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太阳能热水器与高层住宅一体化结合的建筑策略
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内容提示：太阳能热水器在建筑中已有大量应用,但与高层住宅的结合问题一直没有得到较好的解决。从建筑角度提出几种与高层住宅的一体化结合策略:例如"屋顶集中式"、"两段式"和"均分式"等三种方式。并分别从系统形式、集热器安装、水箱设置、管道井设置等几方面分析其具体做法和应用的优缺点。
太阳能热水器在住宅建筑中已经有大量应用，但由于热水器本身的问题及高层住宅的特殊性，其在高层住宅上的应用及与建筑的结合一直没有得到较好的解决。随着城市用地的日益紧缺，高层住宅会逐渐成为城市建设的主流，同时常规能源的日趋紧张也会使太阳能利用越来越受到重视。因此，在目前没有适合产品的情况下，从建筑角度解决太阳能热水器与高层住宅的一体化结合就成为较好的选择。（参考《建筑中文网》）
在高层住宅中一体化应用太阳能热水系统，首先要解决两大问题:一是选择合适的系统;二是选择适宜的安装位置。太阳能热水系统按供热水范围主要分为集中供热水系统、集中 － 分散供热水系统和分散供热水系统等三大类。现在部分高层住宅上应用的分体式热水器就是采用分散供热水系统。但这种由用户自己选择、安装的做法易造成立面零乱、破坏建筑结构、安全性差、造价高等问题，同时低层用户难以使用;集中 － 分散供热水系统也是由住户自己管理、使用，但高层住宅中应用就存在管路距离远、热损失大，水箱占用室内使用面积的缺点;集中供热水系统相对于其他两种供热水系统，有节约投资，用户间用水量可以平衡，集热器较易有序列布置等优点，但也存在管线长、热损失大，需要集中管理维护和分户计量设施等问题。从适合集热器安装的部位分析，高层住宅的屋顶由于其位置高、遮挡少、安装维修方便、易于和热水器结合成为太阳能利用的首选位置。仅次于屋顶的部位为南向高处的墙面和阳台，充分利用这几个部位是与建筑结合及保证集热效率的前提。主要从系统和安装部位考虑热水器和建筑一体化结合。
1 屋顶架空集中式
这种做法适用于各种类型的高层住宅。主要利用屋顶构架架空设置集热器。采用的集中供热水系统，能平衡用户间用水量，相应减少一定的集热器面积，解决高层住宅应用太阳热水器存在的主要问题。
1. 1 系 统
采用以单元或一栋楼为单位的集中供热水系统。针对冬季使用太阳能不足的问题，采用天然气热水炉辅助加热。这种系统为间接式热交换、强迫式双循环的分离式承压系统，不怕冻，不会造成集热器结垢，即使有集热器损坏，系统仍能正常运行。同时集中式系统可以平衡用户之间的用水量，非常适合集合住宅的形式，能有效和高效的利用太阳能，管理和维修都比较方便。
1. 2 集热器形式和位置
采用平板式集热器或 U 形管真空管太阳能集热器单元阵列。单元可以集成管线、集热管等组成集热器模块，在工厂内预制好现场安装即可。集热器不是直接安装在屋面上，而是安装在利用下部的原有结构升出屋面形成的构架上。构架可以用钢筋混凝土结构或者钢结构做成倾斜式或水平形式，其间铺设细长密集的集热管，与外部框架形成整体，成为建筑的特色。同时集热管还能作为屋顶的遮阳，改善屋顶夏季的热工性能，使原本纯装饰的构件多功能化(图 1)。
1. 3 水 箱
集中供热水系统的水箱间可设在楼、电梯间的上面，根据负荷大小可以每单元或每栋楼设一个水箱。这样水箱的容积适宜，对结构影响小;集热器和水箱之间的管线较短，热损失少。同时增设干管循环解决低层用户管道冷水过多问题。
1. 4 管道井的设置
通过适当加大建筑已有的设备管道井解决水箱和用水点的连接管道安装。这样就不用在各户内另设，减少对住户干扰，增加了户内使用面积。
1. 5 经济性分析
以 18 层单元式高层住宅为例，计算参数按每单元共36 户，每户3 人，每人每天用水量50 L，集热器面积按每 100 L 水需 1. 2 m2 选取。这样集热器面积约需65 m2，水箱容积约5. 4 t。根据“力诺·瑞特”的 U 型管真空管集热器系统目前的价格测算，每平方的整体造价约 0. 25 万元/m2，每单元土建增加约2 万元，年运行费用约 0. 5 万元/年，42 ℃ /t 热水成本约 7 元，相比普通电热水器 20 元/t 的成本来说，每单元每年节省费用约 3 万元，综合测算投资回收期约 7. 5 年。
这种做法的主要优点是:一是构架本身就是建筑造型的一部分，而且造型灵活多变，实现了热水器与建筑的完美结合。二是集热器处于建筑最高点，集热效率高，集热面积不完全受屋顶所限。三是完全解决了高层住宅使用问题:通过设干管循环和减压措施(减压阀)解决低层用户管道内冷水过多和超压问题，设热计量表计量每户用水量。四是简化了复杂的技术衔接:太阳热水器厂家在架空的框架内可根据实际需要安装集热器，不必担心对屋面的防水、保温和结构破坏等问题，同时解决了太阳能热水系统使用年限和建筑寿命方面的矛盾。五是屋顶的架空构架是一个多功能的生态构架:构架的安装不影响屋顶空间的使用，下方仍然是居民的活动场所和消防通道。另外集热器构架在夏天会成为良好的遮阳构件，改善了顶层住户的热工状态，成为了一个生态构件。就像密斯说过的“当技术得到充分体现时就会升华为艺术”，这样，此时的太阳能集热器既有实际功能，又是建筑构件，还满足了形式的需要，它的存在就会更具合理性。
除了屋顶空间，高处的南向墙面和阳台也是日照时数较长的部位。因此，为了充分利用这一区域，出现了另外一种较好的应用策略:“两段式”。
2 两段式集热器
这种做法实际上是把住宅上下分别采取不同的应用方式，适用于各种层数的单元式或通廊式高层住宅(图 2)。
2. 1 系 统
上下分别采用不同的系统形式。下部由于日照时间不足，无法同层使用太阳热水器;因此，采用集中供热水系统，住宅上部则采用以每户为单位的分散供热水系统。
2. 2 集热器形式和位置
集中供热水系统集热器同屋顶架空集中式一样采用承压的平板太阳能集热器或真空管太阳能集热器单元阵列。分散供热水系统的集热器则结合阳台或墙面安装，可设在阳台的栏板、阳台窗户两侧、墙面的窗间墙位置等，通过竖向有韵律的布置达到与建筑的较好结合(图 3)。虽然现在有不少应用实例，但安装主要采取后期直接在阳台或墙上打支架固定的方式，缺乏统一设计，造成对整体的破坏。
2. 3 水 箱
集中供热水系统的水箱间位置及做法也同屋顶架空集中式。分散供热水系统的水箱则设在每户的阳台内或者结合空调室外机放置，这样集热器和水箱的距离较近，热损失较少。
2. 4 管道井的设置
屋顶水箱与低层用水点联系管道也设在建筑内原有加大的设备管道井内，上部的分散式供热水系统则不需专门的管道井。
这种策略的优点:一是不同的系统形式分别解决了不同部位用户的太阳能利用和屋顶集热面积不足的问题。二是不同的处理方式和建筑都达到了较好的结合。缺点是分散式的使用、管理、维护对用户有干扰。三是这种方式对于塔式高层住宅不太适宜;另外集中式也存在后期因费用问题带来的纠纷。
3 均分式集热器
这种做法主要适用 12 层以上的单元式或通廊式高层住宅。实际上是把高层住宅转化为几个多层住宅的竖向叠加，利用每隔几层在南向外墙设一条水平悬挑隔板的方式解决太阳集热器的放置。这样既有效地利用了南向外墙，解决了低层部分的使用，又使住宅在竖向分为几段，形成有韵律的外部景观(图 4)。
3. 1 系 统采用集中 － 分散供热水系统，辅助电加热。这种做法是把整个高层建筑竖向均匀分为几个独立系统，每个系统均为分体承压和强制循环。
3. 2 集热器形式和位置
这种做法的集热器也是采用串并联的平板或真空管集热器，倾斜或者垂直、有规律地安装在从南向外墙悬挑出的水平隔板上，作为下部几层的集中集热区。隔板是每隔 5 ～ 6 层设置或根据造型需要设置，出挑宽度 700 mm 左右，在整个立面上形成几条横向的水平分隔带。隔板既能安装集热器，也可以作为检修通道，同时还能作为下层的遮阳板。
3. 3 水 箱
每户水箱设在南向阳台凹槽内或者结合空调室外机放置，这样水箱和集热器的距离相对较短，热损失较少。
在高层住宅中一体化应用太阳能热水系统，首先要解决两大问题:一是选择合适的系统;二是选择适宜的安装位置。太阳能热水系统按供热水范围主要分为集中供热水系统、集中 － 分散供热水系统和分散供热水系统等三大类。现在部分高层住宅上应用的分体式热水器就是采用分散供热水系统。但这种由用户自己选择、安装的做法易造成立面零乱、破坏建筑结构、安全性差、造价高等问题，同时低层用户难以使用;集中 － 分散供热水系统也是由住户自己管理、使用，但高层住宅中应用就存在管路距离远、热损失大，水箱占用室内使用面积的缺点;集中供热水系统相对于其他两种供热水系统，有节约投资，用户间用水量可以平衡，集热器较易有序列布置等优点，但也存在管线长、热损失大，需要集中管理维护和分户计量设施等问题。从适合集热器安装的部位分析，高层住宅的屋顶由于其位置高、遮挡少、安装维修方便、易于和热水器结合成为太阳能利用的首选位置。仅次于屋顶的部位为南向高处的墙面和阳台，充分利用这几个部位是与建筑结合及保证集热效率的前提。主要从系统和安装部位考虑热水器和建筑一体化结合。
1 屋顶架空集中式
这种做法适用于各种类型的高层住宅。主要利用屋顶构架架空设置集热器。采用的集中供热水系统，能平衡用户间用水量，相应减少一定的集热器面积，解决高层住宅应用太阳热水器存在的主要问题。
1. 1 系 统
采用以单元或一栋楼为单位的集中供热水系统。针对冬季使用太阳能不足的问题，采用天然气热水炉辅助加热。这种系统为间接式热交换、强迫式双循环的分离式承压系统，不怕冻，不会造成集热器结垢，即使有集热器损坏，系统仍能正常运行。同时集中式系统可以平衡用户之间的用水量，非常适合集合住宅的形式，能有效和高效的利用太阳能，管理和维修都比较方便。
1. 2 集热器形式和位置
采用平板式集热器或 U 形管真空管太阳能集热器单元阵列。单元可以集成管线、集热管等组成集热器模块，在工厂内预制好现场安装即可。集热器不是直接安装在屋面上，而是安装在利用下部的原有结构升出屋面形成的构架上。构架可以用钢筋混凝土结构或者钢结构做成倾斜式或水平形式，其间铺设细长密集的集热管，与外部框架形成整体，成为建筑的特色。同时集热管还能作为屋顶的遮阳，改善屋顶夏季的热工性能，使原本纯装饰的构件多功能化(图 1)。
1. 3 水 箱
集中供热水系统的水箱间可设在楼、电梯间的上面，根据负荷大小可以每单元或每栋楼设一个水箱。这样水箱的容积适宜，对结构影响小;集热器和水箱之间的管线较短，热损失少。同时增设干管循环解决低层用户管道冷水过多问题。
1. 4 管道井的设置
通过适当加大建筑已有的设备管道井解决水箱和用水点的连接管道安装。这样就不用在各户内另设，减少对住户干扰，增加了户内使用面积。
1. 5 经济性分析
以 18 层单元式高层住宅为例，计算参数按每单元共36 户，每户3 人，每人每天用水量50 L，集热器面积按每 100 L 水需 1. 2 m2 选取。这样集热器面积约需65 m2，水箱容积约5. 4 t。根据“力诺·瑞特”的 U 型管真空管集热器系统目前的价格测算，每平方的整体造价约 0. 25 万元/m2，每单元土建增加约2 万元，年运行费用约 0. 5 万元/年，42 ℃ /t 热水成本约 7 元，相比普通电热水器 20 元/t 的成本来说，每单元每年节省费用约 3 万元，综合测算投资回收期约 7. 5 年。
这种做法的主要优点是:一是构架本身就是建筑造型的一部分，而且造型灵活多变，实现了热水器与建筑的完美结合。二是集热器处于建筑最高点，集热效率高，集热面积不完全受屋顶所限。三是完全解决了高层住宅使用问题:通过设干管循环和减压措施(减压阀)解决低层用户管道内冷水过多和超压问题，设热计量表计量每户用水量。四是简化了复杂的技术衔接:太阳热水器厂家在架空的框架内可根据实际需要安装集热器，不必担心对屋面的防水、保温和结构破坏等问题，同时解决了太阳能热水系统使用年限和建筑寿命方面的矛盾。五是屋顶的架空构架是一个多功能的生态构架:构架的安装不影响屋顶空间的使用，下方仍然是居民的活动场所和消防通道。另外集热器构架在夏天会成为良好的遮阳构件，改善了顶层住户的热工状态，成为了一个生态构件。就像密斯说过的“当技术得到充分体现时就会升华为艺术”，这样，此时的太阳能集热器既有实际功能，又是建筑构件，还满足了形式的需要，它的存在就会更具合理性。
除了屋顶空间，高处的南向墙面和阳台也是日照时数较长的部位。因此，为了充分利用这一区域，出现了另外一种较好的应用策略:“两段式”。
2 两段式集热器
这种做法实际上是把住宅上下分别采取不同的应用方式，适用于各种层数的单元式或通廊式高层住宅(图 2)。
2. 1 系 统
上下分别采用不同的系统形式。下部由于日照时间不足，无法同层使用太阳热水器;因此，采用集中供热水系统，住宅上部则采用以每户为单位的分散供热水系统。
2. 2 集热器形式和位置
集中供热水系统集热器同屋顶架空集中式一样采用承压的平板太阳能集热器或真空管太阳能集热器单元阵列。分散供热水系统的集热器则结合阳台或墙面安装，可设在阳台的栏板、阳台窗户两侧、墙面的窗间墙位置等，通过竖向有韵律的布置达到与建筑的较好结合(图 3)。虽然现在有不少应用实例，但安装主要采取后期直接在阳台或墙上打支架固定的方式，缺乏统一设计，造成对整体的破坏。
2. 3 水 箱
集中供热水系统的水箱间位置及做法也同屋顶架空集中式。分散供热水系统的水箱则设在每户的阳台内或者结合空调室外机放置，这样集热器和水箱的距离较近，热损失较少。
2. 4 管道井的设置
屋顶水箱与低层用水点联系管道也设在建筑内原有加大的设备管道井内，上部的分散式供热水系统则不需专门的管道井。
这种策略的优点:一是不同的系统形式分别解决了不同部位用户的太阳能利用和屋顶集热面积不足的问题。二是不同的处理方式和建筑都达到了较好的结合。缺点是分散式的使用、管理、维护对用户有干扰。三是这种方式对于塔式高层住宅不太适宜;另外集中式也存在后期因费用问题带来的纠纷。
3 均分式集热器
这种做法主要适用 12 层以上的单元式或通廊式高层住宅。实际上是把高层住宅转化为几个多层住宅的竖向叠加，利用每隔几层在南向外墙设一条水平悬挑隔板的方式解决太阳集热器的放置。这样既有效地利用了南向外墙，解决了低层部分的使用，又使住宅在竖向分为几段，形成有韵律的外部景观(图 4)。
3. 1 系 统采用集中 － 分散供热水系统，辅助电加热。这种做法是把整个高层建筑竖向均匀分为几个独立系统，每个系统均为分体承压和强制循环。
3. 2 集热器形式和位置
这种做法的集热器也是采用串并联的平板或真空管集热器，倾斜或者垂直、有规律地安装在从南向外墙悬挑出的水平隔板上，作为下部几层的集中集热区。隔板是每隔 5 ～ 6 层设置或根据造型需要设置，出挑宽度 700 mm 左右，在整个立面上形成几条横向的水平分隔带。隔板既能安装集热器，也可以作为检修通道，同时还能作为下层的遮阳板。
3. 3 水 箱
每户水箱设在南向阳台凹槽内或者结合空调室外机放置，这样水箱和集热器的距离相对较短，热损失较少。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201104/14862.htm
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