太陽能熱水器與建筑一體化在住宅小區(qū)設計中的應用關(guān)鍵探索

翟耀耀

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需要在不斷增長，在能源供應與發(fā)展需要之間的矛盾越來越突出，為了實現(xiàn)發(fā)展的可持續(xù)性，我國提出了綠色、低碳環(huán)保的發(fā)展理念和戰(zhàn)略方針，同時也加大了新能源的開發(fā)和利用。太陽能作為一種清潔能源，其具有可再生性，而且儲量豐富，對環(huán)境的污染非常少，而且應用成本也相對較低，因此將成為我國新能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。太陽能技術(shù)目前在家用電器中已經(jīng)得到了有效的應用，太陽能熱水器成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ秒娖髟O備之一，因此在進行住宅小區(qū)的設計時要充分考慮建筑與熱水器系統(tǒng)的一體化問題，將住宅建筑的美觀性設計與融合了熱水器系統(tǒng)的功能性設計充分有機地結(jié)合起來。

1 住宅小區(qū)設計中的建筑與太陽能熱水器的一體化設計概述

所謂住宅建筑與太陽能熱水器的一體化設計，并不只是在住宅小區(qū)的設計中簡單將建筑設計與熱水器的設計相加在一起，其深層次含義是在住宅建筑的構(gòu)件元素中融合熱水器系統(tǒng)，也就是將太陽能熱水器系統(tǒng)作為建筑的一個子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)二者的有機結(jié)合，使建筑的整體性更加和諧，并提高建筑外觀的美感。這種一體化的設計方式具有比較突出的優(yōu)點。

2 住宅小區(qū)中太陽能熱水器與建筑一體化的設計應用

太陽能熱水器的傳統(tǒng)設計安裝方法缺點比較多，連接屋頂?shù)墓艿谰嚯x過長，會造成熱量的大量損失，其維修保養(yǎng)難度也相對較大。而且由于沒有進行一體化的整體設計，各個熱水器的布局較為雜亂，不僅與住宅建筑的協(xié)調(diào)性較差，對建筑外觀形象地產(chǎn)生了嚴重的影響，而其對城市的面貌也造成了一定的破壞。所以在對建筑以及熱水器進行一體化設計時，必須采取有效的措施將建筑與熱水器設備有機結(jié)合，使其能夠與建筑的窗戶、陽臺、屋面以及墻面等構(gòu)件融合在一起，讓太陽能熱水器系統(tǒng)與建筑整體協(xié)調(diào)。

2.1 住宅建筑屋面的一體化設計應用

太陽能熱水器需要進行采光和集熱才能為發(fā)揮其功能，而住宅建筑的屋面與陽光有廣泛的接觸，且很少存在遮擋物，所以一般會在屋頂設置熱水器系統(tǒng)中集熱設備。同時如果屋頂屬于平屋頂時，在設計中應采用覆蓋安裝的方式；而如果是斜屋頂則應采用鑲嵌式的安裝設計。此外，設計時可以充分利用集熱器來取代屋頂傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的隔熱層和保溫層，從而使屋頂自重減輕，也可以用集熱器來部分或者完全代替覆蓋層結(jié)構(gòu)，從而降低工程成本，促進經(jīng)濟效益的提高。雖然為實現(xiàn)這一效果

在設計方面存在一定困難，但可以采取集熱板不與屋頂直接進行完全接觸的方式來解決，而是通過連接支撐來保證集熱設備能夠獲得最佳傾角，而且這樣也不需要設計大坡度的屋頂。

2.2 住宅建筑墻體的一體化設計應用

住宅建筑一般在南側(cè)里面的光照條件比較好，因此可以在設計中對窗間墻進行充分的利用，從而將墻體的南立面結(jié)合起來。在具體的設計應用中可以利用平板集熱設備來作為部分外墻，這樣既能夠滿足太陽能熱水器的功能需要，也能夠發(fā)揮一定的圍護結(jié)構(gòu)作用。這樣內(nèi)墻涂抹層和支撐、保溫層、集熱管、外墻的導熱層和支撐、轉(zhuǎn)化層以及保溫涂層就共同構(gòu)成了集熱器墻體。陽光入射墻面時，有效光能就可以進入透光性比較好的保溫涂層中，并在轉(zhuǎn)化成完成光熱轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生熱能。該設計方法由于將集熱器與墻體結(jié)合起來，因此對集熱器的強度有一定的要求，同時集熱設備還應滿足保證墻體的美觀性和保溫性能的要求。

2.3 住宅陽臺的一體化設計應用

當將太陽能熱水器的安裝位置設置在陽臺時，在設計中要對陽臺欄板進行綜合性的考慮，盡可能豐富建筑構(gòu)件的功能性，同時要對太陽能進行充分的利用，從而更好的為居民提供熱水。由于很多高層住宅的屋面面積無法滿足所有熱水器的安裝需要，因此要在設計方案中應有效利用陽臺外墻和陽臺空間。然而這種設計方式對建筑里面的整體性和美觀性會產(chǎn)生一定的影響，所以應盡量采用分戶式太陽能系統(tǒng)，將每戶熱水器的集熱設備設計在陽臺的外壁位置，然后橫向布置真空管，將其作為住宅建筑的橫向線條來處理，這樣不僅可以使立面效果更加豐富，而且在南方地區(qū)的建筑中還可以將其作為欄桿。然后采取將集熱器集中成片布置在建筑墻體的南立面的設計方式，為建筑集中供應熱水。

3 住宅小區(qū)一體化設計應用的技術(shù)以及造型要點

3.1 將住宅建筑的外觀設計與太陽能熱水器有機融合

在開始進行一體化設計時就要考慮建筑外觀會受到熱水器系統(tǒng)影響的因素，在建筑和熱水器系統(tǒng)的造型以及功能進行優(yōu)化設計，提高二者的協(xié)調(diào)性。由于太陽能熱水器對集熱器的朝向、面積，管線的布局安排以及儲水箱的保溫等方面都有較高的技術(shù)要求，因此會對建筑造型的設計產(chǎn)生一定的影響。目前在設計中普遍采用的是在住宅建筑屋頂對集熱器進行直接排列的方式，雖然能夠起到節(jié)能效果，但是其一體化程度卻比較差，對建筑的美觀性會造成一定的影響。

在設計實踐中，河北某住宅小區(qū)采用了更加積極新穎的設計方式，將集熱器構(gòu)件作為建筑設計中的一種有機元素，利用集熱板的角度設計與冀南地區(qū)的民居形式相結(jié)合，采用了半坡式的坡頂設計和硬山式的封檐結(jié)構(gòu)，這樣就可以將集熱裝置作為屋頂結(jié)構(gòu)中的一部分來處理，使屋頂造型形成了豐富的高低錯落感，不僅體現(xiàn)了地方民居特色，也增加了建筑的美感。在其他住宅小區(qū)的一體化設計中應借鑒這種設計思路，根據(jù)建筑項目的特點對設計方案進行創(chuàng)新。

3.2 住宅建筑結(jié)構(gòu)和太陽能熱水器系統(tǒng)的一體化設計

住宅建筑與太陽能熱水器的一體化設計，要求將熱水器系統(tǒng)真正地融入到建筑設計中來，從而提高二者之間的協(xié)調(diào)性和統(tǒng)一性。因此，設計人員首先要充分地認識太陽能技術(shù)特點以及相關(guān)的產(chǎn)品構(gòu)造。目前常用的太陽能熱水器主要由集熱裝置、儲水裝置、控制系統(tǒng)和管道系統(tǒng)，以及相關(guān)的輔助性設備共同構(gòu)成，這些部件都需要以住宅建筑結(jié)構(gòu)為基本載體，因此在建筑的結(jié)構(gòu)設計中要對其進行充分的考慮。

以南通市某住宅小區(qū)的設計為例，其住宅建筑為高層平屋頂，因此在屋頂設計中采用了鋼結(jié)構(gòu)的覆蓋式框架結(jié)構(gòu)，以便于集熱板的安裝。同時設計方案中選擇了平板形式的集熱裝置，并通過并聯(lián)形成弧形的大面積陣列排列。另外，通過計算確定集熱板所需要的總面積，并根據(jù)房屋承重墻之間的距離來確定集熱板的具體規(guī)格。混凝土短柱應設置于承重墻處，并突出屋面，在柱頂采用了鐵件預埋的方式通過焊接來支撐上部的集熱板結(jié)構(gòu)。對構(gòu)件荷載進行計算時要注意不能忽略了太陽能熱水器的荷載。一般來說，太陽能熱水器主要有強制以及自然循環(huán)這兩種方式，由于該工程位于南方地區(qū)，具備自然循環(huán)的條件，因此選擇了自然循環(huán)的方式。設計方案中要合理確定儲水箱的高度，以滿足自然循環(huán)的需要。

另外，在設計時充分地利用了樓梯間的空間，在其頂部設計了3000L容量的儲水箱。為了避免天氣因素對太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在水箱中增設了輔助性的電加熱設備，以保證供熱的穩(wěn)定性。在管路連接的設計中采用了聚苯乙烯塑料來作為保溫材料，同時采取了集中供水的方式來減少管道的長度，并提高水資源的利用率。此外，在循環(huán)管道上還設計了循環(huán)泵裝置，從而實現(xiàn)了通過循環(huán)管道來進行熱水供應。一旦循環(huán)管道內(nèi)出現(xiàn)水溫降低的情況時，將自動啟動水泵，保證水溫的穩(wěn)定性。在設計中還要保持太陽能熱水器系統(tǒng)構(gòu)造的靈活性，為后續(xù)的維護保養(yǎng)以及設備更新提供便利條件。

4 結(jié)語

住宅小區(qū)的建設直接關(guān)系到人民群眾的生活環(huán)境和條件，因此必須提高設計的功能性和美觀性，為居民創(chuàng)造更加美觀的生活環(huán)境和便利的生活條件。隨著我國新能源戰(zhàn)略的提出，在住宅小區(qū)中利用太陽能作為重要能源來為廣大居民提供熱水已經(jīng)成為了現(xiàn)代住宅的一個重要發(fā)展趨勢。由于太陽能熱水器與建筑的一體化設計是一項綜合性較高的系統(tǒng)工程，其中涉及了多個學科領(lǐng)域的知識，因此設計人員要積極借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，并結(jié)合住宅小區(qū)工程的實際特點來進行科學合理的設計，既要保證住宅結(jié)構(gòu)的安全性和美觀性，也要保證熱水器功能的正常發(fā)揮，一體化設計要逐步向標準化、模塊化、多元化以及系列化的方向發(fā)展，從而提高我國現(xiàn)代化住宅設計的整體設計水平，并推動住宅建筑行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。