透光性好, 且可避免光污染;模块内衬保温材料厚度依据建筑节能要求选用, 可替代屋面保温层。

为满足建筑屋顶设计的多样化需求, 钒钛黑瓷集热模块可以通过拼装形成瓦屋面形式。瓦型集热模块的原理及集热板体与图4所示相同, 仅对透光盖板及支撑框架进行相应的变体设计。传统的瓦屋面一般用木望板、苇箔等作基层, 上铺灰泥, 灰泥上再铺瓦片, 其形式一般包括用于少雨地区的单层瓦^[4,5]及用于多雨地区的阴阳瓦^[6,7]、筒板瓦^[8]等;临时建筑等常采用楞形压型钢板屋面, 由支架、屋面板及保温材料等构成。

即使仅包括1块钒钛黑瓷集热板模块, 其尺寸亦远大于传统瓦片, 则单个模块的透光盖板需要包括若干波峰与波谷。为了保证透光盖板性能, 可根据实际需要选择玻璃或玻璃钢等材质制作。通过对上下、左右搭接处边框的设计, 瓦型集热模块也可以起到一定的建筑防水作用。然而, 由于异形透光盖板的存在, 瓦型集热模块的造价及运输、安装等要求势必高于标准平板模块, 不适宜在农村地区大量推广使用, 故不再进行深入探讨。

钒钛黑瓷太阳能集热模块的瓦屋面安装形式主要分为嵌入式及架空式2种。其中, 嵌入式安装的集热模块上皮与瓦屋面上皮基本平齐, 即集热模块替代了一部分瓦片;架空式安装的集热模块位于瓦屋面上部, 即模块下方仍有瓦片。

对于新建建筑, 需对集热模块自重及支架、工质等重力荷载以及安装排水板后的风荷载、雪荷载进行计算, 并将计算结果与坡屋面荷载进行比较。如不满足要求, 应将集热模块固定支座设置在承重梁上, 并重新核算承重梁的荷载。如确定采用嵌入式安装, 应在建筑设计与结构设计时充分考虑其固定方式、管道做法、排水和防水做法等, 不应对建筑结构造成负面影响。对于既有建筑, 安装前需确认屋面结构能否满足集热模块的安装要求。由于集热模块的嵌入式安装需要将瓦面揭开, 因此不应在雨雪和大风天气安装, 并采取相应方式避免损坏屋面防水, 导致渗漏。由于坡屋面有一定的坡度, 在安装时需注意安全防护, 有条件时应在屋面设置安全辅助设施, 如安全绳锚固装置。

集热模块的嵌入式安装主要有混凝土基座安装、预埋件安装及预制木条安装3种方式。其中, 混凝土基座安装是在屋面土建施工时, 在屋面结构层上预设混凝土基座, 基座内的预埋件与结构层紧固连接, 同时在基座表面预先安装预埋铁。预埋铁上可焊接用来固定集热模块的槽钢或方管等。预埋件安装是在土建施工时严格按照设计图纸设置预埋件, 并将集热模块支架通过焊接或螺栓连接固定在预埋件上。由于集热模块嵌入式安装时支架承受的风荷载较小, 也可通过膨胀螺栓等将集热模块固定在屋面预制木条上。采用这种方法固定时, 应注意预先对集热模块及其附属材料的质量进行校核, 选取合适的木条。木条固定在屋面上时, 应做防腐处理, 并在集热模块安装时注意保护或修补防腐层。此外, 通过预制木条固定的方法也适用于既有建筑的嵌入式安装。

集热模块的排水多为板材, 常采用铝板或镀锌钢板等材料制作。其中, 由于铝材防腐蚀性强、质量轻、可塑性好、易安装, 并且可以根据用户要求处理成不同颜色及形状以配合集热模块与建筑, 故建议采用铝材。排水板分为整体式排水板和周边式排水板。由于钒钛黑瓷太阳能集热模块是一种平板式集热模块, 其自身外壳可防水, 安装时仅需处理模块外框四周与建筑交接处的防水即可, 故一般采用周边式排水板 (见图5) 。

周边式排水板应自下而上进行安装, 将其与集热模块外框进行连接后, 用胶条、耐候玻璃胶等将二者连为一体。由于系统管路一般从排水板下穿过, 所以在安装时应注意不损坏管路, 并在安装完成前进行管路系统的水压试验。排水板安装完成后, 应进行试水试验, 需检验屋面合格, 无渗漏。

4) 典型安装构造 嵌入式安装可应用于有保温及局部无保温的瓦屋面上。对于有保温屋面, 嵌入的钒钛黑瓷集热模块内置保温层可增强屋面的保温效果, 建筑屋面的保温层厚度可以有所减小。局部无保温屋面是指在需要安装集热模块的位置不设置屋面保温, 仅通过集热模块内置保温层达到热工需求。以通过混凝土基座固定的方式为例, 分别展示有保温及局部无保温瓦屋面嵌入式安装的典型构造。

图6所示为集热模块在有保温瓦屋面中的嵌入式安装构造。集热模块通过镀锌角钢 (└40×4) 安装托架固定于预埋在暗藏混凝土基座中的预埋钢板上。暗藏基座尺寸为200mm×200mm×h, 其中h由个体工程做法确定, 其上皮与保温层上皮同高;预埋钢板尺寸为120mm×120mm×8mm, 以2ϕ8钢筋锚固于基座中, 钢板中线与集热模块边缘的距离为150mm。集热模块四周与瓦片之间需预留凹槽, 其上缘凹槽宽80～150mm, 下缘≥250mm, 左、右各为150mm。凹槽对角预埋ϕ75PVC套管, 供集热模块和水箱进行管道连接。集热模块的四周需做好附加防水处理。其中, 上缘凹槽处首先铺设附加防水卷材, 再在卷材弯曲处设置防水砂浆, 最后在外层安装金属排水板, 金属板上缘压在瓦下, 下缘固定于集热模块框架上;下缘凹槽处首先铺设附加防水卷材, 再在卷材弯曲处设置防水砂浆, 防水砂浆需覆盖下侧瓦片上缘, 然后在砂浆上部安装金属排水板, 金属板上缘固定于集热模块框架上, 其缝隙以密封膏封严;两侧凹槽处首先安装金属排水板, 排水板一侧覆盖集热模块框架上缘, 另一侧固定于瓦片下, 再在排水板与瓦片之间的空隙中设置防水砂浆, 并将缝隙以密封膏封严。

图7所示为集热模块在局部无保温瓦屋面中的嵌入式安装构造。集热模块通过镀锌角钢安装托架固定于预埋在混凝土基座中的预埋钢板上。其中基座高度h由个体工程做法确定, 略凸起结构层即可, 未凸起部分以砂浆填实。未安装集热模块的屋面部分采用倒置式保温做法, 将保温层铺设于防水层之上, 瓦片之下。集热模块周边凹槽及其防水做法等与有保温的嵌入式安装构造相同。

由于集热模块架空放置在屋面上, 底部与屋面有一定距离, 相比嵌入式安装, 除考虑集热模块及其附件的重量荷载外, 还应重点考虑风荷载和雪荷载。因此, 在集热模块固定前, 需要校核屋面结构承载力。如不满足要求, 应将固定基座设置在承重梁上。因为架空式安装的管路会裸露在瓦面, 因此新建建筑在建筑与结构设计时应考虑管路的布置, 可在集热模块下方或者背部预设管道。

集热模块的架空式安装主要有混凝土基座安装及锚固支架安装2种方式。对于混凝土基座安装的方式, 需要在土建施工时预制混凝土基座, 基座中的钢筋和屋面结构层钢筋焊接, 且基座要高出防护层和瓦面, 并在铺瓦时做好基座四周的防水工作。集热模块也可以通过特殊的钢质锚固支架实现在坡屋面的架空式安装, 此种做法多用于波形瓦或厚块瓦。安装时需将安装位置的瓦揭下, 根据固定支架的预留孔在屋面钻孔, 并用膨胀螺栓将支架固定于屋面, 然后用防水密封材料填实孔隙, 将瓦重新铺好, 再将集热模块固定在锚固支架上。

架空式安装尤其适用于夏热冬暖等常年气温较高的地域。这些地域对于冬季采暖的需求较小, 太阳能集热系统可满足全年生活热水需求。由于太阳能集热器的存在, 建筑屋顶的温度有所上升, 故采用架空式安装, 有利于屋顶部位的通风降温。架空式安装的标准构造也分为屋面有保温与无保温2种, 其中有保温屋面根据架空高度不同有不同的构造做法。以混凝土基座固定的方式为例, 介绍有保温及无保温瓦屋面嵌入式安装的典型构造。

有保温瓦屋面的高架空做法是将集热模块安装于凸起屋面结构层310mm以上支座的构造方式 (见图8) 。安装基座高度h需保证防水层泛水高度≥250mm与60mm的混凝土压顶厚度。集热模块通过螺栓安装于托架上, 托架以型钢固定于预埋在基座的钢板上。集热模块边缘至型钢翼缘中心的距离为100mm。屋面保温主要由铺设于瓦及防水层下的保温板材承担;对于凸出屋面的基座部分, 根据工程做法可选用保温砂浆等材料。

有保温瓦屋面的低架空做法是将集热模块安装于凸起屋面结构层310mm以下暗藏支座的构造方式 (见图9) 。安装基座高度h需略大于保温层厚度。集热模块以M8×20螺丝固定或焊接于镀锌└40×3上, 角钢固定于镀锌钢管或ϕ16圆钢支架上, 支架再通过预埋钢板以钢筋锚固于混凝土基座中。集热模块边缘至型钢翼缘中心距离为100mm;自屋面瓦上缘至镀锌角钢上缘的距离应≥100mm。该种屋面的防水由防水卷材层承担;安装镀锌角钢的部分以密封膏封严。屋面保温主要由铺设于瓦及防水层下的保温板材承担;对于凸出屋面的基座部分, 根据工程做法可选用保温砂浆等材料。

无保温瓦屋面的架空做法是将集热模块安装于略凸起屋面结构层的暗藏支座的构造方式 (见图10) , 与有保温的低架空式做法区别不大。集热模块边缘至型钢翼缘中心的距离为100mm;自屋面瓦上缘至镀锌角钢上缘的距离应为100～150mm。该种屋面的防水由防水卷材层承担;安装镀锌角钢的部分以密封膏封严。

钒钛黑瓷太阳能集热模块安装在屋面上时, 系统管道的穿屋面节点是系统与建筑结合的重要接口, 此时应重点考虑防水与保温^[9]。图11所示为集热模块在坡屋面嵌入式安装时的管道穿屋面构造。这种情况下, 为了不影响建筑外观以及排水的畅通, 集热模块离建筑构造面不宜太高, 因此穿屋面管道伸出的高度不应高出集热模块下底面, 且不应影响屋面排水。图12所示适用于集热模块在坡屋面的架空安装且需穿透屋顶瓦面的情况。该情况下钻孔不能破坏整块瓦的结构, 不能使瓦面产生崩口、裂纹等缺陷。

钒钛黑瓷太阳能集热模块的压型钢板屋面安装形式也可以分为嵌入式及架空式2种。其中, 嵌入式安装即利用集热模块替代了一部分钢板屋面;架空式安装的集热模块位于钢板屋面上部, 以连接件固定于屋面。此2种屋面构造均分为无保温及有保温2种形式。

1) 嵌入式构造 对于嵌入式压型钢板屋面, 除采用的屋面板不同外, 有无保温屋面安装构造基本相同 (见图13) , 即将具有防水功能的集热模块通过钢檩条直接安装于屋架上弦。无集热模块的屋面部分仍采用压型钢板作为面层, 二者之间的空隙以金属排水板覆盖, 其缝隙以密封膏封好。

2) 架空式构造 同样, 对于架空式压型钢板屋面, 除采用的屋面板不同外, 有无保温屋面安装构造基本相同 (见图14) 。集热模块上的尺寸为40mm×40mm的固定耳用M6加长自攻螺钉与托架、方通、压型板及钢檩条相连, 螺钉下垫硅胶密封圈, 压型板内设木垫块。钢檩条固定于屋架上弦。集热模块端部至自攻螺钉中心线的距离为100mm。

3) 管道穿屋面构造 与穿瓦屋面类似, 管道穿压型钢板屋面仍需重点考虑防水与保温, 如图 15所示。在防水方面, 主要采用24号镀锌薄钢板作为泛水, 在管道上下两侧敷设。其中, 上侧泛水通过垫硅胶密封圈的自攻螺钉固定于屋面板面层与钢檩条之间, 下侧泛水固定于屋面板面层上, 两侧搭接长度均为200mm。泛水上部以钢箍及螺栓固定于穿屋面管道表面, 并以密封胶封严, 且翻起高度≥250mm。在保温方面, 管道外应包覆保温材料, 保温材料下部应延伸至屋架上弦。

本文从钒钛黑瓷太阳能集热模块与建筑一体化构成的原则与原理入手, 探讨了集热模块单体的设计及其系统在坡屋面农宅建筑中安装的构造方法。在集热模块设计方面, 单个集热模块由集热板、支撑框架、玻璃盖板、保温材料、背板及相关配件组成。常规模块包括3～5块集热板, 其长度为2 290～3 710mm, 宽度为850mm;其厚度因所需保温层厚度不同可以有所变化, 常规尺寸为140mm。为了满足建筑屋顶设计的多样化需求, 集热模块也可以通过拼装形成瓦屋面形式。在集热模块建筑安装构造方面, 主要给出了坡顶瓦屋面及压型钢板屋面的分体式系统构造方法, 每种屋面均探讨了有无屋顶保温时的嵌入式构造及架空式构造方式。为了体现钒钛黑瓷集热技术与建筑的一体化设计, 本文推荐采用嵌入式构造方式, 以利用集热模块部分或全部替代建筑屋顶的保温、防水功能, 进一步降低建筑成本。