太阳能热水器与住宅建筑一体化案例分析

魏琰琰，门艳红

(1.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室，山东 济南 250101;2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东 济南 250101;3.天津大学 建筑学院，天津 300072)

0 引言

近年来，在我国太阳能热水器作为一项最为普及的太阳能利用技术进入了千家万户，我国的太阳能热水器面积已经居全球首位。然而，在我国太阳能热水器的实际应用中还存在着热水器的安装与建筑设计脱节，导致了业主自行安装的热水器杂乱不堪，影响了小区景观，造成了视觉污染，甚至危及了建筑的使用安全等问题，这也凸显出太阳能热水器与住宅一体化研究的必要性。本文正是以国家可再生能源利用示范项目山建大教授花园第一期多层住宅为例，介绍了其中太阳能热水器与多层住宅一体化设计的过程。

在山建大教授花园住宅设计伊始，就确定了利用太阳能热水器为住户提供生活热水，从策划定位到完成施工图设计的整个过程，将太阳能热水系统作为建筑的标准体系进行有机结合，综合考虑建筑形式、视觉效果、热水用量、集热器选型、系统配置、运行方式、安装接口形式与尺寸、安全性、维修方便度以及经济技术分析等因素，实现与建筑的同步设计、同步施工、同步验收、同步后期管理的系统设计，达到节能和美观的双重效果。

1 太阳能热水器与建筑一体化的定义及其实现途径

太阳能热水器与建筑一体化的定义在建筑设计及其理论的狭义范围内认为，太阳能热水器的设备作为建筑构件之一，在作为建筑表皮起到维护作用的同时，亦能提供太阳能加热的热水进行建筑本身的供给使用[1]。广义的太阳能热水器与建筑一体化概念则认同太阳能热水器在建筑设计尤其是表皮设计中重要的参与性和协同性，太阳能热水器不仅是建筑中使用的一项技术措施，而是将太阳能热水器的选择、设计及安装工作作为在建筑设计的过程中与墙面、屋面等外围护构件共同进行综合考量的重要部分。由建筑师根据整体的设计意图综合确定太阳能热水器的选择、设计以及是否作为建筑表皮的维护构件等问题。诸如此类将太阳能热水器与建筑一体化综合考虑的建筑，才能称为太阳能建筑。

太阳能热水器与建筑一体化的实现途径关键在于协调热水器设备与建筑构件的关系。集热器、储水箱及管线等，尤其是必须直接接受直射太阳光的集热装置，不应仅限于简单地避开人们的视线，隐藏在建筑表皮内。而是应作为建筑要素之一，通过建筑语言的组织和协调，成为建筑整体设计造型的一部分，即集热装置、水箱等热水器设备的建筑构件化才是确实行之有效的方法。[2]具体的设计方法可以根据一体化的不同方面划分为:建筑一体化、结构一体化、设备一体化;按与建筑不同围护结构的结合方式划分为:与墙的一体化设计、与屋面的一体化设计、与阳台的一体化设计和与遮阳装置的一体化设计[3]。本文以建大教授花园实例为依托，侧重于从建筑、结构、设备三方面进一步详细介绍太阳能热水器与屋面的一体化设计实施过程。

2 设计前期——项目参数、太阳能热水器选择及相关技术参数

2.1 项目参数

济南市年平均太阳辐射总量为17447kJ/m2，太阳辐射资源比较丰富，位于山东省太阳辐射分布的高值区内。太阳辐射的年内变化较大，春季、夏季最多，秋季次之，冬季最少。全市年日照总时数在2491～2737h之间，每日平均 7.0 ～7.5h，年平均日照百分率为56%～62%。

2.2 太阳能热水器选择及相关技术参数

2.2.1 热水系统的选择

太阳能热水系统按供水范围可分为三种系统:集中供热水系统、集中分散供热水系统和分散供热水系统。在方案设计前期，对三种系统与多层住宅一体化结合优缺点从安装方式、集热器位置、供水方式及其优缺点等多个方面进行了综合比较(表1[4])。通过广泛征求业主的意见，逐步形成了太阳能热水系统尽可能结构简单、运行稳定、节能高效、价格低廉、产权独立、无后续收费的共识。此选择标准，在一定程度上也代表了目前我国居民对太阳能热水器与住宅一体化的普遍要求。综合以上因素，本项目选择了分散供热水系统，因为它无论是技术成熟度、造价、运行管理、推广度都更具优势，而它的缺点则通过加装排空阀得到了很好的解决。

2.2.2 热水器的选择

根据与建筑结合形式的不同，分散供热水系统的热水器可划分为整体式和分体式两大类[5]。根据水箱是否承压，分体式热水器又被划分为承压式和非承压式两种类型。它们在与多层住宅建筑进行一体化设计的过程中有着各自的优缺点(表2[6])。综合业主的共识、项目的实际情况、“合理、经济、美观”的设计原则以及集热效果的均好性，本项目选择了整体式太阳能热水器(即紧凑直插式太阳热能水器)，而对于它的缺点如保温问题、管线数量问题，则通过选用单管(上下水共用一根管)式热水器、选用保温效果好的水箱、管道等方式进行了很好的解决[7]。

表1 三种与多层住宅一体化太阳能热水系统比较

表2 多层住宅中整体式和分体式热水器的比较

2.2.3 储水箱容量、出水温度

GB50015—2003《建筑给水排水设计规范》规定“有自备热水供应和沐浴设备的住宅，每人最高日用热水定额40～80L;有集中热水供应和沐浴设备的住宅，每人最高日用热水定额60～100L。”在符合GB50015—2003要求的前提下，考虑到节水这个重要因素对热水系统进行设定，本项目选择了定额的低值，即每人最高日用热水40L。根据调研多层住宅住户家庭成员组成情况，确定了每户用水人数3～5人。综合以上因素确定了本项目热水器储水箱容量有120L、150L两种。

据《环境标志产品技术要求家用太阳能热水系统》规定的标准，太阳能热水器出水温度要达到45℃。本项目通过选用带电辅助加热功能的储水箱，保证在日照不足的情况下正常出水温度。

2.2.4 集热器技术参数

太阳能热利用系统中，接受太阳能辐射并向水传递热量的部件，称为太阳能集热器。目前主要有平板型、全玻璃真空管型、金属—玻璃真空管型(包括U型管式和热管式两种)三种太阳能集热器[8]，各种太阳能集热器各有优缺点，分别使用于不同的地区、不同的用途，性能价格比也不同(表3[9])。

由于济南在我国热工气候分区中属于寒冷地区，本项目从集热效率、防冻以及居民使用安全的角度出发，选择了U型管式集热器。

在设计前期，集热器面积主要根据建筑建设地区太阳能条件来估算。据GB50364—2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中每产生100L热水量所需系统集热器总面积的推荐值[4]，结合项目参数可以初步估算出本项目的集热器面积为2.0m2(120L)和 2.4m2(150L)。

集热器倾角是太阳能集热器与水平面的夹角[4]。集热器倾角应与当地纬度一致;如系统在春、夏、秋季使用，其倾角宜为当地纬度减5°～10°;如系统在全年使用，其倾角宜为当地纬度加5°～10°。本项目太阳能系统需要全年使用，结合济南当地纬度(北纬 36.5°)，倾角定为42°。

表3 集热器类型选用表

集热器与遮光物或集热器前后排的最小距离的计算可按公式:D=H ×ctgas，且满足集热器全天有不少于4h日照时数的要求。式中:D为集热器与遮光物或集热器前后排间的最小距离，m;H为遮光物最高点与集热器最低点的垂直距离，m;as为当地冬至日正午12:00的太阳高度角。

本项目冬至日正午太阳高度角as=90－36.5－23.5=30°，D=H ×ctg30°。

3 一体化的演绎——太阳能热水器与住宅的一体化

3.1 造型一体化

本项目选择的顶置整体式太阳能热水器与建筑，尤其是屋面造型的结合是通过平坡结合的屋面形式实现的。集中放置太阳能热水器的平屋面不仅为热水器的管理、安装、维修提供了方便，而且其造型与坡屋面、立面造型整合考虑形成了一种清新、典雅的建筑风格(图1、2)。根据设计前期确定的技术参数等依据，通过模拟软件Ecotect对平屋面造型、热水器的搁置形式及其日照情况进行了模拟，全年日均(8:00至16:00)接受太阳辐射量区间为1400～3200Wh，全年日均(8:00至16:00)接受太阳辐射时数为4～9 h(图3、4)。通过对集热效果的验算，确保满足热水器技术参数的要求。在满足美观要求的基础上注重模块化设计，根据热水器模数宽度、间距、行距等要求对平屋面尺寸进行了相应的设计，因而能够放下整个单元的热水器(最多12台)。在色彩上也进行了一体化设计的考虑，首先，坡屋面选用了深灰色的瓦屋面，其次，局部的线脚选用了深灰色的防水涂料等，这样即使局部能看到深色的水箱和集热器，也不会觉得突兀或不协调。

图1 建大教授花园多层住宅正立面

图2 建大教授花园多层住宅鸟瞰

3.2 结构一体化

图3 日均辐射强度模拟分析

图4 日均日照时数模拟分析

平屋面主体结构在设计过程中不仅考虑到各种常规的屋面荷载，还充分考虑到太阳能集热器、贮水箱等传递的各种作用力(包括检修荷载)。太阳能热水器的固定采用安装预埋件的固定方式，可以消除对屋面防水层的影响。平屋面周围高出的女儿墙可以有效地降低风荷载对热水器的影响。在平屋面预留了太阳能立管出屋面、太阳能热水器电路出屋面的孔洞，并相应进行了建筑构造做法处理。在平屋面位于楼梯间的位置设置专门的安装、检修上人孔，充分考虑热水器定期维修与及时更换的方便度，解除了用户的后顾之忧。

3.3 设备一体化

将各户的太阳能立管与水、暖立管整合考虑，共同置于楼梯间的管道井内，这样不仅增加了管井的使用效率，而且方便维修(图5)。入户的太阳能水平管置于地面垫层内，与卫生间及厨房的用水设备相连，热水器的电线与建筑物的电线统一布置、集中隐蔽，这样在室内看不到任何太阳能管线，提高了室内舒适度、增加了户内的有效使用面积[12]。

图5 管井大样图

4 运行结果与总结

自2009年7月竣工以来，经过一段时间的运行，太阳能热水系统全部达到了设计要求。在晴朗天气下，冬季热水温度达到50℃，夏季热水的最高温度超过80℃，与在济南其它地方安装同种类型的太阳能热水器效果一致，满足了住户的使用要求。

从设计前期到一体化演绎的过程并不是一个线性的设计过程，而是一个反复推敲、比较、互动的设计过程。在这个过程中，以设计前期的成果为基本依据，把热水器作为建筑的一个构件来进行方案设计，并通过与热水器厂家的技术合作、模拟分析等手段，使热水器与方案设计配合的更紧密、更细致。这一项目的成功经验对顶置整体式太阳能热水器与多层住宅一体化设计具有很大参考价值和推广价值。

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