表1 我国不同热工设计分区的太阳能资源概况。

4.     系统选择与模拟

4.1系统选择

从以上分析可知，太阳能的能流密度低，不同地点的太阳能资源相差很大，随着季节和时间变化太阳能也有所不同，同时太阳能光热转化设备的性能除了受太阳辐照的影响外，还和其所处环境的温度、风速、系统运行方式等有密切关系。因此，太阳能供暖系统的设计比常规采暖系统要复杂。从1998年秋至2002年12月，国际能源组织太阳能制冷制热计划任务26（IEA-SHC-TASK26）组织来自欧洲和美国的35位专家对太阳能供暖系统进行了深入的研究，提出了19种太阳能供暖系统。这19个系统几乎都来自实际工程，涵盖了欧洲的大部分太阳能资源分区，系统形式多样，有太阳能直接地板蓄热供暖系统，单水箱或双水箱系统，独户或多户供暖系统等。

采用哪种太阳能供暖系统与建筑物位置、形式、供暖能耗和建筑功能等多种因素有关，为了具有一定的代表性，我们选择在我国采暖地区比较常见的多层居住建筑为参照建筑进行研究，住宅楼地上五层，每层建筑面积750m²，共计3750 m²，朝向正南，屋顶为40度南北等坡屋顶，共分3个单元，每单元每层2户，住宅按照其所处地区的节能设计标准设计。

根据这种情况，可选择两种**基本的系统形式，一种是单水箱间接式太阳能供暖系统，一种是双水箱间接式太阳能供暖系统，集热环路工质采用防冻液，辅助热源采用天然气。由于太阳能集热器的集热效率与其工质温度与环境温度的差值有关，温度差越大，热损失越大，效率降低，因此在选择供暖系统末端时应该选择供水温度要求低的形式，为此可选择低温热水地板辐射供暖系统。两种系统的原理见图6、7。

太阳能热水器供暖住宅建筑设计应考虑的问题:

1 引言

　　目前对太阳能已有一定的研究［1-4］，但对太阳能热水器一体化住宅的外观设计常走向两个极端，一种是设计时忽视太阳能热水器的设备，在立面造型完成后将需要的设备简单安装上；另一种则是只相辅相成。失去建筑立面整体的平衡感。太阳能热水装置本身有别于建筑，但其作必须通过建筑的整体才能充分显示。下面就太阳能热水器与住宅建筑设计的有机结合进行讨论。

2 设计原则

　　建筑的形式与内容（ 功能、材料、结构、工艺）应一致。

　　太阳能热水器一体化住宅的造型设计应当充分考虑到其居住建筑的特点。**，无论是高层住宅还是多层住宅，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自然风；第三，住宅受造价限制较大，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、套等单元性因素的限制。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。太阳能热水器一体化的设计在住宅中表现技术美学是可行的，当然高层住宅、多层住宅有自己的特点，应当区别对待。

（1）高层住宅

　　高层住宅本身就标志着现代科学技术在建筑工程领域的成就，太阳能热水器一体化的设计可与之相辅相成。由于管线和住户密度的原因，高层建筑中的太阳能集热器常常安装在墙面和阳台，顶部的集热器只能为上部几层提供热水。所以**讨论竖用。直面上集热器与建筑的协调。

　　**，可以利用较大面积的集热器加强垂直构思。我国的高层住宅，特别是塔式住宅，平面会有一些变化，但其体形特征多为高耸挺拔。进一步加强垂直构思，可以使其更富于现代风格。集热器可以集中连续布置，也可以与窗或阳台的凹凸处理结合形成竖向的划分，使整个建筑在垂直方向上形成强烈的韵律感。太阳能热水器的水箱应当尽量放置于室内，以免破坏立面整体效果，常常选用强制循环式或直流式集热器，并采用顶水式的管路。

　　集热器的利用还可以体现在住宅部件和材料的处理上。近年高层住宅，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，如果将其与高层顶部的电梯间或水箱间结合，既可以起到装饰的作用，也能为上部几层的住户提供生活热水。在一些热带或亚热带地区的住宅中，常采用大面积的玻璃窗，但又必须配备遮阳构件，利用出挑的集热板充当遮阳体。由它形成的阴影增加了造型的虚实对比和空间的层次。

（2）多层住宅

　　多层住宅太阳能热水器一体化设计**可以从形式和体量出发，由于集热器需要南向的坡屋面或墙作为安装的依托，争取尽量多的实体面积和可利用空间就成为一体化住宅形体设计的指导思想。通常可以使用退阶和半接地式的设计。通过立体构成的切割手法，使整个体量的横断面类似于台阶或三角形。

　　太阳能热水器一体化设计还可以借助局部的构件来表达技术特征和现代风格，因为受功能的影响， 多层住宅体型的变化常会受到局限，此时局部的处理和构件的形式将起到重要的作用。

3 构造方案与系统选择

　　太阳能热水器一体化住宅外观设计的美学原则和手法以及构造方案与系统选择，是建筑师对太阳能热水系统所做的二次产品设计和加工，是实现“ 一体化”的关键步骤。内容包括安装部位选择和构造方案设计，既要考虑到保证太阳能热水器的工作效率，又要与住宅的结构、使用功能以及美观相协调。为了保证足够的日照时数，集热器可能的安装位置包括屋顶和南向的外墙和阳台。下面就不同的安装部位进行讨论。

（1）屋顶部位

　　当太阳能热水器安装在屋顶时，由于其位置较高，可以形成自然压头，管路选择比较灵活，既可以选择顶水式，也可以选择落水式。相应集热器类型也有较大的自由度，自然循环式、强制循环式和直流式均可。但住宅屋顶形式有平屋顶和坡屋顶之分， 所以需要重点解决太阳能设备与不同屋顶形式的有机结合和连接。

　　就热水器的安装而言，平屋顶的优点是施工比较方便，集热器或支架与屋顶结构的连接技术难度较小。而且平屋顶在一般视点是无法看到的，因此不需过多考虑集热器的外形与建筑立面的协调。考虑到由高层或其他位置能够看到平屋顶的情况，集热器只需排列整齐即可。而坡屋顶安装太阳能热水器，根据其坡度不同，可以直接将集热器安装在屋顶，也可以用支架安装，但都要做到不影响房屋的使用和外观。实际上，我国许多住宅的坡屋顶都是相对稍缓。稍缓的倾角更有利于集热器接受太阳漫射辐射，可以不必另行安装支架。由于坡屋顶正常视高一般可见，集热器可以起到丰富其外观的作用。缺点是施工会牵扯到防水的问题，技术上相对复杂。

　　1）平屋顶的安装

　　太阳能热水器在平屋顶安装时，要注意集热器的平面安装位置。应当尽量减少水平管路的长度， 将集热器置于卫生间的上方。优点是此处的楼板为现浇混凝土结构，有利于设置管路和固定支架。

　　如果用户选择循环式热水器，则集热装置必须按一定角度倾斜安装，集热器须外加支架与屋面结构相连接。支架的冷轧钢板的厚度不应当小于2mm，不锈钢板的厚度不应小于1.5mm。屋面构造上可以在柔性防水上另加40mm厚混凝土刚性防水层，预埋铁件与支架焊接或螺栓连接。

　　如果用户选用了直流式热水器，则集热器可以直接水平安装在屋顶上方，减小风荷载，增加系统的安全性。而且，由于集热管和反射板的遮挡，使屋面的隔热作用有所加强，从而降低住宅顶层夏季室内温度，也使构造连接的热桥效应减至**小。调试时， 安装人员根据当地的位置和自然地理情况旋转集热管，将吸热体的角度调整为**佳，就可以达到比较好的集热效率。

　　2）坡屋顶的安装

　　一般循环式太阳能集热器均需要一定的倾角， 利用坡屋顶的结构坡度是很自然的。由于坡屋顶楼面下一般有吊顶空间，可以容纳横向管路，所以集热器的平面位置可以比较灵活。

　　在设计中，**好选择集热器与储水箱分离的热水系统，将储水箱置于吊顶内，可以减少屋面的荷载。在采用自然循环时，要求集热器不高于水箱水位；而采用强制循环则没有这种限制。

　　另一方面，我国出现了质量分布比较均匀的水箱— 集热器一体化太阳能热水器。屋脊式太阳能热水器克服了单管上下水不能24小时随时用热水及操作繁琐的缺点，上水无需任何操作，通常天气热水随开随用，结构独特，适合于人字形屋顶，重心低，安装极其方便、稳固。坡屋顶横管式太阳能热水器**适合坡屋顶平房或楼房，水箱外形像“ 饼干”一样平贴于斜屋面，克服了各种太阳能热水器重心高、在坡屋顶上安装困难等缺点，安全可靠，外形平整，成片安装整齐美观，已大量被房地产公司配套安装。其共同的特点是水箱与集热器结合在一起，降低了管路的造价。

（2）墙面与阳台

　　在墙面或阳台安装太阳能热水器，可以减小管路的长度。对于高层住宅是其他安装方式不能替代的。而且其位置往往处于立面的视觉焦点，可以成为立面构成的重要因素，这也更加符合一体化设计的思想。由于与用水端没有足够的高差，所以在墙面或阳台安装的系统必须采用顶水式管路。而且同坡屋顶一样，应尽量选择集热器与储水箱分离的系统，可以减小坠落伤人的概率。根据使用情况的不同，构件连接可以分为固定式和活动式两种情况。

　　1）固定式

　　固定式是指热水器在安装后用户不再移动其位置或角度。所以要求集热器在安装之初就能够达到比较好的效率，而且又不会造成立面的混乱或造成不安全因素。很明显，斜向悬挑的固定集热器无论在力学上还是心理上，都会形成不安全因素。所以在当今的技术条件下，比较现实可行的方案是在竖直墙面上安装直流式横向集热管和在阳台倾斜栏板上安装热管式或平板式集热器。集热器可单独悬挂于建筑物向阳的阳台或外墙窗口下方，彻底解决高层建筑低层住房想装却怕管道太长及屋顶无法安装诸多难题。水箱悬挂于阳台地面或室内墙角。全自动，拧开**即可用热水。管道基本不在室外，冬季不怕冻结，由于独特的聚光专利技术，以及消除集热器表面落灰的方便条件，冬季水温比屋顶式高得多。

　　2）活动式

　　活动式连接是指集热器可以由用户控制而在支架滑轨上运动，使其可以贴于竖直墙面，也可以斜出以达到**佳的集热效果。活动式连接是循环式集热器常常采用的方式。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。使用时，将集热器放至适当位置和角度，在集热同时起到遮阳的作用，尤其适合夏季太阳高度角比较高的情况。在外挑支架上设有档位，可使集热器在不同季节分别处于**佳的倾角。集热器的打开和收起可利用下端的拉杆完成。缺点是由于集热器已经位于窗上过梁位置，该层已没有足够空间容纳水箱，所以采用自然循环时水箱必须置于其上一层户内。但如果大规模建造或采用强制循环，则上述不便也不成为问题。此外，活动式连接还可以应用在阳台的竖直栏杆或栏板外侧。

4 结语

　　住宅太阳能热水器一体化的设计将与现有住宅在形式和风格上存在比较明显的差别，在样式各异的住宅中独树一帜，无论对住户还是开发商，其独特的可识别性都是有吸引力的。更为重要的是，这种一体化的设计所代表的是一种新生事物，其前途和生命力都是无可限量的。