上海市住房与城乡建设管理委员会沪建建材[2016]740号文《上海市装配式建筑2016-2020年发展规划》指出:到2020年, 装配式建筑要成为上海地区主要建设模式之一, 建筑品质全面提升, 节能减排、绿色发展成效明显, 创新能力大幅提升, 形成较为完善的装配式建筑产业体系。外环线以内采用装配式建筑的新建商品住宅、公租房和廉价房项目100%采用全装修, 实现同步装修和装修部品构配件预制化。

　　 随着上海地区装配式建筑及绿色节能技术的推广, 采用太阳能热水系统作为一种积极的绿色节能方式, 在装配式建筑中具备实际操作的可能性, 从气象数据分析, 上海属于太阳能资源一般地区, 年平均每日的日照小时数为5.5h, 太阳能保证率40%~50%, 水平面年平均日辐照量12.3 MJ/ (m²·d) , 可以使用太阳能作为可再生能源制备热水。本文主要对上海地区装配式住宅建筑太阳能热水系统应用进行探讨。

　　 我国目前使用的太阳能集热器可大体分为两类:平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器, 真空管型太阳能集热器又可分为全玻璃真空太阳能集热器、U型管式真空管型太阳能集热器、热管式真空管型太阳能集热器等型式。一般而言, 平板型太阳能集热器热损失比真空管型太阳能集热器高, 使用寿命大于真空管型, 初期投资低于真空管型太阳能集热器。上海在气候分区上属于较温和地区, 平板型太阳能集热器及真空管型太阳能集热器都可选用, 但从系统的可靠性及维护便利性考虑, 住宅建筑中宜首选真空管集热器作为集热系统的集热板, 相对于其他种类的集热器, 热管式真空管集热器具有太阳能利用率高、热损失小、承压能力和耐冲击能力强等优点。

　　 常见太阳能生活热水系统主要由太阳能集热系统、加热储热系统、辅助加热系统、热水供水系统等组成, 如图1所示。

　　 按各个组成部分的特征以及他们之间的相对关系, 可有各种分类方式:按集热器内传热工质是否为用户使用的热水, 划分为直接式系统 (也称一次循环系统) 和间接式系统 (也称二次循环系统) ;按集热器与储水箱之间的相对位置可划分为分体式系统、紧凑式系统和整体式系统;按集热器传热工质是否跟大气接触可划分为敞开系统、开口系统、闭式系统;按系统循环的方式可分为自然循环系统、强制循环系统、直流式系统;按辅助能源与太阳能之间的关系可分为内置加热系统、外置加热系统;按传热工质在太阳能集热器内的状况可划分为充满系统、回流系统、排放系统;按照供热水系统的范围可划分为集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统。

　　 太阳能热水系统的集热系统、储热系统、辅助加热系统、热水供水系统之间可以具有多种组合性, 主要考虑的选型因素有气候条件、集热器类型、系统工作方式 (自然循环或强制循环、闭式系统或开式系统) 、换热方式、辅热方式、建筑一体化要求等, 多层住宅和高层住宅对各种因素的适用性有所不同, 表1列举了各种换热方式、供水系统形式、集热系统工作方式、辅热方式在多、高层住宅的适用情况。

　　 近年来上海市在建或新建的住宅以12层及12层以上的高层住宅为主, 高层住宅户数多, 建筑竖向高区及低区日照条件差异性较大, 可根据实际情况灵活组合表1中的几种方式, 例如高层低区可采用屋面设置集热器的集中系统, 高区可采用阳台壁挂式的分散系统;可以采用加热一步到位的太阳能辅热系统, 也可因地制宜, 采用太阳能预热系统对冷水预加热, 再由各户户内加热器对中温水进行二次加热。太阳能系统型式选择除了考虑日照条件、土建条件等因素外, 还应考虑到系统经济性、后期管理便利性、业主生活习惯及后期装修的差异性等其他因素, 较常采用的太阳能热水系统型式可归纳以下为4种:

　　 型式1:分户集热、分户供/储热、强制循环、直接系统、设辅热系统。

　　 型式2:集中集热、分户供/储热、强制循环、直接系统、设预热系统。

　　 型式3:集中集热、分户供/储热、强制循环、间接系统、设辅热系统。

　　 型式4:集中集热、集中供/储热、强制循环、间接系统、设预热系统。

　　 4种型式的图示见图2~图5, 各型式特点见表2。

　　 装配式建筑是采用建筑解构的方式将建筑物根据功能或装配方式分解为建造单元 (装配构件, 见图6) , 通过工厂预制组成建筑构件, 建筑构件组成建筑部品部件, 建筑部品部件是直接构成装配式建筑成品的最基本组成部分, 建筑部品部件与常规建筑结构主体的比照关系见表3。

　　 装配式住宅建筑结构体系一般有3种:全预支剪力墙体系、双面叠合剪力墙体系、单面叠合剪力墙体系。

　　 全预制混凝土剪力墙结构是指全部或部分剪力墙采用预制实心墙板构建成的装配整体式混凝土结构, 其抗侧刚度大, 房间内无梁、柱等突出, 适用于使用功能固定的高层住宅建筑, 符合住宅产业化的发展要求。双面叠合板式剪力墙结构是指由预制双面叠合墙板和叠合式楼板辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、梁、板, 共同形成的剪力墙结构。单面叠合剪力墙指将预制混凝土外墙板作为外墙外模板, 在外墙内侧绑扎钢筋、支模并浇注混凝土, 预制混凝土外墙板通过粗糙面和叠合筋 (也称桁架筋) 与现浇混凝土结合成整体, 该体系的剪力墙内墙及楼板为现浇。

　　 装配式住宅建筑的部品、部件均可以在工厂实现预制化、标准化生产, 施工现场实现装配连接, 极大地提高了生产效率, 保证了施工质量, 节约造价及工期。

　　 装配式住宅建筑中太阳能热水系统设计应与建筑及结构专业紧密配合, 主要设计要点如下。

　　 安装太阳能热水系统设备的预制构件设计应考虑集热器、储水箱、换热器等的设备定位、荷载参数、设备基础。

　　 安装太阳能热水系统设备的预制构件应考虑太阳能设备与构筑物联结的方式, 一般采用预埋件联结, 预埋件由锚板、直锚筋和弯锚筋组成, 预埋件在构件预制时应同步植入。

　　 热水系统管道安装预埋件主要指管道支架的预埋件及管道穿越外墙、楼面等处的预埋防水套管, 管道支架预埋件、套管其规格、形状应尽量标准化制作, 便于标准化预制、预埋。

　　 太阳能热水系统的集热器、储水箱、换热器、供水管网之间的管道较多, 如果设备布置在屋顶、阳台、外墙面等处时, 管道将穿越楼板及墙板, 装配式建筑楼板、墙板多为工厂预制, 预制构件必须考虑预留孔洞或预埋防水套管。

　　 太阳能热水系统的各类设备与预制构件结合处, 应考虑防水及保温处理, 满足原有建筑预制楼板、预制墙面的保温、防水性能。

　　 各类管线穿越墙板、楼板的部位应预埋防水套管, 部分管线可以考虑在建筑面层敷设。

　　 太阳能热水系统的设备尽可能设计为模块式、模数化的产品, 便于工厂定制和现场组合安装;管道设计应标准化, 尽可能统一管道管径、管道长度、管件规格, 以利于批量生产和现场安装。

　　 太阳能热水系统设备设置应考虑后期检修维护的便利性, 局部人员难以直接操作的区域应考虑检修安全设施的预设、预埋, 保护维护人员的安全。

　　 影响太阳能热水系统效能的重要因素是太阳能集热器的设置, 其设置的技术要求较为严格, 如对倾角的要求、接引太阳照射方向的要求等;同时, 建筑的立面受使用功能的限制, 可以发挥的余地不大, 集热器的设置对住宅建筑的立面影响较大, 如何处理好集热器与建筑外观的关系非常关键, 既要保持建筑的整体形象与风格, 又必须融入太阳能集热器这项科技元素, 充分利用太阳能这项绿色能源。装配式建筑在构件预制时应充分考虑集热器的位置, 在预制构件中埋入集热器的预埋件或预留安装集热器的洞口尺寸, 实现太阳能集热器与建筑立面的一体化。

　　 太阳能集热器较为普遍的设置方式有屋面设置、外墙设置、阳台栏板设置等方式, 见表4。

　　 (1) 传统安装型式。太阳能集热器直接架设在屋面板预制的设备基础上, 通过预埋、预制件与设备基础联结, 见图7。

　　 (2) 架高安装型式。太阳能集热器通过钢结构架空设置, 钢结构与屋面板上预制的设备基础联结, 见图8。

　　 (3) 飘板安装型式。太阳能集热器以钢结构飘版的型式架空设置, 钢结构与屋面板上预制的设备基础联结, 见图9。

　　 (1) 放置在平屋面上的太阳集热器布置应满足4h日照时数、互相不遮挡且相互间有足够间距 (含安装维护的操作距离) 。

　　 (2) 太阳集热器需通过支架或基座固定在屋面上, 屋顶设置预埋件安装固定太阳集热器, 集热器与建筑锚固牢靠, 在风雪等自然因素影响下保证安全性。

　　 (3) 建筑屋面设计应考虑设置太阳集热器 (包括基座、支架) 的荷载。

　　 (4) 固定太阳集热器的预埋件 (基座或金属构件) 应与建筑结构层相连, 防水层需包到支座的上部, 地脚螺栓周围加强密封处理, 见图10。

　　 (5) 放置太阳能集热器的屋顶应设有屋面上人孔, 用做安装检修出入口。太阳能集热器周围设检修通道, 检修通道、人行通道应敷设刚性保护层来保护屋面防水层。

　　 (6) 太阳能集热器的管线需穿过屋面时, 应预埋相应的防水套道, 对其做防水构造处理, 并在屋面防水层施工之前埋设安装完毕。避免在已做好防水保温的屋面上凿孔打洞。

　　 (7) 屋面防水层上方放置集热器时, 其基座下部应加设附加防水层。

　　 (1) 架空安装型式。太阳能集热器架空设置在坡屋面上, 通过预埋、预制件与屋面联结, 见图11。

　　 (2) 嵌入安装型式。太阳能集热器镶嵌设置在坡屋面上, 根据集热器尺寸在屋面上预留孔洞, 集热器与屋面构成一个整体, 见图12。

　　 (1) 太阳集热器在向阳的坡屋面上顺坡架空设置或顺坡镶嵌设置。

　　 1) 顺坡架空设置: (1) 顺坡架空设置时, 屋面板内应设预埋件, 太阳能集热器支架应与埋设在屋面板上的预埋件可靠牢固连接, 预埋件及连接部位应按建筑相关规范做好防水处理。 (2) 埋设在屋面结构上的预埋件应在主体结构施工时埋入, 埋设位置与欲设置的太阳能集热器支架准确位置对应。 (3) 屋面雨水系统需考虑太阳能集热器与屋面结合处的雨水排放, 保证雨水排放通畅, 且不影响太阳能集热器的质量安全。

　　 2) 顺坡镶嵌设置:顺坡镶嵌设置时, 屋面整体的保温、防水、排水应满足屋面的防护功能要求。

　　 (2) 建筑坡屋面坡度的选择。建筑设计宜根据太阳能集热器接受阳光的最佳角度即当地纬度来确定坡屋面的坡度。太阳能集热器接受阳光的最佳角度随季节有所变化, 冬季为当地纬度增加10°, 夏季等于当地纬度减少10°。建筑坡屋面的坡度宜用太阳能集热器接受阳光的最佳角度即当地纬度±10°来决定。

　　 (3) 太阳能集热器在坡屋面上放置的位置。太阳能集热器在坡屋面上布置时, 应考虑建筑立面比例、系统的平面空间布局与阵列陈列、安装操作通道等一系列因素。

　　 (4) 太阳能集热器与储水箱相连的管线需穿过坡屋面时, 应预埋相应的防水套管, 防水套管需做防水处理, 并在屋面防水施工前安设完毕。

　　 (5) 太阳能集热器在坡屋面上的安装应考虑维护安全设施。在坡屋面屋脊上适当位置埋设金属挂钩用来钩牢系在专业安装人员身上的安全带, 或者钩牢用做安装人员操作的特制的坡屋顶上活动扶梯。屋面设置上人人孔, 方便维护人员安全出入。

　　 (6) 设置太阳能集热器的坡屋面应充分考虑集热器的荷载。

　　 (1) 垂直安装型式。集热器垂直挂装在建筑外墙面上, 构成立面的一部分, 见图13。

　　 (2) 带倾角安装型式。为更加有效地吸收太阳能, 建筑立面设计考虑设置一定角度的凸起, 集热器挂装在凸起的墙面上, 见图14。

　　 (1) 设置太阳能集热器的外墙应考虑集热器 (包括支架) 的荷载。

　　 (2) 安装太阳能集热器的墙面应设预埋件, 太阳能集热器的支架应与墙面上的预埋件牢固连接。

　　 (3) 设置在墙面的太阳能集热器与贮水箱需穿过墙体时, 应预埋防水套管。

　　 (4) 太阳能集热器设置在墙面上, 给排水专业应与建筑专业密切配合, 处理好建筑功能及立面与集热器位置的关系。

　　 (5) 设计应考虑太阳能集热器的安装、维护措施。

　　 (1) 垂直安装型式。集热器垂直挂装在阳台栏板上, 构成建筑立面的一部分, 见图15。

　　 (2) 带倾角安装型式。为更加有效地吸收太阳能, 阳台栏板设计考虑一定的倾角, 集热器挂装在倾斜的栏板上, 见图16。

　　 (1) 阳台应考虑集热器 (包括支架) 的荷载。

　　 (2) 安装太阳能集热器的阳台栏板应设预埋件, 太阳能集热器支架应与阳台栏板预埋件牢固连接。

　　 (3) 安置太阳能集热器的阳台栏板应采用实体栏板。

　　 (4) 设计应考虑太阳能集热器的安装、维护措施。

　　 随着装配式建筑的大力推广, 太阳能热水系统也可以实现定制化、标准化, 成为装配式建筑功能性部品部件的一种类型, 预制式的太阳能热水系统和装配式住宅建筑的融合或将成为一种新的产业方向, 为用户创造更优质的生活品质。