平板太阳能建筑屋顶一体化设计与应用
来源：太阳能联盟网
本文介绍了一项1000平方米“平板太阳能建筑屋顶一体化”热利用节能工程。作为典型太阳能建筑一体化热利用工程，它利用“整体背板”式平板太阳能集热器与建筑顶层钢结构形成的封闭式屋顶，并涉及到太阳能循环管路、集热换热方式、辅助能源方式、运行安全防护、维护维修等一系列方案措施的确定。通过工程的实施，积累了许多宝贵的经验；为同行业或者类似工程实施“太阳能建筑一体化”节能减排提供参考依据。具有典型的样板和示范作用。
《图一》现场图片
一、概述：宜昌位于湖北省西南部；东经110°15′，北纬29°56′；地处长江上游与中游的结合部、鄂西秦巴山脉和武陵山脉向江汉平原的过渡地带，宜昌“上控巴蜀，下引荆襄”，素以“三峡门户、川鄂咽喉”著称。宜昌四季分明，春秋较长。年平均水量为992.1~1404.1毫米之间。较长的降水过程都发生在6~7月份，全年积温较高，无霜期较长，年平均气温为16℃，7月平均气温26℃，元月平均气温2.7℃。极端最高气温41.4℃，最低气温-15.6℃。
该工程项目位于湖北宜昌市境内，坐落于长江北岸；建筑总面积3万平方米，地上28层；屋顶面积1000平方米。包括餐饮、休闲、商务办公等功能。
其中楼顶附加层设计为“健身中心”，安装跑步机、划船机、健腹器、拉力器等健身器材。并计划将附加层屋顶用太阳能集热器替代。要求太阳能集热器作为屋顶建筑构件；要满足作为屋顶的建筑功能。同时为建筑提供生活用热水。
二、屋顶设计：以平板太阳能集热器作为屋顶部件；主要考虑功能、结构、外观艺术三个方面。
1、屋顶形状与排水： 基于建筑附加层高度以及室内空间高度等因素，设计采用平屋顶；如《图二》所示；屋顶分为前后两个部分，大致成“人字“形布置；中部留有采光顶。集热板屋顶周边连接泄水槽。
另一个方面，按照建筑原始设计，该太阳能屋顶具有“架空屋顶”特征。
《图二》建筑屋顶大样图
2、屋顶功能：
作为屋顶首先是要抵御风、霜、雨、雪的侵蚀；应防止雨水渗漏是屋顶的基本功能。其次，屋顶应具有良好的保温隔热性能。国标GB50345-2004《屋面工程技术规范》根据建筑物的性质、重要程度、使用功能及防水耐久年限等，将屋面分为四个等级。该项目结合太阳能集热器的设计使用寿命为15年，定为Ⅲ级屋顶。
3、玻璃屋面：
众所周知，现代化建筑中，玻璃材料可以局部形成“透光屋顶”。平板集热器的上层面板，均采用钢化玻璃，具备屋面材料的特性要求；能够抵御风、霜、雨、雪的侵蚀。
该项目中，选择由安徽伯恩太阳能科技有限公司生产的“伯恩牌”整体背板嵌入式2平方米平板集热器作为一个屋顶平面单元；屋面总体布局上，由相同的若干个平面单元，在钢结构的支撑下；组成此项目的平面屋顶。为便于排水，坡度为3%—5%。北高南低。
《图三》平板太阳能集热器结构图
《图四》常见玻璃透光屋面
与透光屋顶不同的是，采用平板集热器作为屋顶平面单元，不再是“透光屋顶”。而成为“吸光屋顶”。它是基于外层玻璃、内层金属吸收层、介质循环管、岩棉层、聚氨酯隔热保温层、整体铝基材金属背板等部件，有序组合而构成的一个“吸光屋顶平面单元”。
承载方面，基于平板太阳能本身的结构，其单位面积的承载能力要大于透光屋顶。并可以作为上人屋面。
同时，基于平板集热器背板的作用，当钢化玻璃发生自曝时，碎片也不会脱落到室内。
4、屋面支撑：
按照《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003相关规定。《图四》中可见，透光玻璃面板采用四边金属框支撑；可采用明框、半隐框和隐框方式。
该项目中，涉及到集热器循环管路的连接方式，以及布置方式等问题；采用半隐框金属钢构支撑方式。如下《图五》所示。钢构支架的外漏部分与排水方向一致。钢构材料为Ⅰ型钢、C型管、L型钢、Z型钢组合而成。主钢架采用剪切型叠层橡胶支座。钢架之间采用长圆型螺栓孔连接。
图中还可以看出，一块平板集热器屋顶单元，嵌入在一个金属框架内。平板集热器的外檐边与金属边框水平缝对接。便于防漏处理。
《图五》半隐框金属钢构支撑方式图
5、密封防漏：
按照《玻璃幕墙工程技术规范》。面板与隐框水平缝部分，采用10mm双面胶条密封，面板压实后，再采用硅酮胶嵌缝，嵌缝粘接宽度为15mm。
面板之间的明框板缝宽度为15mm,板缝采用硅酮建筑密封胶嵌缝，嵌缝厚度为8mm，并成弧形。
6、爪件固定：
集热器屋面板与钢构之间采用压板固定，由于集热器外边缘的特殊形状；设计了多种形状的压板连接件。《图六》中有心压板、槽边压板、角压板等多种形式。压板采用螺栓与钢构锚固，边缝有一定的位移量。压板在硅酮胶嵌缝后在指定位置压入。然后锚固。
《图六》屋面板爪件图
7、屋顶其它项：
透光：由于屋顶面积较大，需要在局部透光以保持室内光亮度。如《图二》所示，在屋顶中偏北部留有采光屋顶，选取有机玻璃作为透光面板。
防雷：屋顶钢结构全部连接导通，并与主体结构防雷体系连接。在电梯间最高点设置接闪器。
防冻：太阳能“吸光屋顶”收集的热量需要通过循环介质传递到储热水箱。
采用防冻液作为循环载热工质；可以有效防止冬季管路的冻堵。
三、循环管路布置：
该项目“吸光屋顶”共安装2平方米平板集热器460块，在集热规模方面，属于较大型建筑节能热利用。储热水箱设计总容量30吨。作为太阳能集热系统分为4个独立的小系统运行。
1、循环管路分布： 当平板太阳能替代屋顶后，随之集热循环管路也成为室内管路。如果按照传统的太阳能布置方式，将造成室内管路纵横交错；既增加了施工敷设难度，也影响到室内屋顶外观，进而影响到安全。
如《图七》所示，本项目根据屋顶面板的布置，结合平板集热器双侧汇流管的结构特点，采用了“回字”型串联连接，大量减少了循环管路。且主管路与主钢架同向顺坡辐射。
2、开口式缓冲膨胀： 集热系统组成上，为有效克服过热膨胀造成集热器压力增大带来不安全隐患；在局部安装膨胀罐予以释放低压力，同时在循环泵的吸液口安装开口式大容量膨胀缓冲罐。实施体积膨胀缓冲。并在循环过程中排出气体。
3、盘管换热器：项目选取了水箱内部放置不锈钢盘管换热，利用循环介质将太阳能“吸光屋顶”的热量直接加热水。
《图七》 循环管路布置图
《图八》太阳能结构原理图
四、结束语：
随着我国太阳能建筑一体化进程的加速，人们早已意识到；太阳能不可避免的最终要成为建筑的一个构件，融入到建筑当中。传统意义上，屋顶总是处于建筑最高处，非常适合于太阳能集热器的安装。尤其是平屋顶。目前较多“太阳能屋顶”案例中，多以“光伏屋顶”显现；事实上，在某些“热能耗”较高的情况下，采用“光热屋顶”最为适当。
本案例利用“整体背板”式平板太阳能集热器与建筑顶层钢结构形成的封闭式屋顶，不再是传统意义上的“屋面”。而是完全替代了建筑中的“屋顶”。
项目同时涉及到太阳能循环管路、集热换热方式、运行安全防护、维护维修等一系列方案措施的确定。通过工程的实施，积累了许多宝贵的经验；为同行业或者类似工程实施“太阳能建筑一体化”节能减排提供参考依据。具有典型的样板和示范作用。
【1】海 涛，林 波 太阳能建筑一体化技术应用 科学出版社，2010.4
【2】郭茶秀，魏新利 热能储存技术与应用 北京：化学工业出版社，2005.4
【3】陈 礼，吴勇华 流体力学与热工基础 北京：清华大学出版社，2002.8
【4】何梓年，朱敦智 太阳能供热采暖应用技术手册 北京：化学工业出版社，2009.5
【5】黎哲宏，黄俊鹏 太阳能建筑一体化工程安装指南 建筑工业出版社，2011.5
