一、 太阳能作为新能源推广的必要性
1、能源危机和环境压力的威胁
人类的生存、发展不能离开能源。能源大致可以分为不可再生能源(又称常规能源)和可再生能源两类。长期以来，随着经济的迅猛发展，人口的急剧增多，人类日常生产和生活中主要依赖的能源——煤、石油、天然气等常规能源正在逐渐枯竭，能源问题已成为人类面临的重大而长远的问题，人类不仅面临着常规能源短缺带来的能源危机，同时也必须解决常规能源的开采和燃烧给生存环境带来的污染危害。
据统计，目前在世界和中国的一次能源消费构成中，化石燃料消费分别占93%、95%左右，预测，石油资源还能用20年、天然气资源能用60年、煤炭资源也只能用220年。而且，这些能源在使用过程中会排放出大量的C02、S02、和NOx、颗粒物和其他污染物，不仅影响人体的健康，而且给生态环境和气候变暖都带来了巨大的压力。
2、建筑能耗逐渐增大 推广节能建筑势在必行
建筑作为人类日常生活必需的物质载体，每年消耗着大量的能源，约占一个国家总能耗的40%到50%，建筑能耗的总量还在逐年上升；在我国，建筑能耗在能源总消费量中所占的比例也已从1987年的12%上升到2010年的32.47%，建筑建造和使用中直接、间接消耗的能源占到全社会总能耗的46.7%，这些都对社会造成了沉重的能源负担和严重的环境污染。另一方面，随着城镇化步伐的不断加快，建筑发展的速度和数量并没有因为能源形势的日趋严峻而放慢脚步。相反，我国每年建成各类房屋的总建筑面积约为16—19亿m2，绝大部分为住宅，其中城镇住宅约为4~5亿m2，农村住宅约为7～8亿m2。到2000年底，全国现有房屋的总建筑面积为376亿m2，其中城镇为76.6亿m2(住宅约占58%)，农村为299.4亿m2(住宅约占80%)。预计到2020年，全国城乡住宅累计建筑面积将达到300亿m2左右。据有关数据统计，如果延续目前的建筑能耗状况，每年将消耗1.2万亿kwh电和4.1亿t标准煤，接近目前全国建筑能耗的3倍，加上建材的生产能耗16.7%，将约占全社会总能耗的46.7%。由此可见，建筑节能关乎到一个国家和社会可持续发展的重大问题，推广节能建筑势在必行。
3、太阳能是一种可持续使用的绿色能源
中国虽然已成为全球第二大经济体，有了诸多重大的技术创新，但离完全自主创新的“创造梦”还有很长的路。新一轮开启的全球低碳革命，却给了中国一个与世界同步竞争的机会。太阳能是世界上最清洁、储备最丰富的能源。如果中国能在初见端倪的“绿色革命——太阳能利用”中拔得头筹，那么中国既能解决日益恶化的环境与能源问题，也能为世界经济的发展作出贡献，填补中国“四大发明”之后，推动人类社会的重大进步。
建筑节能的主要途径包括两部分：一是节流，即通过建筑技术的不断进步和建筑法规、条例的不断完善，使建筑在保温、密闭性方面得到不断改进从而达到节能；二是开源，即开发新能源。随着建筑总量的不断增加，使用的各种设备品种数量更多了，人们的舒适要求也比过去有所提高，因此，仅靠“节流”已无法满足降低建筑能耗的要求，开发新能源也成为必然的趋势，其中重要的途径之一就是利用太阳能这一古老而生生不息的能源。如今，开发利用太阳能已在各国寻求可持续发展的进程中得到了普遍的重视。
我国幅员广阔，太阳能资源储量也极为丰富。按照接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可以分为五类地区，一、二、三类地区，年日照辐射总量高于5.9x106Ⅺ／m2，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件；四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。据估算，我国每年获得的太阳辐射能约3.6x1022J，丰富的资源也为我国进行太阳能的开发利用提供了良好的条件。
太阳能作为一种辐射能，利用时需要转换成其他形式的能量。其中，太阳能的热利用技术中最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域——太阳能热水器行业，据有关资料显示，进入21世纪以来的10年间，我国太阳能热水器累计节约标准煤总量已达11295万吨，累计实现减排365.19万吨二氧化硫，164.16万吨二氧化氮，282.36万吨烟尘，24246.6万吨二氧化碳，节能减排效果十分明显。难怪在2009年的哥本哈根气候大会上国务院总理温家宝骄傲地向世界宣布，中国太阳能热水器集热面积居世界第一。
二、 太阳能资源的特点及其利用意义
太阳能作为一种新能源，与常规能源如化石燃料(煤炭、石油、天然气)及核燃料相比有下列几个特点：
1.太阳能的广泛性
太阳辐射到处皆是，就地可用，可以算是取之不尽、用之不竭的能源，这对于山区、沙漠、海岛等交通不便及偏僻地区：更显示出它的优越性，人们只要一次投资建设好之后，平时的维护费用远比其它能源小。
2.太阳能利用的持久性
太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。太阳不断地发生核变反应，向外辐射能量，同时其质量不断亏损。据估算，太阳的寿命约600亿年，而地球寿命约为50亿年，因此，可以说太阳能是用之不竭的，相对于只有数千年文明史的人类社会和更短时间人类使用矿物燃料的历史，太阳能利用更具永恒性。
3.太阳能的清洁性
化石能源在燃烧时会放出大量气体，核燃料上作时要排出放射性废料，都会使环境受到污染。利用太阳能可以大大减少环境污染，因此人们称太阳能为清洁能源。
4.太阳能的分散性
太阳辐射尽管波及全球，但每单位面积上的入射功率却很小，因此要得到较大的利用效率，就必须要有较大的受光面积，这就要涉及到设备、材料、结构、占用土地等的费用问题，口前投资要比其它能源高得多。
5.太阳能的间歇性
太阳的高度角在一日内及一年内不断变化，且与地面的纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化己相当大。以一地而论，一天二十四小时内太阳辐照度变化很大，再加上气象变化：如阴雨天、云量变化，日照则更少，因此太阳能的可用量是很不稳定的，也就是说随机性很大。
总之，太阳能的总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能相当于1700亿吨标准煤，但由于其能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有l000w左右。但是，由于地面上一年四季、白天和夜晚，太阳的辐射强度均不同，而每天的气候条件也会有所变化，这些不稳定的因素，都给大规模利用太阳能在技术上带来困难。目前各国对太阳能利用的研究重点在于提高太阳能的转换功率和降低产品的成本，以扩大应用。
目前对太阳能利用较多的是光热转化和光电转化技术。社会在不断的发展，节能的呼声日渐高涨。人们的生活在不断提高，对生活质量有了更高的要求，电和热水是人们健康生活不可缺少的部分，但是能源的大量消耗与人们对电和热水的需求产生了矛盾，而太阳能工程的诞生解决了这一矛盾，太阳能工程投资相对成本低，对环境不会造成污染，是人们使用能源的最佳选择，太阳能工程将给人们带来健康的生活，推动时代文明的进步。在人类面临生存环境破坏日益严重和
能源危机的今天，如何开发利用环保节能的住宅配套产品就成了一个焦点话题。太阳能—作为一种免费、清洁的能源，在住宅建筑中的利用，将关系到可持续发展的战略，可谓意义深远。经过数年的研究和开发，太阳能的利用已取得显著成果并转化为生产力。
一直以来，太阳能等可再生能源在建筑技术上的完美应用都是企业梦寐以求的，太阳能与建筑结合创造的低能耗高舒适度的健康居住环境，不仅让住户家庭生活得更自然更环保，而且能节能减污，对实现社会可持续发展具有重大意义。
三、太阳能热水系统的组成及其选用原则
1、 太阳能热水器的组成及工作原理
太阳能热水系统是由太阳能集热器、循环系统、控制系统、辅助能源系统、储热系统、以及支撑架等六个部分组成。在阳光的照射下，系统通过不同方式的运转，使太阳的光能充分转化为热能，并提供中温水供人们使用。
(1)集热器：太阳能集热器是把太阳辐射能转换为热能的主要部件。经多年的开发和研究，集热器的生产技术和工作性能已较为成熟，其发展主要经历了三个阶段：平板型太阳能集热器、全玻璃真空管型太阳能集热器和金属——玻璃真空管型太阳能集热器；
(2)循环系统：循环系统的作用是连接集热器与输入装置，使它们形成一个完整的加热系统。循环管路设计施工是否正确，将直接影响整个热水系统的工作和运行；
(3)控制系统：控制系统是指使整个热水系统正常工作并通过仪表加以显示的系统，主要包括水位显示装置、温度显示装置、循环水泵以及自动和手动控制装置等；
(4)辅助能源系统：辅助能源系统是指为保证整个系统在阴雨天或冬季光照强度弱时能正常使用而设置的加热系统。它按照辅助能源的来源不同，可分为太阳能电辅助热源联合供热系统和全自动燃油炉联合供热系统；
(5)储热系统：储热系统主要是指储热水箱，其作用是将能量载体载来的能量进行储存和备用，其保温效果完全取决于保温材料的种类、厚度及密度。同时水箱外壳必须选择抗腐蚀耐老化的材料制成，以对其内部结构起到一定的保护作用；
(6)支撑架：支撑架主要由反射板、尾座及主撑架组成，是为保证集热系统的采光角度和牢固性以及整个系统的正常运而设计的辅助结构。
其工作过程是：在太阳辐照下，集热器吸收太阳能并转换成热能传递给集热器内的传热工质，传热工质受热后通过自然循环方式将储水箱中的水加热，或者通过强迫循环(如泵循环)方式将集热器中的热能传递给储水箱中的水。
2、 太阳能热水系统的分类其选用原则
(1)太阳能集热器选型
1) 平板型集热器
平板型集热器的基本工作原理是：一块金属片，涂以黑色，置于阳光下以吸收太阳辐射而使其温度升高。金属片内有流道，使流体通过并带走热量，在板的背后衬垫隔热保温材料，在其阳面加设玻璃罩盖，以减少板对环境的散热。由于吸热板与盖板之间存在着空气夹层，会产生对流散热，同时金属吸热板与金属边框也存在散热问题，所以其效率受环境温度的影响较大，全年太阳能量利用率为50%左右。
2) 全玻璃真空管集热器
该集热器由内外两层玻璃管构成，内管外表面涂有高吸收率和低反射率的选择性吸收膜，夹层之间抽成高真空，水在内管内进行加热。但同时存在着不承压、易破损的缺点，如果一根管损坏就会因为漏水问题而导致整个系统无法正常运行。
3) 金属——玻璃真空管型：其优点是真空管散热少，并提高了产品运行的可靠性。主要包括U形管真空管和热管式真空管两种类型。
u形管真空管，金属翼片与U形管焊接在一起，吸热的翼片表面涂有选择性涂料，管内抽真空。u型管与保温堵盖结合并引出集热管，作为传热工质(一般为水)的出入口。
热管式真空管，主要由热管、吸热板、真空玻璃管三部分组成。当阳光通过玻璃管照射到吸热板上时，吸热板所吸收的热量使得热管内的工质汽化并上升到热管冷凝端，释放热量汽化潜热后凝结成液体，同时加热水箱中的水又在重力作用下回到热管的下端，如此重复的工作，不断吸收热量使水温升高。
其中，笔者了解到天普新能源公司研发的一种抗炸管、抗过热、抗缺水、抗断电、自防冻、能承压的带波纹管换热器全玻璃真空管集热器，该集热器是在全玻璃真空管集热器内置两根不锈钢波纹管，是全玻璃真空管集热器的改进产品。集热器吸收太阳能辐射能加热集热器中的水，然后通过波纹管换热加热波纹管中的水。波纹管和水箱通过管路形成循环系统，把波纹管中的热水循环至水箱。
抗炸管：
该集热器真空管中的水为“蓄热体”，起蓄存热量的作用，因此基本上不消耗，这样就保证了集热器真空管中始终未满水静置，因此避免了集热器由于上水引起的炸管问题
抗过热：
由于该集热器为开式真空管换热系统，因此集热器和波纹管中的水始终低于100度，不存在过热问题。
抗缺水、抗断电：
由于集热器真空管中始终未满水状态，即使停水或断电也不会造成真空管缺水，然后空晒后自动补水引起的炸管现象。
自防冻：
集热器真空管自身具有抗冻性能，集热器中的波纹管可以在系统停止循环时用机械回流防冻的方式防冻。不需要采取管路循环或伴热带防冻等耗电、耗热的主动防冻措施。
能承压：
由于系统通过集热器中的波纹管进行循环，波纹管优秀的承压性能保证了集热器可用于承压系统。
经济性好：
该集热器仅仅在普通全玻璃真空管集热器中加了2根波纹管，成本比全玻璃真空管集热器略高，但低于U形管、热管集热器。
(2) 按集热系统运行方式分类
目前，根据我国太阳能热水系统的具体使用情况，主要可以分为自然循环系统、强迫循环系统和直流循环系统。
1)、自然循环系统
原理：自来水通过上水管进入补给水箱，再经由补给水箱进入储水箱。集热器内的水被加热后通过上循环管进入储水箱的上部，储水箱下部密度较大的冷水
自动通过下循环管进入集热器的下部形成循环，上述循环是连续进行的。一般情况下，经过一天的日照，储水箱的水能全部被加热，供给用户使用。系统中排气管的作用：有时储水箱内的温度过高而产生蒸汽，排气管及时将气体排出，防止其抑制自然循环的进行。
技术要求：为确保一定的热虹吸压头和防止夜间反循环，储水箱底部必须高于集热器顶部，其高差一般为0.3~o.5m；连接集热器和储水箱的循环管路，应按热水上升冷水下降的方向设计流水坡度，其坡度一般为1／100，绝对禁止出现反坡；集热器的上循环管进入储水箱的入口位置应低于水箱水面3—5cm，否则无法循环；集热器面积比较大时，集热器应考虑以并联为主，尽量避免采用串联；为减少管道的流动阻力，循环管路越短越好，拐弯处越少越好。
特点：无须水泵和控制系统，运行可靠，造价较低，但由于储水箱必须高于集热器，一般坡屋顶无法安装，因此只能适用于平面屋顶的建筑。取用热水时间应在下午四五点钟以后或晚间，不能随时供热水。若在北方冬季使用，应考虑增加辅助热源，系统管路应设置电加热带。该系统的集热器面积不宜过大，若集热器面积较大，应采用并联安装。
2)、强迫循环系统
原理：它是利用温差控制器来控制水泵的开关，当集热器顶部的温度和水箱下部水温之差达到预定数值时，水泵开始运行，否则水泵关闭。逆止阀的作用是防止水倒流。排气管的作用和自然循环系统的排气管作用一样。
技术要求：储水箱安装位置无须高于集热器，可根据需要安放在任何地方；该系统的运行可靠性主要取决于控制器和水泵的可靠性，因此应选择高质量的产品；这种循环系统需要消耗少量的电能。
特点：集热器和储水箱可以分离；适合于在各种建筑上安装；可在北方冬季使用，但须增加辅助热源，管道系统还应考虑防冻抗冻措施；集热器的采光面积不受限制。
3)、直流循环系统
原理：当集热器上部的电接点温度计达到预定的温度(如45℃)时，控制器
就启动电磁阀，自来水就将集热器内的热水项入水箱。当集热器上部的温度低于预定的温度时，电磁阀关闭。通过一天的间断运行，进入水箱的水均为45℃左右的热水。
技术要求：储水箱的位置可根据需要安放在任何地方：系统运行的可靠性主要取决于电接点温度计、控制器及电磁阀的可靠性；储水箱应有足够的富裕量，否则，当日照好的时候，因储水箱容量不够而造成热水外溢。
特点：随时都能有热水供应，特别适合白天使用热水的用户。冬季在北方地区使用要采取防冻措施。
一般来说，选择太阳能系统运行方式需综合考虑安装环境与使用地域、当地水质水压状况、使用期限是全年运行还是季节使用、辅助能源情况、客户要求以及资金状况等因素。
(3) 按集热器与储热水箱的相对位置分类
1)、闷晒式系统：闷晒式系统是指集热器与储热水箱在功能合二为一，储热水箱既是储热部件又是集热部件的系统(图2.9)。它是最简单也是最直接的太阳能热利用手段，价格低，可以在春、夏、秋三季解决基本的热水需求，适宜在农村住宅使用。但由于其工作温度低，全年太阳能量利用率仅为20%左右，结构笨重以及保温等问题不易解决，目前在城市住宅中应用较少，本文不再做详细介绍。
2)、紧凑式(整体式)系统：整体式系统是指集热器与储热水箱虽相互独立，但储热水箱直接安装在太阳能集热器上方或相临位置上的太阳能热水系统。目前多层住宅中整体式太阳能集热器的使用比较普遍，其价格适中，但在太阳能建筑一体化方面的问题还有待解决。
3)、分离式(分体式)系统：分体式系统指储热水箱和太阳能集热器可以分开一定距离进行安装的太阳能热水系统。采用分体式系统，储热水箱和太阳能集热器可分开布置，比较灵活，易满足建筑美观的要求，同时系统可以承压运行，易与建筑给排水系统结合，运行的安全性和稳定性较强，适用于高档住宅或高层住宅建筑。其缺点是结构复杂，造价较高，在推广方面还存在一定困难。
在众多分体式太阳能热水器中最值得一提的就是壁挂分体式太阳能热水器，集热构件可以安装在南向墙面或阳台等任何适当位置，不受屋顶面积的限制，可以有效的解决高层、小高层建筑对太阳能热水系统的安装需求，在建筑的一体化设计方面优势也十分明显，目前已逐渐成为我国高层、小高层住宅太阳能热水利用的趋势。
(4) 按照供水方式不同分类
太阳能热水器系统可分为：集中供热水系统、集中——分散供热水系统和分散供热水系统等三大类。
其中，集中供热水系统，是指采用集中的集热器和集中的贮水箱为整幢建筑中用户提供热水的系统。
集中——分散供热水系统，是指采用集中的集热器和分户的贮水箱为建筑中用户提供热水的系统。
分散供热水系统，是指采用分户的集热器和分户的贮水箱为建筑中用户提供热水的系统，也就是通常所说的家用太阳能热水器。
(5) 按生活热水与集热器内传热工质的关系分类
太阳能热水系统按生活热水与集热器内传热工质的关系可分为直接系统和间接系统两类。
直接系统是指在太阳能集热器中直接加热水给用户的太阳能热水系统；间接系统是指在太阳能集热器中加热某种传热工质，再使该传热工质通过换热器加热
水给用户的太阳能热水系统。其中，由于直接系统的集热部件直接与水接触，所以对水质有一定要求，才能保证系统的正常运行；间接系统由于其热交换的阻力较大，一般要采用强制循环系统。
(6) 按辅助能源加热设备安装位置分类
按辅助能源加热设备安装位置分类，太阳热水系统可分为内置加热系统和外置加热系统。
内置加热系统的辅助能源加热设备安装在太阳热水系统的贮水箱内：外置加热系统的辅助能源加热设备不安装在贮水箱内，而是安装在太阳热水系统的供热水管路上。
四、建筑太阳能热水系统的优化选择
本章节详细介绍了太阳能热水系统在别墅建筑、多层住宅、中高层住宅(包含保障房)、公共建筑(医院、学校、企事业单位)、商业建筑(宾馆及酒店、连锁商业机构、游泳池)、工农业应用、新农村建设的应用的推荐方案。
1、别墅建筑
别墅建筑具有以下特点：建筑面积较小且独立性强，一般为2～3层单元式建筑，面积为150～300平方米左右：建筑结构简单，外形多样且富于变化(屋顶多为坡屋面形式)；太阳照射条件好，与其他住宅或商用建筑相比，高度较低且空间大，在自然光利用方面条件相对优越；建筑层数少，管线铺设距离短，所需集热器数量和面积有限。
海南三亚春光老年公寓别墅小区
在别墅建筑中，建筑师普遍希望的是在保证集热器集热的要求下，把集热器隐藏在建筑围护结构内，或使集热器作为建筑围护结构的一部分，作为建筑构件来装饰和点缀建筑。因此为了达到系统安全高效运行，以及太阳能热水系统与建筑立面的完美结合的目的，我们通常使用集热器与储热器分离的分体式太阳能热水器。
浙江杭州金都雅苑分体式小区安装群
当只供应家庭所需生活热水时，系统所需的集热面积较小，从经济和效率两方面因素来看，最适宜放置在屋顶上。在设计过程中根据集热器的朝向和屋面坡度的要求，将其与屋面结合设计，并顺坡安装(或镶嵌)在屋顶部位，各种管线均为暗装，远看像天窗一样，与屋面浑然一体，同时还具有建材特性(如防水、隔热保温、采光和通风换气等功能)，储热水箱放置在室内以减少热损。在有些特殊情况下，还可以通过加大集热面积的方法来增加热水量，同时满足家庭生活热水和冬季采暖(或夏季制冷)的双重需求。
宜昌三峡康福山庄
别墅型太阳能热水系统的共同特点：集热器以真空管居多；系统为双回路、分体式、强制循环或自然循环；太阳能系统与常规能源结合，全天候运行：采用承压水箱，顶水法取水；与建筑一体化结合方面的优势较为明显；储热器不暴露于室外空间，水箱和管路要具有非常好的保温效果，热量损失较小，并具备防冻功能和自动控制系统；造价明显高于整体式非承压系统。
易生活的特点：模块化的“易生活”全面实现了工厂化生产、标准化设计、成套化安装、通用化维修，让热水工程从无标准的低效杂乱设计安装迈入标准化设计施工阶段。而承压型“易生活”更突破了传统太阳能存在的水量有限，需等待加热、水质越用越差等问题，该产品采用盘管换热技术(以水箱内的热水为热量载体，把流经盘管内的冷水瞬间换热为热水)，由于该技术不再使用水箱内的热水，而是流经盘管的水始终是饮用级标准的新鲜水。
2、多层住宅
多层住宅是我国最普遍的居住建筑形式，随着人民生活水平的提高，城市居民对家庭生活热水的需求将越来越高，房地产开发商为提升住宅的吸引力，也努力让住宅产品附带热水设备，所以在新购住宅中几乎无一例外的要安装生活热水设施。
湖北宜昌世纪阳光住宅小区
由于多层建筑具有高度低，户均屋面的面积较大，楼与楼之间遮光的情况更少，因此跟高层住宅相比，在太阳能热利用方面具有无可比拟的优势。
在很多高层住宅中我们可以看到，由于在建筑设计的时候没有考虑到太阳能建筑一体化问题，也没有预先从建筑的整体立面效果出发设计太阳能热水器系统及其安装位置，使得建筑入住后，各用户抢占屋面位置安装整体式太阳能热水器的现象频繁发生；屋面面积被占满以后有些用户出于不得已各自购买分体式太阳能热水器，将集热器安装在阳台板等部位；而对于一些低层用户也许会不得已放弃适用太阳能热水器，改用电热水器或燃气热水器。
海南三亚高档生活小区（集中集热——分户储水太阳能系统）
这种太阳能热水器安装种类、型号、位置的差异，会严重影响到建筑的立面效果，使原本极富韵律感的高层建筑变得杂乱无章，使建筑设计师们的努力付之东流。中高层建筑的高建筑物和人均占地面积较小的特点给新能源的利用提出了更高的要求。
4、公共建筑
公共建筑的范畴包括医院、学校、政府机关等非盈利为目的的建筑。传统公共建筑存在能耗较高的缺点，随着节能减排政策的推进，新能源技术在公共建筑的应用也得到了巨大突破。从从最基本的提供热水，到为建筑提供采暖制冷等方面服务。天普集团对新能源技术在公共建筑上的应用投入了更多的力量。考虑到公共建筑非盈利为目的和适用人群广等特点，对产品到工程的要求条件非常高。
4.1 医院
北京仁和医院太阳能热水工程
医院行业对热水有着大量的需求。和常规行业不同，医疗行业对热水系统的要求更高，在对太阳能系统的稳定性、安全性及水质方面要求非常高。
绿色校园建设对节能减排要求很高，我国校园中能源资源消费主要以水、电为主，应建立校园能源监管与节能控制体系，实现能源的分类、分项计量，能耗分析、能效评估、定额管理、决策支持，太阳能热水等重点能耗设备的节能管理控制。
新能源技术在包括军队在内的企事业的应用是向社会展示节能减排的一个窗口，既有利于政府对新能源技术进行调研，又有很好的示范效果，具有重大的社会意义。
新能源技术在商业领域的应用需要考虑经济型、美观性、兼容性、可靠性等众多问题，随着工程技术的发展，新能源技术在商业建筑上的应用越来越广泛。
5.1 宾馆及酒店
杭州政苑假日酒店（解决方案：太阳能中央热水系统）
洗浴热水是酒店必须具备的服务项目之一，高品质的热水更是酒店品味、档次的象征。酒店用水的具有规模大和24小时不间断供水的特点。而太阳能热水以其高品质和良好的经济型赢得了青睐。
随着经济的发展，各个行业的连锁店蓬勃发展。而连锁店的商业用热水需求也越来越大。
游泳池在使用中往往由于温度的问题，在使用时间上受到很大的影响。随着传统能源价格的不断上升及节能减排压力的不断增大，利用传统能源进行辅助加热不仅会消耗大量的能源，也面临着越来越大的成本压力。利用新能源技术可以为游泳池提供源源不断的热水，从而确保游泳池可以全年使用，为用户提供系统稳定并成本低廉的游泳池加热解决方案。
6、工农业应用
北京大兴榆垈蔬菜种植基地太阳能采暖工程（解决方案：太阳能 + 热泵联合供热系统）
在国家大力倡导节能减排和低碳经济的同时，工业项目却在运行时伴随着大量的碳排放。随着传统能源价格的不断攀升，在工业行业中利用太阳能等新能源取代传统能源很有前景。太阳能在工业上的应用领域非常广泛，包括印染厂、纺织厂、热力供应站、太阳能原油加热站、食品生产行业、制造业等对热水有大量需求的企业，还可以为烟草行业等对太阳能干燥有需求的行业提供高温空气等。
在家电下乡政策的推动，太阳能在新农村已经非常普及，为广大农民生活水平的提高做出了巨大贡献，随着新农村建设的不断发展及农民生活水平 的不断提高，新农村对太阳能利用形式从太阳能热水器提供热水到利用太阳能进行建筑采暖、集体浴室等多种方式。
五、太阳能采暖装置与建筑一体化设计
该章节主要介绍了被动式太阳能系统基本类型以及设计过程中对选址、方位、建筑平面布置、维护结构等要求。同时，详细介绍了太阳能采暖系统分类及运行原理，太阳能集热装置与住宅屋顶、墙面的一体化设计。
1、被动式太阳能装置与建筑一体化设计
(1)被动式太阳热能应用系统概述
被动式太阳能建筑系统设计主要是依靠建筑物本身(房间的位置、建筑空间的合理布局、利用建筑结构和建筑材料的吸热性能等)来完成太阳能的集热、储热和散热功能。其设计基本思想就是将各方面的积极因素调动起来，使日光、空气、热量仅在有益时进入建筑。其口的是通过控制阳光和空气在恰当的时间进入建筑并合理储存和分配热空气和冷空气，从而使能源得到有效的利用，并且增加人们的舒适度。
其设计策略可以简单的概括为：被动式采暖和被动式降温。利用太阳能采暖是日前太阳能应用中最普遍的方式之一，也是技术最成熟的方式之一。因为建筑采暖所需的温度不高，与太阳能所能提供的温度相匹配，因此不需特别复杂的技术。
1) 被动式太阳能采暖系统
被动式太阳房集蓄热构件与建筑构件为一体，一次性投资少、运行费用低，但这种集热方式受昼夜温度波动较大。太阳能集、蓄热构件设计是被动式太阳能设计的核心，它包括直接得热系统和间接得热系统。直接得热系统的工作原理是，冬季让太阳辐射热直接从南面窗射入房间内部，用楼板层、墙及家具设备等作为吸热和储热体，当室温低于这些储热体表面温度时，这些物体就会象一个大的低温辐射器那样向室内供暖；间接得热系统有集热、蓄热墙和毗连日光间等形式，
这种装置的主要工作原理是利用设在墙体本身的集热、蓄热材料，集蓄太阳热能，使太阳能辐射热通过传导、辐射和对流，把热量送到室内。集热、蓄热墙又按其热量的传导、辐射和对流的不同，形成了多种形式，如实体式集热蓄热墙、快速集热墙、花格式集热墙、相变材料集热蓄热墙等。夏季则通过构造措施隔绝太阳能辐射热进入室内。
按照太阳能在建筑中的获取方式，可以将被动式太阳能系统分为两种基本类型：直接得热式和间接得热式。
a. 直接受益式太阳能采暖系统
直接受益式指阳光直接透过南向窗户进入房间，室内构件(墙壁、地板、家具等)作为吸热和储热体将这些热量吸收，当室温低于这些构件表面温度时，这些构件就会像一个大的低温辐射器向室内的空气辐射热量，从而达到采暖的目的。在这个过程中，房间本身就是一个能量收集、贮存和分配的系统。无论从设计和构造来讲，直接受益式都是最简单的被动式采暖措施，这种方式的优点是房间升温快，构造简单，不需增设特殊的集热装置，与一般建筑的外形无多大差异，建筑的艺术处理也比较灵活。同时这种太阳能建筑的投资较小，管理也较方便，是最易推广的被动式采暖措施。直接得热式最大的问题是升温快，但是降温也快。因此为了减少房间热损失，夜间必须用保温窗帘或窗户盖板将窗户覆盖。
b. 集热蓄热墙式太阳能采暖系统
集热蓄热墙式的基本形式有特朗伯集热墙、水墙和附加阳光间。
B1 特朗伯墙式
特朗伯墙由透光玻璃、集热板、集热墙体(砖墙)组成。
在集热墙体上、下部适当位置设置风口。其工作原理是：阳光透过玻璃照射到集热板上，集热板被加热，并有一部分热量蓄积在集热墙体内。当上下风口打开时，房间的冷空气由下风口进入集热板和墙体间的空腔，在空腔中受热上升，再由上风口回到房间。这种周而复始的热循环过程使室内温度得以提高。天热时，可以通过控制风口闸门启闭，来调节室内温度，使室内温度不致过高。而房屋的两侧面、背面及屋顶和底层地板则按照保温节能要求进行设计。
特朗伯墙式主要是通过建筑外维护结构的蓄热性进行采暖的方式，其工作原理是将集热墙向阳的一面涂以深色的选择性涂层加强吸热并减少辐射散热，在离集热墙外表面10cm左右装上玻璃或者透明塑料薄片，使该墙体成为集热和储热器，在夜间又成为放热体。储热墙通常为混凝上墙或实心砖墙，这些重质量的墙体热容大、惰性大，因此储热多、放热慢，墙体的温度波动相对于室外的温度波动有较长时间的延迟，有利于减缓夜间室内温度下降。储热墙的厚度因用途而异。
B2 水墙式集热蓄热墙
水墙式集热蓄热墙简称水墙如图3.5。作为蓄热材料的水通常置于屋内的一面墙中，称为“水墙”，水墙应该建在房间里一天中大部分时间阳光能够直接照射到的地方。用来建造这种“水墙容器的材料一般为塑料或金属。图3.6是北京曾研究和实践过窗水墙被动式太阳房，采用大面积装水玻璃墙作为太阳辐射能收集器，设于玻璃窗的下部，当阳光穿过玻璃窗及水墙时，使室内空气温度不断升高。水墙具有较好的蓄热能力，可保持一定时间热稳定性，造价低，很受欢迎，但主要问题是运行管理比较麻烦。
c. 附加阳光间式
附加阳光间被动式太阳房是集热蓄热墙系统的一种发展，将玻璃与墙之间的空气夹层加宽，形成一个可以使用的空间——附加阳光间。这种系统其前部阳光间的工作原理和直接受益式系统相同，后部房间的采暖方式则雷同于集热蓄热墙式。
附加阳光间式太阳房的工作原理是将作为集热部分的阳光间附加在建筑南向房间的外面，阳光间靠室外一侧全部设置玻璃，利用阳光间和房间之间的集热墙作为集热构件，冬季阳光进入附加阳光间后，集热墙将热量吸收并对阳光间内的冷空气进行低温辐射，温度升高后，空气因密度减小而升并由集热墙上部的开口进入室内，同时阳光间的底部形成了负压，室内的冷空气被吸入阳光间进行加热，这样阳光间内的空气和室内的空气因为对流而达到房间采暖的目的。附加阳光间作为室外和室内的缓冲空间，在夜晚可以关闭集热墙顶部和底部的通风口以减少房间的热损失，房间的温度波动相应减小。除了起到采暖的作用以外，附加阳光间也可以作为白天人们的休息、活动的空间。另外，在冬季时，由于玻璃的保温能力非常差，如无适当的附加保温措施，则日落后或者在阴雨天气室内气温将会大幅度下降。而在夏季，如果没有适当的隔热措施，附加阳光间内的气温将会过高。以上这些问题，必须在设计这种设施以前充分考虑，并提出解决这些问题的相应措施。
d. 贮热屋顶式
贮热屋顶式太阳房兼有冬季采暖和夏季降温两种功能适合冬季不属寒冷，而夏季较热的地区。用装满水的密封塑料袋作为储热体，置于屋顶顶棚之上，其上设置可水平推拉开闭的保温盖板。冬季白天晴天时，将保温板敞开，让水袋充分吸收太阳辐射热，水袋所储热量，通过辐射和对流传至下面房间。夜间则关闭保温板，阻止向外的热损失。夏季保温盖板启闭情况则与冬季相反。白天关闭保温盖板，隔绝阳光及室外热空气，同时用较凉的水袋吸收下面房间的热量，使室温下降。夜晚则打开保温盖板，让水袋冷却。保温盖板还可根据房间温度、水袋内水温和太阳辐照度，进行自动调节启闭。
e. 混合式
以上简述的几种基本类型的被动式太阳能建筑都有它们的独特之处。我们把由两个或两个以被动式基本类型组合而成的系统称为混合式系统。不同的采暖方式结合使用，就可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。采用最普遍、最经济实用的就是直接受益式、集热蓄热墙式的混合式。
(2) 被动式太阳能利用的适应性设计
1) 总的原则
在太阳能建筑的规划设计中，有许多因素与太阳能的利用及规划目标有关。它们可被分为两类：一类与场地的地理和自然情况有关，如：纬度、地形和气候条件，这些都会对建筑群体和单体产生影响；另一类与设计有关，包括建筑的间距、高度、构造及朝向等。
对于建筑师来讲，太阳能建筑设计就是要在建筑设计的同时，考虑以下两个方面的问题：一是，太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响，包括建筑物的使用功能，围护结构的特性，建筑体型和立面的改变；二是，考虑太阳能利用的系统选择，太阳能产品与建筑形体的有机结合。
2) 对建筑选址的要求
如果建筑处于山地地区，应避免在山坡的北面布置建筑，可布置在南向山坡的中部，以避免山顶为冷风和山脚的冷空气的“冷池”效应。避免在多风地区布置建筑，如山顶。
3) 对方位的要求
方位是住宅设计中关系到景观、采光、通风以及太阳能利用最关键的因素。方位不同时，建筑表面收到的地面反射量也不同，方位的变化对建筑接受地面反射的影响为32%。太阳能建筑对方位的要求是为了使尽量多和快的得到太阳能辐射热，在冬季，太阳能辐射热在9:00-15:00是全天辐射热的90%左右，因此，在这段时间内要保证足够的日照时间是非常重要的，为了充分发挥太阳能辐射热的效能，可根据太阳能建筑的特征进行方位调整。例如：学校的教室上午希望室温尽快上升，而夜间室内无人，可将方位角南偏东5-15度；居住建筑由于夜间住人，下午尽量使太阳能辐射热进入室内，可将方位角南偏西5-15度。
建筑布置在南向、东南向和西南向，要绝对避免植被和人造构筑物遮挡南向窗，避免在南向近距离种植常青树木，在西南向和东南向可种植落叶树。
4) 对建筑表面积与体型的要求
从利用太阳能的角度考虑，应使南墙面吸收较多的太阳能辐射热，且尽可能的大于其它向外散失的热量，以将这部分热量用于补偿建筑的净负荷。如果使除南墙面之外的其它墙面的热工质量是相同的，则不难看出，建筑的净负荷是与面积的大小成正比的。因此，从节能建筑的角度考虑，对建筑节能的效果以外围护结构总面积越小越好这一标准来评价是不够的，而应以南墙面足够大，其他外表面尽可能小为标准来评价，即表面面积系数(建筑物其它外表面面积之和与南墙面积之比)，这就是被动式太阳能建筑对围护结构面积的要求。
建筑外界面与其体积之比，即体型系数：K=A/V，是表征建筑热工性能的重要参数。建筑的体型系数是围护的手段(外界面)与围护的结果(空间)之间的数量比值，因此它不仅仅是一个热工性能参数，而且还体现了作为手段的外界面对空间的建构围护效率，因而体型系数也是一个界面围护效率系数。由于热工能耗与建筑的外表面积成线性正比，而对于正多面体而言，表面积与体积呈几何基数关系，此时建筑的体积，即空间的量与维持室内气候的能耗之间不是线性关系，而是几何关系，因此建筑在体积扩大时可以只投入较小的能耗增量而获得较多的舒适空间增量，这意味着减小体型系数可以降低舒适空间的平均成本。通常可以通过加大建筑进深，规整建筑体型，集中建筑体量等途径来减小建筑的体型系数。
除此之外，还要用建筑物的表面面积系数来研究建筑体型对节能的影响，从获得更多的太阳能辐射热，降低能耗的观点来看，长轴朝向东西的长方体体型最好，正方形次之，长轴朝向南北的长方体体型的建筑节能效果最差。
5) 对建筑平面布置的要求
由于人们对各种房间的使用要求不同，对房间热环境的需要也各异，应当根据实际需要合理分区，推行建筑平面的“温度分区法”。热环境质量要求较低的房间，如住宅中的附属用房(厨房、厕所、走道等)布置于冬季温度相对较低的区域内，而将环境质量好的向阳区域布置居室和起居室，使其具有较高的室内温度。并利用附属用房减少居室等主要房间的散热损失，以最大限度地利用能源，做到“能尽其用”，通过室内的温度分区，满足热能的梯级应用，运用建筑设计方法，使住宅空间成为热流失的阻隔体，达到节能目的。杨经文常采用外置交通核来减弱热湿气候区灼人的太阳辐射对建筑主要使用空间的剧烈影响；厄斯金设计的位于寒冷地区的Gadelius别墅则把北向不利地带作为车库及贮藏空间，成为其起居室北向缓冲空间。这些都是运用平面热建筑节能的成功案例。通过增加层级，可以减弱冲突，这具有普遍的适用意义。
为了保证主要空间的室内热舒适环境，可在舒适度要求较高的空间与恶劣的外界气候之间，结合具体使用情况设置过渡空间区域，又可称为“温度阻尼区”(Buffel Zone)。对于位居平面核心部位的空间而言，温度阻尼区可以视作外界面向建筑内部的纵深扩展，由于温度阻尼区与外界的温差要小于热舒适度高的中心部位空间与外界的温差，亦即外界面的内外温差减小，所以，可使建筑的传导和辐射热损失显著减少，这对于冬季采暖和夏季使用空调都是有利的。南向的温度阻尼区在白天还可作为附加阳光间使用，是改善冬季室内热舒适环境的一个有效措施，当然，夏季也可以打开门窗进行自然通风，使之成为一个可调节、可应变的缓冲空间。玻璃和墙之间设置保温窗帘，墙体向室内辐射热量并与室内空气对流换热。
按照冷暖区的时间和空间分布布置房间，如卧室布置在白天处于冷区的位置，起居室布置在夜间处于冷区的位置。合理布置缓冲空间，如辅助空间(储藏室、楼梯间、健身房等)布置在北侧，阳光间可以用作南侧的缓冲空间。减少开口，主要开口布置在下风向利用门斗、旋转门窗减少冷风渗透。室外活动空间布置在南向。
6) 对围护结构材料与构造的要求
我国第一栋被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙组合式太阳房。截至1977年底，全国已经建成740万6平方米的太阳房，主要分布在山东、青海和西藏等地的农村地区，总面积达50万平方米。这些太阳房的建筑类型，大部分为农村和城市住宅等。在“六五”、“七五”、“八五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目，这些科研项目的攻关内容，涉及到被动式太阳房各个领域，既有基础理论研究、模拟试验、热工参数分析等，又有材料、构件开发和示范房屋及工程建设。使用外保温做法，避免冷桥影响和结构构件暴露在室外创造梯度。
储热墙通常为混凝土墙或实心砖墙，这些重质墙体热容量大、热惰性大，因此储热多、放热慢，温度波动延迟时间较长，有利于减缓夜间室内温度下降。储热墙的厚度因用途而异，Trombe等人认为混凝土墙厚度为400-500mm最适宜，美国Balcomb等指出，如果室温在18-24℃波动，则300mm混凝土墙最理想。
7) 对窗、墙面积比的要求
太阳能建筑对窗、墙面积比的要求是一个综合问题，一要考虑窗户的大小对直接集热的影响；二要考虑窗户既是得热构件，又是耗能的主要环节；三要考虑窗间墙的大小、位置给墙体集热蓄热带来的影响。在被动式太阳能建筑中，居住建筑，南向窗墙面积比一般在40%左右，比节能建筑标准的要求略有提高；学校建筑中考虑到早晨希望室内升温快南向窗墙面积比在50%左右，对其它朝向的窗户，应在满足房间光环境的要求下，适当减少开窗面积并采取措施降低窗户的传热系数、减少空气渗透量。要增强门窗处的密封性，可使用气密性好的的门窗，还可以使用双层或三层玻璃，低辐射玻璃，或活动保温板以减少散热。
8) 对场地坡度的要求
场地坡度与建筑密度无关，但却对太阳能的利用有影响。其影响程度取决于其方向和坡度，在保证同等日照水平下要获得较高的建筑密度，阳坡场地优于阴坡场地。当场地坡度给定时，地面反射的影响比平坦场地大约高42%。
(3) 集热蓄热墙式太阳能建筑的一体化设计
与直接得热式和阳光间式比起来，特朗伯墙在中国大部分的小住宅中应用很少，原因主要是特朗伯墙与太阳室对太阳辐射能量的收集和分配过程是相似的，两者只有造价和设计立面表现的差别，太阳室可以创造更宜人的半室外环境，特朗伯墙的立面设计比较封闭，除了在室外条件比较寒冷的地区以外，人们更倾向于应用阳光室来改造自己的生活环境。
以丹麦的一处两层高的连排住宅为例，在每栋住宅的南立面设有一条面积为6m2—8.4m2的垂直特朗伯墙。
在此设计中，特朗伯墙被分成两个部分。墙体下部用以预热从墙体底部吸入的新鲜空气，同时墙体的上部获得的热量被储存在290mm厚的混凝土墙体里。如果墙内的空气温度达到30度以上，风机开启将热空气吸入装有空气循环管的蓄热墙内，在夜间，蓄热墙又放出热量保证住宅室内的舒适性。在墙体的顶部设有排气窗，夏季，当风机关闭且不再需要热量时，排气窗打开使热空气逸出，防止了墙体过热。
(4)阳光间式太阳能建筑的一体化设计
1) 阳光间式太阳能采暖系统
“附加日光间”是一种太阳能直接受益系统，是由于直接受益获得太阳能而使得温度产生较大波动的空间。过热的空气可以立即用于加热相邻的房间，或者可以把它贮存起来，随后可以在没有太阳照射时使用。实际上在一天的所有时间，附加日光间的温度都比室外高。这一较高的温度，可以减少建筑物的热损失。日光间既可以供给太阳能，又可以作为一个缓冲区，减少热损失，使建筑物与日光间相邻的部分，获得一个温和的室外环境。
附加阳光间属一种多功能的房间，除了可作为一种集热设施外，还可用作为休息、娱乐、养花、养鱼等空间，是冬季让人们置身于大自然中的一种室内环境，也是为其毗连的房间供热的一种有效设施。附加阳光间除最好能在南向墙面全部设置玻璃外，还应在毗连的主房坡顶部分加设倾斜玻璃。这样做可大大增加进热量，但倾斜部分的玻璃擦洗比较困难。另外，当夏季时，如无适当的隔热措施，阳光间的气温往往变得过高。当冬季时，由于玻璃的保温能力非常差，如无适当的附加保温措施，则日落后室内气温将会大幅度地下降。以上这些问题，必须在设计这种设施之前充分考虑，并提出解决这些问题的具体措施。
在集合住宅中可以利用挑阳台和凹阳台安装玻璃，将其封闭成日光间，除作为蓄热罩外，还可用于种植花卉、娱乐休息等，这种方式很受居民欢迎，且使建筑外观别具一格，但日光间存在温度波动大的缺陷，应考虑夜间保温和夏季遮阳设施。
2) 附加阳光间的优点
a 有附加阳光间的年度热损失只相当于无该阳光间的一半；
b 附加阳光间的管理比特朗伯墙简单；
c 可以种花卉、果树，成为毗连种植温室，。同时还可晾晒衣服；
d 开阔视野，舒展心情；
e 夏季可开窗通风，并设窗帘等遮阳，防止直射热。
3) 工程实例
这幢位于瑞士比尔郊区的公寓高三层，由8套大小不同的住宅单元所构成，所处位置能够俯瞰整个小镇，具有极佳的视野。下面的部分是跃层式的二层公寓，上面一层则是普通公寓。楼顶为公共活动区域，设有孩子们的游戏室，其屋顶形式与相邻的建筑风格颇为近似。
在夏天，阳光间用作普通花房；到了冬天，阳光间不但无需供热，还可以作为热缓冲空间。天气炎热时，可将玻璃房的外层玻璃窗打开，形成一个热通道，使建筑物后面的凉空气穿堂而过；而在阳光灿烂的冬日，又可将居室与暖房之间的里层玻璃窗打开，以给室内供暖。建筑的混凝土实体将以此种方式收集到的热量蓄留起来，并在夜间再释放出来，为室内供暖。总之，用于供热的能量消耗比一般建筑减少了20%-30%。
2、主动式太阳能集热装置与建筑的一体化设计
(1)主动式太阳能集热装置概述
1) 主动式太阳能系统
主动式太阳能系统是一种构造较复杂，造价较高，需要用电作为辅助能源的建筑。它是一种以太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑。
主动式太阳能在住宅中的应用主要是通过高效集热装置来收集获取太阳能，然后由风机或者盘管将热量送入住宅内用以采暖或是用以加热家庭需要的热水，同时住宅中设有一定的蓄热装置，用以保存太阳热能以备后用。一套完整的主动式太阳能系统是由太阳能集热器、储热装置、循环管路和一些辅助装置组成。
a 太阳能采暖系统概述
利用太阳能加热的系统，既可以为用户提供生活热水，又可以为住宅供暖。在低温建筑中冬季需要采暖，太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展。实际上，太阳能采暖系统通常可以跟太阳能热水系统联合使用。在此情况下，一方面要适当增加太阳集热器的的采光面积：另一方面由于采暖是在寒冷季节才需要，因而要使用防冻或抗冻的真空管集热器。目前在十分重视环境保护的欧美国家，已经建成大批集太阳能热水和太阳能采暖于一体的太阳能综合系统。
采暖降温系统由太阳集热器、风机、泵、散热器及贮热器等组成。
b 太阳能采暖系统分类及运行原理
在太阳能组合系统中，一般都有2套能源设施(太阳能及其辅助能源设施)，用于提供2个热负荷(采暖负荷和生活热水负荷)所需要的热量只要白天有足够的太阳辐射，就由太阳集热器提供热量；否则，就由辅助能源(油、气、电、木材等)补充太阳能的不足。
该系统可分为三个循环回路：集热回路，主要包括集热器、贮存器、集热器热交换器、过滤器、循环泵等部件。在该回路中采用差动控制，使用两个温度传感器和一个差动控制器，其中一个温度传感器(热敏电阻或热电偶)安装在集热器吸热板接近传热介质出口处，另一个温度传感器安装在蓄热水箱底部接近收集回路回流出口，当第一个传感器温度大于第二个传感器时，集热泵就开启。在这种情况下流体从贮存器经集热泵入集热器，同时空气从集热器置换进入贮存器中；相反，当蓄热水箱出口温度与集热器吸热板温差达到一定程度时集热泵就关闭。
3、太阳能集热装置与住宅屋顶的一体化
太阳能装置与屋顶结合有其特有的优势：a、日照条件好，不受朝向影响，不易受到遮挡，可以充分地接受太阳辐射；b、系统可以紧贴屋顶结构安装，减少风力的不利影响；c、可以代替保温隔热层遮蔽屋面，减少屋顶夏天的热负荷。
(1) 太阳能装置与坡屋顶的结合
与坡屋顶组成一体的太阳能集热器，其主要特点是在做好防水处理的屋面上，铺设屋面与集热器共用的防渗漏的隔热保温层，在隔热保温层上放置太阳能集热部件，这种屋面由于综合使用材料，不但降低了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低，有效地利用了屋面的复合功能。
1) 分类
a 天窗式：
在夏热冬冷地区，由于冬季寒冷，最好能尽量扩大房间内部直接受热的可能，可以考虑在屋顶上开天窗，在冬季，增加了接受太阳辐射的可能，又可以改善室内的热舒适性。在夏季又必须考虑到遮阳问题，结合太阳能集热板的一体化设计，我们可以在屋顶天窗的两端设置滑轨，让太阳能集热器可以在上滑动，“集热遮阳两不误”，夏天的时候遮蔽天窗，遮挡辐射；冬天的时候，滑离天窗，贴屋面在天窗下部吸收太阳能辐射热。
将集热器镶嵌在建筑坡屋面上紧贴固定，覆盖部分屋面，形态类似坡屋面的天窗，与建筑浑然一体。此种方式及热气与建筑的整合具有极高的灵活性。对于在旧房改造中使用提供了可能。由于平板式集热器的罩面玻璃比较特别，是透光率95%以上的透明漫反射玻璃太阳高度较低时也不易产生镜面反射，仍能透过大部分的太阳光。
b 阶梯嵌入式：
将集热器呈阶梯状阵列镶嵌在建筑坡屋顶上，覆盖整个屋面，形成具有层次感的屋面形态。
c 整体式：
将集热板覆盖整个坡屋面，其材质和色彩构成了屋面形态。如图在荷兰的一处联排住宅中，设计者在屋面上适宜接受阳光的角度做了坚固的标准化框架体系，这种标准构件将建筑屋面结构与采光窗、太阳能集热板巧妙组合成一个整体，形成了科技含量较高的新型整合屋面体系，不仅使太阳能系统与建筑达到了有机的结合，同时也创造出了一种全新的外观形象。
d 飘板式：
将集热器用钢结构支撑在平屋顶上，形成造型独特的飘板，加强了标识性，避免了里面的单调。适用于平屋顶多层住宅。
e 太阳能凉棚：
与飘板式类似，集热器面积较小，造型更精致，可以与屋顶构架相结合，形成人们纳凉的场所。
4、 太阳能集热装置与住宅墙面的一体化
(1) 原则
对于集合住宅而言，外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。单从太阳能利用角度而言，太阳能集热器可以结合集热墙设计，让整个墙体都成为集热器；或者作为附属构件依附于外墙表面。
考虑到住宅立面，一般采用后一种方式与墙面结合。目前多高层采暖住宅建筑的层高一般为2800mm至3000mm，阳台栏板高度为900mm至1200mm不等。集热器与多高层采暖住宅建筑需要统一结合、实现工业化，首要的前提就是成为建筑的一个构造单元，与建筑模数统一。所以推荐使用宽度900mm、高度600mm与宽度900mm、高度800mm两种集热器组成集热单元。
多高层采暖住宅建筑中的集热器安装面积取决于建筑南立面的可利用墙面的面积大小。对于进深为12m-15m的多高层采暖住宅建筑，建筑面积与所有南墙面面积的比值在7.9:l至5.3:1不等。但多高层采暖住宅建筑中集热器的安装不可能使用所有的南墙面面积，因为这样会对整个系统造成混乱，而且对建筑的整体外观造成负面影响。在使用宽度900mm、高度600mm与宽度900mm、高度800mm两种集热器的前提下，强调外观感觉为横向的多高层采暖住宅建筑，建筑面积与集热器面积比值在16:1至20:1左右s,强调外观感觉为竖向的多高层采暖住宅建筑，建筑面积与集热器面积比值在14:1至16:1左右。在这样的太阳能集热器作为附属构件依附于外墙表面，在立面上形成一定的韵律，经过设计成为良好的美学元素。
色彩是影响我们对于建筑外观感觉的重要因素，利用特殊的色彩设计，是达到可识别性立面设计的手段之一，也是建立居住区领域感的前提。传统的集热器为了提高太阳能吸收率，一般将外表面涂成黑色。但是这样会影响到建筑美观，特别是大面积使用时对人们心理上造成压抑感，不利于太阳能建筑的推广。这时，可根据建筑主体的色彩，尝试选用别的颜色与黑色或其他深色搭配使用，丰富建筑立面，虽然可能牺牲了部分太阳热能的吸收，却能避免其景观上的乏味和不良影响，营造出活泼宜人的建筑环境。
(2) 墙体型太阳能集热器
墙体型太阳能集热器的基本结构如图1所示，其实质是平板集热器的一种变型。本集热器由外到内分别由透光保温涂层、光热转化层、外墙支撑及导热层、集热管、发泡保温层、内墙支撑层、内墙涂抹层等部分组成。为加强内外支撑层的连接强度及气体性由拉筋连接内外支撑层，拉筋与外围墙支撑层采用焊接，与内墙支撑层的连接采用挂扣一卡扣连接。发泡保温层采用整体发泡工艺制成，使外墙支撑及导热层、集热管、拉筋、内墙支撑层诈接为一个椎体。
墙体集热器的工作原理为，阳光沿其一角度人射墙面，按有效投影截面获取的有效光能透过透光保温涂层，人射至光热转化层，在光热转化层内完全或选择性地转化为热。在制造过程中，选择光热转化层具有较高的导热系数，使在转化
层产生的热A及时传导给外墙支撑及导热层。支撑及导热层采用具有高机械强度、高导热系数的金属材料制成。其上采用焊接工艺连接有集热管束，保证热量有效地通过管壁传递给管内流动的液体。由于光热转化层、外堵支撑及导热层、集热管均被导热系数很小的材料所包围，其中产生的热量仅能通过集热管内的液体向外输送，达到集热的目的。
由于集热器又是墙体的一部分，它需要足够的强度、外观美学效果及保温效果。本墙体型集热器与常用平板集热器的区别在于其结构强度、厚度均较大，为了增加强度还设置了加强筋。由于墙体型集热器的安装位置，除屋顶外，基本只能垂直安装，且朝向既可能是南北向，也可能是东西向，甚至是东南、西南等斜向朝向，受光的有效受光截面较小，日照时数也较短，加上不可调整角度，所以要求采光面积较大。
尽管墙体型太阳能集热器存在上述问题，但由于集热墙体紧邻用户，成本低，可以做出较大的采光面积。而对应于春夏秋冬的角度不可调问题，在夏季，太阳的高度角很大，墙体正南向时有效投影截面很小，但夏季初始水温高，在天津地区常达25℃---30℃，而此时仅需升温10℃---20℃，供洗浴等使用就已足够；在冬季初始水温较低，天津地区常在1 0℃---5℃之间波动，但由于此时太阳高度角较低，集热墉体有效投影截面较大，可以补偿水温低、日照弱及时间短的问题。
太阳墙使用多孔波型金属板集热，并与风机结合，与用传统的被动式玻璃集热的做法相比，有自己独到的优势和特点。热效率高可以获得良好的新风经济效益好引用范围广住宅上太阳能集热器的重复安置可以形成有韵律感的连续立面，以其特有的韵律感形成太阳能建筑特有的立面。
因为太阳墙设计方便，作为外墙，美观耐用，所以应用范围广泛，可用于任何需要辅助采暖通风或补充新鲜空气的建筑，建筑类型包括工业商业居住办公学校军用建筑及仓库等，还可以用来烘干农产品，避免其在室外晾晒时因雨水或昆虫而损失。另外，该系统安装简便，能安在任何不燃墙体的外侧及墙体现有开口的周围，便于旧建筑的改造。
(3) 双层皮幕墙技术
“双层皮幕墙”是当今生态建筑中普遍采用的一项先进技术，被誉为“可呼吸的皮肤”，它主要针对以往玻璃幕墙高耗能的问题，用双层体系(一般为玻璃)作围护结构，利用玻璃对阳光的通透性，冬天吸收太阳辐射热，降低能耗。“双层皮幕墙”种类繁多，但其实质是在双层皮之间留有一定宽度的空气间层，形成一个温度缓冲空间。夏季，太阳直射外层玻璃幕墙，空气间层内的热空气自下向上流动，带走玻璃幕墙内的热量，降低内侧幕墙表面温度。空气间层里面可以根据需要安装遮阳装置，防止过多的太阳辐射进入室内(图)。冬季，把空气间层上下关闭，阳光照射形成温室，通过温室效应来提高内侧幕墙外表面温度，减少取暖费用。
双层皮幕墙可以看作是一个缩小的附加日光间，是最简单、最直接利用太阳能为建筑供暖的一种发誓，具有广泛的气候适应性，在世界上的大多数地方都有实际应用。随着材料技术的进步，高性能玻璃如Low-E玻璃，光电玻璃等在双层皮外墙上的应用，双层皮外墙技术更是朝着越来越有利于提高太阳能利用效率，节约能源的方向发展。
(4) 太阳墙(SAH系统)技术
SAH系统是当今世界上最新的太阳能墙体技术，正在欧美一些国家悄然兴起，并迅速推广。在我国SAH系统还没有得到广泛应用，相关的参考文献很少。
SAH系统由集热和气流输送两部分系统组成。其构造有些类似于双层皮(图6.14)，但工作原理不一样。冬季，白天室外空气通过小孔进入空气腔，在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射，受热压作用上升，进入建筑物的通风系统，然后由管道分配输送到各层空间。夜晚，墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收，在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了新风量，又补充了热量。夏季，风扇停止运转，室外热空气可以从太阳墙底部及孔洞进入，从上面和周围的孔洞流出，热量不会进入室内。
此外，太阳墙理想的安装方位是南向及南偏东西20度以内，也可以考虑在东西墙面上安装。坡屋顶也是设置太阳墙的理想位置，它可以方便地与屋顶的送风系统联系起来。
(5) 透明隔热材料
充分利用太阳能和减少围护结构散热是建筑节能的两个主要途径。在太阳能建筑中，广泛使用两种传统的建筑材料—玻璃和岩棉。玻璃能使太阳辐射进人，并能阻止红外线辐射。岩棉等保温材料具有良好的绝热性能，常用于减少围护结构散热。但是，这两种材料都有缺点：玻璃虽透光但因传热系数大成为节能的薄弱环节，为了节约采暖能耗不得不限制其面积，但这样又不利于太阳能的利用。保温材料虽然绝热性能好，但属于非透明材料，阻止太阳光的入射和利用。于是
人们便试图研制具有透光功能和绝热功能的新型材料。透明绝热材料是近年来研制成功的新型太阳能材料，它大致可分为叠合式透明绝热材料、气凝胶透明绝热材料、透明热反射薄膜、光谱自调制涂层四大类。本文主要介绍叠合式透明绝热材料和透明热反射薄膜。
透明隔热材料不仅传热损失小，而且由于它的朝向，还是一个热源。测试表明，其太阳得热大于透明隔热与整个墙系统的热损失，能避免过热。
1)KAPIPANE透明绝热材料
KAPIPANE透明绝热材料是由透明塑料管垂直排列成蜂窝状，管子直径大约3.5mm，在切断过程中其开口端融在一起形成一个单元(图6.19)。它的基本材料是透明聚丙烯(PMMA)。
2)KAPILUX一H透明绝热材料
KAPILUX一H是一个由两片玻璃组成的密封的平板玻璃单元，在空腔内有KAPIPANE毛细管状板并充气。
由透明绝热材料和墙体组成的透明隔热垮综合了传统的隔热技术和太阳能集热器的优点。太阳辐射能透过透明绝热材料到达吸热墙，与此同时，该材料极好的保温性能最大限度地阻止从内部到外部的热损，短波辐射被墙吸收、储存并作为长波热辐射输送给建筑物。
六、国外太阳能与建筑结合的应用现状
在国外，太阳能热水器已开始在建筑领域中得到越来越广泛的应用，太阳能应用比较发达的国家，太阳能热水器利用已经从仅用于单层小型建筑向多层大型建筑发展，从仅用于居住建筑向公共建筑发展。就太阳能在建筑中的应用，各国政府也都给于了极大的重视和扶持，如：政府配套的优惠政策，使得这些发达国家在太阳能热水器与建筑整合一体化设计方面已经有了一些有益的探索和尝试，更倾向与系统的功能性以及与建筑美观的协调。其太阳能热水器与建筑结合的方式主要为：
(1)现有建筑物安装，尽量不破坏原建筑的立面及整体形象；
(2)全天候运行系统；
(3)太阳能系统部件与建筑物构件结合设计，使之成为建筑构件的一部分。如德国一幢小住宅坡屋顶上放置了太阳能集热板，与窗户有机地结合在一起形成一个整合构件，镶嵌在坡屋顶的屋面瓦中，太阳能集热系统与坡屋面、窗户紧密结合浑然一体；
(4)集热器形式以平板型为主，安装部位有屋面、墙面、地面，可替代屋面板(德国、挪威)与屋顶窗结合(丹麦)，易于与建筑结合；
(5)集热器及其部件标准化、模数化，便于维修更新；
(6)多元化组合能源系统(燃气、燃油、燃木屑、生物质能、电等)
在国外，太阳能已开始在建筑领域中得到越来越广泛的应用。特别是美国、德国、希腊、以色列、日韩国等国家，太阳房已从被动太阳房向主动太阳房发展，丛仅用于偏远地区向城市地区发展，从仅用于单层小型建筑向多型大型建筑发展，一从仅用于居住建筑向公共建筑发展。
这些国家自70年代能源危机之后，就开始寻找新能源，并开始发展可再生能源。至80年代，由于石油价格依然十分低廉，因而减缓了对可再生能源的研究速度，但是，他们始终对节能保持高度草视。直至90年代里约热内卢会议以后，环境问题已成为全球的热门话题，各国都认识到，本国的环境不仅是本国的问题，而是殃及邻国乃至全球的大间题，因此，可再生能源的研究和发展又一次被提上重要议事日程。之后，各国纷纷制定中长期可再生能源研究和发展计划，目标是减少常规能源消耗和二氧化碳的排放。
被动太阳能技术在欧洲国家普遍被看好，一些国家集中力量开发利用先进透明装置的节能窗。法国和意大利在开发电子调光的透明装置。法国的研究人员估计，这种技术每年可为南部地区节约高达45%的能源需求。在太阳房技术和应用方面欧洲处于领先地位，特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。英国利物浦附近的沃拉西的圣乔治郡中学，则是直接受益式太阳房最大和最早的样板之一。德国正在继续其1993年开始的太阳能供热计划，该计划的目的是促进大型建筑物使用的太阳能辅助中央供热系统。按照这个计划将在公共建筑物上安装多达100套大型太阳能辅助中央供热系统，并对它们进行监测。
1、美国建筑中太阳能能源利用的现状
美国作为一个发达国家，建筑用能已占全国总能耗的30%-90%，对经济发展形成了一定的制约作用。因此，美国太阳能建筑的发展极为迅速。
美国于80年代初就山新墨西哥洲的洛斯阿拉莫斯科学实验室编制出版了被动式太阳房设计手册。此外，美国还出版了许多实用的被动太阳房建筑图集，既有介绍成功的设计实例，也有对太阳房原理、构造的详细说明。这些工具书的发行和一些样板示范房屋的建立，对美国公众接受太阳房起到了很好的促进作用。美国是世界上能量消耗最大的国家，国会先后通过了“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”和“节约能源房屋建筑法规”等鼓励新能源利用的法律文件，在经济上
也采取有效措施，不仅在太阳能利用研究方面投入大量经费，而且由国会通过一项对太阳能系统买主减税的优惠办法。因此，美国太阳能建筑的发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的研究、设计优化，还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用，以及真正形成商业运作的房地产开发，美国均处于世界领先地位，并在国内形成了完整的太阳能建筑产业化体系。
为了减少能耗，降低污染、调整能源结构，实现环境保护的可持续发展，美国对太阳能作了积极的探索，其中“百万太阳能屋顶计划”就是规模最大、涉及部分最多、正在逐步实现的项目计划。该计划是美国面向21世纪的一项由政府倡导、发展的中长期计划。这一计划的实施，到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。这一计划的实现，太阳能技术的应用将进一步扩大，达到减少温室气体排放，扩展能源选择，创造新的高新技术工作岗位等目的，给美国带来相当可观的环境效益和经济效益。到2010年，百万屋顶计划将生产相当于2-3个燃煤发电厂的电力，不仅满足建筑物自身的电力需求，而且有的地方已经在出售由太阳能所产生的电力。
美国太阳能产业协会(SEIA)的主席Rhone Resch，“在奥马巴总统任职期间，美国由太阳能供电的住宅、商业建筑和军事基地的总量增长了400%，从2008年的1.1GW提高到目前的5.7GW，”他表示，“随着经济的复苏，美国需要更加多元化的能源结构，其中就包括太阳能。”
最近，美国科学家又把寻找新能源的目光投向了浩瀚太空。科学家设想，通过向太空发射带有能量搜集装置的卫星，装置在巨型卫星上的太阳能电池板可以搜集太空能量，并将其搜集的能量转化为微波传送回地球，再转化为直流电，从而为人类提供“廉价、清洁、安全、可靠、可持续、可增加”的能源。
2、日本建筑中太阳能能源利用的现状
作为世界第二大经济体，日本是世界上主要能源消耗大国，而且其能源严重依赖进口。但是近年来日本节能技术使能源利用效率大幅提高，新能源开发利用出现扭亏为盈的、倍增趋势。
在太阳能利用领域，日本居民光伏屋顶系统到2003年底，总计安装88.7万千瓦，日本政府计划到2010年总计安装482万千瓦。
在日本，普通的居住小区对节能十分重视，太阳能利用比较普遍。对居住小区的节能工作由日本建设省颁布建筑法规与规范做了明确的规定。在建筑物的保暖节能方面，规范中对建筑物的围墙结构、分层厚度及选用保暖材料等均作出具体的规定。在采光方面，也有许多具体的节电措施。在节电方面，日本居住小区中比较普遍地应用太阳能，它大多属于被动式太阳房系统。通过屋顶吸阳板高效率地采集太阳能，通过自身的太阳能电池自动控制系统，根据室内房间需要自动地向室内输入热(冷)风同时可以供应热水。居住小区的太阳能利用不仅可以节省电能，同时也可以改善、保护和优化环境，是一种新的绿色能源，也是小区建设中符合可持续性发展节能的一个方向，因此备受日本政府的重视、支持和鼓励。
3、欧洲各国建筑中太阳能能源利用的现状
欧洲各国对太阳能开发和利用走在世界的前列。在太阳能的利用过程中，热利用技术是很重要的一块内容，针对太阳能热水系统初始投资大，回收时间较长，尚未制定用于太阳采暖的标准以及一些决策者对太阳能知识不了解，太阳能热水系统还未完全被消费者接受等问题，欧洲一些国家克服障碍，推动太阳能热水器的应用。
现在欧洲一些国家普遍认为被动式太阳能采暖技术将成为本世纪建筑设计的趋向，世界上普遍认为使用“热泵”具有节约能源、节约材料、减轻城市空气污染等优势，对建筑供热是一种很有发展前途的热源设备。将热泵与太阳能集热器联合运行，这样可以解决冬季太阳能供热中存在的水温低、利用时间短、利用经济性差等问题。
德国太阳能产业协会公布的数据显示，2012年德国共有约130万套太阳能设备为约800万户家庭供电，同比增长4.5%。德国为发展太阳能产业所付出的努力，迄今初见成效。光伏发电目前已经能满足德国5%的用电需求，在电力供应中所占比例三年内翻了四番。德国建筑学家设计制造成功一种向日葵式的旋转房屋。它装有如同雷达一样的红外线跟踪器，只要天一亮，房屋上的马达就开始启动，使房屋迎着太阳缓慢转动，始终与太阳保持最佳角度，使阳光最大限度地照进屋内。夜间，房屋又在不知不觉中慢慢复位。这种建筑能够充分利用太阳能，保证房屋的日常供热和用电，又能将光能储存起来，供阴雨天和夜晚使用。
法国对太阳能的利用也逐步发展。法国国家实用技术研究所最近发明的一种建筑外墙玻璃可以同时起到太阳能热水器的作用，这一研究成果非常适合目前法国提倡的建筑节能要求。法国政府通过改善房屋结构和利用自然能源。达到节省电能和保护环境的目的。利用太阳能将水加热是法国政府重点支持的建筑节能技术之一。
目前，许多国家都取得了许多新成就。除了各种利用太阳能的被动太阳房外，还研制成许多新型太阳能热利用的产品，并采用光伏发电，发展了与光电技术相结合的建筑。德国弗莱堡著名的“完全自足太阳房”就是一座完全依靠太阳能采暖、发电，而不依赖常规能源的零消耗建筑。它既满足了建筑和能源方面的高要求，又不以牺牲居住舒适度为代价。该房已引起各界人士的密切关注，希望通过此项研究能使人类找到一条利用可再生的清洁能源的新路。
塞浦路斯等国家还发展了在建筑规划和设计中利用太阳能的软件，以便在房屋建筑的最初阶段一规划阶段就考虑太阳能的利用，并在建筑设计中，对房屋的造型、朝向、形状、平面布局，乃至材料的选择等，都与太阳能的利用结合在一起，使太阳能的利用与建筑功能紧密结合。
各国还纷纷开展了各种示范工程的试点研究工作。丹麦在一个仅有1500居民的称为马斯塔尔的小岛上，建成了世界上最大的与区域供热网相连的太阳能商业供热工厂，它能满足大约260户丹麦家庭的平均用热要求。这个小岛没有天然气供应，生物量也受到限制，太阳能供热是一种可取的替代能源。他们首先在1994年，通过一个采用75 m2太阳能板向一个游泳池提供热量的示范工程，对太阳能供热的潜力和可行性进行试验。在此示范工程的基础上，建造了这个8000 m2的太阳能供热工厂，每年能产生3250MWH/a(11.7TJ/a)电，代替了350t废油，大约能满足12%的区域用热要求。
总之，国外对建筑的太阳能利用研究开展较早，从概念到个案，从实验到实测以及计算机模拟方面做了相关层次上的研究，且己经取得相当的成果。
七、 国内太阳能与建筑结合的应用现状
党和国家已经把能源紧张上升为能源安全的战略高度。自2004年底开始，要求建筑行业开展节能省地型住宅的研究与建设；2005年初又讨论通过了中国第一部《可再生能源法》，并于2006年颁布实施，以立法的方式保证了可再生能源在建筑中的应用；同时大力提倡建立节约型社会，加大环境保护、节约能源的宣传，在居民中建立起节能、环保的新生活理念。
从2006年起，海南、广东、山东等一些地区相继出台法规，规定低于12层高度的新建筑必须安装太阳能热水系统。在此大背景下，建筑行业开始探索以太阳能利用作为解决居民生活用能日益增高问题的新途径。经过这么多年的不懈努力，太阳能利用技术日臻完善，目前我国太阳能在建筑中的应用技术大概可以分为以下五个方面。
1、 太阳能热水系统与建筑相结合的技术
目前我国在太阳能热水器方面，2010年全球累计安装面积为2.46亿平方米，其中中国占64%；2010年全球新增装机量3300万平方米，中国为2500万平方米，占了新增量的80%，而排在第二位的德国仅占3.1%。中国拥有世界上唯一的商业化运作最好的太阳能热水器市场，也是世界上最大的太阳能热水器市场，还拥有全球最大的太阳能热水器生产能力。
虽然太阳能热水器行业已经日趋成熟，但是太阳能热水器如何与建筑的使用功能及建筑美观相结合，仍是我们需要重点研究的问题。具体应注意以下几点：首先建筑的使用功能应与太阳能热水器的利用有机的结合在一起，形成多功能的建筑构件，巧妙高效的利用空间，使建筑物的向阳面或屋顶得以充分利用；其次要同步规划设计，同步施工安装，节省太阳能热水系统的安装成本和建筑成本，一次安装到位，避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑物产生结构性破坏；三是综合考虑建筑结构和太阳能设备协调和谐，构造合理，使太阳能热水系统和建筑物融合为一体，不影响建筑的外观；最后应优先采用集中式系统，有利于平衡负荷和提高设备的利用效率。
2、 集群式太阳能供热制冷装置的研究应用
集群式太阳能供热制冷装置通过热超导太阳能集热管、太阳能空气源热泵、吸收制冷机等设备将太阳能的光能首先转化为热能，使用太阳能再加上电辅助加热方式，可直接用于采暖或制取热水。在夏天通过吸收式制冷机可将常温水转化为冷水，从而实现空调制冷。通过这样的方式实现太阳能冬季采暖、夏季制冷，一年四季制取热水，建筑的采暖、制冷能耗均来自太阳能，达到环保、节能的效果，为太阳能的使用开拓了一个新的领域。
3、 被动式太阳能建筑设计及建造技术
我国的第一幢被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙的组合式太阳房。在20世纪80年代初，又通过国际合作项目，如中德新能源村、联合国开发署支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的建立使太阳房得到进一步发展。在“六五”、“七五”、“八五”，包括到“十一五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目，取得了一系列成效。
当前，我国被动式太阳房已进入规模普及阶段。由群体太阳能建筑向太阳能住宅小区、太阳村、太阳城发展。特别是常规能源相对缺乏、经济相对落后、环境污染比较严重的西部地区，发展速度更为迅速，有的地区年平均递增率达15%。各地还制定了包括推广太阳能建筑的阳光计划，如投资额达4.28亿元的兰州市“阳光计划”，甘肃省临夏市建成了占地9.8公顷、建筑面积9.2万扩的太阳能小区，以及西藏计划投资900万元资助新建太阳房27万平方米等大型工程项目。
另外 ，我国首座全太阳能建筑已在北京落成，其占地8000平方米。该全太阳能建筑，主体建筑室内的洗浴、供热、供电等所有能源都由太阳能来提供。太阳能新村建筑南墙、屋顶坡面等位置都安装着数个太阳能集热器。这些集热器在夏季可为空调设备提供驱动热源，在冬季可为采暖提供保障。此外，建筑内还安装了全国最大的太阳能发电系统，投入运营后可提供50千瓦的电力，满足日常用电所需。该工程是奥运场馆的试验性建筑，并且今年我国奥运场馆的部分项目也将使用太阳能技术。
目前，被动式太阳能建筑设计及建造技术要点是：开发利用各种新型的集热蓄热墙体和空气集热器，提高围护结构的保温隔热性能，合理设计窗墙比，使用高效节能窗并考虑夜间移动保温设计，加强自动控制与运行维护，采用有效的遮阳或其它被动式降温技术来解决夏季过热问题等。解决了以上的关键技术问题将大大提高被动式太阳能应用技术在建筑节能中的作用，不仅仅在农村，甚至在城市节能建筑中也可大力推广被动式太阳能应用技术。
4、 太阳能光伏发电板与建筑的集成技术
该技术是指将太阳能光伏发电板安装在建筑物的屋顶或向阳墙面上，同时满足结构维护和太阳能发电的功能要求。目前我国已有太阳能光伏幕墙的试点建筑，太阳能光伏幕墙是将太阳能电池与各类普通建筑玻璃结合制成可以发电建筑材料，产品包括各种晶体硅与非晶体硅太阳能光伏夹层玻璃、晶体硅与非晶体硅太阳能光伏中空玻璃等，不仅具有发电功能，还具有独特的美学效果，同时不影响作为建筑材料的各项功能。
5、 太阳能照明技术
太阳能照明技术在我国已经大范围应用起来，它具有不用敷设线路、不受变电站远近限制，尤其适用于边远的山区、江、河、湖、海中的孤岛照明，它利用高效节能的LED面光源或点光源实现室内的白、昼照明，多种多样、造型各异的太阳能室外灯具还可实现夜间公园、景区、道路、广场以及广告照明，既节约了能源又美化了环境。
我国的太阳能热水器产业发展迅速，从20世纪80年代中后期开始起步，到现在逐步成为世界上生产和使用太阳能热水器最多的国家。但是太阳能热水器在我国建筑中，特别是城市建筑中的应用还处于起步阶段，现阶段太阳能热水器的使用多以家用为主。
太阳能热水器与建筑结合方面还主要存在以下问题：
首先，目前已安装的太阳能热水器多以普通直插式为主，属于热水器的初级产品，不仅自身的造型美观性差，而且与建筑结合性差，不适合于小高层、高层和形体复杂的建筑安装使用。
随意放置的太阳能热水器
其次，太阳能热水器的安装应用多为居民自发性后置安装。房屋建成后由住户自行购买和安装，一方面，其安装过程中多存在由于安装不规范带来的安全隐患问题，如承载防风、避雷等安全措施不健全；另一方面，住户自发安装，缺乏统一设计、统一布局、统一安装，各家各户选用的太阳能热水器的规格、尺寸各异，安装位置随意确定，造成杂乱无章的无序状态，形成了严重的“视觉污染”，致使很多新开发的中高档小区禁止在建筑上安装太阳能热水器；再者，由于是事后安装，由于施工时多没有预留安装位置和穿楼板孔洞，因此出现破坏屋顶防水层，挤占卫生间通气管空间等问题，更有甚者将白色管道随意暴露在外界。
第三，太阳能热水器的安装应用多出现在低层或多层住宅中，安装方式亦较单一，多为屋顶布置，自然循环系统。目前，随着节能省地政策的逐步推广，小高层、高层住宅的占有量开始越来越多，屋顶安装集热器的面积不够、热水管道太多太长等因素成为太阳能热水器进入居住建筑的主要因素之一。
第四，太阳热水系统与建筑结合的大部分工作是由太阳热水系统生产企业来完成，诸多试点项目由企业来设计、安装。建筑设计单位对此大都只是在构造和系统的安全方面提出一定的要求。这样无疑给太阳热水系统生产企业增加了不少额外的负担，多数生产企业对系统和产品较为得心应手，但是涉及到与建筑如何配合则心有余而力不足，难免使太阳热水系统与建筑结合方一面存在一些不足之处。
第五，在农村市场，由于知识普及不够完善，大小规格不一的太阳能热水器充斥市场。有些企业不惜以牺牲产品质量，靠着低端价位的产品打拼市场。乘着家电下乡的“顺风车”透支未来市场销量，骗补趁机捞取“黑心钱”饮鸩止渴，造成企业发展迟缓，恶性循环，质量寿命得不到保障，经过三两年之后，效率低下，不能用或者夏天凑合用，而且农民权益不能得到及时的保障，售后维修不能及时的解决等等问题的出现，造成了农村市场的萎缩。
第六，我国现行我国现行太阳能热水器标准过低，没有强制性要求，太阳能存种种隐患。比如黄明太阳能董事长黄鸣曾曝光的行业两个潜规则，第一个是水箱内胆薄如纸，厂家因私利反对将厚度写入强制标准；第二个是电热管无3C认证，自行改装或致漏电。
第七，目前，国家相关部门和协会缺乏监管。该行业中存在低价中标，“不论品质，只论低价，皆以低价论英雄”，导致短命工程、垃圾工程充斥市场。如前一段江苏省质检院因“骗补”事件，被江苏省质监局给予警告处分，并暂停该院太阳能热水器产品检验项目计量认证资质6个月。
总之，太阳能利用在我国建筑行业，特别是在城市住宅中的一体化设计，还正处于蹒跚学步的阶段。目前，研究集合住宅中太阳能利用的资料还很少。发达国家可供借鉴的一体化设计方案在我国并不完全适合，尤其是国外利用太阳能的居住建筑人多数为独立或联排式小住宅，虽然这对于我国分散用能的广大农村、乡镇非常重要，然而我国目前城市住宅建设的主流是多高层集合住宅。因此，在我国研究和推广符合国情的一体化设计建筑，尤其是被动式太阳能多高层住宅势在必行，这就为我们建筑师提出了新的挑战和更高的要求。
八、太阳能热水系统与建筑整合设计研究
1、 太阳能热水器与建筑整合设计的概念与一般原则
(1) 太阳能热水器与建筑整合设计的概念
太阳能热水器与建筑的结合设计已经历经许多年，但关于太阳能热水器与建筑一体化设计概念至今仍众说纷纭。早期有相当一部分人认为，所谓太阳能热水器与建筑一体化设计，就是太阳能构配件能够达到建筑业所要求的整体化与美观协调，这也真实地反映了太阳能技术与建筑结合初期存在的种种问题。
然而，太阳能热水器与建筑的结合不会是二者简单的相加。这是由于太阳能热水器与建筑结合有它独特的特点：一是安装部位的限制性。因为太阳能热水器的主要集热装置必须面对阳光，因此决定了安装使用的部位只能在屋顶和南向，东西方向次之，北向基本不行，造成了一定安装局限性；二是太阳能热水器与建筑结合属于一项综合性技术。
太阳能热水器安装后要既好看又好用又安全，涉及建筑、结构、给排水和电气等各专业，需要在设计初期各专业人员就能良好配合。因此，在设计之初，就需要把太阳能利用纳入到总体设计中，把建筑、技术和美学融为一体，使太阳能装置成为建筑的一部分，相互间有机结合。为了与以往太阳能与建筑一体化的概念有所区别，本文特提出太阳能热水器与建筑整合设计的概念。
所谓太阳能热水器与建筑整合设计，是指采用太阳能(或与其他能源组合)作为热源，将太阳能热水器的应用技术纳入到建筑设计的全过程，把太阳能热水器作为建筑构件之一，与房屋建筑统一规划、设计和施工，与建筑融为一体，使其成为建筑的有机组成部分。太阳能热水器布置合理、有序、安全，输水管道集中设置，室内看不见明管，充分发挥其环保节能效果。因此，从规划方案到完成施工图设计的整个过程中，要综合考虑建筑所处的地域纬度和气候特点，太阳能热水器的不同类型、技术要求，建筑的造型、平面功能与热水器(集热器)位置、构造节点等因素，做到既符合建筑造型和使用功能，又满足高质量供水要求。
为了达到整合设计的目的，一定要改变太阳能装置作为后置设备安装这一状态，因此，在设计之初务必要做到将太阳能热水器作为建筑组成的一部分进行考虑，遵循一定的设计原则，这样才有可能实现真正意义上的太阳能热水器与建筑的的整合设计。
(2) 太阳能热水器与建筑整合设计的一般原则
太阳能热水器与建筑的整合设计要满足技术和美学两方面的要求，需要各专业的良好配合，一般需遵循意下原则：
1)充分利用太阳能。由于太阳能热水器的特殊工作原理，集热器必须暴露在阳光下。在设计中不仅应尽量地减少其周围遮挡，而且在造型上也应使其处于比较明显的位置。
2)太阳能热水系统设计应与规划、建筑设计同步进行，做到统一规划、同步设计、合理布局、因地制宜。
3)在规划设计中，应结合当地的地理条件，考虑当地地域的气候条件，日照条件等因素来确定和设计建筑的朝向、建筑之间的间距及建筑形体组合，最大限度地满足太阳热水系统设计和安装的技术要求。
4)在建筑单体设计时，应用太阳能热水系统的建筑要根据建筑功能及对热水供应方式的需求，综合考虑气候、太阳能资源、常规辅助能源类型，施工条件等诸因素，进行太阳能热水系统的选型；进而结合集热器安装部位、贮热水箱位置、用水空间等条件进行相应的平、立面和造型设计。
5)应用太阳热水系统的建筑，应把集热器应作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，做到造型美观、构件耐用、安装维护方便。
2、 整合设计的一般设计流程及要点
整合设计的一般流程
(1) 确定太阳能热水器系统的设计条件
在建筑设计中考虑应用太阳能热水系统，建筑师首先面临的是对太阳能热水系统形式的合理选择。所以除了对太阳能热水设备有初步的了解之外，还要象一般建筑设计一样，首先应该确认的就是影响太阳能热水系统设置的设计条件，因地制宜、优化选用。
涉及到的具体条件主要有以下几条：
1) 自然条件
了解安装地点的纬度、年平均日太阳辐照量、日照时间、环境温度等。
2) 用水情况
进行日平均用水量、用水方式、用水温度、用水位置、用水流量等调查。
3) 场地情况
这里主要包括场地面积、场地形状、建筑物承载能力、遮挡情况等。
4) 进行水压、电压、水电等供应情况的调查
a、了解当地的冷水供应方式、水压及水温。通常冷水系统的供水压力以顶层的卫生器为最不利点考虑，而太阳能热水器最佳的安装位置是在建筑屋顶上，所需要的水压至少比常规的系统高4～5米。
b、了解当地电以及燃气的供应方式、计费方式等，或考虑其他适宜的辅助热源。
(2)太阳能热水器的选用
应用太阳能热水系统的居住建筑，其太阳能热水器的选择应综合考虑小区内不同户型的实用性、经济性、美观性要求，分别选用不同类型的热水系统。其中需要确定的因素主要包括以下几个方面：
1) 系统运行方式的确定
太阳热水系统的运行方式，应根据用户基本条件、用户使用需求以及集热器和储水箱的相对安装位置等因素来确定(如下表)。
2) 集热器选型
太阳热水系统中集热器的类型，应根据太阳热水系统在一年中的运行时间、运行期内最低环境温度等因素确定。
目前集热器主要类型有全玻璃真空管式、热管式和U型管式、平板式几种。集热器在选用的过程中应该对当地太阳能资源条件、环境温度、经济条件、与建筑外观结合程度、维护管理等影响因素进行综合考虑，选用合适的集热器类型，选择方法详见下表。
3) 集热器面积确定
系统的集热面积应结合建筑可以提供的安装集热器的面积及所设定的太阳能保证率确定，并保证按照该面积配置的集热器所采集的热量能够被充分利用。通常可以按照生活热水系统的平均R耗热量与每m2太阳能集热器的得热量值之比计算。根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364---2005的规定，按照系统传热类型有两种计算方法：
a、直接系统集热器总面积
集热器总面积可以根据用户的每日用水量和用水温度确定，按下面公式计算：
4) 集热器的安装
a、安装倾角的选取
当选择整体式太阳能热水器或在屋面集中布置分体式太阳能集热器时，为了保证集热装置的集热效率，我们必须计算出其最佳的采光倾斜角度，并在实际设计和安装过程中严格按照这一数据选型、施工。
一般情况下，由于屋面形式或建筑立面设计的要求，实际集热器的安装倾角通常并非理论计算的最佳数值，但相关模拟计算表明，安装倾角误差为±50的小范围内变动，对太阳能热水器的整体性能影响不大。
b、集热器前后排距离的确定
若在平屋面上设计安装多排整体式太阳能热水器(或集热器)时，需要考虑到前后排的遮挡问题，因此必须通过一定的计算得出排与排之间不遮阳的最小间距。
集热器与遮光物或集热器前后排间的最小距离可按公式计算：
关于日平均热水用量的规定：《建筑给水排水设计规范》GB50015—2003规定“有集中热水供应和淋浴设备的住宅，最高日热水用水定额为60～lOOL／人•d，有自备热水供应和淋浴设备的住宅，最高日热水用水定额为40～80L／人•d。规范只是给出了最高日生活用水定额，并不具有一般性，对居民平均日用水没有具体规定，实际工程中用户的日均热水用量远低于这个标准，若按照这一极值来计算系统的用水量势必会造成严重的浪费现象。因此，建议可以参考各地用水习惯和特点，当采用局部热水供应系统时，居民的平均热水用量30～40L／人•d当采用集中热水供应系统时，居民的平均热水用量取45～60L／人•d。
(3) 规划设计
应用太阳能热水器的居住建筑，在规划设计时，主要应注意以下几点：
1) 规划设计时需综合考虑业主对热水的使用需求及管理模式，分析业主经济承担能力，综合确定太阳能热水系统的规模与形式；
2) 考虑到建筑间的相互遮挡会对集热器效率造成影响，同时太阳能热水设备的安装也对相邻建筑日照标准造成影响，因此要根据当地地域的气候条件，日照条件合理确定建筑的高度、间距及朝向；
3) 在建筑平面套型选择上，应遵循热水管线线路最短原则，合理布置用热水空间。
(4) 建筑设计
在建筑设计时，主要应注意以下几点：
1) 在建筑设计之初，根据选用的太阳能热水器形式合理地确定集热器的安装位置，如屋面(平、坡)、外墙面、檐口、阳台以及遮阳板等。
2) 集热器在安装部位、造型、材质、色彩等方面应与建筑整体及周围环境相协调；
3) 应根据集热器的形式、安装面积、尺寸大小进行细部设计，确定在建筑上的安装位置和安装方式；
4) 合理布置户内管线走向，管线布置应集中、整齐，同时预留出穿墙、穿楼板孔洞及检修口；
5) 作好保温、防水、防护、维修等方面的措施。
3、 太阳能热水器与居住建筑的整合设计方式和要求
集热器作为太阳能热水器的关键部位，是必须暴露在阳光下的，不仅应尽量地减少其周围遮挡，而且在造型上也应使其处于比较明显的位置。为此在与建筑的整合设计中，我们必须把集热器这一构件作为建筑造型艺术的组成部分，使其完成其技术功能的同时成就建筑艺术的目的。在遵循上述整合设计一般原则的前提下，下面将针对不同住宅类型以及不同部位，试探着提出几种安装结合方式的可能性，希望能为今后的住宅与太阳能热水设备之间架起一道通畅的桥梁。
这里，根据太阳能热水器的集热器与储水箱的相对位置关系是否分离，将其与建筑的整合方式初步分为整体式和分体式两大类。
(1)整体式
整体式即紧凑直插式太阳能热水器与建筑的结合，其安装位置一般多选择在建筑屋顶上。优点是安装位置高，周围遮挡少，接收太阳能辐射率高；缺点是由于紧凑直插式太阳能热水器的储水箱和集热器相连，不易与建筑结合，上述国内太阳能热水器的安装现状也足以说明了这一问题。但由于这种热水器与分体式太阳能热水器相比价格较低，所以更多的被老百姓所接受，得以大范围的推广。为此，要改变这种热水器的安装状态，需要进行整体式太阳能热水器与建筑的整合设计，这里根据屋顶形式不同提出了平屋顶和坡屋顶两者结合形式。
1)平屋顶整体式
平屋顶整体式即整体式太阳能热水器安装在平屋顶上，相对来讲，得热效率高，施工比较方便，集热器或支架与屋顶结构的连接技术难度较小，对建筑造型影响较小。只需要考虑预留好上下水管及做好支架安装的基础，摆放整齐即可。如果是前后有多排热水器，还需要考虑间距问题，符合前面我们提到的关于满足太阳能热水器4小时得热量的间距要求即可。
适用范围：这种结合形式对于既有平屋顶住宅来讲，一般只需采用陈列式布置，使太阳能设备看上去整齐有序、规格统一即可。但考虑到结构安全，尤其是大量安装时，需要在屋面附加钢横梁，再把太阳能热水器的支架固定在横梁上，以避免过大的集中荷载；对于新建的平屋顶住宅，在设计阶段就应该有意识的在屋顶设置安装太阳能热水器的共用安装桥架，其安装桥架支脚与楼板固定并伸出保温层和防水层。安装桥架尺寸以单元户数为依据，留出每户安装一台集热器的位置。并在安装桥架上预留出每户安装螺栓孔，针对市场太阳能热水器自带安装架确定螺栓孔据。安装桥架距屋顶防水层200mm以解决屋面雨雪排流。安装桥架为金属结构，选用钢制作。这样，既有利于太阳能热水器排列的整齐划一，又避免了后置安装对屋顶防水层、保温层等破坏。
系统选择：由于热水器在屋顶上可以形成自然压头，故管路选择比较灵活，既可以选择顶水式，也可以选择落水式，相应的集热器类型也有较大的自由度，自然循环式、强制循环式和直流式均可。在多层住宅中，一般多选择分散供热、自然循环独立系统。从内部循环上可以考虑单管式(上下水共用一根水管)、双管式(上下水共用一根水管，另外设循环管提供管路循环。或者上水和循环共用一根水管，下水管单独。)、三管式(上下水及循环均为单独一根管)。
2)坡屋顶整体式
坡屋顶整体式即在坡屋顶上安装整体式太阳能热水器，与在平屋顶上安装相比较，在系统形式上基本相同，但安装和维护难度都相应增大。目前在多层坡屋顶住宅中，常见的安装方式多为骑脊式、脊顶平装式、坡屋面斜装式(分有支架和无支架)。虽然有一部分住宅采用了预先安装，选用了同一型号，样式、大小、颜色一致，排列整齐，具有一定的韵律感，也避免了型号不同带来的混乱和对建筑结构的破坏。但是缺点也是显而易见的，主要体现在：(1)与建筑结合感弱，仅仅是排列整齐而已，大量的圆柱形储水箱和外露凌乱的管线，仍然破坏了建筑的整体感：(2)对屋顶也有一定的破坏。因为热水器通过角钢和屋顶相连，角钢必须穿过屋面瓦、防水层、保温层和屋面连接，给施工带来了一定的难度；(3)存在抗风、防雷等安全隐患：(4)维修保养不方便。
为此，针对上述问题，提出了坡屋顶整体式的整合设计改进方案：
a) 结合屋顶不好利用的空间，采用退台、切挖等处理方法产生平顶空间。这样既解决了安装和后期维护不便的问题，又能更好的与建筑结合，这样安装后的热水器和坡屋顶基本相平，且提高了设备的抗风性及安全性；再者也利用了屋顶和檐口等无法正常使用的空间。
b) 在坡屋顶上采用叠顶双檐的方式，将太阳能热水器的储水箱隐入叠檐内，在下方预埋穿屋顶套管，便于排水和承重，屋面层次富于变化，可构成独特的建筑风格造型。如上图所示，此改进方案将整体式太阳能热水器，集中置于坡屋面顶部，在设计中对坡屋顶的结构进行了处理，预留出太阳能热水器的搁置位置，叠檐处理手法使人在人视角度上无法看见影响建筑立面效果的储水箱，从而达到了与坡屋顶的完美结合。同时，屋面选用了深灰色的瓦屋面，在色彩上也与深色的集热器相协调。
优点是热水器的搁置空间是建筑结构的一部分，从而使得热水器与建筑结合后能满足抗风、防雷、防冻抗冻、电气、防渗漏等技术要求。
c) 结合利用传统坡屋顶的屋脊概念，将储水箱隐藏在屋脊中，使整体式太阳能热水器半嵌入式布置，从而达到整体式太阳能热水器与建筑的完美结合。
方案三透视、剖面示意图
如上图所示，此改进方案在屋脊处预留出水箱槽，很好的解决了储水箱和建筑的结合问题，同时其建筑形态还采用了古典建筑屋脊的符号，达到了与建筑一体化的目的。
(2)分体式
分体式即分体式太阳能热水器与建筑的结合。由于集热器和储水箱分离，因此给太阳能热水器的安装提供很多的可能性。集热器可以作为建筑结构的一部分或是建筑的装饰构件进行考虑，与建筑整合设计，可以达到与建筑整体的完美结合。其安装方位可以选择南向、东西向和屋顶。布置方式也可以有比较多的选择：如可以选择与屋顶、阳台、墙面等进行结合。系统选择上可以根据用户需求采用集中供热水系统、集中一分散供热水系统和分散供热水系统。因此，与整体式太阳能热水器相比，分体式太阳能热水器更易与建筑结合，且适用范围更广，多用于解决多层、小高层和高层住宅太阳能热水系统问题。
这里，根据集热器的安装位置不同，将热水器与建筑的整合形式分为屋顶式、阳台式、外墙悬挂式和遮阳式等。
1)屋顶式
根据分体式太阳能热水器与不同屋顶形式的有机结合与连接，又可以分为平屋顶分体式和坡屋顶分体式两种。
a 平屋顶分体式(亦称屋顶构架式)
这里，分体式太阳能热水器在平屋顶的安装，多利用构架进行固定，因此也可以称为屋顶构架式。目前很多住宅小区为了追求不同的建筑造型风格，多在建筑屋顶上下功夫，而构架或飘板又是主要的处理手法。但纯粹装饰作用的构架没有任何具体的使用功能，如果可以把构架和太阳能热水器结合起来，既能满足形式的需要，又具有实用功能，可以说实现了形式和功能的完美结合。
在整合设计的过程中，热水器的安装位置可以考虑和建筑结构结合，利用建筑原有结构柱升出屋面形成构件。安装集热器的构架还可以用混凝土或着钢结构作成倾斜式的或水平的，与屋顶的楼、电梯或水箱问结合。
这样做的优点有很多：(1)集热效率高；(2)集热器安装在构架上而不是屋面上，对建筑的结构、防水、保温不会造成破坏；(3)集热器阵列和构件结合，能形成很强的韵律感，起到很好的装饰作用；(4)能充分利用屋顶空间，构架架空下的空间可以成为居民休闲娱乐的活动场所；(5)便于安装维修而且具有一定的遮阳效果。
适用范围：这种结合方式在新建住宅和既有住宅中都较为适用。
系统选择：选用强制循环式和直流式；供水方式推荐选择集中供热水系统和集中一分散供热水系统。
b 坡屋顶分体式
坡屋顶居住建筑屋顶形式多种多样，如单坡、双坡、四坡等，形式各异，具有独特的艺术感染力。但也有部分坡屋顶住宅由于受平面单一的局限和经济因素的影响，使造好的坡屋顶建筑没有太大的变化，造型比较平淡。若能将坡屋顶与分体式太阳能热水器的集热器装置相结合，通过集热器与屋面两种材料决然不同的质感形成虚实对比，同时因集热器通过疏密有序的排列能形成的强烈的韵律感，将会给单调的屋面增添活跃的一笔。这里，坡屋顶设置的集热器建议可以采用屋面一体型、叠合型和支架型设置方式。
其中，一体型是指在建筑设计之初，就考虑好集热器的安装尺度与瓦屋面的模数尺寸，预留空洞，集热器的倾斜角度与屋面的倾斜角度一致，通过镶嵌的方式与建筑屋面成为有机组成的整体，达到结合的目的。这里需要注意是应处理好相应的排水和保温构造，具体措施可祥见《太阳能热水系统建筑一体化设计与应用图集》(L07SJ906)；优点是与屋面设计同步进行，对建筑结构、防水、保温的破坏性小，安全可靠，可以成为建筑屋面有机组成的一部分；缺点是集热器的安装尺寸需要达到构件化、模数化的标准，与屋面构件模数契合，施工有一定难度。
叠合型是指集热器顺坡架空在坡屋面上，其倾斜角度和屋面的倾斜角度一致。这里需要注意应预留预埋件和固定件，且不能破坏原有屋面的结构，集热器与屋面叠合问的空隙不宜大于100 rlllTl；优点是不影响建筑美观；缺点是叠合安装若没有事先预留出管道井，管道安装需要在房屋原有维护构件上进行改造，容易破坏屋面瓦构件，且应注意安装固定牢固，避免滑落造成危险。
支架型是指集热器通过支架与屋顶相连接，其安装坡度可以与屋面的坡度不同；优点是可以根据集热器集热效率需要自由设置安装角度：缺点是抗风性较差，与屋面结合相对较弱。
适用范围：对于既有住宅，可以采用叠合型和支架型。需要注意的是，在安装过程中，应尽可能结合建筑的原有屋面坡度，留下上人的设施。此外，还应考虑屋面的承载能力，对住宅原施工图纸进行重新核对和计算，并在施工中设置一定的加固措施，防止构件脱落带来其他危害；对于新建住宅，可以同时采用三种设置方式，不过推荐采用一体型，这样可以与天窗结合形成天窗效果；
此外，对与新建坡屋顶建筑，分体式热水器的安装在设计之初也结合设计要求可以考虑利用屋顶不好利用的空间，采用退台或挖空的处理手法更好的与建筑结合，利用平顶空间安装集热器，提高了设备的抗风性和安全性，也解决了安装和后期维修的问题，具体如图3.20所示。
系统选择：可以根据需要选择自然循环式(储水箱底部应高于集热器顶部出水点0.3m--0.5m)、强制循环式和直流式；供水方式可以选择集中供热水系统、集中一分散供热水系统和分散供热水系统。
2)外墙悬挂式
所谓外墙悬挂式指太阳能集热器安装在建筑外墙的一种方式。它可以设置在建筑朝南、南偏东、南偏西和朝东、朝西的墙面上，或直接构成建筑墙面。储水箱在室内，管线通过在墙面上预留套管和集热器连接，集热器和墙面通过预埋件及挂件相连。优点是：
a、集热器安装位置相对灵活，大小可以根据工程的实际情况调整，可以选择窗间墙、窗下墙或局部的西向墙体；
b、同层使用，管路较短，热损失少，
安装维修方便；
c、与建筑结合紧密，可以成为建筑的一个造型元素。根据建筑造型的需求，选用不同色系的集热管，可以形成强烈韵律感的集热器阵列，从而达到功能性和美学性的完美结合。缺点是：外墙式多为与墙面垂平行、和地面垂直的一种安装方式，故集热效率在一定程度有所降低，另外底层住户可能存在因遮挡原因而无法使用。
因此，为了接收到较多的太阳辐射，太阳能集热器的安装可以考虑有适当的倾角，这里提出两种窗下墙位置的结合方式来参考。一是与遮阳板结合，集热器倾斜固定在窗下墙和遮阳板上；二是在窗下墙位置直接安装三角架来固定集热器。
这里需要注意的是：应对倾斜的集热器做遮阳分析，以保证不会对下层用户造成遮挡。
适用范围：这种结合方式多适用在解决新建小高层、高层住宅安装太阳能热水器屋顶面积不足的问题，结合安装前要预留套管和预埋构件，同时计算承重墙的荷载能力，以保证安装的安全性；而对既有住宅来讲，会破坏原有墙体，不是理想选择。
系统选择：可以根据集热器与水箱的相对位置高低不同，选用自然循环和强制循环式；运行方式多选择分散供热水方式。
3) 阳台式
阳台的位置决定了它成为集热器应用的另外一个重要部位。所谓阳台式即太阳能热水器的集热器与阳台结合、水箱安装在阳台上或室内的一种方式。根据安装位置的不同，太阳能集热器可以布置在阳台栏板上或直接构成阳台栏板，或者作为封闭阳台的构架。
优点是：a、同层使用，连接管道短，热损失少，安装检修方便；b、造型美观。缺点是储水箱安装在阳台上对阳台较小的用户来说有一定的使用影响；另外，底层用户受日照影响较大。
这里，阳台式的结合方案提出了两种结合方式：
一种可以采用和外墙悬挂式一样的处理，将集热器直接悬挂在实体阳台栏板上，但这种方式可能受到实体栏板的高度限制，为了满足集热要求，可以考虑两台集热器水平串联的方式设置；一种是直接构成阳台栏板。集热器布置可以在阳台一侧或两户阳台的中间部位，根据建筑造型需要，有规律的变化位置，产生不同韵律感的建筑外立面。
此外，阳台位置同时多是空调机的安装位置所在，因此，在进行分体式太阳能热水器的布置时，可以结合空调机进行集热器、储水箱、空调及管路设计，这里提出了一种结合方式仅供参考，贮水箱设在室内，空调机设置在阳台外侧，并采用双外墙的形式，一层为保温，二层为遮挡空调机的落水管，且结合空调功能及需要做成栅格与实体墙相结合，既没有影响外墙美观，又满足了水箱与空调的各自的功能，达到了整合设计的目的。
适用范围：同时适用于既有住宅和新建住宅。但是，不推荐在既有住宅上采用这种安装方式，因为既有住宅格局一定，存在集热器面积大小受限，而且会带来明管穿越居室影响使用的不利因素；如果不统一安装，还存在破坏建筑形象和集热器易受上层跌落物损坏的问题。而对于新建住宅，特别是来讲对小高层、高层住宅是其他安装方式不能替代的，只要事先安排好管线的位置和建筑平面的布局，则可以避免上述不利因素。
系统选择：系统运行方式根据集热器与储水箱相对位置采用分体式强制循环(储水箱安装位置不高于集热器顶部)或自然循环(储水箱底部高于集热器顶部O.3～0.5m)；系统供水方式多选择分散供热水系统。
4) 遮阳式
所谓遮阳式是指和遮阳设施统一考虑。在北方很多地区由于气候和地理位置的特殊，夏季炎热，光线充足，因此在南向的外窗上为了防晒多采用水平遮阳。可以将集热器安装在窗口上方的遮阳托架上，在起到遮阳作用的同时为用户提供热水，有效地利用了空间。但是要注意三点：一是要确保安装牢固，以免集热器落下伤人；二是集热器是玻璃材质，还要考虑在集热器上方加适当的保护措施防止重物砸坏集热器；三是要注意建筑美观的影响，如热水器管道的遮蔽问题。
5)女儿墙式
所谓女儿墙式是指集热器与女儿墙或檐口相结合的一种方式。此结合方式可以和建筑造型结合设计，但只能解决少数用户使用热水，且必须使用强制循环系统。
(3)关于小高层、高层住宅应用太阳能热水器的结合方式探讨
按照国内生活习惯及通用建筑面积设计标准，要使用太阳能解决住户热水需求，7层以下建筑利用屋顶就可以满足集热器安装需要；但是7层以上的小高层住宅或屋顶有装饰性造型的建筑，在设计中会存在安装面积不足的问题。随着我国住房建设速度的不断加快，在城市住房建设中，高层住宅建设越来越多。可以说，如何在高层住宅上实现建筑太阳能一体化成为重点。
而目前，高层住宅安装太阳能热水器还有很多困难。如高层居民多，相应的集热板数量增多，屋顶面积远远不能满足需要；从顶层到底层的距离远，如果底层安置太阳能热水系统不但管线长，还会有大量的热量损失；另外高层的各层采光不均衡，底层采光相对较差，还有热水供应方式和输送方式都需要进一步研究。
为此，高层住宅的太阳能热水器与建筑的整合设计主要应该解决的两个最主要的问题：
1) 热水供应方式，即系统方式。
高层住宅从底部到顶部，接受太阳能辐射的效率是不同的。底部，如一、二层住户，不但太阳辐射效率低，而且管线过长，热损耗大。因此，供热方式是采用集中供热还是分层供热，分户供热还是集体供热，这些都与多层住宅不同，应该因针对高层建筑进行改进设计。
2) 集热器在外立面上的构件化设计。
由于高层住宅的用户相对较多，平铺屋顶集热器数量肯定不够。因此，集热器的构件化更为迫切。
为此，针对小高层、高层建筑安装太阳能集热器的合理位置进行了如下探讨：
a、屋顶分体式(也即屋架式)。即在小高层、高层住宅的屋顶利用构架的形式结合建筑原有结构集中安装布置太阳能集热器，这样集热器位于建筑的最高处，解决了高层住宅建筑屋顶面积不足的同时还保证了集热器的高集热效率；与建筑装饰构件相结合，满足了建筑造型美观的要求。储水箱既可以是集中的共用水箱，结合楼、电梯问布置，每个单元设计一个单独的水箱，也可以是独立的家用小水箱，将其布置在各家各户里。其优点同上述屋顶分体式，缺点是低层住户会存在用水浪费比较严重和热水压力过大的现象。系统选择上主要采用强制循环、集中供热或集中——分散供热的方式。
b、阳台式或外墙悬挂式。即结合小高层、高层住宅的阳台或外墙安装布置太阳能热水器。这种结合方式优点同上述阳台式或外墙悬挂式，缺点是低层住户由于日照不足可能存在集热效率不高的现象，且低层和高层冷水供水压力大小不均。
系统形式选择可以采用自然循环、分散供热形式或采用强制循环、分散供热形式。
c、屋架式与阳台式的结合。这种结合方式综合了上述两种方案的优点，低层住户采用集中——分户供热形式，每半个单元安装一套太阳能集热器；高层的住户采用阳台式太阳能热水系统，分散供热。
d、分层分区供热水的方式。即利用多层住宅使用太阳能热水器的优势，每6层设置一安装太阳能热水器的悬挑阳台式屋面，巧妙的解决了高层住宅太阳能的安装，同时克服了壁挂式太阳能对建筑立面整体性及色彩装饰单一性的破坏，给建筑创造了丰富而顺畅的流线。方案可以选用强制循环、集中——分散供热水系统，6层集中布置1～5层集热器，集中采热、每层分户供应；12层集中布置6～10层集热器，以此类推。
4、几个值得引起重视的注意点
(1) 太阳能热水器与建筑整合设计同步
太阳能系统与建筑的整合，是多学科、多方面参与合作的综合性事业，需要各行业人员的相互沟通与合作。如太阳能工程技术人员应向建筑设计人员提供原始的技术参数和工艺要求：根据客户使用热水量要求提供出热水箱的外形尺寸和总重量，以便建筑设计人员进行荷载计算和合理位置排布；提供热水器的占地总面积，安装倾角，使建筑设计人员能够合理地安排基座位置，计算抗台风能力和外观美化布置；太阳能技术人员应向水电设计人员提供用户日用热水总量和热水管道走向，管道保温工艺要求，是设计人员能够采用最合理的管道布置方案，以尽量减少施工成本，并同时提出辅助用电总容量，使其考虑是否设计专用供电线路，确保系统日后的正常使用。
(2) 太阳能热水器安装与施工同步
在施工方面，应配合土建工程进度同步施工，以达到低成本、高质量效果。
1) 与土建工程部分进行同步结合，当确定用太阳能热水系统后应及时同土建施工队的现场负责人保持经常的联络，根据其进度配合施工，并按照设计规范要求对其管道井、屋里水箱位置以及集热器底座位置进行合理预留进出口(如上表)、预埋钢板固定座等，以便保证日后安装的安全性和可靠性。
2) 对管道施工应配合指导管道工严格按照设计规范要求进行，特别注意管道保温工艺处理、管道走向、接头质量等。同时还应注意冷热水管的间距问题，对没有保温处理的暗热水管与冷水管道平行间距不得小于100mm，回水管道一定要独立一根，不得与热水管道公用。尽量做到热水管路等距使用；在热水管公共末端应设置污物沉淀灌，以便定时排污确保热水清洁。
3) 对有使用辅助电加热系统，总容量大于20KW的应考虑配合建筑电路施工要求，设置专用的电源线和配电盘，参数按照建筑配电要求进行；若使用暗线电路应设有接地等保护措施。
(3) 要协调好住宅建筑与太阳能热水设备生命周期的矛盾
太阳能热水设备的生命周期相对于住宅建筑短暂得多，为此，在建筑方案中需要在建筑物的全周期内考虑太阳能热水设备的运行、管理和更新。太阳能热水设备不是安装完就了事，更重要的是它的运行质量。只顾建设，忽视管理与服务，是当前值得引起注意的一种不良倾向，不利于系统的一体化运行。
为此，应注意解决以下几方面：
1)抗风防范措施。一般是在支架上用长约为300mm到400mm的4号角铁压在集热器两端，并用M10的螺栓栓紧在支架上，再把支架用直径为8mm或6mm的钢丝拉紧到有柱台或梁柱的地方进行固定。
2)防雷设计措施。太阳能热水器安装在在屋面会占据很大的面积，其中的金属构件、水循环系统和电循环系统都可能成为雷电的载体。如果没有良好的避雷措施，在雨天，太阳能系统将很容易受到雷电的袭击，严重时将导致太阳能系统的崩溃，甚至会威胁到用户的人身安全。因此，为了系统使用安装可靠，对整个系统(特别是对采用辅助电加热系统)应安装防雷装置(俗称避雷针)。根据系统热水箱的安装高度，确定避雷针的高度应为该高度2.5倍以上，并且要求针顶点与机座最远点的连线(斜线)同避雷针的夹角大于60度，以确保整个系统置于保护范围内。
3)维护与检修。在建筑中设计安装太阳能热水设备时，应为以后的维护、检修及局部更换创造便利条件，如平屋面设出屋面上人孔做检修出口，坡屋面屋脊的适当部位预埋能够钩牢系在专业安装人员身上的安全带的金属挂钩，墙面上设计能够进行太阳能集热器的安装、维护活动的措施等。
屋顶上设置的专用维修设施
(4) 太阳能热水器走构件化、模块化、标准化道路
目前，国内针对太阳能热水器生产厂家有不少技术性规范，但是却缺少和建筑有机结合的技术措施。为了能让太阳能更加顺利地走进建筑，为千家万户提供热源，太阳能热水器的发展应进行改型设计和配套部件开发，像其他建筑构件一样，严格依照建筑材料和建筑构件的相应技术参数，开发出满足屋面、墙体、阳台等位置安装的系列产品。
九、国内优秀工程实例分析一：天津生态城滨海一、二期
项目名称：天津生态城滨海一、二期住宅太阳能热水系统
(1)工程概况及特点
项目位于天津市汉沽区中新生态城，项目名称为“天津生态城滨海一、二期住宅太阳能热水系统”。太阳热水系统分别采用阳台壁挂式太阳能热水系统及集中集热分户供热太阳能热水系统形式。满足安全、适用、经济、美观的原则，并应便于安装、清洁、维护和局部更换。阳台壁挂式太阳能热水系统集热器放置在建筑南立面阳台栏杆外，水箱为承压换热水箱，放置在阳台内，系统热媒采用防防冻液自然循环，集中集热分户供热太阳能热水系统集热器放置于屋面，过渡水箱放置于设备间内，户内水箱为承压换热水箱，放置于阳台内，系统热媒采用防冻液自然循环。
(2)设计参数
1) 基本参数
天津气候属暖温带半湿润大陆季风型气候：四季明显，长短不一。7月最热，月平均气温可达 26 ℃；1 月最冷，月平均气温为 -4 ℃。天津地区太阳能总辐照月平均总辐照量如下图所示。
年平均室外温度 =12.2℃。
全年日照时数2609h/年，年平均日均日照时数SY=7.1h/天
年平均集热器倾角等于当地纬度倾斜表面日照辐量JT=15.8MJ/m2.d
(3)集热器面积计算：(集中集热分户储热系统，以100升热水为例)
(4)集热器面积计算：(阳台壁挂式太阳能热水系统，以100升热水为例)
阳能壁挂式太阳能运行原理与说明：
太阳热水器广泛适用于宾馆、饭店、学校、医院、厂矿、机关及洗浴中心、游泳池等大中小型生活热水系统。主要由太阳集热器、储热水箱、支架等部分组成。
其基本工作原理：
阳光透过固定于南立面墙上的太阳集热器的全玻璃外表面，照射到内表面上的选择性吸收涂层上，辐射能被转化为热能，通过传导，热量传递给联箱与水箱之间的循环工质，工质通过热虹吸作用将热量与水箱内水换热，如此不断地进行热量传递，最终使水箱内水温升高。
用户用水采用自来水顶水法用水，打开热水供水龙头，依靠自来水水压将热水顶出储热水箱，储热水箱低部冷水进入储水箱，达到一开水龙头即出热水的特点。
用水时：打开阀1和阀3，热水器处于上水状态。待喷头出水，表明水箱已满，关闭，保持阀3常开。
用水时，打开阀3和阀1，试水温，若太热，打开阀2调节至水温适宜为止(也可以用混水阀代替阀2和阀3)。注意试水，防止烫伤。
若连续阴雨天气造成热水器水温不够高，可以使用电辅助加热装置，但用水前务必切断电源。
(6)操作说明与注意事项：
控制面板示意图：
1)开关机：
插上电源插头——接通电源，系统进入自检状态(每个显示灯都亮)，后进入关机状态。
按‘开关’键——按键时间在300ms＜t＜3s内有效，则开机，系统再次自检，自检后：
时间显示：时间显示记忆值，首次开机或长期断电显示默认值。
再按‘开关’键——按键时间在30ms＜t＜3s内有效，进入关机状态。
2)温度设置：
温度设置默认值为55℃，回差5℃，设定范围以35℃-75℃-35℃循环。
在开机状态：
按“上调”或“下调”键——进入温度设置状态，＜设定温度＞点亮，温度数值闪烁。
再按“上调”或“下调”键——温度数值上调或下调，若持续按住1.5s，数据开始连续变化，设置完成，数值闪烁4s后退出并保存设置，或在闪烁时按其它键也能退出并保存设置，进入所选状态。
3) 预约设置：
预定定时的设置与选择
＜定时一＞出厂值：当天5：00开机-当天9：00关机，温度55℃
＜定时二＞出厂值：当天17：00开机-次日23：00关机，温度55℃
预约定时的设置：
按‘设置’键——开始时间的小时数值闪烁，表示对定时时段开始的设置。
按“上调”或“下调”键——调节数值，达到所需小时数值。
按‘设置’键——时间的分钟数值闪烁，表示此时可对开始时间的分钟数值调节。
按“上调”或“下调”键——调节数值，达到您所需分钟数值。
按‘设置’键——＜结束＞和时间的小时数值闪烁，表示对定时时段结束时间的设置，操作步骤如同开始时间的设置。
预约定时的选择：
过程：定时—∽定时二∽定进一+定时二∽退出。
4)时钟的设置：
按“时间”键，时间的小时数值闪烁，表示对定时时段开始的设置。按“上调”或“下调”键——调节数值，达到所需小时数值。
按“时间”键，时间的分钟数值闪烁，表示此时可对开始时间的分钟数值调节。按“上调”或“下调”键——调节数值，达到您所需分钟数值。
5)即热：
即热：在开机状态，选择即热、控制器即启动加热，当加热达设定值后返回到即热前的状态。
按‘即热’键——＜即时加热＞点亮。
再按‘即热’键——立即退出即热状态，进入即热之前状态。
6)复位功能：
‘开关’键——按键时间在t＞3s内有效，所有数据恢复为出厂设置且自检，后处于关机状态。
7)故障报警功能：
出现故障情况时控制器蜂鸣报警5声提示，同时显示相应的故障代码，并闪烁。
8)断电记忆功能
在断电的情况下，时钟和所有设置数据可以保存3天。
(7)注意事项
1) 不定期擦洗真空集热管，保持其表面洁净以保证较高的集热效率；
2) 寒冷地区暴露在室外的管路严格保温，以保证冬季太阳热水器的正常运行和减少热量损失；
3) 冬季连晒两天，可提高水温；
4) 确保所有阀门处于正常状态，循环管路已注满工质，水箱中已注满水；
5) 保证集热器可以受到充足的日照；
6) 雷雨天气请不要使用，并将电源插头拔掉；
7) 首次使用前或长期停用再次使用前，均应对集热器，水箱，循环系统，安全阀进行一次全面的检查；
8) 热水器有时出水温度会很高，用水时应避免水流到或溅到人或不耐温的物件上。打开出水阀时，切勿将喷头对准人体，以免烫伤。特别是老人和小孩使用时应由成人调试好水温；
9) 在热水器水温较高，水箱内压力达到保护值时，系统会从单向安全阀泄水减压，这属于正常现象；
10) 智能温控仪的使用参见其使用说明书；
11) 热水器非经厂家同意，经销商或用户自行改装以及安装使用正常后非专业安装人员随意改动造成的一切后果，责任自负。
(8)常见疑难及处理方法
根据当地环境条件定期除尘，保证太阳热水器获得最佳的使用效果。
保护好循环管路保温管外的扎带，防止水进入保温层，影响循环管路的性能及使用寿命。
(10)产品特点
1)环保节能
利用可再生能源(太阳能)，为子孙后代节约濒临枯竭的常规能源，一次性投资长期使用，省钱安全方便；无有害气体排放，环保无污染。利在当今，功在后世。
2)高科技产品
高效集热，高效传热，热水带压，水箱防腐蚀。该热水器涉及多个学科领域，技术性能先进，科技含量较高，具有多项国家专利，是目前国内最好的太阳热水器之一。
3)高质量保证
科技结晶，专业打造，全程流水线生产，进口在线检测设备及监控设备，严格保证生产工艺和产品质量。
4)保温性能稳定，效果好
在发泡成型过程中，原料温度与环境温度恒定程度直接影响产品质量。公司采用进口全自动高压发泡机，定压、定时、定量整体聚氨酯发泡，恒温定时熟化，让反应进行完全，保证了水箱保温结构的耐冷热冲击性能。
5)超强的内胆
高档承压式水箱，搪瓷内胆。采用进口的搪瓷原料及生产工艺，三层胆组合技术，即非金属内层膜、融合层、合金钢板层，是普通太阳能内胆厚度的3-4倍。内胆非金属涂层，是运用先进的工艺将特种硅化物均匀涂抹于内胆的内壁上，经进口的专业设备870℃高温融合而成，韧性强，强度高，能承受巨大的水流冲击，是当今最有效的抗腐蚀、防锈、防垢的内胆之一。
镁棒保护：采用不锈钢内芯强力阳极棒，防腐除垢，软化水质，保护水箱，延长了热水器的使用寿命。
6)安全安心
辅助电加热温控，过热保护，漏电保护，三道防线，三重保护，使用安全、安心。
7)热水带压
顶水使用，用水舒适，冷热水调节方便。
8)多路供水
水流有冲劲， 家中的多个水龙头可同时享用热水，是真正的家庭热水中心。
9)大显示屏
较大的显示是您对水箱的温度一目了然。
10)分体式设计
集热器和水箱分开放置。集热器悬挂于南立面墙上、窗户下或阳台下，与建筑有机结合，解决了高层无法使用太阳能热水器的难题。
11)冬天不怕冻
集热回路中工作介质防冻、防垢，即使高寒地区，仍可高效运行。
12)世界独创真空管——梅花聚能管 吸热面积增大，热力更强劲，热水更流畅。
13)外观时尚，彰显尊贵
超豪华集热器外观，彰显时尚尊贵品质，凸显用户的身份和地位。
(11)集中集热分户储热太阳能运行原理与说明：
太阳能集热系统采用闭式承压运行模式，介质采用防冻液，通过板式换热器与中间缓冲水箱间循环泵进行热量循环。缓冲水箱中热量再与各用户用水点循环供热。
当集热模块中温度达到设定要求时，控制器采动太阳能循环泵与水箱中循环泵，将集热器中的热量传递给缓冲水箱，当用户末端水温低于设定温度或中间缓冲水箱水温与用户末端水温达到一定差值时，控制器启动供水换热泵，将热量传于各用水端。达到热量充分利用的目的。
各住户分别独立安装电磁阀与止回阀。可有效防止热量的回流而造成热量的浪费。
控制器具有开机自检，防漏电、手动自动切换，温差循环，过热保护、过流保护，漏电保护防干烧，防雷电，故障报警，断电计忆。显示功能。显示系统终端设备运行与故障各控制功能。
项目名称：北京某回迁安置房项目
(1)项目概况及设计要求
1、项目概况
北京某回迁安置房项目，总建筑面积为34万m2，其中住宅建筑面积25.7925万m2，设计容纳3277户，人口9176人。其中2#楼 308户。
依据今年3月北京市出台的《北京市太阳能热水系统城镇建筑应用管理办法》的要求，本项目需设计太阳能热水系统。
2、对太阳能系统设计方案的要求
太阳能方提供了多种设计方案的比较分析，用户方最后选定投资较小，运行噪音小的如下2种方案，要求太阳能方进行深化设计，并提供投资及运行费用分析。
1) 屋顶低谷电辅助加热型集中集热-集中贮水-分户计量太阳能系统
注：该方案包括以下两种运行情况的运行成本分析
a) 电辅助加热工作
b) 关闭电辅助加热，仅单纯依靠太阳能加热
2) 屋顶无辅助加热的集中集热-集中贮水-分户计量太阳能系统，辅助加热由住户自己安装电热水器或其它热水器。
(2)方案设计考虑的主要方面
近十年来，天普太阳能公司在太阳能与住宅建筑一体化方面进行了持续的探索，积累了丰富的经验。对本方案的设计，我们主要考虑了以下几个方面。
1、太阳能系统与建筑一体化设计
主要包括：
1)太阳能系统的外观与建筑的匹配性与协调性设计；
2)太阳能系统的色泽、质感与建筑的协调性设计等；
2、太阳能系统运行方案的可靠性、合理性、先进性设计
主要包括：
1)太阳能集热系统、辅助加热系统、热水供水系统的设计
2)优先与充分利用太阳能设计；
3)系统全自动智能化运行方案；
4)系统各种自动安全防护功能设计
5) 极端情况的应急处理功能。
3、太阳能系统使用管理的适用性与方便性设计
主要包括：
1)太阳能运行维护的方便性设计
2)适应实际情况的太阳能系统运行管理模式设计
3)太阳能热水的成本估算与收费办法设计
4、太阳能系统投资的经济性与社会环境效益分析
主要包括：
1) 太阳能系统投入产出比估算
2) 社会效益与环境效益估算等
(3) 用户初步选定的设计方案说明
方案一：屋顶低谷电辅助加热型集中集热-集中贮水-分户计量太阳能系统
本方案采用太阳能优先加热+太阳能不足时低谷电补充加热的设计方式。
经多年探索，我公司采用了先低谷电储能+后太阳能加热的设计方案，解决了二者不同步的问题，既能实现不受天气阴晴影响100%保证热水供应，又能实现优先和充分利用太阳能加热。
设计关键点：
a) 将储热水箱加大1倍，利用低谷电提前储存够第二天使用的热水量(50%水箱容量)，剩余50%水箱空间留给太阳能加热。
b) 当第二天晴天时，太阳能产热水足够用户使用时，到晚上水箱仍剩余够第三天使用的热水，低谷电不加热；
c) 当第二天半晴半阴天时，太阳能产热水量少，到晚上水箱剩余的热水不够第三天使用的热水，低谷电加热，补充一部分热水，够第三天热水用量即可；
d) 当第二天阴雨天时，太阳能不产热水，到晚上水箱没有剩余热水，低谷电加热，补充热水至够第二天使用的热水量(50%水箱容量)。
优点：
1、既能充分利用太阳能加热，又能利用低谷电电费低的优点；
2、热水资源能够共享；
3、前期投资较低。
需重点解决的技术点：
1、 热水用水的计量收费问题，
2、 热水成本核算及热水收费标准制定问题；
3、 热水供水系统合理分区及水压平衡问题；
4、 管井热水管路降温问题的解决办法。
重点技术点的解决办法：
1、可以通过IC卡热水表预收费的办法解决热水收费问题。在不设置辅助热源时，可以仅收取冷水费，从而避免收费难的问题。
2、顶层压力不足及底层超压的问题，可通过分区供热水及底层分户减压的办法来解决。
3、管井热水管路的降温问题可通过热水回水管路定温循环的办法来接决。
4、北京市有关部门正在制定太阳能热水的定价办法。
注：经与用户方探讨，基于以下原因，初步计划采用此种方案。
1、 在所有可选方案中，投资较低
2、 系统楼顶没有噪音
3、 既可以采用太阳能+低谷电联合供热水，通过IC卡收取热水费，也可以仅依靠太阳能加热，只收取冷水费。可进可退。
方案二：户家分散辅助加热型集中集热-集中贮水-分户计量太阳能热水系统
本方案是给住户自己分户安装电热水器或其他热水器，楼顶太阳能系统不再需要辅助加热装置。太阳能能把热水加热到多少度算多少度。
如果楼顶太阳能水箱的水温达到40度以上，用户直接使用；如果楼顶太阳能水箱的水温低于40度，各户使用热水时，由各户的电热水器或其他热水器加热到40度以上后再使用。
优点：
1、不需要分摊辅助热源费用；
2、热水资源能够共享；
3、前期投资最低。
需重点解决的技术点(与方案一相同)：
1、太阳能不确定热/温/冷水的计量与收费问题，
2、太阳能不确定热/温/冷水的成本核算及收费标准制定问题；
3、太阳能供热水系统合理分区及水压平衡问题；
4、管井热水管路降温问题的解决办法。
1 太阳能集热器选型
目前国内使用的太阳能集热器类型主要有平板型集热器、真空管型集热器、热管真空管型集热器、U形管型集热器。
1.1 平板型集热器
平板型集热器可以承压运行，但保温性能不如真空管集热器，因此在春、夏、秋三季使用时效率高，冬季使用时，需作特殊防冻设计。另外，平板集热器不能自动跟踪阳光，因此倾角需要等于当地纬度时，才能更好接受太阳能。对于高层建筑，楼顶放置太阳能的面积本就不足；为了节省占地，必须采用单排多列布置，这样就造成加热器后面的高度过高，既存在安全隐患，又不美观。
全玻璃真空管集热器在-25℃的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高。全玻璃真空管集热器还可以自动实现季节跟踪或日跟踪，安装可不受倾角限制，甚至可以水平平铺。 因此，占地面积最小。但真空管集热器不能承压，存在炸管泄漏问题。
1.3 热管真空管集热器
热管真空管集热器可在零下50℃条件下使用，能够承压运行。这类集热器也可以实现季节跟踪或日跟踪，安装倾角可不受限制，也可以水平平铺。但热管冷凝端(加热端)表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高。
U形管真空管集热器是在真空管的内壁插入了一根U形的铜管，利用传热介质在U形铜管内流动将真空管吸收太阳热能带走，因而可封闭带压循环，不存在炸管泄漏问题。这类集热器也可以自动实现季节跟踪或日跟踪，安装可不受倾角限制，可以水平平铺。但由于U形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。
1.5 天普抗炸管抗过热抗缺水抗断电自防冻能承压全玻璃真空管集热器
该集热器是在全玻璃真空管集热器内置两根不锈钢波纹管，使热水箱内的生活热水与集热器内传热工质分开，因此系统工作时，集热器能承受6kg以上的压力。每一支真空集热管和联集箱中的水与换热循环管道并不相通，即使玻璃真空管意外损坏一支，只是减少了损坏处局部吸热效果，系统仍可正常运行。同时，真空管中的水为传热“介质水”，几乎不消耗，不再有钙镁离子补充，因而真空管玻璃内壁不易水垢，可长久保持高效率的集热效果。冬季集热效率也较高，布局摆放也不受角度限制，价格适中。
综上可知，本产品具备了热管集热器、U形管集热器可承压的优点，避免了其抗冻能力低的缺点。同时具备了全玻璃真空管高效率、投资较小的优点。同时可靠性强，不宜结水垢，避免了真空管集热器炸管漏水后系统瘫痪的缺点。
建议选择天普抗炸管、抗过热、抗缺水、抗断电、自防冻、能承压的全玻璃真空管集热器作为本项目的集热器产品。
根据屋面现有情况，屋面最多可摆放62组天普新型太阳能集热器，每组集热器采光面积4.23m2,62组为262m2。具体布置见下图。
2 用热水量的确定
3 北京的太阳能辐射资源
根据GB 50364-2005 《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》查得北京市各月的气象参数如下：
4 真空管集热器的热效率
经国家太阳能质量检测中心测试，真空管集热器集热器的效率曲线见下图。
从效率曲线可以看出，真空管集热器的热效率随tm(太阳集热器进出口平均温度)与ta(环境温度)的温差与太阳辐照度的比值(tm- ta)/G的变化而变化。也就是说，要求的产热水温度越低，环境温度越高，热管的热效率就越高；反之，则越低。
查GBJ19-87《采暖通风与空气调节设计规范》(2001年版)，北京地区的气象条件如下：年平均温度：11.4℃，极端最高温度37.1℃，极端最低温度－17.1℃。取年平均温度作为计算依据，即ta=11.4℃。
已知G=650W/㎡，根据当地的情况，冷水温度取15℃，(查阅设计规范，确定当地的冷水计算温度)热水温度取60℃，(根据用户要求或设计规范)则tm = (60℃+15℃)/2 = 37.5℃，由此可计算出北京地区水平坐标的数值x =( 37.5℃－11.4℃)/650 W/㎡=0.04 ㎡K/ W。
查上图的太阳集热器效率曲线，当水平轴x = 0.04 ㎡K/ W时，热效率在0.58左右。因此，太阳集热器的热效率 取0.58。
5 屋面集热器的产水量
根据GB 50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》，直接系统太阳集热器的总面积可以按如下公式计算：
即：屋面最大化布置集热器日均产热水量为12.5吨。
6 太阳能保证率的计算
通过上节计算，屋面集热器日均产热水量为12545L，本项目日总需求热水量为34500L。则系统的太阳能保证率为：
通过上述计算，屋面摆满太阳能集热器时，太阳能保证率为36.4%。
注：上述太阳能保证率是按照每人40L温度60度，每户2.8人计算出每户60度的热水量112L计算的。可通过减小每户的热水设计量来提高太阳能保证率。具体需与设备工程师沟通确定。
(5) 建筑施工应为太阳能预留的内容
1 太阳能集热器、水箱基础的预留
需按照设计图纸要求的集热器及水箱基础进行预留。集热器要求预留屋面生根基础，水箱基础需满足水箱的承重需求。预留位置详见基础预留图纸。
2 系统管路预留
按选定的方案预留系统冷水管路，热水供回水管路及户内管路。管路按系统设计管径要求预留至户内。太阳能循环管路需安装在管井内的，需在管井给排水施工时一并预留。
3 电气预留
需根据系统设备运行和辅助加热的功率等总负荷进行动力电缆预留，电缆预留至太阳能系统控制柜的安装位置。如电缆路由密封后走线困难的位置，需根据太阳能的系统要求预留穿线管。
4 其他预留
根据深化设计可能的其他预留。
(6) 太阳能系统造价
经计算，方案一：每户成本为3673元；方案二为3287元。
2、本次设计原来设计的带换热盘管的水箱改为了无盘管水箱，但增加了6台水泵，整体造价比以前方案的每户3732元降低到3673元。
3、方案二价格比方案一省去了电辅助加热、动力柜、动力电缆、水箱减小等费用。
(7) 太阳能系统运行费用及热水成本分析
1 太阳能运行费用及热水成本估算原则
《北京市太阳能热水系统城镇建筑应用管理办法》对该类型住宅建筑太阳能运行费用及热水成本估算的规定如下：
第十二条 新建建筑安装太阳能热水系统的投资由建设单位纳入项目建设成本。集中式太阳能热水系统的集热系统、集中式辅助热源系统等设施设备为业主共有共用部分，由业主共同决定委托节能服务公司或物业服务企业(简称太阳能热水系统运行服务单位)负责运行维护。运行维护费用在收取的太阳能热水系统使用费中支出，更新费用在住宅专项维修资金中列支。
集中式太阳能热水系统的户内设施部分和分散式太阳能热水系统为房屋产权人所有，运行维护与更新费用由产权人负责。
第三十条 太阳能集热系统使用费的固定费(包括日常维护费、系统运行电费、运行人员费、节能服务公司垫付的改造投资)可按户均标准实行预缴；变动费(包括热水费、集中补热的辅助热源费)可按使用的热水量计量，按月缴纳或按年预缴。提倡使用智能卡计费。
太阳能热水系统使用费的价格应当符合国家和本市有关规定，反映太阳能热水系统的实际运行成本，有利于太阳能热水系统的可持续应用。
第三十一条 居住建筑集中式太阳能热水系统运行中通过计量收取的热水费用，用于支付辅助热源的能耗动力费用、水费、维修费用、管理费用，以及采用合同能源管理方式的太阳能热水系统改造投资费用。
根据上述规定，户内设施和分户太阳能系统归业主所有，运行维护及更新费用由业主自己负担。公共部分太阳能热水系统的收费分为固定费和变动费。
固定费包括：日常维护费、系统运行电费、运行人员费、节能公司垫付的改造投资摊销(本项目不含此项)。固定费按户均标准预缴。
变动费包括：热水费、辅助加热费用等。变动费按使用热水量预缴。
下面按照固定费和变动费进行分析。
另外，按照把太阳能系统所有的维护费用全部摊入用户使用的热水数量，按照用户实际使用的热水量收取所用费用。后面按照此思路也一并给予了分析。
2 太阳能系统固定费
2.1日常维护费
《北京市太阳能热水系统城镇建筑应用管理办法》对太阳能热水系统的设备质量、使用寿命、保修期规定如下：
第十四条 太阳能热水系统设备的生产供应单位应保证所提供设备的质量，并提高售后服务水平。
提倡太阳能热水系统建筑应用项目选择在供应合同中承诺太阳能热水系统设备保修期在3年以上，使用年限在15年以上的供应单位的产品。
按照3年保修期计算。自系统交付使用3年后收取维护费，按照15年使用寿命计算，共收取12年维护费，按照项目合同额的3%计算年维护费，结果如下：
方案一：
经计算，热水量吨均维护费：2.63元/吨
方案二：
经计算，热水量均维护费：2.41元/吨
2.2 系统运行电费(两种方案相同，按照方案一计算)
系统运行的耗电设备主要有太阳能循环泵、热水循环泵、电伴热带、电磁阀、系统控制柜等。
1) 太阳能循环泵日运行费用
2#楼按照2套太阳能加热系统计算，每套太阳能系统循环泵输入功率按照1.8kw计算，每天运行4小时(根据经验足够)，两台循环泵实际耗电总量约14.4度电，按照每度电1元计算，太阳能循环泵日运行费用为14.4元。
2) 热水供水泵的日运行费用
按照每个单元分别设1套独立的高区和低区热水供热水系统，2#楼3个单元。高区每个单元的热水循环泵的输入功率为900W，每天运行4小时，3个单元热水供水泵实际耗电总量约为：0.9×3×4=10.8度电，电价为1元/kwh，则高区热水循环增压泵日运行费用为：10.8×1=10.8元。
低区热水循环泵的输入功率为900W，按照每天运行2小时计算，三个单元热水热水循环泵实际耗电总量约为：0.9kw×3台×2H = 5.4度电，电价按1元/kwh，则低区热水供水泵日运行费用为：5.4元。
因此，热水供水泵的日运行费用为5.4+10.8=16.2元。
3) 电伴热带日均耗电
电伴热带只在每年冬季天气气温低时启动，按每天加热2小时，每年冬季工作90天，每米电伴热带的功率按照25W/米，伴热带长度按照50米计算，功率为1.25kw。每天的耗电量为2.5kWh，按1元/kwh计算，冬季90天电伴热带总费用为：2.5×90×1=225元。折合每天(全年360天)0.6元。
4) 控制系统日均耗电量
每天平均耗电量为10W，2台每天工作24小时。实际耗电量约0.48度电，按现价1/kwh计算，每天运行费用0.5元。
5) 电磁阀日均耗电量(可忽略不计)
综上可知，太阳能系统的日运行费用为：
14.4+16.2+0.6+0.5=31.7元
每吨热水的运行费用为：
31.7/34.5= 0.92元/吨
2.3 运行人员费
本小区共容纳3277户，按照2名专业人员进行日常维护，每人工资按4.8万/年，则本小区全年的运行人员工资费用为9.6万元。2#楼共308户，占总户数的9.4%，则2#楼全年的运行人员费为：
96000元×9.4%=9024元。
太阳能系统每年的产热水量为34.5×365=12592.5吨，则方案一和方案二每吨水分摊的运行人员费为：
9024元/12592.5吨=0.72元/吨。
方案一的固定费为：
2.63元/吨+0.92元/吨+0.72元/吨 = 4.27元/吨
方案二固定费为：
2.41元/吨+0.92元/吨+0.72元/吨 =4.05元/吨
3 太阳能系统的变动费
1)、冷水水费
北京市冷水费按照现行的4元/吨计算。
2)、集中辅助热源费
太阳能保证率为36.4%，即每天有34.5*(100%-36.4%)=22吨的热水需由低谷电加热提供。
采用低谷电辅助加热时，所需电量为：
22000*(60-15)*1÷(860*90%)= 1279kWh
低谷电价按照0.35元/度计算，共计1279*0.35=448元
单位热水的辅助加热费用为：448元÷22= 20.36元/吨
摊入太阳能系统的辅助加热费用为：448元÷34.5=13元/吨
方案一带低谷电加热的变动费为： 4元/吨+13元/吨 = 17元/吨
方案一无低谷电加热的变动费为： 4元/吨+0 = 4元/吨
方案二的变动费为： 4元/吨+0 = 4元/吨
4 二种方案全部费用汇总分析
方案一带低谷电加热的固定费+变动费费：
4.27元/吨 + 17元/吨 = 21.27元/吨
按照户均年缴纳的固定费为：
4.27元/吨 * 0.112吨/天 *365天/年 = 175元/年
变动费成本为17元/吨
方案一无低谷电加热的固定费+变动费费：
4.38元/吨 + 4元/吨 = 8.38元/吨
按照户均年缴纳的固定费为：
4.27元/吨 * 0.112吨/天 *365天/年 = 175元/年
变动费成本为4元/吨
方案二的固定费+变动费费：
4.05元/吨 + 4元/吨 =8.05元/吨
按照户均缴纳的固定费为：
4.05元/吨 * 0.112吨/天 *365天/年 = 166元/年
变动费成本为4元/吨
上述分析得出以下结果：
1)、按照固定费和变动费分开缴纳的办法：
方案一的固定费为：175元/(户年)
方案一带低谷电加热的变动费为：17元/吨60度热水
方案一无低谷电加热的变动费成本为：4元/吨水
方案二的固定费为：166元/(户年)，
变动费成本为：4元/吨60度热水
2)、全部按照热水费收费的办法，
方案一带低谷电加热的热水水费成本为：21.27元/吨
方案一无低谷电加热的太阳能热水水费成本为：8.38元/吨
方案二的太阳能热水水费成本为：8.05元/吨
5 全部采用电加热的热水成本比较分析
假定用户完全采用电热水器来加热热水，热水加热的成本主要为电的费用。
采用电加热加热，加热效率按照90%计算，1吨60度热水所需的电量为：
1000*(60-15)÷(860*90%)= 58.14度电
按照居民用电0.485元/度电计算，则电加热热水成本为：
58.14×0.485=28.2元/吨。
注：电热水器的投资在2000元左右，寿命在8-10年。
6 太阳能系统使用费与电热水器的使用费比较
十、结语
本文借鉴并参考国内外太阳能应用资料、国内主要太阳能热水器生产企业资料以及笔者对国内热水器市场的调查，在此基础上进行分析研究，完成本篇文章，特别感谢天普集团提供相关资料。
随着能源问题、环境问题和建筑降耗问题的日益突出，使用太阳能为建筑尤其是在多、高层住宅建筑提供热能，以满足日常生活用热水需求是非常必要的，也是可行的。继而，对于目前推广太阳能热利用尤为重要的便是如何有机地把太阳能系统与建筑结合起来，使得节能技术不孤立于建筑的功能、结构、美学等因素。这就要求建筑、规划、物理、能源与计算机等各领域工作者进行跨学科的大范围合作，更新理念、大胆尝试，为建筑与太阳能一体化设计做出更大的贡献。建筑是太阳能热水设备赖以存在的平台，而建筑设计是建设这一平台的先行活动，这就决定着在实现太阳能热水设备与住宅一体化的工程中，建筑师起着十分重要的带头作用。我们呼吁广大的建筑师必须担负起使用新技术、新能源的责任，不断地去了解太阳能热水设备的相关知识，在建筑上主动设计太阳能热水设备，从中协调好建筑与太阳能热水设备的关系，使太阳能热水装置成为建筑的一个组成部分，完美的与建筑结合，更加高效率高质量地发挥作用，更好的为广大住户服务，造福于人民。（文/Trophy）
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