建筑形态与太阳能热水系统一体化设计对策

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1 前言

　　太阳能热水系统与建筑一体化的承载主体是建筑，随着人类文明的发展，建筑不再仅仅作为避风雨、御寒暑的简单场所，现代建筑已成为社会生产力的重要体现。以建筑类型来讲，近代资本主义大生产的出现使社会生产力迅猛发展，伴随着机器的生产出现了规模巨大的新型工业厂房。特别是由于生产力发展基础上人类物质生活和精神生活产生的巨大变化，对建筑提出了许多新的、前所未有的功能要求，在建筑功能的驱使下，才相继出现象原子能发电站、可容万人的体育馆、超高层建筑等新的建筑类型。在人类文明高度发达的今天，传统化石能源的来源逐年递减，人类对化石能源的过渡依赖导致环境持续恶化，同时人类对生活品质和居住环境的要求又在不断提高，为解决能源环境矛盾把可再生能源引入到耗能大户建筑中，将其完善成为具有独立能源，自我循环式的新型建筑，这是建筑发展的重要趋势。

　　从古代建筑的构图原理到现代建筑的技术美学，建筑始终遵循多样统一形式美规律的普遍原则，以简单的几何形式求统一，重视均衡与稳定的审美观念，强调建筑要素的主从与重点，对比与微差，建筑形式的韵律与节奏，建筑构成的比例与尺度。以新建筑观点来看，古典建筑不能作为美的唯一典范，但过分夸大建筑功能和技术对建筑形式的决定作用将会使建筑变的呆板，枯燥。因此太阳能热水系统与建筑集成是在保证系统功能可靠的同时不违背建筑形式美规律的普遍原则，应以系统和建筑的和谐统一为主旨。

　　建筑的形式与内容应一致。太阳能集热器作为太阳能热水系统的关键部件同时又是整个系统中所占空间最大的部分，它在建筑中的布局将直接影响整个系统与建筑的结合效果，在保证集热器集热性能的同时应重视建筑的整体形象，遵循建筑美学原则。

　　太阳能装置与住宅一体化的造型设计应当充分考虑到其住宅建筑的特点。首先，住宅都是由套型组成，没有大空间，平、立面结构和造型一般比较规整。其次，房间的功能性限制大，非常强调自然采光和通风。第三，住宅受造价限制以及节能对形体的要求，外墙也应当尽量平直。由于住宅的这些特点，在造型处理上可以有大的体量变化，但一般很难打破层、套等单单性因素的限制。实际中常常利用相同元素的重复、增减来达到艺术效果。从这一点来看，住宅的造型设计较之公共建筑更有难度。但从另一角度来看，住宅内部严谨的结构性和功能的主导地位非常符合技术美学所强调的逻辑性及目的性。太阳能装置与住宅一体化的设计在住宅中表现技术美学是可行的。

　　2 太阳能热水系统与建筑有机整合一体化设计

　　太阳能热水系统与建筑有机整合一体化设计，成为建筑不可分割的一部分。

　　要使太阳能热水系统真正与建筑有机的结合在一起，需要系统与建筑的整合一体化设计，即在设计建筑伊始，将太阳能系统所包含的所有内容都当作建筑不可或缺的元素加以考虑，使之成为建筑组成的一个部分，而不是附加的多余构件。

　　2.1太阳能装置与屋顶的结合太阳能装置与屋顶结合有其特有的优势：

　　首先日照条件好，不受朝向影响，不易受到遮挡，可以充分地接受太阳辐射；其次系统可以紧贴屋顶结构安装，减少风力的不利影响；再次可以代替保温隔热层遮蔽屋面，减少屋顶夏天的热负荷。

　　（1）太阳能装置与坡屋顶的结合

　　坡屋面是近十几年来低层和多层住宅的主流形式，在坡屋面住宅太阳能热水器与建筑一体化设计中，最重要的是南向坡面的利用。由于南向坡面倾角大多与集热器角度接近，所以能较好地体现集热器与建筑结合的效果。

　　建筑设计宜根据集热器接收阳光的最佳倾角，即当地纬度±10。来确定坡屋面的坡度，如建筑设计对坡屋面的造型或空间有特殊要求，亦可根据坡屋面的坡度调整集热器角度。与坡屋顶组成一体的太阳能集热器，其主要特点是在做好防水处理的屋面上，铺设屋面与集热器共用的防渗漏的隔热保温层，在隔热保温层上放置太阳能集热部件，这种屋面由于综合使用材料，不但降低了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低，有效地利用了屋面的复合功能。

　　（2）太阳能装置与平屋顶的结合

　　在住宅平屋面上设置集热器，对住宅的朝向无特殊要求，集热器支架与屋面的连接构造简便，系统管线易隐蔽，对建筑立面无影响，且屋面便于上人安装维护。随着住宅建造水平的提高，平屋顶形式向多样化发展，集热器可与女儿墙、楼梯间、构架等元素组合，创造出多样的造型。集热器在平屋面上设置需注意，集热器在平屋面应整齐有序排列，前后两排之间应留有足够的间距，以满足当地4h的集热器日照条件。集热器以一定规律排列，使建筑轮廓线丰富。

　　2.2太阳能装置与墙面的结合

　　对于多层住宅而言，外墙是与太阳光接触面积最大的外表面。单从太阳能利用角度而言，太阳能集热器可以结合集热墙设计，让整个墙体都成为集热器；或者作为附属构件依附于外墙表面。考虑到住宅立面，一般采用后一种方式与墙面结合。

　　在多层住宅中，把集热器设置在建筑外墙面上具有管线较短，安装、检修方便等优点，且能补充屋面上摆放集热器面积的不足。集热器设置在外墙面上的方式较适于局部热水系统的管理、维护。

　　住宅建筑南向外墙面非常有限，设置在外墙面的集热器要处理好与阳台、窗、空调机位等住宅立面元素的关系。

　　集热器设置在墙面上，特别是镶嵌在墙面时，在保证建筑功能需求的前提下，尽量安排好集热器的位置（窗间或窗下），调整集热器与墙面在立面上的比例，并将集热器与墙面外装饰材料的色彩、分格有机结合，处理好集热器与周围墙面、窗户的分块关系。建筑设计应为墙面上集热器的安装、维护提供安全便利的条件。

　　3 太阳能热水系统与建筑构件结合一体化设计

　　将多层住宅中大量重复的建筑构件如遮阳板、阳台等与太阳能装置有机整合，在供给能源的同时可以为建筑增加迷人的细部。

　　3.1太阳能装置与阳台的结合

　　集热器设置在住宅建筑阳台栏板上的方式也是一种重要的发展趋势，集热器、贮热水箱、空调室外机等设备可利用阳台空间集中统筹布置。

　　多层住宅中，安装在屋顶上的集热器对于下部楼层的用户连接管道较长，热损失大。相比之下安装在阳台上的集热设备则具有便于察看，连接管道短，土建工程量少等优点。经常设计与封闭阳台结合为一体的太阳能热水器，在框体内下部固定太阳能集热器，中部为窗户，上部装着带保温壳体的储水箱，集热器通过窗户两侧的连接管分别与储水箱连通，集热器中的水受太阳辐射升温与水箱中的水循环换热，热水由出水口流出供洗浴之用，冬季还可开启活动保温后盖向室内供暖。它充分利用建筑结构特点，改变了现有太阳能热水器独立安装的形式，既为用户提供了洗浴用水，又起到封装阳台的作用，不影响通风透光，并且具有重量轻、安装简便、造价低、外形美观等优点。但与阳台结合的热水器存在着在纬度较低地区的建筑南墙上，夏季集热量不高及自然水压低的缺点。故通常可用于较高纬度地区，并可采用不需将水箱置于热水器之上的直流式热水系统或加设小水泵解决上述矛盾。

　　3.2太阳能装置与遮阳的结合

　　比较理想的一种情况是将支架安装在窗户的上方，除支架外其余部分可以收起。夏天使用时，将集热器设置适当位置和角度，在集热同时起到窗户遮阳的作用。在冬天，将集热器收起来，紧贴窗上墙面，不影响窗户的采暖采光，也不耽误集热器的工作。在外挑支架上设有档位，可使集热器在不同季节分别处于最佳的倾角。集热器的打开和收起可利用下端的拉杆完成。集热板和遮阳板的结合不仅可以为建筑在夏天提供遮阳，还可以使入射光线变得柔和，避免眩光，改善室内的光环境，而且可以使窗户保持清洁。但同时应该注意到高效率的集热系统并非一定是高效率的遮阳系统，应该对其位置和倾角进行科学的计算和设计。遮阳系统是建筑造型艺术的一个组成部分。随着遮阳在现代建筑中的普及，建筑师已经把外遮阳系统作为一种活跃的建筑语素和不可或缺的装饰手段加以组合运用，创造出了独特的建筑造型和特殊室内光影效果及空间形态。外遮阳对建筑形态的影响表现在如下四个方面:

　　（1）韵律美和尺度感连续的窗洞与线式的水平遮阳构件可作为建筑的基本构图要素，运用这些“线”造型打破建筑立面上一成不变的“面”元素，在优美的线条中，体现出建筑自身的韵律。同时，通过“线”造型的间隔和比例可以划分建筑的楼层和高度，增强建筑的尺度感。现代建筑中的线式遮阳设施构造日益复杂多样而且形式精巧，可以大大的丰富建筑立面细部。

　　（2）光影效果与层次感光线是建筑艺术的灵魂，光线直接参与了方案构思、形象造型、环境再造、气氛烘托等艺术创作的全部过程。如果说建筑是凝固的音乐，那么光和影则是主音与和弦，光影的交响能营造出美妙的气氛，能使看似一般的建筑产生戏剧性的变化，甚至能化腐朽为神奇。而建筑师对建筑外表面处理方式直接体现他对光价值的理解程度。借助太阳能遮阳系统作为重要的光影造型元素，可以体现现代建筑美学的秩序感和稳定感。在光影中，不仅丰富了建筑立面层次和空间领域感，而且强化了建筑刚毅的个性。

　　（3）虚实对比与凹凸变化不同形式的遮阳板在很大程度上影响了建筑的立面造型，如果处理的好，会使建筑更加协调生动。比如，竖向与横向结合的综合式遮阳板既提高了遮阳效果，又可作为立面从实到虚（实墙到玻璃）二者的过渡部分，强烈的虚实对比赋予建筑鲜明的个性，充分展示出建筑的结构美。

　　（4）节奏感和动感由于一年中的不同季节，一日中的不同时间，以及天空中的云量的瞬息变化，针对不同状况调整遮阳构件的遮阳效果是必不可少的。可调节式外遮阳的遮阳性能好，由于可灵活操作，人们可自主对遮阳、对外视线、通风等状况进行调节，所以受到人们欢迎，而且也是今后遮阳设计的趋势。

　　3.3太阳能装置与装饰构件的结合

　　集热器的利用还可以体现在住宅部件和材料的处理上。近年多层住宅常在顶部或外凹部拉梁采用特有的体形或符号来加强标志性，以避免单调的感觉。太阳能集热器由于采用了吸收性涂层而具备特殊的色泽和质感，其表面非常光亮，如果将其与住宅的装饰构件结合设计，可以起到装饰的作用。

　　4 结论

　　在常规能源日益耗尽的情况下，太阳能与建筑一体化设计已越来越引起人们的关注，逐渐成为建筑节能的主要研究方向和发展方向。本文主要从建筑学的角度，针对太阳能热水系统一体化进行研究，指出太阳能热水系统在与建筑结合上所存在的问题，并提出解决的办法。

　　参考文献：

　　[1] 西安建筑科技大学绿色建筑研究中心.绿色建筑.中国计划出版社，1999:29～32。

　　[2] 高辉.建筑一体化是太阳能热水器产业未来发展的基础.中国能源.2004:2～4。

　　[3] 国家住宅与居住环境工程技术研究中心.住宅建筑太阳能热水系统整合设计.中国建筑工业出版社，2006:43~50。