太陽能與居住建筑一體化設計應用研究

韋建中　王鳳麗　易遵麗　蘇　芳　石　宇

摘要：為了解決太陽能與居住建筑一體化的問題，通過調查經濟適用住宅的現狀，提出解決方案。針對居住建筑的特點，按照建筑的分類和太陽能的安裝部位不同。把太陽能與居住建筑巧妙地結合起來，既起到裝點效果，又節能環保，更好的創造了低能耗高舒適性的健康居住環境。

關鍵詞：太陽能；居住建筑；節能設計；一體化

中圖分類號：F287.8

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0267-02

1太陽能熱水器現狀調查

本文以對中原油田經濟適用房為例進行調查，中原油田擁有8萬多人口，住宅總建筑面積約120萬m²。但節能建筑只占3％左右，也就是說97％屬于高耗能建筑，說明建筑節能工作還未全面起步。在原有住宅設計中，未將太陽能熱水器與建筑設計融為一體，油田使用太陽能熱水器的住戶也主要為個人安裝。隨著使用太陽能熱水器使用比重的加大，城市住宅建筑日益高度化，傳統太陽能熱水器將面對安裝空間不夠這一嚴峻現實。另一方面，人們對城市景觀日益看重，希望太陽能熱水器既能提供生活熱水，同時又不影響城市景觀。我們對新舊住宅太陽能熱水器使用現狀進行了詳細的調查，進行分類總結(見表1)。

從表中可以看出，設計考慮不完善是影響太陽能熱水器一體化住宅外觀設計的主要原因。

2一體化設計的方法與對策

為解決太陽能熱水器與居住建筑一體化的問題，應當充分考慮到其居住建筑的特點。首先，無論是高層住宅還是多層住宅，都是由套型組成，沒有大空間，平、立面結構和造型一般比較規整；其次，房間的功能性限制大，非常強調自然采光和自然通風；第三，住宅受造價限制較大，外墻應當盡量平直。由于住宅的這些特點，在造型處理上可以有大的體量變化，但一般很難打破層、套等單元性因素的限制。實際中常常利用相同元素的重復、增減來達到藝術效果。從這一點來看。住宅的造型設計較之公共建筑更有難度。但從另一角度來看，住宅內部嚴謹的結構性和功能的主導地位非常符合技術美學所強調的邏輯性及目的性。太陽能熱水器一體化的設計在住宅中表現技術美學是可行的。

2.1根據建筑分類考慮

2.1.1高層住宅

高層住宅本身就標志著現代科學技術在建筑工程領域的成就，太陽能熱水器一體化的設計可與之相輔相成。由于管線和住戶密度的原因，高層建筑中的太陽能集熱器常常安裝在墻面和陽臺，頂部的集熱器只能為上部幾層提供熱水。所以重點在豎向上考慮集熱器與建筑的協調。

(1)可以利用較大面積的集熱器加強垂直構思。高層住宅其體形特征多為高聳挺拔。進一步加強垂直構思，可以使其更富于現代風格。集熱器可以集中連續布置，也可以與窗或陽臺的凹凸處理結合形成豎向的劃分，使整個建筑在垂直方向上形成強烈的韻律感。太陽能熱水器的水箱應當盡量放置于室內，以免破壞立面整體效果，常常選用強制循環式或直流式集熱器，并采用頂水式的管路。

(2)集熱器的利用還可以體現在住宅部件和材料的處理上?？梢栽陧敳炕蛲獍疾坷翰捎锰赜械捏w形或符號來加強標志性，以避免單調的感覺。太陽能集熱器由于采用了吸收性涂層而具備特殊的色澤和質感，其表面非常光亮，如果將其與高層頂部的電梯間或水箱間結合，既可以起到裝飾的作用，也能為上部幾層的住戶提供生活熱水。在一些住宅中，常采用大面積的玻璃窗，利用出挑的集熱板可以充當遮陽體。由它形成的陰影增加了造型的虛實對比和空間的層次。

2.1.2多層住宅

多層住宅太陽能熱水器一體化設計首先可以從形式和體量出發，由于集熱器需要南向的坡屋面或墻作為安裝的依托，爭取盡量多的實體面積和可利用空間就成為一體化住宅形體設計的指導思想。通?？梢允褂猛穗A和半接地式的設計。通過立體構成的切割手法，使整個體量的橫斷面類似于臺階或三角形。

一體化設計還可以借助局部的構件來表達技術特征和現代風格，因為受功能的影響，多層住宅體型的變化常會受到局限，此時局部的處理和構件的形式將起到重要的作用。

2.2根據安裝部位考慮

一體化設計的美學原則和手法以及構造方案與系統選擇，是建筑師對太陽能熱水系統所做的二次產品設計和加工，是實現“一體化”的關鍵步驟。內容包括安裝部位選擇和構造方案設計，既要考慮到保證太陽能熱水器的工作效率，又要與住宅的結構、使用功能以及美觀相協調。為了保證足夠的日照時數，集熱器可能的安裝位

置包括屋頂和南向的外墻和陽臺。下面就不同的安裝部位進行分別分析：

2.2.1屋頂部位

當太陽能熱水器安裝在屋頂時，由于其位置較高，可以形成自然壓頭，管路選擇比較靈活，既可以選擇頂水式，也可以選擇落水式。相應集熱器類型也有較大的自由度，自然循環式、強制循環式和直流式均可。但住宅屋頂形式有平屋頂和坡屋頂之分，所以需要重點解決太陽能設備與不同屋頂形式的有機結合和連接。

(1)平屋頂的安裝。

在平屋頂安裝時，要注意集熱器的平面安裝位置。應當盡量減少水平管路的長度，將集熱器置于衛生間的上方。優點是此處的樓板為現澆混凝土結構，有利于設置管路和固定支架。

如果用戶選擇循環式熱水器，則集熱裝置必須按一定角度傾斜安裝，集熱器須外加支架與屋面結構相連接。支架的冷軋鋼板的厚度不應當小于2mm，不銹鋼板的厚度不應小于1.5mm。屋面構造上可以在柔性防水上另加40mm厚混凝土剛性防水層，預埋鐵件與支架焊接或螵栓連接。

如果用戶選用了直流式熱水器，則集熱器可以直接水平安裝在屋頂上方，減小風荷載，增加系統的安全性。而且，由于集熱管和反射板的遮擋，使屋面的隔熱作用有所加強，從而降低住宅頂層夏季室內溫度，也使構造連接的熱橋效應減至最小。調試時，安裝人員根據當地的位置和自然地理情況旋轉集熱管，將吸熱體的角度調整為最佳，就可以達到比較好的集熱效率。

(2)坡屋頂的安裝。

一般循環式太陽能集熱器均需要一定的傾角，利用坡屋頂的結構坡度是很自然的。由于坡屋頂樓面下一般有吊頂空間，可以容納橫向管路，所以集熱器的平面位置可以比較靈活。

在設計中，最好選擇集熱器與儲水箱分離的熱水系統，將儲水箱置于吊頂內，可以減少屋面的荷載。在采用自然循環時，要求集熱器不高于水箱水位；而采用強制循環則沒有這種限制。

另一方面，可采用近期出現的質量分布比較均勻的水箱——集熱器新型一體化太陽能熱水器。屋脊式太陽能熱水器克服了單管上下水、不能24小時隨時用熱水及操作繁瑣的缺點，上水無需任何操作，通常天氣熱水隨開隨用，結構獨特，適合于人字形屋頂，重心低，安裝極其方便、穩固。坡屋頂橫管式太陽能熱水器最適合坡屋頂平房或樓房，水箱外形像“餅干”一樣平貼于斜屋面，克服了各種太陽能熱水器重心高、在坡屋頂上安裝困難等缺點，安全可靠，外形平整，成片安裝整齊美觀(見圖1)。其共同的特點是水箱與集熱器結合在一起，降低了管路的造價。

2.2.2墻面與陽臺

在墻面或陽臺安裝太陽能熱水器，可以減小管路的長度。對于高層住宅是其他安裝方式不能替代的。而且其位置往往處于立面的視覺焦點(見圖二)，可以成為立面構成的重要因素，這也更加符合一體化設計的思想。由于與用水端沒有足夠的高差，所以在墻面或陽臺安裝的系統必須采用頂水式管路。而且同坡屋頂一樣，應盡量選擇集熱器與儲水箱分離的系統，可以減小墜落傷人的概率。

3太陽能熱水器與建筑一體化的前景

隨著行業的發展，技術的進步和人民生活水平的提高，建筑能耗也隨之的提高，日益成為能源供給的沉重負擔。燃燒礦物燃料所排放的煙塵等顆粒以及二氧化硫和氮氧化合物都會危害人體健康，是產生許多疾病的根源，還會造成環境污染；太陽能與建筑結合能替代常規能源，降低建筑的化石燃料的耗能，提高太陽能綜合利用率，減少二氧化碳的排放量、降低溫室效應；且太陽能熱水器的性能已經可以滿足用戶全天候24小時隨心所欲的使用要求，太陽能熱水器與建筑通過屋面隱藏型、墻面陽臺型的結合的方式，既可以產生熱能或電能，又可以當作防水和絕熱材料，還可以作表面裝飾材料使用。從設計、建設開始就像對火、電那樣，把太陽能(光熱、光電)與房屋融為一體，這樣既可以增掭居住建筑的功能，也可以滿足住戶的實際需求，自然會提高居住建筑的檔次。所以。把太陽能與居住建筑巧妙地結合起來，既起到裝點效果，又節能環保，更好的創造了低能耗高舒適性的健康居住環境，為實現我國可持續發展戰略具有重大意義。