太阳能与居住建筑一体化设计应用研究

摘要：为了解决太阳能与居住建筑一体化的问题，通过调查经济适用住宅的现状，提出解决方案。针对居住建筑的特点，按照建筑的分类和太阳能的安装部位不同。把太阳能与居住建筑巧妙地结合起来，既起到装点效果，又节能环保，更好的创造了低能耗高舒适性的健康居住环境。

关键词：太阳能；居住建筑；节能设计；一体化

中图分类号：F287.8

文献标识码：A

文章编号：1672-3198(2009)09-0267-02

1　太阳能热水器现状调查

本文以对中原油田经济适用房为例进行调查，中原油田拥有8万多人口，住宅总建筑面积约120万m2。但节能建筑只占3％左右，也就是说97％属于高耗能建筑，说明建筑节能工作还未全面起步。在原有住宅设计中，未将太阳能热水器与建筑设计融为一体，油田使用太阳能热水器的住户也主要为个人安装。随着使用太阳能热水器使用比重的加大，城市住宅建筑日益高度化，传统太阳能热水器将面对安装空间不够这一严峻现实。另一方面，人们对城市景观日益看重，希望太阳能热水器既能提供生活热水，同时又不影响城市景观。我们对新旧住宅太阳能热水器使用现状进行了详细的调查，进行分类总结(见表1)。

从表中可以看出，设计考虑不完善是影响太阳能热水器一体化住宅外观设计的主要原因。

2　一体化设计的方法与对策

为解决太阳能热水器与居住建筑一体化的问题，应当充分考虑到其居住建筑的特点。首先，无论是高层住宅还是多层住宅，都是由套型组成，没有大空间，平、立面结构和造型一般比较规整；其次，房间的功能性限制大，非常强调自然采光和自然通风；第三，住宅受造价限制较大，外墙应当尽量平直。由于住宅的这些特点，在造型处理上可以有大的体量变化，但一般很难打破层、套等单元性因素的限制。实际中常常利用相同元素的重复、增减来达到艺术效果。从这一点来看。住宅的造型设计较之公共建筑更有难度。但从另一角度来看，住宅内部严谨的结构性和功能的主导地位非常符合技术美学所强调的逻辑性及目的性。太阳能热水器一体化的设计在住宅中表现技术美学是可行的。

2.1　根据建筑分类考虑

2.1.1　高层住宅

高层住宅本身就标志着现代科学技术在建筑工程领域的成就，太阳能热水器一体化的设计可与之相辅相成。由于管线和住户密度的原因，高层建筑中的太阳能集热器常常安装在墙面和阳台，顶部的集热器只能为上部几层提供热水。所以重点在竖向上考虑集热器与建筑的协调。

(1)可以利用较大面积的集热器加强垂直构思。高层住宅其体形特征多为高耸挺拔。进一步加强垂直构思，可以使其更富于现代风格。集热器可以集中连续布置，也可以与窗或阳台的凹凸处理结合形成竖向的划分，使整个建筑在垂直方向上形成强烈的韵律感。太阳能热水器的水箱应当尽量放置于室内，以免破坏立面整体效果，常常选用强制循环式或直流式集热器，并采用顶水式的管路。

(2)集热器的利用还可以体现在住宅部件和材料的处理上。可以在顶部或外凹部拉梁采用特有的体形或符号来加强标志性，以避免单调的感觉。太阳能集热器由于采用了吸收性涂层而具备特殊的色泽和质感，其表面非常光亮，如果将其与高层顶部的电梯间或水箱间结合，既可以起到装饰的作用，也能为上部几层的住户提供生活热水。在一些住宅中，常采用大面积的玻璃窗，利用出挑的集热板可以充当遮阳体。由它形成的阴影增加了造型的虚实对比和空间的层次。

2.1.2　多层住宅

多层住宅太阳能热水器一体化设计首先可以从形式和体量出发，由于集热器需要南向的坡屋面或墙作为安装的依托，争取尽量多的实体面积和可利用空间就成为一体化住宅形体设计的指导思想。通常可以使用退阶和半接地式的设计。通过立体构成的切割手法，使整个体量的横断面类似于台阶或三角形。

一体化设计还可以借助局部的构件来表达技术特征和现代风格，因为受功能的影响，多层住宅体型的变化常会受到局限，此时局部的处理和构件的形式将起到重要的作用。

2.2　根据安装部位考虑

一体化设计的美学原则和手法以及构造方案与系统选择，是建筑师对太阳能热水系统所做的二次产品设计和加工，是实现“一体化”的关键步骤。内容包括安装部位选择和构造方案设计，既要考虑到保证太阳能热水器的工作效率，又要与住宅的结构、使用功能以及美观相协调。为了保证足够的日照时数，集热器可能的安装位

置包括屋顶和南向的外墙和阳台。下面就不同的安装部位进行分别分析：

2.2.1　屋顶部位

当太阳能热水器安装在屋顶时，由于其位置较高，可以形成自然压头，管路选择比较灵活，既可以选择顶水式，也可以选择落水式。相应集热器类型也有较大的自由度，自然循环式、强制循环式和直流式均可。但住宅屋顶形式有平屋顶和坡屋顶之分，所以需要重点解决太阳能设备与不同屋顶形式的有机结合和连接。

(1)平屋顶的安装。

在平屋顶安装时，要注意集热器的平面安装位置。应当尽量减少水平管路的长度，将集热器置于卫生间的上方。优点是此处的楼板为现浇混凝土结构，有利于设置管路和固定支架。

如果用户选择循环式热水器，则集热装置必须按一定角度倾斜安装，集热器须外加支架与屋面结构相连接。支架的冷轧钢板的厚度不应当小于2mm，不锈钢板的厚度不应小于1.5mm。屋面构造上可以在柔性防水上另加40mm厚混凝土刚性防水层，预埋铁件与支架焊接或螵栓连接。

如果用户选用了直流式热水器，则集热器可以直接水平安装在屋顶上方，减小风荷载，增加系统的安全性。而且，由于集热管和反射板的遮挡，使屋面的隔热作用有所加强，从而降低住宅顶层夏季室内温度，也使构造连接的热桥效应减至最小。调试时，安装人员根据当地的位置和自然地理情况旋转集热管，将吸热体的角度调整为最佳，就可以达到比较好的集热效率。

(2)坡屋顶的安装。

一般循环式太阳能集热器均需要一定的倾角，利用坡屋顶的结构坡度是很自然的。由于坡屋顶楼面下一般有吊顶空间，可以容纳横向管路，所以集热器的平面位置可以比较灵活。

在设计中，最好选择集热器与储水箱分离的热水系统，将储水箱置于吊顶内，可以减少屋面的荷载。在采用自然循环时，要求集热器不高于水箱水位；而采用强制循环则没有这种限制。

另一方面，可采用近期出现的质量分布比较均匀的水箱――集热器新型一体化太阳能热水器。屋脊式太阳能热水器克服了单管上下水、不能24小时随时用热水及操作繁琐的缺点，上水无需任何操作，通常天气热水随开随用，结构独特，适合于人字形屋顶，重心低，安装极其方便、稳固。坡屋顶横管式太阳能热水器最适合坡屋顶平房或楼房，水箱外形像“饼干”一样平贴于斜屋面，克服了各种太阳能热水器重心高、在坡屋顶上安装困难等缺点，安全可靠，外形平整，成片安装整齐美观(见图1)。其共同的特点是水箱与集热器结合在一起，降低了管路的造价。

2.2.2　墙面与阳台

在墙面或阳台安装太阳能热水器，可以减小管路的长度。对于高层住宅是其他安装方式不能替代的。而且其位置往往处于立面的视觉焦点(见图二)，可以成为立面构成的重要因素，这也更加符合一体化设计的思想。由于与用水端没有足够的高差，所以在墙面或阳台安装的系统必须采用顶水式管路。而且同坡屋顶一样，应尽量选择集热器与储水箱分离的系统，可以减小坠落伤人的概率。

3　太阳能热水器与建筑一体化的前景

随着行业的发展，技术的进步和人民生活水平的提高，建筑能耗也随之的提高，日益成为能源供给的沉重负担。燃烧矿物燃料所排放的烟尘等颗粒以及二氧化硫和氮氧化合物都会危害人体健康，是产生许多疾病的根源，还会造成环境污染；太阳能与建筑结合能替代常规能源，降低建筑的化石燃料的耗能，提高太阳能综合利用率，减少二氧化碳的排放量、降低温室效应；且太阳能热水器的性能已经可以满足用户全天候24小时随心所欲的使用要求，太阳能热水器与建筑通过屋面隐藏型、墙面阳台型的结合的方式，既可以产生热能或电能，又可以当作防水和绝热材料，还可以作表面装饰材料使用。从设计、建设开始就像对火、电那样，把太阳能(光热、光电)与房屋融为一体，这样既可以增掭居住建筑的功能，也可以满足住户的实际需求，自然会提高居住建筑的档次。所以。把太阳能与居住建筑巧妙地结合起来，既起到装点效果，又节能环保，更好的创造了低能耗高舒适性的健康居住环境，为实现我国可持续发展战略具有重大意义。