王光炎 王敬博

(1.棗莊科技職業(yè)學院，山東 滕州 277599； 2.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101)

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基于太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化的住宅建筑設計★

王光炎1王敬博2

(1.棗莊科技職業(yè)學院，山東 滕州 277599； 2.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101)

通過對翔宇經(jīng)典住宅項目太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化的設計研究，在尊重建筑立面表現(xiàn)效果和保證太陽能集熱系統(tǒng)安全的前提下，對多層住宅和小高層住宅分別提出了幾種太陽能與建筑一體化的設計方法，并進行了方案優(yōu)化，為今后太陽能建筑一體化工程項目的設計提供了參考。

多層住宅，太陽能，集熱系統(tǒng)，建筑設計

1 項目概況

翔宇經(jīng)典項目以建設綠色生態(tài)宜居高端住宅工程為目標，結合項目建設造價成本實際情況，在設計中積極采用新技術、新工藝、新材料和新設備，推廣使用生態(tài)環(huán)保節(jié)能技術和設備，本著舒適健康和環(huán)保節(jié)能的要求，把該小區(qū)建設成綠色生態(tài)、健康和諧的精品居住工程的典范項目。

該項目總建筑面積14.08萬m2；總容積率1.6，其中地上容積率1.25，地下容積率0.35；建筑密度22%；綠地率36.62%；停車位1.0個/戶。

該地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，環(huán)境氣象數(shù)據(jù)見表1。

表1 滕州市太陽能集熱系統(tǒng)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)

由表1氣象數(shù)據(jù)分析顯示，滕州市的全年平均全天總日照量3.9 kWh/(m2·d),平均每天日照時間達7.3 h，日照資源豐富，在建筑中利用太陽能潛力很大。

該小區(qū)在照明、采暖、熱水供應等方面充分應用生態(tài)技術，使新能源的建筑利用率達40%以上，外圍護結構的保溫水平超過國家65%的節(jié)能標準，其中太陽能采暖保證率達到30%以上，光伏照明發(fā)電總容量達到60 000峰瓦，各項生態(tài)技術均與建筑實現(xiàn)完美的結合。太陽能新風系統(tǒng)效率達到60%以上，太陽能熱水系統(tǒng)效率達到50%以上，太陽能輔助的地源熱泵系統(tǒng)COP達到4以上。

2 太陽能熱水技術的利用

翔宇經(jīng)典項目為了使太陽能熱水器與建筑達到完美結合，實現(xiàn)太陽能熱水器與建筑一體化，在方案設計初期就根據(jù)每棟單體建筑的特點和外在形象，把太陽能系統(tǒng)的集熱器、熱水箱、管道、構配件等作為建筑設計的一部分，統(tǒng)一規(guī)劃和設計，使之與整體建筑形成一個有機結合，與建筑融為一體，使太陽能熱水器的環(huán)保節(jié)能、生態(tài)無碳的先進設計理念得以充分發(fā)揮，也克服了傳統(tǒng)太陽能在建筑中的無序放置，消除了單戶安裝分體式太陽能熱水器的安全隱患。通過一體化設計，太陽能裝置在建筑中排布更加科學、規(guī)范，從而達到了綠色生態(tài)的可再生新能源與人居環(huán)境的完美結合。

2.1 多層住宅太陽能熱水系統(tǒng)的設計方案

翔宇經(jīng)典多層住宅項目單體建筑層高均為6層，每個單元12戶，有足夠的屋頂面積放置太陽能熱水器，因而太陽能熱水系統(tǒng)的設計中采用每戶一個獨立的太陽能熱水器裝置的單獨熱水供應系統(tǒng)方案，將整體式太陽能熱水器布置在屋頂，管道布置在墻體內部，最大限度減少太陽能設備對建筑形象的影響。

為解決整體式太陽能熱水器與整體建筑立面造型和建筑屋面不發(fā)生形象沖突，使其與建筑融為一體，在建筑設計中采取了以下設計手法：

1)雙排布置太陽能集熱裝置方案。

每個單元的雙坡屋面在屋頂部位削平一段，變成局部平屋面，在平屋面部位根據(jù)日照間距要求，雙排布置各戶的太陽能整體式熱水器。為解決屋頂?shù)娜笨趩栴}，利用構架進行補齊，從外形上看，仍然是完整的雙坡屋面。這樣的設計人在地面上是看不到屋頂?shù)奶柲軣崴鞯?，既隱藏了太陽能熱水器，又絲毫不影響建筑的整體立面效果，同時使得屋面更富有變化，豐富了建筑造型，完全擺脫了傳統(tǒng)住宅建筑安置太陽能熱水器帶來的無序、雜亂感，讓整個小區(qū)更加生動而富有現(xiàn)代氣息。雙排布置太陽能集熱裝置方案見圖1，圖2。

放置太陽能集熱管和水箱的平屋面可以根據(jù)集熱器的數(shù)量多少、放置的角度結合坡屋頂?shù)母叨群推矫嫘问届`活布置，設計手法多樣。

在設計方案中，由于考慮坡屋面的完整性，在造型上使用了構架，這勢必會對太陽能集熱器造成一定的遮擋，導致太陽能集熱器的熱效率出現(xiàn)一定程度的降低。但是考慮建筑的立面效果等綜合因素，犧牲少量的太陽熱輻射，優(yōu)化太陽能熱水器與建筑的一體化設計，是完全值得，也是可行的設計方案。

2)單排布置太陽能集熱裝置方案。

在雙排布置太陽能集熱裝置的基礎上，適當進行調整，在南向坡屋面上設計一個平臺空間，用來單排布置每戶的太陽能集熱設備。由于設計太陽能熱水器放置平臺所形成的屋面缺口，用構架沿著屋面坡度補齊。單排布置太陽能設計見圖3，圖4。平臺空間的大小同雙排布置方案一樣，也可以根據(jù)工程的具體情況進行靈活設計。

3)利用屋頂露臺布置太陽能集熱裝置方案。

第三套方案即在坡屋面的頂部做成屋頂露臺，露臺實行東西貫穿，然后把整體式太陽能集熱器統(tǒng)一布置在上面，此種布置形式可以達到整個建筑立面整齊協(xié)調的效果，見圖5，圖6。

4)集中供熱分戶計量的太陽能綜合系統(tǒng)集熱布置方案。

在多層住宅中還可以采用集中供熱分戶計量，在屋頂集中布置分體式太陽能集熱器的綜合系統(tǒng)供應生活熱水。

在這個設計方案中，需要將集熱器順坡安裝在住宅屋面的南向坡上，遠看像是屋面上開設的天窗，絲毫不影響建筑的立面效果，反而還讓建筑增加幾分活力；儲熱水箱和大部分的管線集中布置在閣樓層中，有效降低了儲存和輸送過程中的熱量損失，也隱藏了該部分設備對建筑立面效果的影響，見圖7，圖8。

2.2 小高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)的設計方案

本項目的小高層住宅采用一梯兩戶的單元組合方式，每棟均為11層，每一個單元22戶。在太陽能熱水供應系統(tǒng)設計中采用兩種熱水供應方式。一種是每戶一個獨立的太陽能熱水器，即單獨系統(tǒng)的分體式太陽能熱水器供熱，在南向陽臺或陽臺板部位布置太陽能集熱器的供熱水方式。第二種是采用集中供熱分戶計量的綜合熱水供應系統(tǒng)，在屋頂部位集中布置分體式太陽能集熱器和集熱水箱的熱水供應方式。

1)在南向陽臺一側橫向布置太陽能集熱管。

在兩戶相鄰的陽臺一側采用長度1 000 mm～1 200 mm的太陽能集熱管橫向排列，通高布置。根據(jù)建筑立面表現(xiàn)效果，其比例可以適當調整。在陽臺沒有太陽能集熱管的部分，陽臺欄桿處理成近似太陽能集熱管的元素，使其立面效果和諧統(tǒng)一。太陽能熱水蓄水箱擱置在陽臺內的太陽能集熱管背面，這種設計手段的優(yōu)點一是從外立面看不到水箱，二是可以使太陽能集熱裝置與水箱的距離最短，縮短管道長度，減少熱量損失。其陽臺效果見圖9，平面布置見圖10。

但是該設計方案存在兩個缺點：

一是為了照顧建筑立面效果，太陽能集熱器垂直通高布置，造成了在一定時間內存在采光死角，不能充分發(fā)揮出集熱器的效能；

二是由于集熱器通高布置造成放置在陽臺上的蓄水箱低于太陽能集熱器，需要采用強制式水循環(huán)的運行方式，增加了每戶的建筑造價。

2)在南向陽臺中間橫向布置太陽能集熱管。

這是另一種太陽能熱水器與建筑的結合形式，做法是將太陽能集熱器橫向布置在南向陽臺的中間位置，集熱管長約1 400 mm～1 800 mm，可根據(jù)建筑立面效果進行調整。太陽能蓄水箱吊裝在陽臺內的墻壁上。與前一個方案相比，該方案由于集熱管的位置比較低，蓄水箱的底部位置比集熱管高500 mm左右，由于存在一定的水壓差，這種設計方案可使用自然水循環(huán)的運行模式，節(jié)約了工程投資，降低了建筑工程造價，見圖11～圖13。

3)采用集中供熱分戶計量的太陽能綜合系統(tǒng)設計方案。

以每個單元為一個基本供熱單位，在平屋頂上集中布置太陽能集熱構件，蓄熱水箱可以放置在頂層屋面上，也可以放置在頂層的設備層中，熱水實行分戶計量供應，按使用量分戶計費，如圖14所示。

4)太陽能—建筑一體化優(yōu)化設計方案。

由于翔宇經(jīng)典項目以多層和小高層住宅為主，屋頂面積相對充足，綜合考慮造價等諸多因素，最終選擇在屋頂設計中采用平坡結合的方式，將太陽能熱水器有組織的排列在屋頂平屋面部分或退臺部分，最大限度的減少了對屋面造型的影響。在構造措施上，為太陽能熱水系統(tǒng)預留了固定件、管道井和相關配電。整個工程太陽能熱水供水面積達26萬m2，以較低的成本較好的實現(xiàn)了太陽能裝置與建筑的一體化。

3 結語

太陽能熱水系統(tǒng)與建筑的結合，要滿足4個方面的要求：

1)在外觀上無論是立面還是屋頂，要合理擺放太陽能集熱器，使其與建筑整體效果協(xié)調統(tǒng)一；

2)在結構上要保證建筑和太陽能集熱器的安全性，解決好安裝問題，使建筑的安全性和防水性不受其影響；

3)在管道布置上要盡可能減少因管道造成的熱量損失，合理布置冷熱水管道，設計中預留管道口；

4)在系統(tǒng)運行上要穩(wěn)定、可靠，易于安裝和便于檢修，只有滿足以上要求才能做到同步設計，同步施工，同步投入使用。

我國地域遼闊，2/3的國土面積上年平均日照時間在2 000 h以上，太陽能資源豐富，尤其在住宅建筑中應充分利用這一綠色能源，并做到建筑與太陽能系統(tǒng)的完美結合。

[1] 徐 浩,和 茜,隋芊蕙.低能耗技術在山東綠色居住建筑中的應用[J].門窗,2010(11)：21-22.

[2] 徐 浩,閆增峰,隋芊蕙.低能耗教授花園綜合節(jié)能技術[J].低溫建筑技術,2011(4)：96-98.

[3] 王崇杰,何文晶,薛一冰.歐美建筑設計中太陽墻的應用[J]建筑學報,2004(8)：60-61.

Residential building design based on the integration of solar water heating system with buildings★

Wang Guangyan1Wang Jingbo2

(1.Zaozhuang Vocational College of Science & Technology, Tengzhou 277599, China;2.School of Thermal Energy Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

This paper is to propose several design methods of the solar energy and building integration and conduct the project optimization for the multi-layer residential buildings and high-rise residential buildings respectively through the design research to the solar water heating system and the building integration of the Xiangyu Classic Residential Project. It is on a basis of the building facade effect and the safety of the solar heating system as a reference for the project design of the solar water heating system and the building integration.

multi-layer residential building, solar energy, heat collection system, architectural design

1009-6825(2016)12-0182-03

2016-02-20

王光炎(1971- )，男，碩士，副教授; 王敬博(1996- )，男，在讀本科生

TU201.5

A

★：山東省高等學校青年骨干教師國內訪問學者項目(項目編號：SF2014031)；棗莊市社科聯(lián)應用研究課題(課題編號：ZC201413)