太陽(yáng)能與居住建筑一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

韋建中　王鳳麗　易遵麗　蘇　芳　石　宇

摘要：為了解決太陽(yáng)能與居住建筑一體化的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)查經(jīng)濟(jì)適用住宅的現(xiàn)狀，提出解決方案。針對(duì)居住建筑的特點(diǎn)，按照建筑的分類(lèi)和太陽(yáng)能的安裝部位不同。把太陽(yáng)能與居住建筑巧妙地結(jié)合起來(lái)，既起到裝點(diǎn)效果，又節(jié)能環(huán)保，更好的創(chuàng)造了低能耗高舒適性的健康居住環(huán)境。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；居住建筑；節(jié)能設(shè)計(jì)；一體化

中圖分類(lèi)號(hào)：F287.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198(2009)09-0267-02

1太陽(yáng)能熱水器現(xiàn)狀調(diào)查

本文以對(duì)中原油田經(jīng)濟(jì)適用房為例進(jìn)行調(diào)查，中原油田擁有8萬(wàn)多人口，住宅總建筑面積約120萬(wàn)m²。但節(jié)能建筑只占3％左右，也就是說(shuō)97％屬于高耗能建筑，說(shuō)明建筑節(jié)能工作還未全面起步。在原有住宅設(shè)計(jì)中，未將太陽(yáng)能熱水器與建筑設(shè)計(jì)融為一體，油田使用太陽(yáng)能熱水器的住戶(hù)也主要為個(gè)人安裝。隨著使用太陽(yáng)能熱水器使用比重的加大，城市住宅建筑日益高度化，傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器將面對(duì)安裝空間不夠這一嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)。另一方面，人們對(duì)城市景觀(guān)日益看重，希望太陽(yáng)能熱水器既能提供生活熱水，同時(shí)又不影響城市景觀(guān)。我們對(duì)新舊住宅太陽(yáng)能熱水器使用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，進(jìn)行分類(lèi)總結(jié)(見(jiàn)表1)。

從表中可以看出，設(shè)計(jì)考慮不完善是影響太陽(yáng)能熱水器一體化住宅外觀(guān)設(shè)計(jì)的主要原因。

2一體化設(shè)計(jì)的方法與對(duì)策

為解決太陽(yáng)能熱水器與居住建筑一體化的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)充分考慮到其居住建筑的特點(diǎn)。首先，無(wú)論是高層住宅還是多層住宅，都是由套型組成，沒(méi)有大空間，平、立面結(jié)構(gòu)和造型一般比較規(guī)整；其次，房間的功能性限制大，非常強(qiáng)調(diào)自然采光和自然通風(fēng)；第三，住宅受造價(jià)限制較大，外墻應(yīng)當(dāng)盡量平直。由于住宅的這些特點(diǎn)，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(shí)際中常常利用相同元素的重復(fù)、增減來(lái)達(dá)到藝術(shù)效果。從這一點(diǎn)來(lái)看。住宅的造型設(shè)計(jì)較之公共建筑更有難度。但從另一角度來(lái)看，住宅內(nèi)部嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)性和功能的主導(dǎo)地位非常符合技術(shù)美學(xué)所強(qiáng)調(diào)的邏輯性及目的性。太陽(yáng)能熱水器一體化的設(shè)計(jì)在住宅中表現(xiàn)技術(shù)美學(xué)是可行的。

2.1根據(jù)建筑分類(lèi)考慮

2.1.1高層住宅

高層住宅本身就標(biāo)志著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的成就，太陽(yáng)能熱水器一體化的設(shè)計(jì)可與之相輔相成。由于管線(xiàn)和住戶(hù)密度的原因，高層建筑中的太陽(yáng)能集熱器常常安裝在墻面和陽(yáng)臺(tái)，頂部的集熱器只能為上部幾層提供熱水。所以重點(diǎn)在豎向上考慮集熱器與建筑的協(xié)調(diào)。

(1)可以利用較大面積的集熱器加強(qiáng)垂直構(gòu)思。高層住宅其體形特征多為高聳挺拔。進(jìn)一步加強(qiáng)垂直構(gòu)思，可以使其更富于現(xiàn)代風(fēng)格。集熱器可以集中連續(xù)布置，也可以與窗或陽(yáng)臺(tái)的凹凸處理結(jié)合形成豎向的劃分，使整個(gè)建筑在垂直方向上形成強(qiáng)烈的韻律感。太陽(yáng)能熱水器的水箱應(yīng)當(dāng)盡量放置于室內(nèi)，以免破壞立面整體效果，常常選用強(qiáng)制循環(huán)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(xiàn)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(hào)來(lái)加強(qiáng)標(biāo)志性，以避免單調(diào)的感覺(jué)。太陽(yáng)能集熱器由于采用了吸收性涂層而具備特殊的色澤和質(zhì)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(jié)合，既可以起到裝飾的作用，也能為上部幾層的住戶(hù)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(dāng)遮陽(yáng)體。由它形成的陰影增加了造型的虛實(shí)對(duì)比和空間的層次。

2.1.2多層住宅

多層住宅太陽(yáng)能熱水器一體化設(shè)計(jì)首先可以從形式和體量出發(fā)，由于集熱器需要南向的坡屋面或墻作為安裝的依托，爭(zhēng)取盡量多的實(shí)體面積和可利用空間就成為一體化住宅形體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。通?？梢允褂猛穗A和半接地式的設(shè)計(jì)。通過(guò)立體構(gòu)成的切割手法，使整個(gè)體量的橫斷面類(lèi)似于臺(tái)階或三角形。

一體化設(shè)計(jì)還可以借助局部的構(gòu)件來(lái)表達(dá)技術(shù)特征和現(xiàn)代風(fēng)格，因?yàn)槭芄δ艿挠绊?，多層住宅體型的變化常會(huì)受到局限，此時(shí)局部的處理和構(gòu)件的形式將起到重要的作用。

2.2根據(jù)安裝部位考慮

一體化設(shè)計(jì)的美學(xué)原則和手法以及構(gòu)造方案與系統(tǒng)選擇，是建筑師對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)所做的二次產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工，是實(shí)現(xiàn)“一體化”的關(guān)鍵步驟。內(nèi)容包括安裝部位選擇和構(gòu)造方案設(shè)計(jì)，既要考慮到保證太陽(yáng)能熱水器的工作效率，又要與住宅的結(jié)構(gòu)、使用功能以及美觀(guān)相協(xié)調(diào)。為了保證足夠的日照時(shí)數(shù)，集熱器可能的安裝位

置包括屋頂和南向的外墻和陽(yáng)臺(tái)。下面就不同的安裝部位進(jìn)行分別分析：

2.2.1屋頂部位

當(dāng)太陽(yáng)能熱水器安裝在屋頂時(shí)，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(yīng)集熱器類(lèi)型也有較大的自由度，自然循環(huán)式、強(qiáng)制循環(huán)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(diǎn)解決太陽(yáng)能設(shè)備與不同屋頂形式的有機(jī)結(jié)合和連接。

(1)平屋頂?shù)陌惭b。

在平屋頂安裝時(shí)，要注意集熱器的平面安裝位置。應(yīng)當(dāng)盡量減少水平管路的長(zhǎng)度，將集熱器置于衛(wèi)生間的上方。優(yōu)點(diǎn)是此處的樓板為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，有利于設(shè)置管路和固定支架。

如果用戶(hù)選擇循環(huán)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(jié)構(gòu)相連接。支架的冷軋鋼板的厚度不應(yīng)當(dāng)小于2mm，不銹鋼板的厚度不應(yīng)小于1.5mm。屋面構(gòu)造上可以在柔性防水上另加40mm厚混凝土剛性防水層，預(yù)埋鐵件與支架焊接或螵栓連接。

如果用戶(hù)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(fēng)荷載，增加系統(tǒng)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(qiáng)，從而降低住宅頂層夏季室內(nèi)溫度，也使構(gòu)造連接的熱橋效應(yīng)減至最小。調(diào)試時(shí)，安裝人員根據(jù)當(dāng)?shù)氐奈恢煤妥匀坏乩砬闆r旋轉(zhuǎn)集熱管，將吸熱體的角度調(diào)整為最佳，就可以達(dá)到比較好的集熱效率。

(2)坡屋頂?shù)陌惭b。

一般循環(huán)式太陽(yáng)能集熱器均需要一定的傾角，利用坡屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中，最好選擇集熱器與儲(chǔ)水箱分離的熱水系統(tǒng)，將儲(chǔ)水箱置于吊頂內(nèi)，可以減少屋面的荷載。在采用自然循環(huán)時(shí)，要求集熱器不高于水箱水位；而采用強(qiáng)制循環(huán)則沒(méi)有這種限制。

另一方面，可采用近期出現(xiàn)的質(zhì)量分布比較均勻的水箱——集熱器新型一體化太陽(yáng)能熱水器。屋脊式太陽(yáng)能熱水器克服了單管上下水、不能24小時(shí)隨時(shí)用熱水及操作繁瑣的缺點(diǎn)，上水無(wú)需任何操作，通常天氣熱水隨開(kāi)隨用，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，適合于人字形屋頂，重心低，安裝極其方便、穩(wěn)固。坡屋頂橫管式太陽(yáng)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(yáng)能熱水器重心高、在坡屋頂上安裝困難等缺點(diǎn)，安全可靠，外形平整，成片安裝整齊美觀(guān)(見(jiàn)圖1)。其共同的特點(diǎn)是水箱與集熱器結(jié)合在一起，降低了管路的造價(jià)。

2.2.2墻面與陽(yáng)臺(tái)

在墻面或陽(yáng)臺(tái)安裝太陽(yáng)能熱水器，可以減小管路的長(zhǎng)度。對(duì)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(jué)焦點(diǎn)(見(jiàn)圖二)，可以成為立面構(gòu)成的重要因素，這也更加符合一體化設(shè)計(jì)的思想。由于與用水端沒(méi)有足夠的高差，所以在墻面或陽(yáng)臺(tái)安裝的系統(tǒng)必須采用頂水式管路。而且同坡屋頂一樣，應(yīng)盡量選擇集熱器與儲(chǔ)水箱分離的系統(tǒng)，可以減小墜落傷人的概率。

3太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化的前景

隨著行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)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(fù)擔(dān)。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(huì)危害人體健康，是產(chǎn)生許多疾病的根源，還會(huì)造成環(huán)境污染；太陽(yáng)能與建筑結(jié)合能替代常規(guī)能源，降低建筑的化石燃料的耗能，提高太陽(yáng)能綜合利用率，減少二氧化碳的排放量、降低溫室效應(yīng)；且太陽(yáng)能熱水器的性能已經(jīng)可以滿(mǎn)足用戶(hù)全天候24小時(shí)隨心所欲的使用要求，太陽(yáng)能熱水器與建筑通過(guò)屋面隱藏型、墻面陽(yáng)臺(tái)型的結(jié)合的方式，既可以產(chǎn)生熱能或電能，又可以當(dāng)作防水和絕熱材料，還可以作表面裝飾材料使用。從設(shè)計(jì)、建設(shè)開(kāi)始就像對(duì)火、電那樣，把太陽(yáng)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(mǎn)足住戶(hù)的實(shí)際需求，自然會(huì)提高居住建筑的檔次。所以。把太陽(yáng)能與居住建筑巧妙地結(jié)合起來(lái)，既起到裝點(diǎn)效果，又節(jié)能環(huán)保，更好的創(chuàng)造了低能耗高舒適性的健康居住環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。