太阳能热水器与建筑一体化在住宅小区设计中的应用关键探索

翟耀耀

随着我国社会经济的发展，对能源的需要在不断增长，在能源供应与发展需要之间的矛盾越来越突出，为了实现发展的可持续性，我国提出了绿色、低碳环保的发展理念和战略方针，同时也加大了新能源的开发和利用。太阳能作为一种清洁能源，其具有可再生性，而且储量丰富，对环境的污染非常少，而且应用成本也相对较低，因此将成为我国新能源战略中的重要组成部分。太阳能技术目前在家用电器中已经得到了有效的应用，太阳能热水器成为了人们日常生活中的常用电器设备之一，因此在进行住宅小区的设计时要充分考虑建筑与热水器系统的一体化问题，将住宅建筑的美观性设计与融合了热水器系统的功能性设计充分有机地结合起来。

1 住宅小区设计中的建筑与太阳能热水器的一体化设计概述

所谓住宅建筑与太阳能热水器的一体化设计，并不只是在住宅小区的设计中简单将建筑设计与热水器的设计相加在一起，其深层次含义是在住宅建筑的构件元素中融合热水器系统，也就是将太阳能热水器系统作为建筑的一个子系统，从而实现二者的有机结合，使建筑的整体性更加和谐，并提高建筑外观的美感。这种一体化的设计方式具有比较突出的优点。

2 住宅小区中太阳能热水器与建筑一体化的设计应用

太阳能热水器的传统设计安装方法缺点比较多，连接屋顶的管道距离过长，会造成热量的大量损失，其维修保养难度也相对较大。而且由于没有进行一体化的整体设计，各个热水器的布局较为杂乱，不仅与住宅建筑的协调性较差，对建筑外观形象地产生了严重的影响，而其对城市的面貌也造成了一定的破坏。所以在对建筑以及热水器进行一体化设计时，必须采取有效的措施将建筑与热水器设备有机结合，使其能够与建筑的窗户、阳台、屋面以及墙面等构件融合在一起，让太阳能热水器系统与建筑整体协调。

2.1 住宅建筑屋面的一体化设计应用

太阳能热水器需要进行采光和集热才能为发挥其功能，而住宅建筑的屋面与阳光有广泛的接触，且很少存在遮挡物，所以一般会在屋顶设置热水器系统中集热设备。同时如果屋顶属于平屋顶时，在设计中应采用覆盖安装的方式；而如果是斜屋顶则应采用镶嵌式的安装设计。此外，设计时可以充分利用集热器来取代屋顶传统结构中的隔热层和保温层，从而使屋顶自重减轻，也可以用集热器来部分或者完全代替覆盖层结构，从而降低工程成本，促进经济效益的提高。虽然为实现这一效果

在设计方面存在一定困难，但可以采取集热板不与屋顶直接进行完全接触的方式来解决，而是通过连接支撑来保证集热设备能够获得最佳倾角，而且这样也不需要设计大坡度的屋顶。

2.2 住宅建筑墙体的一体化设计应用

住宅建筑一般在南侧里面的光照条件比较好，因此可以在设计中对窗间墙进行充分的利用，从而将墙体的南立面结合起来。在具体的设计应用中可以利用平板集热设备来作为部分外墙，这样既能够满足太阳能热水器的功能需要，也能够发挥一定的围护结构作用。这样内墙涂抹层和支撑、保温层、集热管、外墙的导热层和支撑、转化层以及保温涂层就共同构成了集热器墙体。阳光入射墙面时，有效光能就可以进入透光性比较好的保温涂层中，并在转化成完成光热转化，产生热能。该设计方法由于将集热器与墙体结合起来，因此对集热器的强度有一定的要求，同时集热设备还应满足保证墙体的美观性和保温性能的要求。

2.3 住宅阳台的一体化设计应用

当将太阳能热水器的安装位置设置在阳台时，在设计中要对阳台栏板进行综合性的考虑，尽可能丰富建筑构件的功能性，同时要对太阳能进行充分的利用，从而更好的为居民提供热水。由于很多高层住宅的屋面面积无法满足所有热水器的安装需要，因此要在设计方案中应有效利用阳台外墙和阳台空间。然而这种设计方式对建筑里面的整体性和美观性会产生一定的影响，所以应尽量采用分户式太阳能系统，将每户热水器的集热设备设计在阳台的外壁位置，然后横向布置真空管，将其作为住宅建筑的横向线条来处理，这样不仅可以使立面效果更加丰富，而且在南方地区的建筑中还可以将其作为栏杆。然后采取将集热器集中成片布置在建筑墙体的南立面的设计方式，为建筑集中供应热水。

3 住宅小区一体化设计应用的技术以及造型要点

3.1 将住宅建筑的外观设计与太阳能热水器有机融合

在开始进行一体化设计时就要考虑建筑外观会受到热水器系统影响的因素，在建筑和热水器系统的造型以及功能进行优化设计，提高二者的协调性。由于太阳能热水器对集热器的朝向、面积，管线的布局安排以及储水箱的保温等方面都有较高的技术要求，因此会对建筑造型的设计产生一定的影响。目前在设计中普遍采用的是在住宅建筑屋顶对集热器进行直接排列的方式，虽然能够起到节能效果，但是其一体化程度却比较差，对建筑的美观性会造成一定的影响。

在设计实践中，河北某住宅小区采用了更加积极新颖的设计方式，将集热器构件作为建筑设计中的一种有机元素，利用集热板的角度设计与冀南地区的民居形式相结合，采用了半坡式的坡顶设计和硬山式的封檐结构，这样就可以将集热装置作为屋顶结构中的一部分来处理，使屋顶造型形成了丰富的高低错落感，不仅体现了地方民居特色，也增加了建筑的美感。在其他住宅小区的一体化设计中应借鉴这种设计思路，根据建筑项目的特点对设计方案进行创新。

3.2 住宅建筑结构和太阳能热水器系统的一体化设计

住宅建筑与太阳能热水器的一体化设计，要求将热水器系统真正地融入到建筑设计中来，从而提高二者之间的协调性和统一性。因此，设计人员首先要充分地认识太阳能技术特点以及相关的产品构造。目前常用的太阳能热水器主要由集热装置、储水装置、控制系统和管道系统，以及相关的辅助性设备共同构成，这些部件都需要以住宅建筑结构为基本载体，因此在建筑的结构设计中要对其进行充分的考虑。

以南通市某住宅小区的设计为例，其住宅建筑为高层平屋顶，因此在屋顶设计中采用了钢结构的覆盖式框架结构，以便于集热板的安装。同时设计方案中选择了平板形式的集热装置，并通过并联形成弧形的大面积阵列排列。另外，通过计算确定集热板所需要的总面积，并根据房屋承重墙之间的距离来确定集热板的具体规格。混凝土短柱应设置于承重墙处，并突出屋面，在柱顶采用了铁件预埋的方式通过焊接来支撑上部的集热板结构。对构件荷载进行计算时要注意不能忽略了太阳能热水器的荷载。一般来说，太阳能热水器主要有强制以及自然循环这两种方式，由于该工程位于南方地区，具备自然循环的条件，因此选择了自然循环的方式。设计方案中要合理确定储水箱的高度，以满足自然循环的需要。

另外，在设计时充分地利用了楼梯间的空间，在其顶部设计了3000L容量的储水箱。为了避免天气因素对太阳能系统产生影响，在水箱中增设了辅助性的电加热设备，以保证供热的稳定性。在管路连接的设计中采用了聚苯乙烯塑料来作为保温材料，同时采取了集中供水的方式来减少管道的长度，并提高水资源的利用率。此外，在循环管道上还设计了循环泵装置，从而实现了通过循环管道来进行热水供应。一旦循环管道内出现水温降低的情况时，将自动启动水泵，保证水温的稳定性。在设计中还要保持太阳能热水器系统构造的灵活性，为后续的维护保养以及设备更新提供便利条件。

4 结语

住宅小区的建设直接关系到人民群众的生活环境和条件，因此必须提高设计的功能性和美观性，为居民创造更加美观的生活环境和便利的生活条件。随着我国新能源战略的提出，在住宅小区中利用太阳能作为重要能源来为广大居民提供热水已经成为了现代住宅的一个重要发展趋势。由于太阳能热水器与建筑的一体化设计是一项综合性较高的系统工程，其中涉及了多个学科领域的知识，因此设计人员要积极借鉴国内外的成功经验，并结合住宅小区工程的实际特点来进行科学合理的设计，既要保证住宅结构的安全性和美观性，也要保证热水器功能的正常发挥，一体化设计要逐步向标准化、模块化、多元化以及系列化的方向发展，从而提高我国现代化住宅设计的整体设计水平，并推动住宅建筑行业的可持续性发展。