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钢结构住 宅建筑 中太 阳能应 用技术的分析研究

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


钢结构住 宅建筑 中太 阳能应 用技术的分析研究
刘 娟
(江苏 建筑 职业 技术 学 院 建 筑工 程技 术学 院 ,江 苏 徐州 221116)
摘 要 :太阳能作为 目前经济和环保 的高效 清洁能源,逐渐被人 们所认知.为 了促进太 阳能与钢
结构住 宅 建筑 的技 术 融合 ,进 行 了国 内外太 阳能应 用技 术的 比较 研 究.通过 对 太 阳 能 热水 系统 、采
暖 系统 、光 伏 系统 、太 阳能建 筑一 体化 系统 的应 用技 术 比较 ,总 结 了各 系统 的 技 术 特 点 ,并 研 究 了
在 多、高层 钢结 构住 宅 建筑与 太 阳能 设 备 的 结合 方 式 ,提 出了太 阳能 与钢 结构 住 宅建 筑 的 一 体化
结合 技 术.
关键 词 :钢 结 构住 宅 ;太 阳能 ;光热 技 术 ;光 伏技 术 ;可再 生 能源 ;太 阳能 建筑 一体化 .
中图分 类号 :TU 391
文献 标志 码 :A
文章 编号 :2095—3550(2017)02—0045—04
Analysison solarenergy application
technology in steelstructureresidentialbuildings
LJU Juan
(SchoolofArchitecturalTechnology,JiangsuVocational
InstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)
Abstract: Solarenergyisknown asthemosteconomical,environmentallyfriendly,mostefficientandi—
dealrenewableenergy.Inordertopromotetheintegration ofsolarenergyandresidentialbuildings,this
papermakesacomparativestudyon solarenergy application technologyinChinaandabroad Theappli—
cationsofsolarwaterheatingsystem ,heating system ,photovoltaicsystem ,andsolarenergyandbuild—
ingintegration arecompared,basedon which wesum marizethetechnicalcharacteristicsofeach M oreo—
ver,thecom bination modeofm ulti-storey buildings,high-risebuildingsand solarenergyequipmentin
steelstructureresidentialbuildingsisstudiedFinally,theintegrationtechnologyofsolarenergyandsteel
structureresidentialbuildingsisputforward.
Key words: steelstructureresidentialbuildings; sllar energy; solarthermaltechnique;photo—
voltaictechnique;renewableenergy sources; solarenergy building integration
随着社 会经 济 和住 宅 建设 的高 速 发 展 ,能 源 消
耗 问题 日趋 严重 ,特别 是对 于 那 些 不 可再 生 能 源更
收 稿 日期 :2017一O3一O6
基金 项目:2016年住建部科 学技术 项 目:装 配嵌入式 钢管混凝 土
住宅体系研究与应用 (2016一K6—001)
作者简介 :刘娟 ,女 ,河北邢 台人 ,讲 师 ,硕 士 ,研 究 方向为 钢
结构 住宅建 筑技术 .
E — mail:148111694@qq.CO1TI
甚.因此 ,降 低 能 源 消 耗 ,运 用 绿 色 节 能 技 术 ,发 展
低 碳 型城 市 ,逐 渐 成 为 了一 种 发 展 趋 势.太 阳 能 是
地 球 上永 不 枯 竭 的 绿 色 可 再 生 能 源 ,具 有 清 洁 安
全、无需开采 和运输等优点 ,在建筑 中大力开发太
阳能 ,对于促 进建造绿色节能建 筑、能源 的可持续
利用 、环境资源 的保护 等具有 十分重 要 的战略意
义 L1],基 于 太 阳 能 热 利 用 的热 水 系 统 、采 暖 系 统 及
光伏发 电技术必将是未来钢结构住宅建筑 的主流.
本文就 目前太 阳能技术在钢 结构住宅建筑 中的应江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
第 17卷
用 情况进 行 研究 .
1 太 阳能热水 系统
采 用太 阳 能 作 为 热 源 供 应 生 活 热 水 是 一 项 节
能新 技术 .在 建 筑 节 能设 计 中 ,太 阳 能 热 水 作 为 可
再 生能 源 已得到 广泛 普 及 和应 用 .太 阳能 热水 系统
主 要 由太 阳能 集 热 器 、储 热 装 置 、循 环 管 路 和 辅 助
加 热装 置等 组 成.集 热 器 是 吸 收 太 阳辐 射 能 ,加 热
水 等媒质 的核 心 装 置.根 据 其 工 作 原 理 ,太 阳能 集
热 器可 分为 闷 晒型 、平 板 型 (管板 式 )和真 空 管 型.
储 热装 置是 储存 热水 并 减少 向周 围散 热 的装 置.循
环 管路 的作 用是连 通 集 热器 和 输 入装 置 ,使 之 形 成
个 完 整 的加热 系统 .表 1列 出 了常 用 太 阳 能热 水
装 置 的性 能 特点 对 比.
表 1 常 见 太 阳 能 热 水 装 置 的性 能特 点对 比
Tab.1 Performancefeaturecomparisonofcommon
solarhotwatersystem
通 过大 量 的 已建 工 程 案例 ,经过 经 济 评 价分 析
可 知 ,太 阳能 热 水 系 统 因具 备 较 好 的热 稳 定 性 ,成
本 回收快 ,以 及 节 能 环 保 等 优 点 ,而 在 钢 结 构 住 宅
建筑中得到 了迅速 的普 及.但是 ,也带来一 系列 问
题 :如影响建筑外立面及整体 和谐 、存在坠落风 险
及可能带来光污染等 ].另外 ,钢结构住宅建筑 中
太 阳能热水 器 系统 采用 单 循 环方 式 居 多 ,即冷 水 被
集 热器 加热 后 直接 流 入储 水 箱 以供 使 用 ].这 种单
循 环 方式很 容 易 导致 集 热 器 流 道 内附 着 污 垢 而 降
低 热水 器 的 热 性 能 ,严 重 时 还 可 能 会 堵 塞 流 道 .在
北 方 地 区 ,还 可能 面临 在 严寒 冬 季 集 热器 内 的水 结
冰而 导致 吸热 体冻裂 .
2 太阳能采暖 系统
近年来 ,由 于 以 传 统 燃 煤 为 主 的 冬 季 采 暖 方
式 ,正 在逐 渐 加 剧 能 源 匮乏 的形 势 ,及 由此 带来 的
雾 霾频 发 等严 重 的大 气 污染 问题 ,已经影 响到 人 们
的正常生活和经济社会的健康发展.利用太 阳能采
暖 ,对减 少 常规 能源 消 耗 和缓 解 空 气 污染 具 有 助 推
作 用 ,被越 来越 广泛 地应 用 于建 筑领域 .
太 阳能 采 暖系 统 由集 热 器 、水 箱 、连 接 管 道 、控
制 系统 等构 成 ,其本 质 是 太 阳能 热 水 系统 的进 一 步
发 展 ,是 指 将 分 散 的太 阳能 通 过集 热 器 ,把 太 阳能
转 换成 热水 ,将 热 水 储 存 在 水 箱 内,然 后 将 热 水 输
送到发热末 端(如地板辐射 采暖、散热器采 暖),满
足建筑供热需求.值得指出的是为 了最大程度地吸
收转换太阳辐射 能,建筑 的主要朝 向宜为南 向.采
暖 季节 是寒 冷冬 季 ,因 而选 用 集 热 器 时要 注 意 使 用
防冻或 抗冻 性 能 良好 的真空 管集 热器 .
通 常 ,适 当地 增 大 太 阳 能 集 热 器 的 采 光 面 积 ,
太 阳能 采 暖 系统 也 可 以 和 太 阳能 热 水 系统 联 合 使
用 .目前 ,在 欧美 国家 ,已经建 成 一 大 批集 太 阳能 采
暖和太 阳能热水于一体的太阳能综合系统 ].
3 太 阳能光伏发 电系统
太 阳能光 伏 发 电 系 统 是 利 用 太 阳能 电 池 组 件
和其他辅助设 备将太阳光辐射能直接转换 为 电能
的系统 .建 筑 中 的 太 阳 能 光 伏 技 术 应 用 主 要 可 分
为 :独 立光 伏发 电系统 和并 网光 伏发 电系 统.
3.1 独 立光伏 发 电 系统
独 立 光伏 发 电 系统 比较 适 用 于 偏 远 地 区 和 山
区 ,其 发 电量 一 般 按 实 际供 电 需 求 进 行 设 计 .为 了
防止 夜 间或光 照不 充 足 时为 用 户 持 续供 电 ,该 发 电
系统 需要 配 备 太 阳能 蓄 电池 .目前 ,已 经 实 现 将 光
伏发电元件与建筑材料或建筑构件一体化 ,具备发
电 、建 筑 、装 饰 三 位 一 体 功 能 ,将 其 用 于屋 面 、南 向
墙 面或遮 阳棚 、窗 玻 璃 上[4].设 备 投入 使 用 后 ,可实
现就 地发 电 ,就 近 供 电.白 日晴 天满 足 日常 用 电 的
需 要 ,还可 将 多 余 电能 储 备 起 来 ,夜 晚 和 阴 雨 天 则
由事 先储 备 的 电能来供 电.
3.2 并 网光 伏发 电系统
并 网光伏 发 电系 统 是 与 开放 电 网并联 ,将 系统
产生 的 而未被 及 时消 费 的多 余 电能供 给 电 网来 “支
援 ”电 网。。].为 了实 现 将 太 阳 能 发 电 器 产 生 的直 流
电转 变成 和 电 网一致 的交 流 电 ,并 网光 伏 发 电系 统
需 要安装 逆 变器 .
作 为新 能 源 ,太 阳能 光 伏 发 电 是 21世 纪 科 学
技术研究 的前沿阵地 ,但其发展的主要 障碍是先期
次性 投入 比较 大 ,对 于 普 通 居 民 来 说 负 担 太 重.
因此 ,为促 进 太 阳 能 发 电真 正 达 到 实 用 水 平 ,应 从
两方面着手解决 :一是要努力提高太阳能光 电转变
效 率 ;二 是要 通过 技 术 革新 来 降 低 其 成本 .目前 ,世
界 各 国解决 的 主要措 施 是 政 府 的积 极 扶 助 ,以及 鼓第 2期
刘 娟 :钢 结 构住 宅 建筑 中太阳能 应用技 术 的 比较 研 究
励相 应 机构 的赞 助 .在 西 方 某 些 发 达 国 家 ,为推 动
太 阳能 光伏 发 电技术 ,也 为 了保 证 投 资 者 的收 益 和
回报 。政 府 出 台 了 多 种 优 惠 政 策 ,以 此 来 激 励 人 们
的使 用 积极 性.近 年 来 ,我 国政 府 也 相 继 出 台 了 一
系列 相关 的扶 持 政 策和 法 规来 促 进 开 发 可再 生 能
源.相信 在不 远 的 将 来 .太 阳 能 光 伏 发 电会 占据 世
界能 源 消 费 的 重 要 席 位 ,不 仅 要 替 代 部 分 常 规 能
源 .而 且将 成 为 世界 能源 供应 的主 体.
4 太 阳能建筑 一体化
住宅建设 的高 速 发 展 及城 市 景 观 的 整 体 规 划 ,
都为太 阳能技术 的应 用提 出了更 高 的要求 .目前 ,正
逐 步 向太阳能与 建筑 的完美 结合方 向发展 ,即太 阳能
建筑一体 化.该概念 的提 出就 是从建筑 环境 美观 和太
阳能应用技 术两方 面人手 ,将 太阳能 系统 和建筑 融合
为一体 ,把 太 阳能构 件处理 为整个建筑 的一个有 机组
成部 分 ,并 为建筑增 加 美学 趣 味 ,即整合 出一 个 崭新
的现代化节 能建筑 ,并实现建筑 外在景 观的和谐 。j。.
作 为太 阳能建 筑一 体 化 的解 决 方式 ,一 般 将 太
阳能构 件 与屋 顶 、阳 台 、向 阳墙 体 、阳台 板 以 及遮 阳
板 等 建筑构 件 紧密 结合 ,以使 其 成 为 建 筑 物 的一 部
分 ,如 图 1所示 .
图 1 太 阳 能 一体 化 结 合 形 式
Fig.1 Combination form ofsolarintegration
随 着钢结 构 住 宅 建 筑 中太 阳 能 技 术 的不 断 突
破 。太 阳能 与建筑 的一体 化结 合 必将 越来 越 完 美 和
谐 。使钢 结构 住 宅建筑 已不 单 单 是传 统 上 的为 人 们
遮风 挡 雨 的栖 息 之 所 ,它 将 兼 具 为 人类 提 供 能 源需
求 的功 能.在 现代 钢结 构 住 宅 建筑 中还 不 断 实 现 了
太 阳能遮 阳 、太 阳能 除湿 空 调 及 太 阳能 游 泳 池 等技
术应 用.除此 之外 。太 阳 能 墙 、太 阳能 凉亭 及 太 阳 能
水雾 喷 泉 等 产 品 ,由 于 同 时 具 备 了美 观 性 与 艺 术
性 ,收到 了节 能 和美 观的 双重效 果 .
5 太 阳能应用技 术的比较研 究
5.1 传 统住 宅 建筑 中太 阳能应 用 技术 的 比较
太 阳能 资源 是永 不 枯竭 的绿 色 可再 生 能 源 ,在
建筑 中通过 合理 的方 案 设 计 与构 造 施 工 .将 太 阳能
辐射 热 量转换 成 人类 所 需 要 的资 源 ,已成 为 实现 建
筑节 能 和 减 少 建 筑 能 源 浪 费 最 直 接 的 措 施 .近 年
来 ,利用 太 阳能作 为热 源 供 应 生 活热 水 、用 户 采 暖 、
制凉 等技 术属 于 太 阳能光 热 技 术 ,是 一 种 建筑 节 能
新技 术 ,因具 有 优 越 的 热 稳 定性 、适 中 的 一 次性 投
入及 节能 环 保 等 优 点 ,已 成 功 地 推 广 应 用 在 农 宅 、
城市 多层 、小 高层住 宅 建 筑 中.但 是 ,对 于 高层 住 宅
而言 ,由于可供 太 阳能 集 热 用 的屋 顶 外 表 面积 有 限
及太 阳能 热利 用技 术效 率 偏 低 ,因此 高 层 建筑 太 阳
能光热 技 术 面临 的主要 技 术 问 题 是 :如何 提 高 太 阳
能热 利用 效率 及扩 展 有 效 集 热 面 积 .另 外 ,从 产 品
角度来 看 ,太 阳能产 品 应 该 做 到标 准 化 、构件 化 、规
模 化 ,建造 安装 时 ,统一 规 划 安 装 位置 与 安 装朝 向 ,
才能做 到 与建筑 及城 市景 观 融为一 体 .
太 阳能 光 伏 技 术 作 为 最 清 洁 的 能 源 ,具 有 轻
巧 、零 污染 、维护 简单 等 诸 多 优点 ,是 目前 最 被看 好
的可再 生能 源利 用方 式 .但 这 种 技 术要 求 建 筑 密度
低 ,并 需要 足够 的 空 间安 装 光伏 板 ,系统 价 格 高 ,
对 于高 层建 筑而 言 .其 屋 面 面积 有 限 .同 时 电梯 井 、
通 风烟 道等 凸 出屋 面设 施 也 会减 少 屋 面 的利 用 率 ,
故 工程 上常 将 光 伏 板 安 装 在 高 层 建 筑 上 的 周 围墙
体 上 ,但 安装 在墙 体 上 的光 伏 板 因 吸收 太 阳 光时 具
有较 大 的入 射角 ,会 导致 发 电效 率较 低 .因此 ,开 展
太 阳能 光伏技 术 在高 层 建 筑 中 的应 用 研究 ,对 绿 色
建筑 革 新技 术研 发具 有重 要意 义.
5.2 钢 结构 住 宅建筑 中太 阳 能技 术的应 用
国内外学 者 对 于 建 筑 中太 阳 能 光 热 与 光 伏 技
术 目前 多停 留在 传统 的建 筑 结 构体 系 (钢 筋混 凝 土
结构 和砖 混 结 构 )上 ,针 对 钢 结 构 住 宅 建 筑 的 太 阳
能应 用技 术研 究甚 少.而 钢 结 构住 宅 具 有 独特 的 优
点 :自重 轻 、抗 震性 能 好 、安 装方 便 、施 工周 期 短 ,且
构件 生产 工业 化 程 度 高 、钢 材 可 回收 再利 用 ,可 以
实现 全过 程绿 色施 工 ,属 于 名 副其 实 的 节能 型 建 筑
体 系 ,必将 迎来 各 国对 钢 结 构住 宅 建 筑 的青 睐 和 推
广应 用.太 阳能 技 术与 钢 结 构住 宅 结 合 的方 式 主 要
有 2种 :
1)太 阳能 设备 与屋 面 的结 合.对 于 平屋 面 多 采
用 的安装 方式 为支 架式 安 装 ,其 主 要 的技 术 问 题 是
支架 的安 装倾 角确 定 、连 接 件 和 固定 支 架 的承 载 能
力设计 、屋 面 的 防 水 构 造 措 施 等 .对 于 坡 屋 面 的 太
阳能 设备安 装 方式 分 为嵌 入 式 和平 铺 式.安 装 方式
都 要 解决好 连 接处 的防 腐 、防水处 理.
2)太 阳能设 备 与 向 阳墙 体结 合 .该种 结 合 方式
可有效 的解 决 当 建筑 屋 面 可 利 用 面 积 不 足 而 影 响
太 阳能设备 安装 的问题 ,但 钢 结 构住 宅 建 筑 的墙 体
般都 为填 充墙 体 ,不 宜 承重 .因此 ,将 太 阳 能集 热48
江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
第 17卷
器 或 太 阳能光 伏板组 件 悬 挂 在南 墙 面 时 。须 增加 构
造 柱 或梁来 提 供支 撑.
总之 ,太 阳 能 光 热 、光 伏 与 钢 结 构 住 宅 建 筑 的
结 合形 式措 施较 单一 ,整 合 “一 体 化 ”设 计 尚处 于初
步研究 阶段 ,虽 然 太 阳能 应 用 系 统 在 建 筑 节 能 、减
少建筑能耗等方面的综合经济效益较好 ,但大多民
众 因该系 统较 高 的 先期 投 资 费 用 而 并 不 乐 意 接 受
此 类 设 计 ].因 此 ,业 内亟 需 通 过 技 术 研 发 与 革 新
来 降低 成本 ,使 太 阳能应 用 技 术 与钢 结 构 住 宅建 筑
的一 体化结 合 得到更 普遍 的推 广 .
6 结 论
太 阳能作 为 一 种 清 洁 、环保 、廉 价 、节 能 的 可 再
生 资源 ,有着 巨大的 发展 潜力 ,最 大限度 地 摄取 利 用
太 阳能资源 ,大力建造 太 阳能 钢结 构住 宅 建筑 ,并将
太 阳能技术更好 地融合 于节能型钢结 构住宅建筑 中,
将 大大缓解 我国常规能 源匮乏 的问题 ,并有利 于缓 解
空气 污染 ,是 实现 可持 续发 展 的 可行途 径 .太 阳能 技
术必将 在钢结构住 宅建筑 中大有作为 .
参考 文 献 :
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(责任 编辑 :陶红林 )
(上接 第 8页 )
≤ 0.0025.根 据本 文建 议 的按沉 降控 制 的储罐
CFG 桩复 合地 基优 化设 计方 法采 用 的 CFG 桩 复合
地基实际设计方案满足了工程要求.
2)泄水 后 ,发 生 了一 定 程 度 的 回弹 ,最 大 回 弹
量为 23mm,不可恢复的地基变形在总沉降中达到
了 62 左 右 ,说 明充 水 预压 对 CFG 桩 复 合 地 基 进
行 了有 效预 压.储 油后 总沉 降量 与充 水 预 压 期 问 的
沉 降接 近.充水 预压 达到 了减 小工 后沉 降 的 目的.
4 结论
针对地 基 的 总沉 降量 和 不 均 匀 沉 降 是 影 响 储
罐 结构 受力 状态 和正 常 使 用 的特 点 ,指 出储 罐 复合
地 基设 计理 念 宜从 承载 力 控 制转 变 为 沉 降控 制 ,基
于工 程最优 化设 计 理论 ,提 出 了按 沉 降控 制 的储 罐
CFG桩复合地基优化设计 方法 ,编制 了储罐 CFG
桩 复合 地基 的优化设 计 程 序 ,通 过 工程 应 用 实 例 验
证 了此方 法 的可行性 和 经济性 .
参 考 文献 :
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方法EJ1.岩土力学 与工程 学报 ,2009,28(11):2193—
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(编 辑 :司元 雷 )

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