深圳太阳能集热器钢结构支架抗台风技术探讨
0 前言
太阳能热水系统作为一种集中供应热水的方式，具有安全、高效、使用方便、节能减排等诸多优点。太阳能热水系统包括5部分：制热设备太阳能集热器；安装设备集热器支架；储热水箱；控制箱；供热水泵、阀、管道等。在高层建筑中，储热水箱荷载问题要优先考虑，而太阳能集热器除了要重视热效率，更要优先考虑系统的安全性、稳定性。支架抗台风措施是安全性、稳定性的特别重要一环。
1 太阳能热水系统概述
太阳能热水系统设备中，保温水箱一般是10~100t，5~20t居多，主要考虑荷载即重力作用。太阳能核心部件集热器，正面一般是2m2，可串并联组成数百m2、数千m2的方阵。
1.太阳能热水系统设备图(见图1)
图1 太阳能热水系统设备
2.太阳能集热器构造图(见图2)
深圳市鹏桑普太阳能科技有限公司(以下简称“鹏桑普”)抗台风专用集热器2000mm×1000mm×80mm，边框采用耐压力高强度铝合金材料，底板采用耐腐蚀高强度热镀锌板材料。
图2 太阳能集热器构造
3.太阳能集热器构造实照图(见图3)
图3 太阳能集热器构造实照
4.太阳能集热器及支架立体图(见图4)
图4 太阳能集热器及支架立体
5.太阳能集热器及支架侧面图(见图5)
图5 太阳能集热器及支架侧面
6.太阳能集热器及支架组成
一般需安装太阳能产品的建筑，在屋面都预制了水泥墩，墩面预留的预埋件与屋面楼板里的钢筋结合在一起(重点技术)。
太阳能集热器面板、侧边框、板芯、背板在车间生产成组合体成品(强度经过检验)，再在现场通过前压块、侧压块、后压块与集热器支架框固定连接。太阳能集热器面板一般朝正南向或朝南偏西安装。集热器支架框由前横担、后横担、侧横担组成，再由前腿、后腿、斜撑多方位将太阳能集热器固定在屋面上。
2 深圳市风力资料
1.自然地理环境
深圳位于北回归线以南，东经113°46′~114°37′，北纬22°27′~22°52′，地处广东省南部，珠江口东侧，南隔深圳河与香港相望，北与东莞、惠州市接壤。海域连接南海及太平洋, 东起大亚湾，西邻伶仃洋，地形呈东西向狭长形，东南部多山脉，西北部地势相对较为平缓(见图6)。
深圳地处南海之滨，属亚热带季风气候，长夏短冬，夏无酷暑，冬无严寒，阳光充足，雨量丰沛，气候宜人，四季鲜花盛开。年平均气温22.5℃，若以气候寒暖为具体指标来划分深圳的四季，春季平均有76天，夏季平均有191天，秋季平均有76天，冬季平均只有22天。随着全球气候的变暖，深圳冬季时间有减少的趋势，近10年中有7年没有冬天。深圳的气候资源丰富，太阳能资源、热量资源、降水资源均居全省前列，但又是灾害性天气多发区，春季常有低温阴雨、强对流、春旱等，少数年份还可出现寒潮天气；夏季受锋面低槽、热带气旋、季风云团等天气系统的影响，暴雨、雷暴、台风等灾害性天气常有发生；秋季尽管多秋高气爽的晴好天气，是旅游度假的最好季节，但由于雨水少，蒸发大，常有秋旱发生，一些年份还会出现台风和寒潮天气；冬季雨水稀少，大多数年份都会出现秋冬连旱，寒潮、低温霜冻也是这个季节的主要灾害性天气。
2.气候风力
深圳春季常有强对流，夏季受热带气旋、季风云团等天气系统的影响，暴雨、雷暴、台风等灾害性天气常有发生。主要盛行偏东风，东北到东南风占风向频率的51.7%，平均风速在2.0~3.0m/s。在没有强天气系统控制时，受海陆分布影响，深圳地区风的日变化主要表现为海陆风效应，尤其以夏季最强。随着海陆昼夜温差不断改变，白天出现海风，风向主要为东到东南风或西南风，通常14:00~15:00最强，夜间出现的陆风，风向主要为东到东北风，通常02:00~03：00最强；09：00~10:00和21:00~22:00，海陆温度差很小，海风和陆风效应不明显(见图7、图8)。
出现风速大于17m/s(8级风)的大风日数全年平均为4天左右，主要集中在夏秋两季，其中7、8月份为最多，占39%，；冬春季大风日数少，仅占全年的7%。夏、秋季出现的大风主要为热带气旋影响下的大风，多伴有较强降水，沿海风力更强。
3.风力等级(见表1)
表1 深圳风力等级
3 集热器为什么要抗台风
前面我们说到有两个关键点：1.太阳能集热器面板一般朝正南向或朝南偏西安装，即它的背面朝正北向或东北向；2.深圳主要盛行偏东风，东北到东南风占风向频率的51.7%；也就是说东南风会多次出现，一旦有超强东北风到来，就会形成对太阳能集热器向上的推力。
通常集热器质量只有50kg，而向上的推力即破坏力非常大，因此集热器及支架防台风作用就显得尤其重要。
4 集热器及支架抗台风计算(见图9)
台风吹向集热器正面，集热器支架主要受压力和弯曲力，此作用力在集热器制造过程中通过边框结构选型已给予抵消。而一旦台风吹向集热器背面，集热器支架前、后腿、支架与预埋件焊接部位主要受拉伸力作用，需计算后采取措施，集热器及支架抗台风计算式如下。
1.F1:垂直于风向平面上风压力。
F1=F′×B1=2254N/m2×2m2= =4508N
F′:垂直于风向平面上每m2风压，根据检索，风力取最高值12级时，为2254N/m2；
B1:背板截面积：2m2；
2.F2：背板承受的风压力。
F2= F1×2=4508N×2=9016N
3.F3：平行于风向平面上的风压力。
F3= F1×tan60°=4508N×1.732= 7810.6N
4.支架斜撑、前、后腿抗拉强度F斜撑、F前腿、F后腿。
F斜撑=R×B2=250N/mm2×320mm2= 80000N；
F前腿=R×B2=250N/mm2×320mm2= 80000N；
F后腿=R×B2=250N/mm2×320mm2= 80000N。
R：4#角钢抗拉强度、取最小值2450N(参照表2)；
B2:4号角钢的截面积,取80mm×4mm=320mm2。
表2 常用范围的钢材抗拉强度对照表
5.架腿与预埋件、支架腿与斜撑的焊接部位抗拉强度F焊接。
F焊接=L×δ1×[σˊt] =8cm×0.4cm×16366N /cm2= 52371.2N。
L为焊缝长度，取80mm =8cm；
δ1为支架预埋件板厚，取4mm =0.4cm；
[σˊt]为两块钢板(预埋件及角钢)的对接接头、材料为Q235钢的焊缝许用拉应力，取167MPa=16366N /cm2。
总之：F斜撑、F前腿、F后腿、F焊接>F1、F2(F2=F1×COS30°=0.866×4508N ≈3904 N),完全能抗12级台风冲击。
图9 集热器及支架抗台风计算
5 集热器支架实施后相关效果照片(见图10~图12)
图10 集热器、支架与屋面固定正面
图11 集热器、支架与屋面固定背面
图12 集热器阵远景俯视
6结论
鹏桑普抗台风专用集热器支架采用国标整体热镀锌∠40×4角钢制作的组合式支架，支架由工厂车间加工成成品，并经热镀锌防腐处理，支架整体焊接在支架基础上，通过内置钢筋固定在屋顶结构板上，每个固定点做防水处理并设置防台风保护水泥墩，支架与集热板之间采用镀锌螺栓及L形压块固定。在深圳市锦缘里、南方科大、横岗地铁等项目安装后，经检验，达到预期效果。
