建筑形態(tài)與太陽能熱水系統一體化設計對策

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1 前言

　　太陽能熱水系統與建筑一體化的承載主體是建筑，隨著人類文明的發(fā)展，建筑不再僅僅作為避風雨、御寒暑的簡單場所，現代建筑已成為社會生產力的重要體現。以建筑類型來講，近代資本主義大生產的出現使社會生產力迅猛發(fā)展，伴隨著機器的生產出現了規(guī)模巨大的新型工業(yè)廠房。特別是由于生產力發(fā)展基礎上人類物質生活和精神生活產生的巨大變化，對建筑提出了許多新的、前所未有的功能要求，在建筑功能的驅使下，才相繼出現象原子能發(fā)電站、可容萬人的體育館、超高層建筑等新的建筑類型。在人類文明高度發(fā)達的今天，傳統化石能源的來源逐年遞減，人類對化石能源的過渡依賴導致環(huán)境持續(xù)惡化，同時人類對生活品質和居住環(huán)境的要求又在不斷提高，為解決能源環(huán)境矛盾把可再生能源引入到耗能大戶建筑中，將其完善成為具有獨立能源，自我循環(huán)式的新型建筑，這是建筑發(fā)展的重要趨勢。

　　從古代建筑的構圖原理到現代建筑的技術美學，建筑始終遵循多樣統一形式美規(guī)律的普遍原則，以簡單的幾何形式求統一，重視均衡與穩(wěn)定的審美觀念，強調建筑要素的主從與重點，對比與微差，建筑形式的韻律與節(jié)奏，建筑構成的比例與尺度。以新建筑觀點來看，古典建筑不能作為美的唯一典范，但過分夸大建筑功能和技術對建筑形式的決定作用將會使建筑變的呆板，枯燥。因此太陽能熱水系統與建筑集成是在保證系統功能可靠的同時不違背建筑形式美規(guī)律的普遍原則，應以系統和建筑的和諧統一為主旨。

　　建筑的形式與內容應一致。太陽能集熱器作為太陽能熱水系統的關鍵部件同時又是整個系統中所占空間最大的部分，它在建筑中的布局將直接影響整個系統與建筑的結合效果，在保證集熱器集熱性能的同時應重視建筑的整體形象，遵循建筑美學原則。

　　太陽能裝置與住宅一體化的造型設計應當充分考慮到其住宅建筑的特點。首先，住宅都是由套型組成，沒有大空間，平、立面結構和造型一般比較規(guī)整。其次，房間的功能性限制大，非常強調自然采光和通風。第三，住宅受造價限制以及節(jié)能對形體的要求，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、套等單單性因素的限制。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，住宅內部嚴謹的結構性和功能的主導地位非常符合技術美學所強調的邏輯性及目的性。太陽能裝置與住宅一體化的設計在住宅中表現技術美學是可行的。

　　2 太陽能熱水系統與建筑有機整合一體化設計

　　太陽能熱水系統與建筑有機整合一體化設計，成為建筑不可分割的一部分。

　　要使太陽能熱水系統真正與建筑有機的結合在一起，需要系統與建筑的整合一體化設計，即在設計建筑伊始，將太陽能系統所包含的所有內容都當作建筑不可或缺的元素加以考慮，使之成為建筑組成的一個部分，而不是附加的多余構件。

　　2.1太陽能裝置與屋頂的結合太陽能裝置與屋頂結合有其特有的優(yōu)勢：

　　首先日照條件好，不受朝向影響，不易受到遮擋，可以充分地接受太陽輻射；其次系統可以緊貼屋頂結構安裝，減少風力的不利影響；再次可以代替保溫隔熱層遮蔽屋面，減少屋頂夏天的熱負荷。

　?。?）太陽能裝置與坡屋頂的結合

　　坡屋面是近十幾年來低層和多層住宅的主流形式，在坡屋面住宅太陽能熱水器與建筑一體化設計中，最重要的是南向坡面的利用。由于南向坡面傾角大多與集熱器角度接近，所以能較好地體現集熱器與建筑結合的效果。

　　建筑設計宜根據集熱器接收陽光的最佳傾角，即當地緯度±10。來確定坡屋面的坡度，如建筑設計對坡屋面的造型或空間有特殊要求，亦可根據坡屋面的坡度調整集熱器角度。與坡屋頂組成一體的太陽能集熱器，其主要特點是在做好防水處理的屋面上，鋪設屋面與集熱器共用的防滲漏的隔熱保溫層，在隔熱保溫層上放置太陽能集熱部件，這種屋面由于綜合使用材料，不但降低了成本，單位面積上的太陽能轉換設施的價格也可以大大降低，有效地利用了屋面的復合功能。

　?。?）太陽能裝置與平屋頂的結合

　　在住宅平屋面上設置集熱器，對住宅的朝向無特殊要求，集熱器支架與屋面的連接構造簡便，系統管線易隱蔽，對建筑立面無影響，且屋面便于上人安裝維護。隨著住宅建造水平的提高，平屋頂形式向多樣化發(fā)展，集熱器可與女兒墻、樓梯間、構架等元素組合，創(chuàng)造出多樣的造型。集熱器在平屋面上設置需注意，集熱器在平屋面應整齊有序排列，前后兩排之間應留有足夠的間距，以滿足當地4h的集熱器日照條件。集熱器以一定規(guī)律排列，使建筑輪廓線豐富。

　　2.2太陽能裝置與墻面的結合

　　對于多層住宅而言，外墻是與太陽光接觸面積最大的外表面。單從太陽能利用角度而言，太陽能集熱器可以結合集熱墻設計，讓整個墻體都成為集熱器；或者作為附屬構件依附于外墻表面?？紤]到住宅立面，一般采用后一種方式與墻面結合。

　　在多層住宅中，把集熱器設置在建筑外墻面上具有管線較短，安裝、檢修方便等優(yōu)點，且能補充屋面上擺放集熱器面積的不足。集熱器設置在外墻面上的方式較適于局部熱水系統的管理、維護。

　　住宅建筑南向外墻面非常有限，設置在外墻面的集熱器要處理好與陽臺、窗、空調機位等住宅立面元素的關系。

　　集熱器設置在墻面上，特別是鑲嵌在墻面時，在保證建筑功能需求的前提下，盡量安排好集熱器的位置（窗間或窗下），調整集熱器與墻面在立面上的比例，并將集熱器與墻面外裝飾材料的色彩、分格有機結合，處理好集熱器與周圍墻面、窗戶的分塊關系。建筑設計應為墻面上集熱器的安裝、維護提供安全便利的條件。

　　3 太陽能熱水系統與建筑構件結合一體化設計

　　將多層住宅中大量重復的建筑構件如遮陽板、陽臺等與太陽能裝置有機整合，在供給能源的同時可以為建筑增加迷人的細部。

　　3.1太陽能裝置與陽臺的結合

　　集熱器設置在住宅建筑陽臺欄板上的方式也是一種重要的發(fā)展趨勢，集熱器、貯熱水箱、空調室外機等設備可利用陽臺空間集中統籌布置。

　　多層住宅中，安裝在屋頂上的集熱器對于下部樓層的用戶連接管道較長，熱損失大。相比之下安裝在陽臺上的集熱設備則具有便于察看，連接管道短，土建工程量少等優(yōu)點。經常設計與封閉陽臺結合為一體的太陽能熱水器，在框體內下部固定太陽能集熱器，中部為窗戶，上部裝著帶保溫殼體的儲水箱，集熱器通過窗戶兩側的連接管分別與儲水箱連通，集熱器中的水受太陽輻射升溫與水箱中的水循環(huán)換熱，熱水由出水口流出供洗浴之用，冬季還可開啟活動保溫后蓋向室內供暖。它充分利用建筑結構特點，改變了現有太陽能熱水器獨立安裝的形式，既為用戶提供了洗浴用水，又起到封裝陽臺的作用，不影響通風透光，并且具有重量輕、安裝簡便、造價低、外形美觀等優(yōu)點。但與陽臺結合的熱水器存在著在緯度較低地區(qū)的建筑南墻上，夏季集熱量不高及自然水壓低的缺點。故通?？捎糜谳^高緯度地區(qū)，并可采用不需將水箱置于熱水器之上的直流式熱水系統或加設小水泵解決上述矛盾。

　　3.2太陽能裝置與遮陽的結合

　　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。夏天使用時，將集熱器設置適當位置和角度，在集熱同時起到窗戶遮陽的作用。在冬天，將集熱器收起來，緊貼窗上墻面，不影響窗戶的采暖采光，也不耽誤集熱器的工作。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。集熱板和遮陽板的結合不僅可以為建筑在夏天提供遮陽，還可以使入射光線變得柔和，避免眩光，改善室內的光環(huán)境，而且可以使窗戶保持清潔。但同時應該注意到高效率的集熱系統并非一定是高效率的遮陽系統，應該對其位置和傾角進行科學的計算和設計。遮陽系統是建筑造型藝術的一個組成部分。隨著遮陽在現代建筑中的普及，建筑師已經把外遮陽系統作為一種活躍的建筑語素和不可或缺的裝飾手段加以組合運用，創(chuàng)造出了獨特的建筑造型和特殊室內光影效果及空間形態(tài)。外遮陽對建筑形態(tài)的影響表現在如下四個方面:

　?。?）韻律美和尺度感連續(xù)的窗洞與線式的水平遮陽構件可作為建筑的基本構圖要素，運用這些“線”造型打破建筑立面上一成不變的“面”元素，在優(yōu)美的線條中，體現出建筑自身的韻律。同時，通過“線”造型的間隔和比例可以劃分建筑的樓層和高度，增強建筑的尺度感?，F代建筑中的線式遮陽設施構造日益復雜多樣而且形式精巧，可以大大的豐富建筑立面細部。

　?。?）光影效果與層次感光線是建筑藝術的靈魂，光線直接參與了方案構思、形象造型、環(huán)境再造、氣氛烘托等藝術創(chuàng)作的全部過程。如果說建筑是凝固的音樂，那么光和影則是主音與和弦，光影的交響能營造出美妙的氣氛，能使看似一般的建筑產生戲劇性的變化，甚至能化腐朽為神奇。而建筑師對建筑外表面處理方式直接體現他對光價值的理解程度。借助太陽能遮陽系統作為重要的光影造型元素，可以體現現代建筑美學的秩序感和穩(wěn)定感。在光影中，不僅豐富了建筑立面層次和空間領域感，而且強化了建筑剛毅的個性。

　　（3）虛實對比與凹凸變化不同形式的遮陽板在很大程度上影響了建筑的立面造型，如果處理的好，會使建筑更加協調生動。比如，豎向與橫向結合的綜合式遮陽板既提高了遮陽效果，又可作為立面從實到虛（實墻到玻璃）二者的過渡部分，強烈的虛實對比賦予建筑鮮明的個性，充分展示出建筑的結構美。

　?。?）節(jié)奏感和動感由于一年中的不同季節(jié)，一日中的不同時間，以及天空中的云量的瞬息變化，針對不同狀況調整遮陽構件的遮陽效果是必不可少的。可調節(jié)式外遮陽的遮陽性能好，由于可靈活操作，人們可自主對遮陽、對外視線、通風等狀況進行調節(jié)，所以受到人們歡迎，而且也是今后遮陽設計的趨勢。

　　3.3太陽能裝置與裝飾構件的結合

　　集熱器的利用還可以體現在住宅部件和材料的處理上。近年多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感，其表面非常光亮，如果將其與住宅的裝飾構件結合設計，可以起到裝飾的作用。

　　4 結論

　　在常規(guī)能源日益耗盡的情況下，太陽能與建筑一體化設計已越來越引起人們的關注，逐漸成為建筑節(jié)能的主要研究方向和發(fā)展方向。本文主要從建筑學的角度，針對太陽能熱水系統一體化進行研究，指出太陽能熱水系統在與建筑結合上所存在的問題，并提出解決的辦法。

　　參考文獻：

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