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(xué)山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;3.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072)

0 引言

近年來，在我國太陽能熱水器作為一項(xiàng)最為普及的太陽能利用技術(shù)進(jìn)入了千家萬戶，我國的太陽能熱水器面積已經(jīng)居全球首位。然而，在我國太陽能熱水器的實(shí)際應(yīng)用中還存在著熱水器的安裝與建筑設(shè)計(jì)脫節(jié)，導(dǎo)致了業(yè)主自行安裝的熱水器雜亂不堪，影響了小區(qū)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(xiàng)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(shè)計(jì)的過程。

在山建大教授花園住宅設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的整個(gè)過程，將太陽能熱水系統(tǒng)作為建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，綜合考慮建筑形式、視覺效果、熱水用量、集熱器選型、系統(tǒng)配置、運(yùn)行方式、安裝接口形式與尺寸、安全性、維修方便度以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析等因素，實(shí)現(xiàn)與建筑的同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收、同步后期管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)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(shí)現(xiàn)途徑

太陽能熱水器與建筑一體化的定義在建筑設(shè)計(jì)及其理論的狹義范圍內(nèi)認(rèn)為，太陽能熱水器的設(shè)備作為建筑構(gòu)件之一，在作為建筑表皮起到維護(hù)作用的同時(shí)，亦能提供太陽能加熱的熱水進(jìn)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(rèn)同太陽能熱水器在建筑設(shè)計(jì)尤其是表皮設(shè)計(jì)中重要的參與性和協(xié)同性，太陽能熱水器不僅是建筑中使用的一項(xiàng)技術(shù)措施，而是將太陽能熱水器的選擇、設(shè)計(jì)及安裝工作作為在建筑設(shè)計(jì)的過程中與墻面、屋面等外圍護(hù)構(gòu)件共同進(jìn)行綜合考量的重要部分。由建筑師根據(jù)整體的設(shè)計(jì)意圖綜合確定太陽能熱水器的選擇、設(shè)計(jì)以及是否作為建筑表皮的維護(hù)構(gòu)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(shí)現(xiàn)途徑關(guān)鍵在于協(xié)調(diào)熱水器設(shè)備與建筑構(gòu)件的關(guān)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(yīng)僅限于簡單地避開人們的視線，隱藏在建筑表皮內(nèi)。而是應(yīng)作為建筑要素之一，通過建筑語言的組織和協(xié)調(diào)，成為建筑整體設(shè)計(jì)造型的一部分，即集熱裝置、水箱等熱水器設(shè)備的建筑構(gòu)件化才是確實(shí)行之有效的方法。[2]具體的設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)一體化的不同方面劃分為:建筑一體化、結(jié)構(gòu)一體化、設(shè)備一體化;按與建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式劃分為:與墻的一體化設(shè)計(jì)、與屋面的一體化設(shè)計(jì)、與陽臺的一體化設(shè)計(jì)和與遮陽裝置的一體化設(shè)計(jì)[3]。本文以建大教授花園實(shí)例為依托，側(cè)重于從建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備三方面進(jìn)一步詳細(xì)介紹太陽能熱水器與屋面的一體化設(shè)計(jì)實(shí)施過程。

2 設(shè)計(jì)前期——項(xiàng)目參數(shù)、太陽能熱水器選擇及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2.1 項(xiàng)目參數(shù)

濟(jì)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(qū)內(nèi)。太陽輻射的年內(nèi)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(shí)數(shù)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(guān)技術(shù)參數(shù)

2.2.1 熱水系統(tǒng)的選擇

太陽能熱水系統(tǒng)按供水范圍可分為三種系統(tǒng):集中供熱水系統(tǒng)、集中分散供熱水系統(tǒng)和分散供熱水系統(tǒng)。在方案設(shè)計(jì)前期，對三種系統(tǒng)與多層住宅一體化結(jié)合優(yōu)缺點(diǎn)從安裝方式、集熱器位置、供水方式及其優(yōu)缺點(diǎn)等多個(gè)方面進(jìn)行了綜合比較(表1[4])。通過廣泛征求業(yè)主的意見，逐步形成了太陽能熱水系統(tǒng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能高效、價(jià)格低廉、產(chǎn)權(quán)獨(dú)立、無后續(xù)收費(fèi)的共識。此選擇標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàng)目選擇了分散供熱水系統(tǒng)，因?yàn)樗鼰o論是技術(shù)成熟度、造價(jià)、運(yùn)行管理、推廣度都更具優(yōu)勢，而它的缺點(diǎn)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(jù)與建筑結(jié)合形式的不同，分散供熱水系統(tǒng)的熱水器可劃分為整體式和分體式兩大類[5]。根據(jù)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(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的過程中有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)(表2[6])。綜合業(yè)主的共識、項(xiàng)目的實(shí)際情況、“合理、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)原則以及集熱效果的均好性，本項(xiàng)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(diǎn)如保溫問題、管線數(shù)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(jìn)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(tǒng)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(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“有自備熱水供應(yīng)和沐浴設(shè)備的住宅，每人最高日用熱水定額40～80L;有集中熱水供應(yīng)和沐浴設(shè)備的住宅，每人最高日用熱水定額60～100L?！痹诜螱B50015—2003要求的前提下，考慮到節(jié)水這個(gè)重要因素對熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，本項(xiàng)目選擇了定額的低值，即每人最高日用熱水40L。根據(jù)調(diào)研多層住宅住戶家庭成員組成情況，確定了每戶用水人數(shù)3～5人。綜合以上因素確定了本項(xiàng)目熱水器儲水箱容量有120L、150L兩種。

據(jù)《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求家用太陽能熱水系統(tǒng)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，太陽能熱水器出水溫度要達(dá)到45℃。本項(xiàng)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(shù)參數(shù)

太陽能熱利用系統(tǒng)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(yōu)缺點(diǎn)，分別使用于不同的地區(qū)、不同的用途，性能價(jià)格比也不同(表3[9])。

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

在設(shè)計(jì)前期，集熱器面積主要根據(jù)建筑建設(shè)地區(qū)太陽能條件來估算。據(jù)GB50364—2005《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中每產(chǎn)生100L熱水量所需系統(tǒng)集熱器總面積的推薦值[4]，結(jié)合項(xiàng)目參數(shù)可以初步估算出本項(xiàng)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(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢?如系統(tǒng)在春、夏、秋季使用，其傾角宜為當(dāng)?shù)鼐暥葴p5°～10°;如系統(tǒng)在全年使用，其傾角宜為當(dāng)?shù)鼐暥燃?°～10°。本項(xiàng)目太陽能系統(tǒng)需要全年使用，結(jié)合濟(jì)南當(dāng)?shù)鼐暥?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(jì)算可按公式:D=H ×ctgas，且滿足集熱器全天有不少于4h日照時(shí)數(shù)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(diǎn)與集熱器最低點(diǎn)的垂直距離，m;as為當(dāng)?shù)囟寥照?2:00的太陽高度角。

本項(xiàng)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(xiàng)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(jié)合是通過平坡結(jié)合的屋面形式實(shí)現(xiàn)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(fēng)格(圖1、2)。根據(jù)設(shè)計(jì)前期確定的技術(shù)參數(shù)等依據(jù)，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(jìn)行了模擬，全年日均(8:00至16:00)接受太陽輻射量區(qū)間為1400～3200Wh，全年日均(8:00至16:00)接受太陽輻射時(shí)數(shù)為4～9 h(圖3、4)。通過對集熱效果的驗(yàn)算，確保滿足熱水器技術(shù)參數(shù)的要求。在滿足美觀要求的基礎(chǔ)上注重模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)熱水器模數(shù)寬度、間距、行距等要求對平屋面尺寸進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，因而能夠放下整個(gè)單元的熱水器(最多12臺)。在色彩上也進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)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?；虿粎f(xié)調(diào)。

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(jié)構(gòu)一體化

圖3 日均輻射強(qiáng)度模擬分析

圖4 日均日照時(shí)數(shù)模擬分析

平屋面主體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中不僅考慮到各種常規(guī)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(yù)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(fēng)荷載對熱水器的影響。在平屋面預(yù)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(yīng)進(jìn)行了建筑構(gòu)造做法處理。在平屋面位于樓梯間的位置設(shè)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(shí)更換的方便度，解除了用戶的后顧之憂。

3.3 設(shè)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(nèi)，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(nèi)，與衛(wèi)生間及廚房的用水設(shè)備相連，熱水器的電線與建筑物的電線統(tǒng)一布置、集中隱蔽，這樣在室內(nèi)看不到任何太陽能管線，提高了室內(nèi)舒適度、增加了戶內(nèi)的有效使用面積[12]。

圖5 管井大樣圖

4 運(yùn)行結(jié)果與總結(jié)

自2009年7月竣工以來，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，太陽能熱水系統(tǒng)全部達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在晴朗天氣下，冬季熱水溫度達(dá)到50℃，夏季熱水的最高溫度超過80℃，與在濟(jì)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(shè)計(jì)前期到一體化演繹的過程并不是一個(gè)線性的設(shè)計(jì)過程，而是一個(gè)反復(fù)推敲、比較、互動(dòng)的設(shè)計(jì)過程。在這個(gè)過程中，以設(shè)計(jì)前期的成果為基本依據(jù)，把熱水器作為建筑的一個(gè)構(gòu)件來進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并通過與熱水器廠家的技術(shù)合作、模擬分析等手段，使熱水器與方案設(shè)計(jì)配合的更緊密、更細(xì)致。這一項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)對頂置整體式太陽能熱水器與多層住宅一體化設(shè)計(jì)具有很大參考價(jià)值和推廣價(jià)值。

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