太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑整合設(shè)計(jì)研究

朱超飛　林濤

摘要：本文結(jié)合太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)的概念、原則，根據(jù)建筑形式，提出了整合設(shè)計(jì)的流程、設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并介紹了太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)同步、安裝與施工同步及太陽(yáng)能熱水器走構(gòu)件化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化道路。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水;建筑一體化

1 太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)的概念與一般原則

1.1 太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)的概念

太陽(yáng)能熱水器與建筑的結(jié)合設(shè)計(jì)已經(jīng)歷經(jīng)許多年，但關(guān)于太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化設(shè)計(jì)概念至今仍眾說(shuō)紛紜。早期有相當(dāng)一部分人認(rèn)為，所謂太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化設(shè)計(jì)，就是太陽(yáng)能構(gòu)配件能夠達(dá)到建筑業(yè)所要求的整體化與美觀協(xié)調(diào)，這也真實(shí)地反映了太陽(yáng)能技術(shù)與建筑結(jié)合初期存在的種種問(wèn)題。

然而，太陽(yáng)能熱水器與建筑的結(jié)合不會(huì)是二者簡(jiǎn)單的相加。這是由于太陽(yáng)能熱水器與建筑結(jié)合有它獨(dú)特的特點(diǎn)：一是安裝部位的限制性。因?yàn)樘?yáng)能熱水器的主要集熱裝置必須面對(duì)陽(yáng)光，因此決定了安裝使用的部位只能在屋頂和南向，東西方向次之，北向基本不行，造成了一定安裝局限性;二是太陽(yáng)能熱水器與建筑結(jié)合屬于一項(xiàng)綜合性技術(shù)。

太陽(yáng)能熱水器安裝后要既好看又好用又安全，涉及建筑、結(jié)構(gòu)、給排水和電氣等各專業(yè)，需要在設(shè)計(jì)初期各專業(yè)人員就能良好配合。因此，在設(shè)計(jì)之初，就需要把太陽(yáng)能利用納入到總體設(shè)計(jì)中，把建筑、技術(shù)和美學(xué)融為一體，使太陽(yáng)能裝置成為建筑的一部分，相互間有機(jī)結(jié)合。為了與以往太陽(yáng)能與建筑一體化的概念有所區(qū)別，本文特提出太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)的概念。

所謂太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)，是指采用太陽(yáng)能（或與其他能源組合）作為熱源，將太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用技術(shù)納入到建筑設(shè)計(jì)的全過(guò)程，把太陽(yáng)能熱水器作為建筑構(gòu)件之一，與房屋建筑統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工，與建筑融為一體，使其成為建筑的有機(jī)組成部分。太陽(yáng)能熱水器布置合理、有序、安全，輸水管道集中設(shè)置，室內(nèi)看不見(jiàn)明管，充分發(fā)揮其環(huán)保節(jié)能效果。因此，從規(guī)劃方案到完成施工圖設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，要綜合考慮建筑所處的地域緯度和氣候特點(diǎn)，太陽(yáng)能熱水器的不同類型、技術(shù)要求，建筑的造型、平面功能與熱水器（集熱器）位置、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)等因素，做到既符合建筑造型和使用功能，又滿足高質(zhì)量供水要求。

為了達(dá)到整合設(shè)計(jì)的目的，一定要改變太陽(yáng)能裝置作為后置設(shè)備安裝這一狀態(tài)，因此，在設(shè)計(jì)之初務(wù)必要做到將太陽(yáng)能熱水器作為建筑組成的一部分進(jìn)行考慮，遵循一定的設(shè)計(jì)原則，這樣才有可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的太陽(yáng)能熱水器與建筑的的整合設(shè)計(jì)。

1.2 太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)的一般原則

太陽(yáng)能熱水器與建筑的整合設(shè)計(jì)要滿足技術(shù)和美學(xué)兩方面的要求，需要各專業(yè)的良好配合，一般需遵循意下原則：

1 充分利用太陽(yáng)能。由于太陽(yáng)能熱水器的特殊工作原理，集熱器必須暴露在陽(yáng)光下。在設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)盡量地減少其周圍遮擋，而且在造型上也應(yīng)使其處于比較明顯的位置。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)與規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，做到統(tǒng)一規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、合理布局、因地制宜。

3 在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件，考慮當(dāng)?shù)氐赜虻臍夂驐l件，日照條件等因素來(lái)確定和設(shè)計(jì)建筑的朝向、建筑之間的間距及建筑形體組合，最大限度地滿足太陽(yáng)熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝的技術(shù)要求。

4 在建筑單體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的建筑要根據(jù)建筑功能及對(duì)熱水供應(yīng)方式的需求，綜合考慮氣候、太陽(yáng)能資源、常規(guī)輔助能源類型，施工條件等諸因素，進(jìn)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的選型;進(jìn)而結(jié)合集熱器安裝部位、貯熱水箱位置、用水空間等條件進(jìn)行相應(yīng)的平、立面和造型設(shè)計(jì)。

5 應(yīng)用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的建筑，應(yīng)把集熱器應(yīng)作為建筑的組成元素，與建筑有機(jī)結(jié)合，做到造型美觀、構(gòu)件耐用、安裝維護(hù)方便。

2 整合設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)

2.1 確定太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件

在建筑設(shè)計(jì)中考慮應(yīng)用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，建筑師首先面臨的是對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)形式的合理選擇。所以除了對(duì)太陽(yáng)能熱水設(shè)備有初步的了解之外，還要象一般建筑設(shè)計(jì)一樣，首先應(yīng)該確認(rèn)的就是影響太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)置的設(shè)計(jì)條件，因地制宜、優(yōu)化選用。

涉及到的具體條件主要有以下幾條：

1 自然條件：了解安裝地點(diǎn)的緯度、年平均日太陽(yáng)輻照量、日照時(shí)間、環(huán)境溫度等。

2 用水情況：進(jìn)行日平均用水量、用水方式、用水溫度、用水位置、用水流量等調(diào)查。

3 場(chǎng)地情況：這里主要包括場(chǎng)地面積、場(chǎng)地形狀、建筑物承載能力、遮擋情況等。

4 進(jìn)行水壓、電壓、水電等供應(yīng)情況的調(diào)查

（1）了解當(dāng)?shù)氐睦渌?yīng)方式、水壓及水溫。通常冷水系統(tǒng)的供水壓力以頂層的衛(wèi)生器為最不利點(diǎn)考慮，而太陽(yáng)能熱水器最佳的安裝位置是在建筑屋頂上，所需要的水壓至少比常規(guī)的系統(tǒng)高4 ～5米。

（2）了解當(dāng)?shù)仉娨约叭細(xì)獾墓?yīng)方式、計(jì)費(fèi)方式等，或考慮其他適宜的輔助熱源。

2.2 太陽(yáng)能熱水器的選用

應(yīng)用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的居住建筑，其太陽(yáng)能熱水器的選擇應(yīng)綜合考慮小區(qū)內(nèi)不同戶型的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性要求，分別選用不同類型的熱水系統(tǒng)。其中需要確定的因素主要包括以下幾個(gè)方面：

2.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式的確定

太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行方式，應(yīng)根據(jù)用戶基本條件、用戶使用需求以及集熱器和儲(chǔ)水箱的相對(duì)安裝位置等因素來(lái)確定（如下表）。

2.2.2 集熱器選型

太陽(yáng)熱水系統(tǒng)中集熱器的類型，應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)在一年中的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行期內(nèi)最低環(huán)境溫度等因素確定。

目前集熱器主要類型有全玻璃真空管式、熱管式和U型管式、平板式幾種。集熱器在選用的過(guò)程中應(yīng)該對(duì)當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源條件、環(huán)境溫度、經(jīng)濟(jì)條件、與建筑外觀結(jié)合程度、維護(hù)管理等影響因素進(jìn)行綜合考慮，選用合適的集熱器類型，選擇方法詳見(jiàn)下表。

2.2.3 集熱器面積確定

系統(tǒng)的集熱面積應(yīng)結(jié)合建筑可以提供的安裝集熱器的面積及所設(shè)定的太陽(yáng)能保證率確定，并保證按照該面積配置的集熱器所采集的熱量能夠被充分利用。通常可以按照生活熱水系統(tǒng)的平均R耗熱量與每平方米太陽(yáng)能集熱器的得熱量值之比計(jì)算。根據(jù)《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50364---2005的規(guī)定，按照系統(tǒng)傳熱類型計(jì)算。

在有些情況下，還可以根據(jù)建筑所在地區(qū)的太陽(yáng)能資源條件進(jìn)行集熱器面積的估算。下表給出了系統(tǒng)提供100升熱水量的集熱器面積推薦選用值。

2.2.4 集熱器的安裝

（1）安裝傾角的選取

當(dāng)選擇整體式太陽(yáng)能熱水器或在屋面集中布置分體式太陽(yáng)能集熱器時(shí)，為了保證集熱裝置的集熱效率，我們必須計(jì)算出其最佳的采光傾斜角度，并在實(shí)際設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中嚴(yán)格按照這一數(shù)據(jù)選型、施工。

一般情況下，由于屋面形式或建筑立面設(shè)計(jì)的要求，實(shí)際集熱器的安裝傾角通常并非理論計(jì)算的最佳數(shù)值，但相關(guān)模擬計(jì)算表明，安裝傾角誤差為±50的小范圍內(nèi)變動(dòng)，對(duì)太陽(yáng)能熱水器的整體性能影響不大。

（2）集熱器前后排距離的確定

若在平屋面上設(shè)計(jì)安裝多排整體式太陽(yáng)能熱水器（或集熱器）時(shí)，需要考慮到前后排的遮擋問(wèn)題，因此必須通過(guò)一定的計(jì)算得出排與排之間不遮陽(yáng)的最小間距。

（3）使用水量的確定

關(guān)于日平均熱水用量的規(guī)定：《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015—2003 規(guī)定“有集中熱水供應(yīng)和淋浴設(shè)備的住宅，最高日熱水用水定額為60～lOOL/人·d，有自備熱水供應(yīng)和淋浴設(shè)備的住宅，最高日熱水用水定額為40～80L/人·d。規(guī)范只是給出了最高日生活用水定額，并不具有一般性，對(duì)居民平均日用水沒(méi)有具體規(guī)定，實(shí)際工程中用戶的日均熱水用量遠(yuǎn)低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，若按照這一極值來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的用水量勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，建議可以參考各地用水習(xí)慣和特點(diǎn)，當(dāng)采用局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，居民的平均熱水用量30～40L/人·d當(dāng)采用集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，居民的平均熱水用量取45～60L/人·d。

2.3 規(guī)劃設(shè)計(jì)

應(yīng)用太陽(yáng)能熱水器的居住建筑，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮業(yè)主對(duì)熱水的使用需求及管理模式，分析業(yè)主經(jīng)濟(jì)承擔(dān)能力，綜合確定太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的規(guī)模與形式;

考慮到建筑間的相互遮擋會(huì)對(duì)集熱器效率造成影響，同時(shí)太陽(yáng)能熱水設(shè)備的安裝也對(duì)相鄰建筑日照標(biāo)準(zhǔn)造成影響，因此要根據(jù)當(dāng)?shù)氐赜虻臍夂驐l件，日照條件合理確定建筑的高度、間距及朝向;

在建筑平面套型選擇上，應(yīng)遵循熱水管線線路最短原則，合理布置用熱水空間。

2.4 建筑設(shè)計(jì)

在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1 在建筑設(shè)計(jì)之初，根據(jù)選用的太陽(yáng)能熱水器形式合理地確定集熱器的安裝位置，如屋面（平、坡）、外墻面、檐口、陽(yáng)臺(tái)以及遮陽(yáng)板等。

2 集熱器在安裝部位、造型、材質(zhì)、色彩等方面應(yīng)與建筑整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào);

3 應(yīng)根據(jù)集熱器的形式、安裝面積、尺寸大小進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，確定在建筑上的安裝位置和安裝方式;4 合理布置戶內(nèi)管線走向，管線布置應(yīng)集中、整齊，同時(shí)預(yù)留出穿墻、穿樓板孔洞及檢修口;

5 作好保溫、防水、防護(hù)、維修等方面的措施。

3 太陽(yáng)能熱水器與居住建筑的整合設(shè)計(jì)方式和要求

集熱器作為太陽(yáng)能熱水器的關(guān)鍵部位，是必須暴露在陽(yáng)光下的，不僅應(yīng)盡量地減少其周圍遮擋，而且在造型上也應(yīng)使其處于比較明顯的位置。為此在與建筑的整合設(shè)計(jì)中，我們必須把集熱器這一構(gòu)件作為建筑造型藝術(shù)的組成部分，使其完成其技術(shù)功能的同時(shí)成就建筑藝術(shù)的目的。在遵循上述整合設(shè)計(jì)一般原則的前提下，下面將針對(duì)不同住宅類型以及不同部位，試探著提出幾種安裝結(jié)合方式的可能性，希望能為今后的住宅與太陽(yáng)能熱水設(shè)備之間架起一道通暢的橋梁。

這里，根據(jù)太陽(yáng)能熱水器的集熱器與儲(chǔ)水箱的相對(duì)位置關(guān)系是否分離，將其與建筑的整合方式初步分為整體式和分體式兩大類。

3.1 整體式

整體式即緊湊直插式太陽(yáng)能熱水器與建筑的結(jié)合，其安裝位置一般多選擇在建筑屋頂上。優(yōu)點(diǎn)是安裝位置高，周圍遮擋少，接收太陽(yáng)能輻射率高;缺點(diǎn)是由于緊湊直插式太陽(yáng)能熱水器的儲(chǔ)水箱和集熱器相連，不易與建筑結(jié)合，上述國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱水器的安裝現(xiàn)狀也足以說(shuō)明了這一問(wèn)題。但由于這種熱水器與分體式太陽(yáng)能熱水器相比價(jià)格較低，所以更多的被老百姓所接受，得以大范圍的推廣。為此，要改變這種熱水器的安裝狀態(tài)，需要進(jìn)行整體式太陽(yáng)能熱水器與建筑的整合設(shè)計(jì)，這里根據(jù)屋頂形式不同提出了平屋頂和坡屋頂兩者結(jié)合形式。

3.1.1 平屋頂整體式

平屋頂整體式即整體式太陽(yáng)能熱水器安裝在平屋頂上，相對(duì)來(lái)講，得熱效率高，施工比較方便，集熱器或支架與屋頂結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)難度較小，對(duì)建筑造型影響較小。只需要考慮預(yù)留好上下水管及做好支架安裝的基礎(chǔ)，擺放整齊即可。如果是前后有多排熱水器，還需要考慮間距問(wèn)題，符合前面我們提到的關(guān)于滿足太陽(yáng)能熱水器4 小時(shí)得熱量的間距要求即可。

適用范圍：這種結(jié)合形式對(duì)于既有平屋頂住宅來(lái)講，一般只需采用陳列式布置，使太陽(yáng)能設(shè)備看上去整齊有序、規(guī)格統(tǒng)一即可。但考慮到結(jié)構(gòu)安全，尤其是大量安裝時(shí)，需要在屋面附加鋼橫梁，再把太陽(yáng)能熱水器的支架固定在橫梁上，以避免過(guò)大的集中荷載;對(duì)于新建的平屋頂住宅，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該有意識(shí)的在屋頂設(shè)置安裝太陽(yáng)能熱水器的共用安裝橋架，其安裝橋架支腳與樓板固定并伸出保溫層和防水層。安裝橋架尺寸以單元戶數(shù)為依據(jù)，留出每戶安裝一臺(tái)集熱器的位置。并在安裝橋架上預(yù)留出每戶安裝螺栓孔，針對(duì)市場(chǎng)太陽(yáng)能熱水器自帶安裝架確定螺栓孔據(jù)。安裝橋架距屋頂防水層200mm以解決屋面雨雪排流。安裝橋架為金屬結(jié)構(gòu)，選用鋼制作。這樣，既有利于太陽(yáng)能熱水器排列的整齊劃一，又避免了后置安裝對(duì)屋頂防水層、保溫層等破壞。

系統(tǒng)選擇：由于熱水器在屋頂上可以形成自然壓頭，故管路選擇比較靈活，既可以選擇頂水式，也可以選擇落水式，相應(yīng)的集熱器類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。在多層住宅中，一般多選擇分散供熱、自然循環(huán)獨(dú)立系統(tǒng)。從內(nèi)部循環(huán)上可以考慮單管式（上下水共用一根水管）、雙管式（上下水共用一根水管，另外設(shè)循環(huán)管提供管路循環(huán)?；蛘呱纤脱h(huán)共用一根水管，下水管單獨(dú)。）、三管式（上下水及循環(huán)均為單獨(dú)一根管）。

3.1.2 坡屋頂整體式

坡屋頂整體式即在坡屋頂上安裝整體式太陽(yáng)能熱水器，與在平屋頂上安裝相比較，在系統(tǒng)形式上基本相同，但安裝和維護(hù)難度都相應(yīng)增大。目前在多層坡屋頂住宅中，常見(jiàn)的安裝方式多為騎脊式、脊頂平裝式、坡屋面斜裝式（分有支架和無(wú)支架）。雖然有一部分住宅采用了預(yù)先安裝，選用了同一型號(hào)，樣式、大小、顏色一致，排列整齊，具有一定的韻律感，也避免了型號(hào)不同帶來(lái)的混亂和對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞。但是缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，主要體現(xiàn)在：

（1）與建筑結(jié)合感弱，僅僅是排列整齊而已，大量的圓柱形儲(chǔ)水箱和外露凌亂的管線，仍然破壞了建筑的整體感;

（2）對(duì)屋頂也有一定的破壞。因?yàn)闊崴魍ㄟ^(guò)角鋼和屋頂相連，角鋼必須穿過(guò)屋面瓦、防水層、保溫層和屋面連接，給施工帶來(lái)了一定的難度;

（3）存在抗風(fēng)、防雷等安全隱患;

（4）維修保養(yǎng)不方便。

3.2 分體式

分體式即分體式太陽(yáng)能熱水器與建筑的結(jié)合。由于集熱器和儲(chǔ)水箱分離，因此給太陽(yáng)能熱水器的安裝提供很多的可能性。集熱器可以作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分或是建筑的裝飾構(gòu)件進(jìn)行考慮，與建筑整合設(shè)計(jì)，可以達(dá)到與建筑整體的完美結(jié)合。其安裝方位可以選擇南向、東西向和屋頂。布置方式也可以有比較多的選擇：如可以選擇與屋頂、陽(yáng)臺(tái)、墻面等進(jìn)行結(jié)合。系統(tǒng)選擇上可以根據(jù)用戶需求采用集中供熱水系統(tǒng)、集中一分散供熱水系統(tǒng)和分散供熱水系統(tǒng)。因此，與整體式太陽(yáng)能熱水器相比，分體式太陽(yáng)能熱水器更易與建筑結(jié)合，且適用范圍更廣，多用于解決多層、小高層和高層住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)問(wèn)題。

這里，根據(jù)集熱器的安裝位置不同，將熱水器與建筑的整合形式分為屋頂式、陽(yáng)臺(tái)式、外墻懸掛式和遮陽(yáng)式等。

3.2.1 屋頂式

根據(jù)分體式太陽(yáng)能熱水器與不同屋頂形式的有機(jī)結(jié)合與連接，又可以分為平屋頂分體式和坡屋頂分體式兩種。

（1）平屋頂分體式（亦稱屋頂構(gòu)架式）

這里，分體式太陽(yáng)能熱水器在平屋頂?shù)陌惭b，多利用構(gòu)架進(jìn)行固定，因此也可以稱為屋頂構(gòu)架式。目前很多住宅小區(qū)為了追求不同的建筑造型風(fēng)格，多在建筑屋頂上下功夫，而構(gòu)架或飄板又是主要的處理手法。但純粹裝飾作用的構(gòu)架沒(méi)有任何具體的使用功能，如果可以把構(gòu)架和太陽(yáng)能熱水器結(jié)合起來(lái)，既能滿足形式的需要，又具有實(shí)用功能，可以說(shuō)實(shí)現(xiàn)了形式和功能的完美結(jié)合。

在整合設(shè)計(jì)的過(guò)程中，熱水器的安裝位置可以考慮和建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合，利用建筑原有結(jié)構(gòu)柱升出屋面形成構(gòu)件。安裝集熱器的構(gòu)架還可以用混凝土或著鋼結(jié)構(gòu)作成傾斜式的或水平的，與屋頂?shù)臉?、電梯或水箱?wèn)結(jié)合。

這樣做的優(yōu)點(diǎn)有很多：1）集熱效率高;2）集熱器安裝在構(gòu)架上而不是屋面上，對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)、防水、保溫不會(huì)造成破壞;3）集熱器陣列和構(gòu)件結(jié)合，能形成很強(qiáng)的韻律感，起到很好的裝飾作用;4）能充分利用屋頂空間，構(gòu)架架空下的空間可以成為居民休閑娛樂(lè)的活動(dòng)場(chǎng)所;5）便于安裝維修而且具有一定的遮陽(yáng)效果。

適用范圍：這種結(jié)合方式在新建住宅和既有住宅中都較為適用。

系統(tǒng)選擇：選用強(qiáng)制循環(huán)式和直流式;供水方式推薦選擇集中供熱水系統(tǒng)和集中一分散供熱水系統(tǒng)。

3.2.2 坡屋頂分體式

坡屋頂居住建筑屋頂形式多種多樣，如單坡、雙坡、四坡等，形式各異，具有獨(dú)特的藝術(shù)感染力。但也有部分坡屋頂住宅由于受平面單一的局限和經(jīng)濟(jì)因素的影響，使造好的坡屋頂建筑沒(méi)有太大的變化，造型比較平淡。若能將坡屋頂與分體式太陽(yáng)能熱水器的集熱器裝置相結(jié)合，通過(guò)集熱器與屋面兩種材料決然不同的質(zhì)感形成虛實(shí)對(duì)比，同時(shí)因集熱器通過(guò)疏密有序的排列能形成的強(qiáng)烈的韻律感，將會(huì)給單調(diào)的屋面增添活躍的一筆。這里，坡屋頂設(shè)置的集熱器建議可以采用屋面一體型、疊合型和支架型設(shè)置方式。

其中，一體型是指在建筑設(shè)計(jì)之初，就考慮好集熱器的安裝尺度與瓦屋面的模數(shù)尺寸，預(yù)留空洞，集熱器的傾斜角度與屋面的傾斜角度一致，通過(guò)鑲嵌的方式與建筑屋面成為有機(jī)組成的整體，達(dá)到結(jié)合的目的。這里需要注意是應(yīng)處理好相應(yīng)的排水和保溫構(gòu)造，具體措施可祥見(jiàn)《太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建筑一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用圖集》（L07SJ906）;優(yōu)點(diǎn)是與屋面設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、防水、保溫的破壞性小，安全可靠，可以成為建筑屋面有機(jī)組成的一部分;缺點(diǎn)是集熱器的安裝尺寸需要達(dá)到構(gòu)件化、模數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)，與屋面構(gòu)件模數(shù)契合，施工有一定難度。

疊合型是指集熱器順坡架空在坡屋面上，其傾斜角度和屋面的傾斜角度一致。這里需要注意應(yīng)預(yù)留預(yù)埋件和固定件，且不能破壞原有屋面的結(jié)構(gòu)，集熱器與屋面疊合問(wèn)的空隙不宜大于100mm;優(yōu)點(diǎn)是不影響建筑美觀;缺點(diǎn)是疊合安裝若沒(méi)有事先預(yù)留出管道井，管道安裝需要在房屋原有維護(hù)構(gòu)件上進(jìn)行改造，容易破壞屋面瓦構(gòu)件，且應(yīng)注意安裝固定牢固，避免滑落造成危險(xiǎn)。

支架型是指集熱器通過(guò)支架與屋頂相連接，其安裝坡度可以與屋面的坡度不同;優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)集熱器集熱效率需要自由設(shè)置安裝角度：缺點(diǎn)是抗風(fēng)性較差，與屋面結(jié)合相對(duì)較弱。

適用范圍：對(duì)于既有住宅，可以采用疊合型和支架型。需要注意的是，在安裝過(guò)程中，應(yīng)盡可能結(jié)合建筑的原有屋面坡度，留下上人的設(shè)施。此外，還應(yīng)考慮屋面的承載能力，對(duì)住宅原施工圖紙進(jìn)行重新核對(duì)和計(jì)算，并在施工中設(shè)置一定的加固措施，防止構(gòu)件脫落帶來(lái)其他危害;對(duì)于新建住宅，可以同時(shí)采用三種設(shè)置方式，不過(guò)推薦采用一體型，這樣可以與天窗結(jié)合形成天窗效果;

此外，對(duì)與新建坡屋頂建筑，分體式熱水器的安裝在設(shè)計(jì)之初也結(jié)合設(shè)計(jì)要求可以考慮利用屋頂不好利用的空間，采用退臺(tái)或挖空的處理手法更好的與建筑結(jié)合，利用平頂空間安裝集熱器，提高了設(shè)備的抗風(fēng)性和安全性，也解決了安裝和后期維修的問(wèn)題。

系統(tǒng)選擇：可以根據(jù)需要選擇自然循環(huán)式（儲(chǔ)水箱底部應(yīng)高于集熱器頂部出水點(diǎn)0.3m--0.5m）、強(qiáng)制循環(huán)式和直流式;供水方式可以選擇集中供熱水系統(tǒng)、集中一分散供熱水系統(tǒng)和分散供熱水系統(tǒng)。

3.2.3 外墻懸掛式

所謂外墻懸掛式指太陽(yáng)能集熱器安裝在建筑外墻的一種方式。它可以設(shè)置在建筑朝南、南偏東、南偏西和朝東、朝西的墻面上，或直接構(gòu)成建筑墻面。儲(chǔ)水箱在室內(nèi)，管線通過(guò)在墻面上預(yù)留套管和集熱器連接，集熱器和墻面通過(guò)預(yù)埋件及掛件相連。優(yōu)點(diǎn)是：

（1）集熱器安裝位置相對(duì)靈活，大小可以根據(jù)工程的實(shí)際情況調(diào)整，可以選擇窗間墻、窗下墻或局部的西向墻體;

（2）同層使用，管路較短，熱損失少，

安裝維修方便;

（3）與建筑結(jié)合緊密，可以成為建筑的一個(gè)造型元素。根據(jù)建筑造型的需求，選用不同色系的集熱管，可以形成強(qiáng)烈韻律感的集熱器陣列，從而達(dá)到功能性和美學(xué)性的完美結(jié)合。缺點(diǎn)是：外墻式多為與墻面垂平行、和地面垂直的一種安裝方式，故集熱效率在一定程度有所降低，另外底層住戶可能存在因遮擋原因而無(wú)法使用。

因此，為了接收到較多的太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)能集熱器的安裝可以考慮有適當(dāng)?shù)膬A角，這里提出兩種窗下墻位置的結(jié)合方式來(lái)參考。一是與遮陽(yáng)板結(jié)合，集熱器傾斜固定在窗下墻和遮陽(yáng)板上;二是在窗下墻位置直接安裝三角架來(lái)固定集熱器。

這里需要注意的是：應(yīng)對(duì)傾斜的集熱器做遮陽(yáng)分析，以保證不會(huì)對(duì)下層用戶造成遮擋。

適用范圍：這種結(jié)合方式多適用在解決新建小高層、高層住宅安裝太陽(yáng)能熱水器屋頂面積不足的問(wèn)題，結(jié)合安裝前要預(yù)留套管和預(yù)埋構(gòu)件，同時(shí)計(jì)算承重墻的荷載能力，以保證安裝的安全性;而對(duì)既有住宅來(lái)講，會(huì)破壞原有墻體，不是理想選擇。

系統(tǒng)選擇：可以根據(jù)集熱器與水箱的相對(duì)位置高低不同，選用自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)式;運(yùn)行方式多選擇分散供熱水方式。

3.2.4 陽(yáng)臺(tái)式

陽(yáng)臺(tái)的位置決定了它成為集熱器應(yīng)用的另外一個(gè)重要部位。所謂陽(yáng)臺(tái)式即太陽(yáng)能熱水器的集熱器與陽(yáng)臺(tái)結(jié)合、水箱安裝在陽(yáng)臺(tái)上或室內(nèi)的一種方式。根據(jù)安裝位置的不同，太陽(yáng)能集熱器可以布置在陽(yáng)臺(tái)欄板上或直接構(gòu)成陽(yáng)臺(tái)欄板，或者作為封閉陽(yáng)臺(tái)的構(gòu)架。

優(yōu)點(diǎn)是：（1）同層使用，連接管道短，熱損失少，安裝檢修方便;（2）造型美觀。缺點(diǎn)是儲(chǔ)水箱安裝在陽(yáng)臺(tái)上對(duì)陽(yáng)臺(tái)較小的用戶來(lái)說(shuō)有一定的使用影響;另外，底層用戶受日照影響較大。

這里，陽(yáng)臺(tái)式的結(jié)合方案提出了兩種結(jié)合方式：

一種可以采用和外墻懸掛式一樣的處理，將集熱器直接懸掛在實(shí)體陽(yáng)臺(tái)欄板上，但這種方式可能受到實(shí)體欄板的高度限制，為了滿足集熱要求，可以考慮兩臺(tái)集熱器水平串聯(lián)的方式設(shè)置;一種是直接構(gòu)成陽(yáng)臺(tái)欄板。集熱器布置可以在陽(yáng)臺(tái)一側(cè)或兩戶陽(yáng)臺(tái)的中間部位，根據(jù)建筑造型需要，有規(guī)律的變化位置，產(chǎn)生不同韻律感的建筑外立面。

此外，陽(yáng)臺(tái)位置同時(shí)多是空調(diào)機(jī)的安裝位置所在，因此，在進(jìn)行分體式太陽(yáng)能熱水器的布置時(shí)，可以結(jié)合空調(diào)機(jī)進(jìn)行集熱器、儲(chǔ)水箱、空調(diào)及管路設(shè)計(jì)，這里提出了一種結(jié)合方式僅供參考，貯水箱設(shè)在室內(nèi)，空調(diào)機(jī)設(shè)置在陽(yáng)臺(tái)外側(cè)，并采用雙外墻的形式，一層為保溫，二層為遮擋空調(diào)機(jī)的落水管，且結(jié)合空調(diào)功能及需要做成柵格與實(shí)體墻相結(jié)合，既沒(méi)有影響外墻美觀，又滿足了水箱與空調(diào)的各自的功能，達(dá)到了整合設(shè)計(jì)的目的。

適用范圍：同時(shí)適用于既有住宅和新建住宅。但是，不推薦在既有住宅上采用這種安裝方式，因?yàn)榧扔凶≌窬忠欢?，存在集熱器面積大小受限，而且會(huì)帶來(lái)明管穿越居室影響使用的不利因素;如果不統(tǒng)一安裝，還存在破壞建筑形象和集熱器易受上層跌落物損壞的問(wèn)題。而對(duì)于新建住宅，特別是來(lái)講對(duì)小高層、高層住宅是其他安裝方式不能替代的，只要事先安排好管線的位置和建筑平面的布局，則可以避免上述不利因素。

系統(tǒng)選擇：系統(tǒng)運(yùn)行方式根據(jù)集熱器與儲(chǔ)水箱相對(duì)位置采用分體式強(qiáng)制循環(huán)（儲(chǔ)水箱安裝位置不高于集熱器頂部）或自然循環(huán)（儲(chǔ)水箱底部高于集熱器頂部O.3 ～0.5m）;系統(tǒng)供水方式多選擇分散供熱水系統(tǒng)。

3.2.5 遮陽(yáng)式

所謂遮陽(yáng)式是指和遮陽(yáng)設(shè)施統(tǒng)一考慮。在北方很多地區(qū)由于氣候和地理位置的特殊，夏季炎熱，光線充足，因此在南向的外窗上為了防曬多采用水平遮陽(yáng)?？梢詫⒓療崞靼惭b在窗口上方的遮陽(yáng)托架上，在起到遮陽(yáng)作用的同時(shí)為用戶提供熱水，有效地利用了空間。但是要注意三點(diǎn)：一是要確保安裝牢固，以免集熱器落下傷人;二是集熱器是玻璃材質(zhì)，還要考慮在集熱器上方加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施防止重物砸壞集熱器;三是要注意建筑美觀的影響，如熱水器管道的遮蔽問(wèn)題。

3.2.6 女兒墻式

所謂女兒墻式是指集熱器與女兒墻或檐口相結(jié)合的一種方式。此結(jié)合方式可以和建筑造型結(jié)合設(shè)計(jì)，但只能解決少數(shù)用戶使用熱水，且必須使用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。

3.3 關(guān)于小高層、高層住宅應(yīng)用太陽(yáng)能熱水器的結(jié)合方式探討

按照國(guó)內(nèi)生活習(xí)慣及通用建筑面積設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要使用太陽(yáng)能解決住戶熱水需求，7層以下建筑利用屋頂就可以滿足集熱器安裝需要;但是7層以上的小高層住宅或屋頂有裝飾性造型的建筑，在設(shè)計(jì)中會(huì)存在安裝面積不足的問(wèn)題。隨著我國(guó)住房建設(shè)速度的不斷加快，在城市住房建設(shè)中，高層住宅建設(shè)越來(lái)越多?？梢哉f(shuō)，如何在高層住宅上實(shí)現(xiàn)建筑太陽(yáng)能一體化成為重點(diǎn)。

而目前，高層住宅安裝太陽(yáng)能熱水器還有很多困難。如高層居民多，相應(yīng)的集熱板數(shù)量增多，屋頂面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要;從頂層到底層的距離遠(yuǎn)，如果底層安置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不但管線長(zhǎng)，還會(huì)有大量的熱量損失;另外高層的各層采光不均衡，底層采光相對(duì)較差，還有熱水供應(yīng)方式和輸送方式都需要進(jìn)一步研究。

為此，高層住宅的太陽(yáng)能熱水器與建筑的整合設(shè)計(jì)主要應(yīng)該解決的兩個(gè)最主要的問(wèn)題：

3.3.1 熱水供應(yīng)方式，即系統(tǒng)方式。

高層住宅從底部到頂部，接受太陽(yáng)能輻射的效率是不同的。底部，如一、二層住戶，不但太陽(yáng)輻射效率低，而且管線過(guò)長(zhǎng)，熱損耗大。因此，供熱方式是采用集中供熱還是分層供熱，分戶供熱還是集體供熱，這些都與多層住宅不同，應(yīng)該因針對(duì)高層建筑進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.3.2 集熱器在外立面上的構(gòu)件化設(shè)計(jì)。由于高層住宅的用戶相對(duì)較多，平鋪屋頂集熱器數(shù)量肯定不夠。因此，集熱器的構(gòu)件化更為迫切。為此，針對(duì)小高層、高層建筑安裝太陽(yáng)能集熱器的合理位置進(jìn)行了如下探討：

（1）屋頂分體式（也即屋架式）。即在小高層、高層住宅的屋頂利用構(gòu)架的形式結(jié)合建筑原有結(jié)構(gòu)集中安裝布置太陽(yáng)能集熱器，這樣集熱器位于建筑的最高處，解決了高層住宅建筑屋頂面積不足的同時(shí)還保證了集熱器的高集熱效率;與建筑裝飾構(gòu)件相結(jié)合，滿足了建筑造型美觀的要求。儲(chǔ)水箱既可以是集中的共用水箱，結(jié)合樓、電梯問(wèn)布置，每個(gè)單元設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的水箱，也可以是獨(dú)立的家用小水箱，將其布置在各家各戶里。其優(yōu)點(diǎn)同上述屋頂分體式，缺點(diǎn)是低層住戶會(huì)存在用水浪費(fèi)比較嚴(yán)重和熱水壓力過(guò)大的現(xiàn)象。系統(tǒng)選擇上主要采用強(qiáng)制循環(huán)、集中供熱或集中——分散供熱的方式。

（2）陽(yáng)臺(tái)式或外墻懸掛式。即結(jié)合小高層、高層住宅的陽(yáng)臺(tái)或外墻安裝布置太陽(yáng)能熱水器。這種結(jié)合方式優(yōu)點(diǎn)同上述陽(yáng)臺(tái)式或外墻懸掛式，缺點(diǎn)是低層住戶由于日照不足可能存在集熱效率不高的現(xiàn)象，且低層和高層冷水供水壓力大小不均。

系統(tǒng)形式選擇可以采用自然循環(huán)、分散供熱形式或采用強(qiáng)制循環(huán)、分散供熱形式。

（3）屋架式與陽(yáng)臺(tái)式的結(jié)合。這種結(jié)合方式綜合了上述兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，低層住戶采用集中——分戶供熱形式，每半個(gè)單元安裝一套太陽(yáng)能集熱器;高層的住戶采用陽(yáng)臺(tái)式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，分散供熱。

（4）分層分區(qū)供熱水的方式。即利用多層住宅使用太陽(yáng)能熱水器的優(yōu)勢(shì)，每6層設(shè)置一安裝太陽(yáng)能熱水器的懸挑陽(yáng)臺(tái)式屋面，巧妙的解決了高層住宅太陽(yáng)能的安裝，同時(shí)克服了壁掛式太陽(yáng)能對(duì)建筑立面整體性及色彩裝飾單一性的破壞，給建筑創(chuàng)造了豐富而順暢的流線。方案可以選用強(qiáng)制循環(huán)、集中——分散供熱水系統(tǒng)，6層集中布置1 ～5層集熱器，集中采熱、每層分戶供應(yīng);12 層集中布置6～10層集熱器，以此類推。

4 幾個(gè)值得引起重視的注意點(diǎn)

4.1 太陽(yáng)能熱水器與建筑整合設(shè)計(jì)同步

太陽(yáng)能系統(tǒng)與建筑的整合，是多學(xué)科、多方面參與合作的綜合性事業(yè)，需要各行業(yè)人員的相互溝通與合作。如太陽(yáng)能工程技術(shù)人員應(yīng)向建筑設(shè)計(jì)人員提供原始的技術(shù)參數(shù)和工藝要求：根據(jù)客戶使用熱水量要求提供出熱水箱的外形尺寸和總重量，以便建筑設(shè)計(jì)人員進(jìn)行荷載計(jì)算和合理位置排布;提供熱水器的占地總面積，安裝傾角，使建筑設(shè)計(jì)人員能夠合理地安排基座位置，計(jì)算抗臺(tái)風(fēng)能力和外觀美化布置;太陽(yáng)能技術(shù)人員應(yīng)向水電設(shè)計(jì)人員提供用戶日用熱水總量和熱水管道走向，管道保溫工藝要求，是設(shè)計(jì)人員能夠采用最合理的管道布置方案，以盡量減少施工成本，并同時(shí)提出輔助用電總?cè)萘?，使其考慮是否設(shè)計(jì)專用供電線路，確保系統(tǒng)日后的正常使用。

4.2 太陽(yáng)能熱水器安裝與施工同步

在施工方面，應(yīng)配合土建工程進(jìn)度同步施工，以達(dá)到低成本、高質(zhì)量效果。

與土建工程部分進(jìn)行同步結(jié)合，當(dāng)確定用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)后應(yīng)及時(shí)同土建施工隊(duì)的現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人保持經(jīng)常的聯(lián)絡(luò)，根據(jù)其進(jìn)度配合施工，并按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)其管道井、屋里水箱位置以及集熱器底座位置進(jìn)行合理預(yù)留進(jìn)出口（如上表）、預(yù)埋鋼板固定座等，以便保證日后安裝的安全性和可靠性。

對(duì)管道施工應(yīng)配合指導(dǎo)管道工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行，特別注意管道保溫工藝處理、管道走向、接頭質(zhì)量等。同時(shí)還應(yīng)注意冷熱水管的間距問(wèn)題，對(duì)沒(méi)有保溫處理的暗熱水管與冷水管道平行間距不得小于100mm，回水管道一定要獨(dú)立一根，不得與熱水管道公用。盡量做到熱水管路等距使用;在熱水管公共末端應(yīng)設(shè)置污物沉淀灌，以便定時(shí)排污確保熱水清潔。

對(duì)有使用輔助電加熱系統(tǒng)，總?cè)萘看笥?0KW的應(yīng)考慮配合建筑電路施工要求，設(shè)置專用的電源線和配電盤，參數(shù)按照建筑配電要求進(jìn)行;若使用暗線電路應(yīng)設(shè)有接地等保護(hù)措施。

4.3 要協(xié)調(diào)好住宅建筑與太陽(yáng)能熱水設(shè)備生命周期的矛盾

太陽(yáng)能熱水設(shè)備的生命周期相對(duì)于住宅建筑短暫得多，為此，在建筑方案中需要在建筑物的全周期內(nèi)考慮太陽(yáng)能熱水設(shè)備的運(yùn)行、管理和更新。太陽(yáng)能熱水設(shè)備不是安裝完就了事，更重要的是它的運(yùn)行質(zhì)量。只顧建設(shè)，忽視管理與服務(wù)，是當(dāng)前值得引起注意的一種不良傾向，不利于系統(tǒng)的一體化運(yùn)行。

為此，應(yīng)注意解決以下幾方面：

1. 抗風(fēng)防范措施。一般是在支架上用長(zhǎng)約為300mm到400mm的4 號(hào)角鐵壓在集熱器兩端，并用M10的螺栓栓緊在支架上，再把支架用直徑為8mm或6mm的鋼絲拉緊到有柱臺(tái)或梁柱的地方進(jìn)行固定。

2. 防雷設(shè)計(jì)措施。太陽(yáng)能熱水器安裝在在屋面會(huì)占據(jù)很大的面積，其中的金屬構(gòu)件、水循環(huán)系統(tǒng)和電循環(huán)系統(tǒng)都可能成為雷電的載體。如果沒(méi)有良好的避雷措施，在雨天，太陽(yáng)能系統(tǒng)將很容易受到雷電的襲擊，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致太陽(yáng)能系統(tǒng)的崩潰，甚至?xí){到用戶的人身安全。因此，為了系統(tǒng)使用安裝可靠，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（特別是對(duì)采用輔助電加熱系統(tǒng)）應(yīng)安裝防雷裝置（俗稱避雷針）。根據(jù)系統(tǒng)熱水箱的安裝高度，確定避雷針的高度應(yīng)為該高度2.5倍以上，并且要求針頂點(diǎn)與機(jī)座最遠(yuǎn)點(diǎn)的連線（斜線）同避雷針的夾角大于60度，以確保整個(gè)系統(tǒng)置于保護(hù)范圍內(nèi)。

3.維護(hù)與檢修。在建筑中設(shè)計(jì)安裝太陽(yáng)能熱水設(shè)備時(shí)，應(yīng)為以后的維護(hù)、檢修及局部更換創(chuàng)造便利條件，如平屋面設(shè)出屋面上人孔做檢修出口，坡屋面屋脊的適當(dāng)部位預(yù)埋能夠鉤牢系在專業(yè)安裝人員身上的安全帶的金屬掛鉤，墻面上設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行太陽(yáng)能集熱器的安裝、維護(hù)活動(dòng)的措施等。

4 太陽(yáng)能熱水器走構(gòu)件化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化道路

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)廠家有不少技術(shù)性規(guī)范，但是卻缺少和建筑有機(jī)結(jié)合的技術(shù)措施。為了能讓太陽(yáng)能更加順利地走進(jìn)建筑，為千家萬(wàn)戶提供熱源，太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展應(yīng)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)和配套部件開(kāi)發(fā)，像其他建筑構(gòu)件一樣，嚴(yán)格依照建筑材料和建筑構(gòu)件的相應(yīng)技術(shù)參數(shù)，開(kāi)發(fā)出滿足屋面、墻體、陽(yáng)臺(tái)等位置安裝的系列產(chǎn)品。

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