栏杆式太阳能系统设计探讨

近年来，国内不少厂家开始注重太阳能建筑一体化设计，涌现出许多大胆的创新设计方案，栏杆式光热系统便是其中之一，从目前市场来看，栏杆式光热系统基本集中在阳台栏杆式，很少涉及集中集热、集中供热热水工程，本文则主要针对集中集热、集中供热热水工程如何进行栏杆式太阳能系统设计，尤其是光热系统设计进行探讨研究，丰富栏杆式太阳能系统设计思路。

一、设计理念
栏杆式太阳能系统，即采用太阳能集热器、光伏组件等太阳能产品替代部分传统栏杆材料，与栏杆有机结合，相辅相成，达到安全防护和美化装饰等基本功能的同时，还能利用太阳能，达到节能环保的目的。
栏杆式太阳能系统，重点是解决太阳能集热器、光伏组件等与栏杆相结合的问题，设计时要以栏杆相关设计规范和太阳能相关设计规范为前提，充分考虑安全、适用、美观、节能、节省空间和施工方便等因素。
一般栏杆有漏空和实体两类。漏空的由立杆、扶手组成，有的加设有横档或花饰。实体的由栏板、扶手构成，也有局部漏空的。常见种类有：木制栏杆、石栏杆、不锈钢栏杆、铸铁栏杆、铸造石栏杆、水泥栏杆、组合式栏杆等，从与太阳能集热器结合的角度来看，宜采用金属栏杆，如不锈钢栏杆、铝合金栏杆等。
目前市场上太阳能集热器主要有真空管型和平板型集热器，真空管集热器价格相对较低但容易爆管，如采用真空管集热器，则存在一定的安全隐患，并且真空管结构强度较低，栏杆则重在保证安全，因此，从安全角度讲，使用平板集热器是最佳的选择，此外，平板集热器也易于与栏杆固定安装。
以下就通过实例来具体探讨栏杆式太阳能系统设计，主要是光热系统设计，该项目位于珠海市，楼高三层，主要为办公楼工作人员提供日常生活热水用水，日用水量0.8吨/天，采用栏杆式太阳能系统。
二、系统设计
此项目采用集中集热、集中供热、直接换热热水系统，考虑到阴雨天气阳光不足的影响，系统设置辅助加热，辅助加热为一台2P的空气源热泵。为保证用户24小时用水需求，系统采用双水箱设计，即加热水箱和保温水箱分别设置，当加热水箱水温达到设定值时，通过控制器自动控制，使符合要求水温的水进入保温水箱存储，以便用户使用。为保证管网末端水温，设置回水系统，同时增设供水泵，以保证顶楼供水压力。
太阳能热水系统的集热器采光面积可根据系统的换热方式、日平均用水量、用水温度、当地日均太阳辐照量、太阳能保证率、集热器全日集热效率等参数进行计算，还需考虑集热器垂直安装导致集热效率偏低的影响从而进行面积补偿，为保证集热效果，本项目集热器选用蓝膜涂层。
经计算，所需集热面积不足以满足整个栏杆部分材料替代，余下部分则采用光伏组件，即光伏板，光伏组件选用非晶硅，值得注意的是，光伏部分必须在满足热水需求的前提下进行辅助设计。本系统采用智能控制，优先利用太阳能资源。
对于太阳能平板集热器，市场上常见有工程板和阳台板，规格多为2000mm×1000mm或2400mm×800mm，厚度60mm至80mm不等，这些规格的平板集热器不便于与栏杆立柱安装固定，循环管道开口位置也不便于管道连接和暗铺隐藏，因此需要对集热器的结构和尺寸进行重新设计。栏杆柱的间距一般为0.5m～2m，对于本项目，结合集热器加工工艺和现场房屋栏杆长度，集热器尺寸设计为1200mm×635mm×50mm，循环口改在下部，集热器边框四周改为薄边设计，以便与栏杆支柱相固定。光伏板长度和宽度尺寸与集热器相同。
栏杆选用不锈钢圆柱形栏杆，除具有优越的力学性能，抗腐蚀能力外，安装施工很方便，且圆柱形扶手握起来舒适。栏杆立柱使用膨胀螺栓固定，集热板和光伏板左右各采用两个夹码，通过螺栓螺母紧固在支柱上。
通过一年的实际运行，整个栏杆式太阳能系统运行稳定，节能效益明显，安全可靠，具有推广性。本文所述设计方法适用于低层建筑且用水量不大的工程项目，比如办公楼、工厂洗漱间等，优点在于可节省屋顶栏杆材料，节省屋顶空间，并且节能环保，不足之处在于因集热器和光伏板垂直放置，使得太阳能利用率有所降低。另外，栏杆式太阳能系统设计建议在项目前期规划时与建筑主体工程同步规划、同步设计，以保证项目整体和谐统一。