建筑形態(tài)與太陽能熱水系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)對(duì)策

摘 要：目前，太陽能熱水系統(tǒng)在住宅工程中已有較大規(guī)模的應(yīng)用，但是在與建筑的一體化設(shè)計(jì)方面還很不成熟，在實(shí)際工程應(yīng)用中也出現(xiàn)了許多問題。如何在建筑設(shè)計(jì)中解決應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)帶來的一系列構(gòu)造變化，是目前急需解決的問題。

關(guān)鍵詞：建筑形態(tài)；太陽能；熱水系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU822+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2009）06-0231-02

1前言

太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化的承載主體是建筑，隨著人類文明的發(fā)展，建筑不再僅僅作為避風(fēng)雨、御寒暑的簡單場所，現(xiàn)代建筑已成為社會(huì)生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)。以建筑類型來講，近代資本主義大生產(chǎn)的出現(xiàn)使社會(huì)生產(chǎn)力迅猛發(fā)展，伴隨著機(jī)器的生產(chǎn)出現(xiàn)了規(guī)模巨大的新型工業(yè)廠房。特別是由于生產(chǎn)力發(fā)展基礎(chǔ)上人類物質(zhì)生活和精神生活產(chǎn)生的巨大變化，對(duì)建筑提出了許多新的、前所未有的功能要求，在建筑功能的驅(qū)使下，才相繼出現(xiàn)象原子能發(fā)電站、可容萬人的體育館、超高層建筑等新的建筑類型。在人類文明高度發(fā)達(dá)的今天，傳統(tǒng)化石能源的來源逐年遞減，人類對(duì)化石能源的過渡依賴導(dǎo)致環(huán)境持續(xù)惡化，同時(shí)人類對(duì)生活品質(zhì)和居住環(huán)境的要求又在不斷提高，為解決能源環(huán)境矛盾把可再生能源引入到耗能大戶建筑中，將其完善成為具有獨(dú)立能源，自我循環(huán)式的新型建筑，這是建筑發(fā)展的重要趨勢。

從古代建筑的構(gòu)圖原理到現(xiàn)代建筑的技術(shù)美學(xué)，建筑始終遵循多樣統(tǒng)一形式美規(guī)律的普遍原則，以簡單的幾何形式求統(tǒng)一，重視均衡與穩(wěn)定的審美觀念，強(qiáng)調(diào)建筑要素的主從與重點(diǎn)，對(duì)比與微差，建筑形式的韻律與節(jié)奏，建筑構(gòu)成的比例與尺度。以新建筑觀點(diǎn)來看，古典建筑不能作為美的唯一典范，但過分夸大建筑功能和技術(shù)對(duì)建筑形式的決定作用將會(huì)使建筑變的呆板，枯燥。因此太陽能熱水系統(tǒng)與建筑集成是在保證系統(tǒng)功能可靠的同時(shí)不違背建筑形式美規(guī)律的普遍原則，應(yīng)以系統(tǒng)和建筑的和諧統(tǒng)一為主旨。

建筑的形式與內(nèi)容應(yīng)一致。太陽能集熱器作為太陽能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部件同時(shí)又是整個(gè)系統(tǒng)中所占空間最大的部分，它在建筑中的布局將直接影響整個(gè)系統(tǒng)與建筑的結(jié)合效果，在保證集熱器集熱性能的同時(shí)應(yīng)重視建筑的整體形象，遵循建筑美學(xué)原則。

太陽能裝置與住宅一體化的造型設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮到其住宅建筑的特點(diǎn)。首先，住宅都是由套型組成，沒有大空間，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)自然采光和通風(fēng)。第三，住宅受造價(jià)限制以及節(jié)能對(duì)形體的要求，外墻也應(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、套等單單性因素的限制。實(shí)際中常常利用相同元素的重復(fù)、增減來達(dá)到藝術(shù)效果。從這一點(diǎn)來看，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。太陽能裝置與住宅一體化的設(shè)計(jì)在住宅中表現(xiàn)技術(shù)美學(xué)是可行的。

2太陽能熱水系統(tǒng)與建筑有機(jī)整合一體化設(shè)計(jì)

太陽能熱水系統(tǒng)與建筑有機(jī)整合一體化設(shè)計(jì)，成為建筑不可分割的一部分。

要使太陽能熱水系統(tǒng)真正與建筑有機(jī)的結(jié)合在一起，需要系統(tǒng)與建筑的整合一體化設(shè)計(jì)，即在設(shè)計(jì)建筑伊始，將太陽能系統(tǒng)所包含的所有內(nèi)容都當(dāng)作建筑不可或缺的元素加以考慮，使之成為建筑組成的一個(gè)部分，而不是附加的多余構(gòu)件。

2.1太陽能裝置與屋頂?shù)慕Y(jié)合太陽能裝置與屋頂結(jié)合有其特有的優(yōu)勢：

首先日照條件好，不受朝向影響，不易受到遮擋，可以充分地接受太陽輻射；其次系統(tǒng)可以緊貼屋頂結(jié)構(gòu)安裝，減少風(fēng)力的不利影響；再次可以代替保溫隔熱層遮蔽屋面，減少屋頂夏天的熱負(fù)荷。

（1）太陽能裝置與坡屋頂?shù)慕Y(jié)合

坡屋面是近十幾年來低層和多層住宅的主流形式，在坡屋面住宅太陽能熱水器與建筑一體化設(shè)計(jì)中，最重要的是南向坡面的利用。由于南向坡面傾角大多與集熱器角度接近，所以能較好地體現(xiàn)集熱器與建筑結(jié)合的效果。

建筑設(shè)計(jì)宜根據(jù)集熱器接收陽光的最佳傾角，即當(dāng)?shù)鼐暥取?0。來確定坡屋面的坡度，如建筑設(shè)計(jì)對(duì)坡屋面的造型或空間有特殊要求，亦可根據(jù)坡屋面的坡度調(diào)整集熱器角度。與坡屋頂組成一體的太陽能集熱器，其主要特點(diǎn)是在做好防水處理的屋面上，鋪設(shè)屋面與集熱器共用的防滲漏的隔熱保溫層，在隔熱保溫層上放置太陽能集熱部件，這種屋面由于綜合使用材料，不但降低了成本，單位面積上的太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)施的價(jià)格也可以大大降低，有效地利用了屋面的復(fù)合功能。

（2）太陽能裝置與平屋頂?shù)慕Y(jié)合

在住宅平屋面上設(shè)置集熱器，對(duì)住宅的朝向無特殊要求，集熱器支架與屋面的連接構(gòu)造簡便，系統(tǒng)管線易隱蔽，對(duì)建筑立面無影響，且屋面便于上人安裝維護(hù)。隨著住宅建造水平的提高，平屋頂形式向多樣化發(fā)展，集熱器可與女兒墻、樓梯間、構(gòu)架等元素組合，創(chuàng)造出多樣的造型。集熱器在平屋面上設(shè)置需注意，集熱器在平屋面應(yīng)整齊有序排列，前后兩排之間應(yīng)留有足夠的間距，以滿足當(dāng)?shù)?h的集熱器日照條件。集熱器以一定規(guī)律排列，使建筑輪廓線豐富。

2.2太陽能裝置與墻面的結(jié)合

對(duì)于多層住宅而言，外墻是與太陽光接觸面積最大的外表面。單從太陽能利用角度而言，太陽能集熱器可以結(jié)合集熱墻設(shè)計(jì)，讓整個(gè)墻體都成為集熱器；或者作為附屬構(gòu)件依附于外墻表面。考慮到住宅立面，一般采用后一種方式與墻面結(jié)合。

在多層住宅中，把集熱器設(shè)置在建筑外墻面上具有管線較短，安裝、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，且能補(bǔ)充屋面上擺放集熱器面積的不足。集熱器設(shè)置在外墻面上的方式較適于局部熱水系統(tǒng)的管理、維護(hù)。

住宅建筑南向外墻面非常有限，設(shè)置在外墻面的集熱器要處理好與陽臺(tái)、窗、空調(diào)機(jī)位等住宅立面元素的關(guān)系。

集熱器設(shè)置在墻面上，特別是鑲嵌在墻面時(shí)，在保證建筑功能需求的前提下，盡量安排好集熱器的位置（窗間或窗下），調(diào)整集熱器與墻面在立面上的比例，并將集熱器與墻面外裝飾材料的色彩、分格有機(jī)結(jié)合，處理好集熱器與周圍墻面、窗戶的分塊關(guān)系。建筑設(shè)計(jì)應(yīng)為墻面上集熱器的安裝、維護(hù)提供安全便利的條件。

3太陽能熱水系統(tǒng)與建筑構(gòu)件結(jié)合一體化設(shè)計(jì)

將多層住宅中大量重復(fù)的建筑構(gòu)件如遮陽板、陽臺(tái)等與太陽能裝置有機(jī)整合，在供給能源的同時(shí)可以為建筑增加迷人的細(xì)部。

3.1太陽能裝置與陽臺(tái)的結(jié)合

集熱器設(shè)置在住宅建筑陽臺(tái)欄板上的方式也是一種重要的發(fā)展趨勢，集熱器、貯熱水箱、空調(diào)室外機(jī)等設(shè)備可利用陽臺(tái)空間集中統(tǒng)籌布置。

多層住宅中，安裝在屋頂上的集熱器對(duì)于下部樓層的用戶連接管道較長，熱損失大。相比之下安裝在陽臺(tái)上的集熱設(shè)備則具有便于察看，連接管道短，土建工程量少等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)常設(shè)計(jì)與封閉陽臺(tái)結(jié)合為一體的太陽能熱水器，在框體內(nèi)下部固定太陽能集熱器，中部為窗戶，上部裝著帶保溫殼體的儲(chǔ)水箱，集熱器通過窗戶兩側(cè)的連接管分別與儲(chǔ)水箱連通，集熱器中的水受太陽輻射升溫與水箱中的水循環(huán)換熱，熱水由出水口流出供洗浴之用，冬季還可開啟活動(dòng)保溫后蓋向室內(nèi)供暖。它充分利用建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改變了現(xiàn)有太陽能熱水器獨(dú)立安裝的形式，既為用戶提供了洗浴用水，又起到封裝陽臺(tái)的作用，不影響通風(fēng)透光，并且具有重量輕、安裝簡便、造價(jià)低、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。但與陽臺(tái)結(jié)合的熱水器存在著在緯度較低地區(qū)的建筑南墻上，夏季集熱量不高及自然水壓低的缺點(diǎn)。故通?？捎糜谳^高緯度地區(qū)，并可采用不需將水箱置于熱水器之上的直流式熱水系統(tǒng)或加設(shè)小水泵解決上述矛盾。

3.2太陽能裝置與遮陽的結(jié)合

比較理想的一種情況是將支架安裝在窗戶的上方，除支架外其余部分可以收起。夏天使用時(shí)，將集熱器設(shè)置適當(dāng)位置和角度，在集熱同時(shí)起到窗戶遮陽的作用。在冬天，將集熱器收起來，緊貼窗上墻面，不影響窗戶的采暖采光，也不耽誤集熱器的工作。在外挑支架上設(shè)有檔位，可使集熱器在不同季節(jié)分別處于最佳的傾角。集熱器的打開和收起可利用下端的拉桿完成。集熱板和遮陽板的結(jié)合不僅可以為建筑在夏天提供遮陽，還可以使入射光線變得柔和，避免眩光，改善室內(nèi)的光環(huán)境，而且可以使窗戶保持清潔。但同時(shí)應(yīng)該注意到高效率的集熱系統(tǒng)并非一定是高效率的遮陽系統(tǒng)，應(yīng)該對(duì)其位置和傾角進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。遮陽系統(tǒng)是建筑造型藝術(shù)的一個(gè)組成部分。隨著遮陽在現(xiàn)代建筑中的普及，建筑師已經(jīng)把外遮陽系統(tǒng)作為一種活躍的建筑語素和不可或缺的裝飾手段加以組合運(yùn)用，創(chuàng)造出了獨(dú)特的建筑造型和特殊室內(nèi)光影效果及空間形態(tài)。外遮陽對(duì)建筑形態(tài)的影響表現(xiàn)在如下四個(gè)方面:

（1）韻律美和尺度感連續(xù)的窗洞與線式的水平遮陽構(gòu)件可作為建筑的基本構(gòu)圖要素，運(yùn)用這些“線”造型打破建筑立面上一成不變的“面”元素，在優(yōu)美的線條中，體現(xiàn)出建筑自身的韻律。同時(shí)，通過“線”造型的間隔和比例可以劃分建筑的樓層和高度，增強(qiáng)建筑的尺度感?，F(xiàn)代建筑中的線式遮陽設(shè)施構(gòu)造日益復(fù)雜多樣而且形式精巧，可以大大的豐富建筑立面細(xì)部。

（2）光影效果與層次感光線是建筑藝術(shù)的靈魂，光線直接參與了方案構(gòu)思、形象造型、環(huán)境再造、氣氛烘托等藝術(shù)創(chuàng)作的全部過程。如果說建筑是凝固的音樂，那么光和影則是主音與和弦，光影的交響能營造出美妙的氣氛，能使看似一般的建筑產(chǎn)生戲劇性的變化，甚至能化腐朽為神奇。而建筑師對(duì)建筑外表面處理方式直接體現(xiàn)他對(duì)光價(jià)值的理解程度。借助太陽能遮陽系統(tǒng)作為重要的光影造型元素，可以體現(xiàn)現(xiàn)代建筑美學(xué)的秩序感和穩(wěn)定感。在光影中，不僅豐富了建筑立面層次和空間領(lǐng)域感，而且強(qiáng)化了建筑剛毅的個(gè)性。

（3）虛實(shí)對(duì)比與凹凸變化不同形式的遮陽板在很大程度上影響了建筑的立面造型，如果處理的好，會(huì)使建筑更加協(xié)調(diào)生動(dòng)。比如，豎向與橫向結(jié)合的綜合式遮陽板既提高了遮陽效果，又可作為立面從實(shí)到虛（實(shí)墻到玻璃）二者的過渡部分，強(qiáng)烈的虛實(shí)對(duì)比賦予建筑鮮明的個(gè)性，充分展示出建筑的結(jié)構(gòu)美。

（4）節(jié)奏感和動(dòng)感由于一年中的不同季節(jié)，一日中的不同時(shí)間，以及天空中的云量的瞬息變化，針對(duì)不同狀況調(diào)整遮陽構(gòu)件的遮陽效果是必不可少的?？烧{(diào)節(jié)式外遮陽的遮陽性能好，由于可靈活操作，人們可自主對(duì)遮陽、對(duì)外視線、通風(fēng)等狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以受到人們歡迎，而且也是今后遮陽設(shè)計(jì)的趨勢。

3.3太陽能裝置與裝飾構(gòu)件的結(jié)合

集熱器的利用還可以體現(xiàn)在住宅部件和材料的處理上。近年多層住宅常在頂部或外凹部拉梁采用特有的體形或符號(hào)來加強(qiáng)標(biāo)志性，以避免單調(diào)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(zhì)感，其表面非常光亮，如果將其與住宅的裝飾構(gòu)件結(jié)合設(shè)計(jì)，可以起到裝飾的作用。

4結(jié)論

在常規(guī)能源日益耗盡的情況下，太陽能與建筑一體化設(shè)計(jì)已越來越引起人們的關(guān)注，逐漸成為建筑節(jié)能的主要研究方向和發(fā)展方向。本文主要從建筑學(xué)的角度，針對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)一體化進(jìn)行研究，指出太陽能熱水系統(tǒng)在與建筑結(jié)合上所存在的問題，并提出解決的辦法。

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