太陽能住宅的設計原則

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目前對太陽能已有一定的研究，但對太陽能熱水器一體化住宅的外觀設計常走向兩個極端，一種是設計時忽視太陽能熱水器的設備，在立面造型完成后將需要的設備簡單安裝上；另一種則是只相輔相成。失去建筑立面整體的平衡感。太陽能熱水裝置本身有別于建筑，但其作必須通過建筑的整體才能充分顯示。下面就太陽能熱水器與住宅建筑設計的有機結(jié)合進行討論。

　　1 設計原則

　　太陽能熱水器一體化住宅的造型設計應當充分考慮到其居住建筑的特點。首先，無論是高層住宅還是多層住宅，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，非常強調(diào)自然采光和自然風；第三，住宅受造價限制較大，外墻也應當盡量平直。由于住宅的這些特點，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。實際中常常利用相同元素的重復、增減來達到藝術效果。從這一點來看，住宅的造型設計較之公共建筑更有難度。但從另一角度來看，住宅內(nèi)部嚴謹?shù)慕Y(jié)構(gòu)性和功能的主導地位非常符合技術美學所強調(diào)的邏輯性及目的性。太陽能熱水器一體化的設計在住宅中表現(xiàn)技術美學是可行的，當然高層住宅、多層住宅有自己的特點，應當區(qū)別對待。

　　（1）高層住宅

　　高層住宅本身就標志著現(xiàn)代科學技術在建筑工程領域的成就，太陽能熱水器一體化的設計可與之相輔相成。由于管線和住戶密度的原因，高層建筑中的太陽能集熱器常常安裝在墻面和陽臺，頂部的集熱器只能為上部幾層提供熱水。所以首先討論豎用。直面上集熱器與建筑的協(xié)調(diào)。

　　首先，可以利用較大面積的集熱器加強垂直構(gòu)思。我國的高層住宅，特別是塔式住宅，平面會有一些變化，但其體形特征多為高聳挺拔。進一步加強垂直構(gòu)思，可以使其更富于現(xiàn)代風格。集熱器可以集中連續(xù)布置，也可以與窗或陽臺的凹凸處理結(jié)合形成豎向的劃分，使整個建筑在垂直方向上形成強烈的韻律感。太陽能熱水器的水箱應當盡量放置于室內(nèi)，以免破壞立面整體效果，常常選用強制循環(huán)式或直流式集熱器，并采用頂水式的管路。

　　集熱器的利用還可以體現(xiàn)在住宅部件和材料的處理上。近年高層住宅，常在頂部或外凹部拉梁采用特有的體形或符號來加強標志性，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提供生活熱水。在一些熱帶或亞熱帶地區(qū)的住宅中，常采用大面積的玻璃窗，但又必須配備遮陽構(gòu)件，利用出挑的集熱板充當遮陽體。由它形成的陰影增加了造型的虛實對比和空間的層次。

　　（2）多層住宅

　　多層住宅太陽能熱水器一體化設計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，爭取盡量多的實體面積和可利用空間就成為一體化住宅形體設計的指導思想。通?？梢允褂猛穗A和半接地式的設計。通過立體構(gòu)成的切割手法，使整個體量的橫斷面類似于臺階或三角形。

　　太陽能熱水器一體化設計還可以借助局部的構(gòu)件來表達技術特征和現(xiàn)代風格，因為受功能的影響，多層住宅體型的變化常會受到局限，此時局部的處理和構(gòu)件的形式將起到重要的作用。

　　2 構(gòu)造方案與系統(tǒng)選擇

　　太陽能熱水器一體化住宅外觀設計的美學原則和手法以及構(gòu)造方案與系統(tǒng)選擇，是建筑師對太陽能熱水系統(tǒng)所做的二次產(chǎn)品設計和加工，是實現(xiàn)“ 一體化”的關鍵步驟。內(nèi)容包括安裝部位選擇和構(gòu)造方案設計，既要考慮到保證太陽能熱水器的工作效率，又要與住宅的結(jié)構(gòu)、使用功能以及美觀相協(xié)調(diào)。為了保證足夠的日照時數(shù)，集熱器可能的安裝位置包括屋頂和南向的外墻和陽臺。下面就不同的安裝部位進行討論。

　　（1）屋頂部位

　　當太陽能熱水器安裝在屋頂時，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。相應集熱器類型也有較大的自由度，自然循環(huán)式、強制循環(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，所以需要重點解決太陽能設備與不同屋頂形式的有機結(jié)合和連接。

　　就熱水器的安裝而言，平屋頂?shù)膬?yōu)點是施工比較方便，集熱器或支架與屋頂結(jié)構(gòu)的連接技術難度較小。而且平屋頂在一般視點是無法看到的，因此不需過多考慮集熱器的外形與建筑立面的協(xié)調(diào)?？紤]到由高層或其他位置能夠看到平屋頂?shù)那闆r，集熱器只需排列整齊即可。而坡屋頂安裝太陽能熱水器，根據(jù)其坡度不同，可以直接將集熱器安裝在屋頂，也可以用支架安裝，但都要做到不影響房屋的使用和外觀。實際上，我國許多住宅的坡屋頂都是相對稍緩。稍緩的傾角更有利于集熱器接受太陽漫射輻射，可以不必另行安裝支架。由于坡屋頂正常視高一般可見，集熱器可以起到豐富其外觀的作用。缺點是施工會牽扯到防水的問題，技術上相對復雜。

　　1）平屋頂?shù)陌惭b

　　太陽能熱水器在平屋頂安裝時，要注意集熱器的平面安裝位置。應當盡量減少水平管路的長度，將集熱器置于衛(wèi)生間的上方。優(yōu)點是此處的樓板為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，有利于設置管路和固定支架。

　　如果用戶選擇循環(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當小于2mm，不銹鋼板的厚度不應小于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，預埋鐵件與支架焊接或螺栓連接。

　　如果用戶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，從而降低住宅頂層夏季室內(nèi)溫度，也使構(gòu)造連接的熱橋效應減至最小。調(diào)試時，安裝人員根據(jù)當?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。

　　在設計中，最好選擇集熱器與儲水箱分離的熱水系統(tǒng)，將儲水箱置于吊頂內(nèi)，可以減少屋面的荷載。在采用自然循環(huán)時，要求集熱器不高于水箱水位；而采用強制循環(huán)則沒有這種限制。

　　另一方面，我國出現(xiàn)了質(zhì)量分布比較均勻的水箱— 集熱器一體化太陽能熱水器。屋脊式太陽能熱水器克服了單管上下水不能24小時隨時用熱水及操作繁瑣的缺點，上水無需任何操作，通常天氣熱水隨開隨用，結(jié)構(gòu)獨特，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，克服了各種太陽能熱水器重心高、在坡屋頂上安裝困難等缺點，安全可靠，外形平整，成片安裝整齊美觀，已大量被房地產(chǎn)公司配套安裝。其共同的特點是水箱與集熱器結(jié)合在一起，降低了管路的造價。

　　（2）墻面與陽臺

　　在墻面或陽臺安裝太陽能熱水器，可以減小管路的長度。對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焦點，可以成為立面構(gòu)成的重要因素，這也更加符合一體化設計的思想。由于與用水端沒有足夠的高差，所以在墻面或陽臺安裝的系統(tǒng)必須采用頂水式管路。而且同坡屋頂一樣，應盡量選擇集熱器與儲水箱分離的系統(tǒng)，可以減小墜落傷人的概率。根據(jù)使用情況的不同，構(gòu)件連接可以分為固定式和活動式兩種情況。

　　1）固定式

　　固定式是指熱水器在安裝后用戶不再移動其位置或角度。所以要求集熱器在安裝之初就能夠達到比較好的效率，而且又不會造成立面的混亂或造成不安全因素。很明顯，斜向懸挑的固定集熱器無論在力學上還是心理上，都會形成不安全因素。所以在當今的技術條件下，比較現(xiàn)實可行的方案是在豎直墻面上安裝直流式橫向集熱管和在陽臺傾斜欄板上安裝熱管式或平板式集熱器。集熱器可單獨懸掛于建筑物向陽的陽臺或外墻窗口下方，徹底解決高層建筑低層住房想裝卻怕管道太長及屋頂無法安裝諸多難題。水箱懸掛于陽臺地面或室內(nèi)墻角。全自動，擰開龍頭即可用熱水。管道基本不在室外，冬季不怕凍結(jié)，由于獨特的聚光專利技術，以及消除集熱器表面落灰的方便條件，冬季水溫比屋頂式高得多。

　　2）活動式

　　活動式連接是指集熱器可以由用戶控制而在支架滑軌上運動，使其可以貼于豎直墻面，也可以斜出以達到最佳的集熱效果?；顒邮竭B接是循環(huán)式集熱器常常采用的方式。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。使用時，將集熱器放至適當位置和角度，在集熱同時起到遮陽的作用，尤其適合夏季太陽高度角比較高的情況。在外挑支架上設有檔位，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。缺點是由于集熱器已經(jīng)位于窗上過梁位置，該層已沒有足夠空間容納水箱，所以采用自然循環(huán)時水箱必須置于其上一層戶內(nèi)。但如果大規(guī)模建造或采用強制循環(huán)，則上述不便也不成為問題。此外，活動式連接還可以應用在陽臺的豎直欄桿或欄板外側(cè)。

　　3 結(jié)語

　　住宅太陽能熱水器一體化的設計將與現(xiàn)有住宅在形式和風格上存在比較明顯的差別，在樣式各異的住宅中獨樹一幟，無論對住戶還是開發(fā)商，其獨特的可識別性都是有吸引力的。更為重要的是，這種一體化的設計所代表的是一種新生事物，其前途和生命力都是無可限量的。