太陽能熱水器與住宅建筑一體化案例分析

魏琰琰，門艷紅

(1.山東建筑大學山東省建筑節能技術重點實驗室，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室，山東 濟南 250101;3.天津大學 建筑學院，天津 300072)

0 引言

近年來，在我國太陽能熱水器作為一項最為普及的太陽能利用技術進入了千家萬戶，我國的太陽能熱水器面積已經居全球首位。然而，在我國太陽能熱水器的實際應用中還存在著熱水器的安裝與建筑設計脫節，導致了業主自行安裝的熱水器雜亂不堪，影響了小區景觀，造成了視覺污染，甚至危及了建筑的使用安全等問題，這也凸顯出太陽能熱水器與住宅一體化研究的必要性。本文正是以國家可再生能源利用示范項目山建大教授花園第一期多層住宅為例，介紹了其中太陽能熱水器與多層住宅一體化設計的過程。

在山建大教授花園住宅設計伊始，就確定了利用太陽能熱水器為住戶提供生活熱水，從策劃定位到完成施工圖設計的整個過程，將太陽能熱水系統作為建筑的標準體系進行有機結合，綜合考慮建筑形式、視覺效果、熱水用量、集熱器選型、系統配置、運行方式、安裝接口形式與尺寸、安全性、維修方便度以及經濟技術分析等因素，實現與建筑的同步設計、同步施工、同步驗收、同步后期管理的系統設計，達到節能和美觀的雙重效果。

1 太陽能熱水器與建筑一體化的定義及其實現途徑

太陽能熱水器與建筑一體化的定義在建筑設計及其理論的狹義范圍內認為，太陽能熱水器的設備作為建筑構件之一，在作為建筑表皮起到維護作用的同時，亦能提供太陽能加熱的熱水進行建筑本身的供給使用[1]。廣義的太陽能熱水器與建筑一體化概念則認同太陽能熱水器在建筑設計尤其是表皮設計中重要的參與性和協同性，太陽能熱水器不僅是建筑中使用的一項技術措施，而是將太陽能熱水器的選擇、設計及安裝工作作為在建筑設計的過程中與墻面、屋面等外圍護構件共同進行綜合考量的重要部分。由建筑師根據整體的設計意圖綜合確定太陽能熱水器的選擇、設計以及是否作為建筑表皮的維護構件等問題。諸如此類將太陽能熱水器與建筑一體化綜合考慮的建筑，才能稱為太陽能建筑。

太陽能熱水器與建筑一體化的實現途徑關鍵在于協調熱水器設備與建筑構件的關系。集熱器、儲水箱及管線等，尤其是必須直接接受直射太陽光的集熱裝置，不應僅限于簡單地避開人們的視線，隱藏在建筑表皮內。而是應作為建筑要素之一，通過建筑語言的組織和協調，成為建筑整體設計造型的一部分，即集熱裝置、水箱等熱水器設備的建筑構件化才是確實行之有效的方法。[2]具體的設計方法可以根據一體化的不同方面劃分為:建筑一體化、結構一體化、設備一體化;按與建筑不同圍護結構的結合方式劃分為:與墻的一體化設計、與屋面的一體化設計、與陽臺的一體化設計和與遮陽裝置的一體化設計[3]。本文以建大教授花園實例為依托，側重于從建筑、結構、設備三方面進一步詳細介紹太陽能熱水器與屋面的一體化設計實施過程。

2 設計前期——項目參數、太陽能熱水器選擇及相關技術參數

2.1 項目參數

濟南市年平均太陽輻射總量為17447kJ/m2，太陽輻射資源比較豐富，位于山東省太陽輻射分布的高值區內。太陽輻射的年內變化較大，春季、夏季最多，秋季次之，冬季最少。全市年日照總時數在2491～2737h之間，每日平均 7.0 ～7.5h，年平均日照百分率為56%～62%。

2.2 太陽能熱水器選擇及相關技術參數

2.2.1 熱水系統的選擇

太陽能熱水系統按供水范圍可分為三種系統:集中供熱水系統、集中分散供熱水系統和分散供熱水系統。在方案設計前期，對三種系統與多層住宅一體化結合優缺點從安裝方式、集熱器位置、供水方式及其優缺點等多個方面進行了綜合比較(表1[4])。通過廣泛征求業主的意見，逐步形成了太陽能熱水系統盡可能結構簡單、運行穩定、節能高效、價格低廉、產權獨立、無后續收費的共識。此選擇標準，在一定程度上也代表了目前我國居民對太陽能熱水器與住宅一體化的普遍要求。綜合以上因素，本項目選擇了分散供熱水系統，因為它無論是技術成熟度、造價、運行管理、推廣度都更具優勢，而它的缺點則通過加裝排空閥得到了很好的解決。

2.2.2 熱水器的選擇

根據與建筑結合形式的不同，分散供熱水系統的熱水器可劃分為整體式和分體式兩大類[5]。根據水箱是否承壓，分體式熱水器又被劃分為承壓式和非承壓式兩種類型。它們在與多層住宅建筑進行一體化設計的過程中有著各自的優缺點(表2[6])。綜合業主的共識、項目的實際情況、“合理、經濟、美觀”的設計原則以及集熱效果的均好性，本項目選擇了整體式太陽能熱水器(即緊湊直插式太陽熱能水器)，而對于它的缺點如保溫問題、管線數量問題，則通過選用單管(上下水共用一根管)式熱水器、選用保溫效果好的水箱、管道等方式進行了很好的解決[7]。

表1 三種與多層住宅一體化太陽能熱水系統比較

表2 多層住宅中整體式和分體式熱水器的比較

2.2.3 儲水箱容量、出水溫度

GB50015—2003《建筑給水排水設計規范》規定“有自備熱水供應和沐浴設備的住宅，每人最高日用熱水定額40～80L;有集中熱水供應和沐浴設備的住宅，每人最高日用熱水定額60～100L。”在符合GB50015—2003要求的前提下，考慮到節水這個重要因素對熱水系統進行設定，本項目選擇了定額的低值，即每人最高日用熱水40L。根據調研多層住宅住戶家庭成員組成情況，確定了每戶用水人數3～5人。綜合以上因素確定了本項目熱水器儲水箱容量有120L、150L兩種。

據《環境標志產品技術要求家用太陽能熱水系統》規定的標準，太陽能熱水器出水溫度要達到45℃。本項目通過選用帶電輔助加熱功能的儲水箱，保證在日照不足的情況下正常出水溫度。

2.2.4 集熱器技術參數

太陽能熱利用系統中，接受太陽能輻射并向水傳遞熱量的部件，稱為太陽能集熱器。目前主要有平板型、全玻璃真空管型、金屬—玻璃真空管型(包括U型管式和熱管式兩種)三種太陽能集熱器[8]，各種太陽能集熱器各有優缺點，分別使用于不同的地區、不同的用途，性能價格比也不同(表3[9])。

由于濟南在我國熱工氣候分區中屬于寒冷地區，本項目從集熱效率、防凍以及居民使用安全的角度出發，選擇了U型管式集熱器。

在設計前期，集熱器面積主要根據建筑建設地區太陽能條件來估算。據GB50364—2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》中每產生100L熱水量所需系統集熱器總面積的推薦值[4]，結合項目參數可以初步估算出本項目的集熱器面積為2.0m2(120L)和 2.4m2(150L)。

集熱器傾角是太陽能集熱器與水平面的夾角[4]。集熱器傾角應與當地緯度一致;如系統在春、夏、秋季使用，其傾角宜為當地緯度減5°～10°;如系統在全年使用，其傾角宜為當地緯度加5°～10°。本項目太陽能系統需要全年使用，結合濟南當地緯度(北緯 36.5°)，傾角定為42°。

表3 集熱器類型選用表

集熱器與遮光物或集熱器前后排的最小距離的計算可按公式:D=H ×ctgas，且滿足集熱器全天有不少于4h日照時數的要求。式中:D為集熱器與遮光物或集熱器前后排間的最小距離，m;H為遮光物最高點與集熱器最低點的垂直距離，m;as為當地冬至日正午12:00的太陽高度角。

本項目冬至日正午太陽高度角as=90－36.5－23.5=30°，D=H ×ctg30°。

3 一體化的演繹——太陽能熱水器與住宅的一體化

3.1 造型一體化

本項目選擇的頂置整體式太陽能熱水器與建筑，尤其是屋面造型的結合是通過平坡結合的屋面形式實現的。集中放置太陽能熱水器的平屋面不僅為熱水器的管理、安裝、維修提供了方便，而且其造型與坡屋面、立面造型整合考慮形成了一種清新、典雅的建筑風格(圖1、2)。根據設計前期確定的技術參數等依據，通過模擬軟件Ecotect對平屋面造型、熱水器的擱置形式及其日照情況進行了模擬，全年日均(8:00至16:00)接受太陽輻射量區間為1400～3200Wh，全年日均(8:00至16:00)接受太陽輻射時數為4～9 h(圖3、4)。通過對集熱效果的驗算，確保滿足熱水器技術參數的要求。在滿足美觀要求的基礎上注重模塊化設計，根據熱水器模數寬度、間距、行距等要求對平屋面尺寸進行了相應的設計，因而能夠放下整個單元的熱水器(最多12臺)。在色彩上也進行了一體化設計的考慮，首先，坡屋面選用了深灰色的瓦屋面，其次，局部的線腳選用了深灰色的防水涂料等，這樣即使局部能看到深色的水箱和集熱器，也不會覺得突兀或不協調。

圖1 建大教授花園多層住宅正立面

圖2 建大教授花園多層住宅鳥瞰

3.2 結構一體化

圖3 日均輻射強度模擬分析

圖4 日均日照時數模擬分析

平屋面主體結構在設計過程中不僅考慮到各種常規的屋面荷載，還充分考慮到太陽能集熱器、貯水箱等傳遞的各種作用力(包括檢修荷載)。太陽能熱水器的固定采用安裝預埋件的固定方式，可以消除對屋面防水層的影響。平屋面周圍高出的女兒墻可以有效地降低風荷載對熱水器的影響。在平屋面預留了太陽能立管出屋面、太陽能熱水器電路出屋面的孔洞，并相應進行了建筑構造做法處理。在平屋面位于樓梯間的位置設置專門的安裝、檢修上人孔，充分考慮熱水器定期維修與及時更換的方便度，解除了用戶的后顧之憂。

3.3 設備一體化

將各戶的太陽能立管與水、暖立管整合考慮，共同置于樓梯間的管道井內，這樣不僅增加了管井的使用效率，而且方便維修(圖5)。入戶的太陽能水平管置于地面墊層內，與衛生間及廚房的用水設備相連，熱水器的電線與建筑物的電線統一布置、集中隱蔽，這樣在室內看不到任何太陽能管線，提高了室內舒適度、增加了戶內的有效使用面積[12]。

圖5 管井大樣圖

4 運行結果與總結

自2009年7月竣工以來，經過一段時間的運行，太陽能熱水系統全部達到了設計要求。在晴朗天氣下，冬季熱水溫度達到50℃，夏季熱水的最高溫度超過80℃，與在濟南其它地方安裝同種類型的太陽能熱水器效果一致，滿足了住戶的使用要求。

從設計前期到一體化演繹的過程并不是一個線性的設計過程，而是一個反復推敲、比較、互動的設計過程。在這個過程中，以設計前期的成果為基本依據，把熱水器作為建筑的一個構件來進行方案設計，并通過與熱水器廠家的技術合作、模擬分析等手段，使熱水器與方案設計配合的更緊密、更細致。這一項目的成功經驗對頂置整體式太陽能熱水器與多層住宅一體化設計具有很大參考價值和推廣價值。

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