住宅太陽能熱水系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)的定義
住宅太陽能熱水系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)，是指在住宅建筑中，采用太陽能(或與其他能源組合)作為熱源的住宅太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括從策劃定位、施工圖設(shè)計(jì)到安裝施工、驗(yàn)收評價(jià)的整個過程，涉及建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各個專業(yè)，使太陽能熱水系統(tǒng)符合住宅工程的設(shè)計(jì)要求。因此，應(yīng)綜合考慮地區(qū)資源條件、住宅類型、居民的經(jīng)濟(jì)能力、平面布局、建筑外觀、熱水用量與使用工況、集熱器型式與性能、系統(tǒng)配置、運(yùn)行方式、安裝方法、接口形式與尺寸、安全性、維修以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等因素。
整合設(shè)計(jì)的原則包括：優(yōu)先、充分利用太陽能的節(jié)能性原則；提供穩(wěn)定熱水供應(yīng)的功能性原則，統(tǒng)籌考慮建筑、設(shè)備、部件的安裝和接口的適配性原則；安全可靠、維修方便的安全性原則。
住宅太陽能熱水系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)至少應(yīng)包括建筑整合設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)整合設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)以及根據(jù)建筑發(fā)展需要的熱水器改型設(shè)計(jì)等方面。因此，需要跨專業(yè)、跨行業(yè)的協(xié)同工作，才能實(shí)現(xiàn)建筑與太陽能熱利用技術(shù)的完美結(jié)合。
在太陽能熱水應(yīng)用發(fā)展的今天，提出整合設(shè)計(jì)的方針，將促進(jìn)太陽能行業(yè)和建設(shè)行業(yè)進(jìn)入攜手前進(jìn)，共求發(fā)展的階段，為了大力推廣太陽能熱水系統(tǒng)這一目標(biāo)，將各自的業(yè)務(wù)向外延伸、滲透，開拓新的領(lǐng)域，直至整合到太陽能建筑的范疇。
一、 建筑整合設(shè)計(jì)
建筑整合設(shè)計(jì)是指將太陽能應(yīng)用技術(shù)納入建筑設(shè)計(jì)全過程，以達(dá)到建筑設(shè)計(jì)美觀、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的要求。從規(guī)劃方案到完成施工圖設(shè)計(jì)的整個過程中，應(yīng)綜合考慮建筑所處的地域緯度和氣候特點(diǎn)，太陽熱水器的不同類型、技術(shù)要求、建筑的造形、平面功能與熱水器(集熱器)位置、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)等因素，做到既符合住宅建筑造型和使用功能要求，又滿足高技師供熱水要求。
建筑整合設(shè)計(jì)的原則是充分利用太陽能，最大限度地滿足太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝的技術(shù)要求；太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)與規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，做到統(tǒng)一規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、合理布局、因地制宜；設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，選擇適用的太陽能熱水系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)地、節(jié)水、節(jié)能、安全、衛(wèi)生、環(huán)保的要求；集熱器應(yīng)作為建筑的組成元素，與建筑有機(jī)結(jié)合，做到造型美觀、構(gòu)件耐用、安裝維護(hù)方便。
1、規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)
氣候條件：年日照時數(shù)宜大于1200h，年太陽能輻照量大于3500MJ/m2，年極端氣溫不低于-45℃。建筑規(guī)劃：住宅建筑的朝向、間距及建筑形體組合，應(yīng)結(jié)合場地的地形、日照和風(fēng)向條件。安裝集熱器的住宅，主要朝向宜朝南，建筑組合應(yīng)互不遮擋，在不影響場地利用效率的前提下，為充分接收太陽能輻射創(chuàng)造條件。建筑間距除應(yīng)滿足所在氣候區(qū)日照間距要求外，還應(yīng)通過日照分析滿足集熱器有不少于連續(xù)4h日照時數(shù)的要求。
建筑物周圍的環(huán)境景觀與綠化種植不應(yīng)對投射到集熱器上的陽光造成遮擋。應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)的建筑，應(yīng)考慮設(shè)備安裝對相鄰建筑的影響。不應(yīng)因太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)施的布置影響相鄰建筑日照標(biāo)準(zhǔn)。
需求與產(chǎn)品分析：規(guī)劃設(shè)計(jì)階段需與太陽能熱水系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)協(xié)調(diào)，了解技術(shù)條件，在綜合考慮業(yè)主需求基礎(chǔ)上選擇適用的太陽能熱水系統(tǒng)類型，初步計(jì)算出所需集熱器面積、貯水箱的容積等主要設(shè)計(jì)條件，以確定建筑組合及屋面形式。
2、建筑整合與接口技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
建筑整合設(shè)計(jì)條件的確定
包括業(yè)主的使用需求(熱水用量及使用方式)；太陽能熱水系統(tǒng)的選型及各項(xiàng)技術(shù)條件；集熱器的安裝位置，調(diào)整集熱器與建筑整體及周圍環(huán)境的關(guān)系；貯熱水箱的位置，滿足系統(tǒng)技術(shù)條件和安裝、維修的空間需求；用水空間(廚房、衛(wèi)生間)及輔助能源加熱設(shè)備的種類、安放位置；系統(tǒng)管道走線方式、管井位置及構(gòu)造方案；集熱器安裝、維護(hù)檢修的通道。
建筑專業(yè)根據(jù)上述要求進(jìn)行建筑平面、立面設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)。
集熱器的安裝部位
集熱器常見的設(shè)置位置有建筑的屋面(平、坡)、外墻面。檐口、陽臺以及建筑雨蓬、遮陽板等位置。建筑設(shè)計(jì)應(yīng)避免安裝集熱器部位建筑自身及周圍設(shè)施的遮擋。
集熱器應(yīng)在安裝部位、造型、材質(zhì)、色彩等方面與建筑整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。應(yīng)根據(jù)集熱器的形式、安裝面積、尺寸大小進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，確定其在建筑上的安裝位置和安裝方式(如一體式、疊合式、支架式等)。
集熱部件的建筑功能
布置在建筑屋面、墻面、陽臺或其他位置的集熱器與建筑共同構(gòu)成圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)與建筑整體構(gòu)造有機(jī)結(jié)合，并滿足該部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能和建筑防護(hù)要求(如承載、防護(hù)、保溫、隔熱、防水、排水等)。設(shè)置在建筑任何部位的集熱器應(yīng)與建筑錨固牢靠，保證其安全、堅(jiān)固,同時不得影響該建筑部位相應(yīng)的建筑功能。
建筑安全
建筑設(shè)計(jì)宜對安裝集熱器的部位采取防護(hù)措施，保證其安全不被破壞。建筑設(shè)計(jì)必須采取相應(yīng)的構(gòu)造措施為集熱器安裝施工提供安全保障，并為整合設(shè)計(jì)各階段細(xì)目描述入口和人行通道上空安裝集熱器時，應(yīng)設(shè)計(jì)建筑防護(hù)措施，人行通道不宜緊貼建筑，入口上方應(yīng)設(shè)雨蓬，防止發(fā)生集熱器掉落傷人事故。集熱器不宜布置在建筑變形縫處。
住宅平面設(shè)計(jì)
合理安排各用水點(diǎn)和設(shè)備空間位置的關(guān)系?？紤]輔助能源及輔助設(shè)施條件，根據(jù)貯水箱體積重量、體積尺寸、安裝使用要求設(shè)計(jì)其空間。合理布置戶內(nèi)管線走向，管線布置應(yīng)集中、整齊。水平管線應(yīng)采取墻體或樓板預(yù)埋管線的構(gòu)造做法，垂直管線應(yīng)集中設(shè)置管道井，并預(yù)留檢修口。
二、 系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)
太陽能熱水系統(tǒng)分為熱源系統(tǒng)及供應(yīng)系統(tǒng)兩大部分，在工程化推廣的過程中，應(yīng)將其納入到建筑熱水設(shè)計(jì)的范疇，對熱源系統(tǒng)與供應(yīng)系統(tǒng)綜合考慮，合理設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是優(yōu)先。充分利用太陽能，提供穩(wěn)定的熱水供應(yīng)。
1、太陽能熱水系統(tǒng)的選用原則
太陽能熱水系統(tǒng)可以按照集熱器類型、傳熱類型、集熱系統(tǒng)運(yùn)行方式、集熱器與貯水箱的放置關(guān)系、是否配備輔助熱源、能源組合方式、熱水供應(yīng)方式等7個要素進(jìn)行分類。
根據(jù)集熱性能、水質(zhì)影響、防凍要求、與建筑的適配性，對環(huán)境的適應(yīng)性以及價(jià)格等多方面因素，選擇適宜的太陽能熱水系統(tǒng)。
2、系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)要點(diǎn)
太陽能熱水的供應(yīng)溫度設(shè)定為45℃～55℃。
計(jì)算集熱系統(tǒng)熱水負(fù)荷時，應(yīng)按照日平均用水量計(jì)算。當(dāng)采用局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)時，居民的平均熱水用量取30～40L人·d；當(dāng)采用集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時，居民的平均熱水用量取45～60L/人·d。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值或供熱水的目的選擇太陽能保證率。按我國的具體情況，在太陽能資源豐富區(qū)，太陽能熱水系統(tǒng)的年太陽能保證率宜大于60%；較富區(qū)宜大于50%；一般區(qū)宜大于40%。
系統(tǒng)的集熱面積應(yīng)結(jié)合建筑可以提供的安裝集熱器面積及所設(shè)定的太陽能保證率確定，并保證按照該面積配置的集熱器所采集的熱量能夠被充分利用。
太陽能是一種低密度、間歇性的熱源，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱水供應(yīng)，太陽能熱水系統(tǒng)必須設(shè)置貯熱容積，將集熱系統(tǒng)收集的熱量貯存起來。根據(jù)集熱系統(tǒng)與供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以分別計(jì)算兩個系統(tǒng)的貯熱水容積(V集和V供)，取二者的大值定為太陽能熱水系統(tǒng)的貯熱水容積。
輔助熱源設(shè)計(jì)包括太陽能與輔助熱源銜接、轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)進(jìn)行；設(shè)置適宜的能源比例，保證高效的太陽能得熱效率；在陰雨天的情況下，可提供充足的熱水供應(yīng)。系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)包括集熱系統(tǒng)運(yùn)行方式控制、防凍控制、防超溫控制方式、熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱水循環(huán)控制。
當(dāng)設(shè)計(jì)集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時，必須考慮熱水的計(jì)量方式。熱水的計(jì)量應(yīng)包含水量和水溫兩個因素，才能真正反映用戶使用的熱水品質(zhì)。
供應(yīng)系統(tǒng)的管道布置應(yīng)保證冷熱水系統(tǒng)壓力平衡，保證系統(tǒng)的供水溫度，防止管路凍裂。使太陽能熱水系統(tǒng)在使用功能上滿足居民舒適性的要求。
根據(jù)管道的位置和系統(tǒng)的要求的選用管材。
3、住宅太陽能熱水系統(tǒng)優(yōu)化
住宅太陽能熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循節(jié)水節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全簡便、便于計(jì)量的原則，根據(jù)使用要求、耗熱量及用水點(diǎn)分布情況，結(jié)合住宅的類型、用戶的用熱水習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)承受能力、系統(tǒng)的管理模式、輔助能源的種類等因素綜合考慮，可以設(shè)計(jì)不同檔次和供熱水平的太陽能熱水系統(tǒng)。
三、 結(jié)構(gòu)整合設(shè)計(jì)
1、集熱器安裝位置的確定
在確保集熱性能的同時，應(yīng)盡量避開風(fēng)載、雪載較大的部位，以及地震時易破壞部位；應(yīng)考慮連接件構(gòu)造上的安全性，構(gòu)件保養(yǎng)、維修、替換的易操作性，對建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)防水性能的破壞，避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)“熱橋”的產(chǎn)生等。
2、太陽能熱水系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)主體與設(shè)備支撐部件(安裝支架)之間的連接件、連接部位的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度與剛度驗(yàn)算；設(shè)備廠家應(yīng)對設(shè)備支撐部件進(jìn)行強(qiáng)度與剛度驗(yàn)算。
在正常施工與使用期間，應(yīng)保證連接件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備支撐部件能承受可能出現(xiàn)的各種作用。
在正常使用期間，連接件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備支撐部件產(chǎn)生的變形與移動等，不影響太陽能熱水器設(shè)備的工作性能，太陽能熱水設(shè)備不產(chǎn)生掉落、傾倒，不發(fā)生顯著的噪聲、振動。
在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持太陽能熱水設(shè)備系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，不引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重大破壞，不產(chǎn)生系統(tǒng)部件的掉落、傾倒現(xiàn)象。
太陽熱水器連接件及支撐部件的剛度、強(qiáng)度。防腐蝕性能應(yīng)滿足安全要求，并與建筑可靠連接。
3、設(shè)計(jì)使用年限
在正常維護(hù)下，連接件的材料，構(gòu)造及設(shè)備支撐部件應(yīng)至少與太陽能熱水器同壽命(15年)，其中連接件的材料及構(gòu)造宜同建筑結(jié)構(gòu)的使用年限。
4、太陽能集熱器的荷載確定
當(dāng)無具體產(chǎn)品說明時。集熱器的重量可參考下述原則確定；真空管集熱器的重量約15～20kg/m2，平板集熱器約20～25kg/m2。
5、結(jié)構(gòu)整合設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在高層建筑中和風(fēng)力較大的地區(qū)，太陽能熱水設(shè)備特別是大面積的太陽能集熱器，大體積水箱等安裝在屋面時，應(yīng)特別注意在風(fēng)荷載作用下熱水設(shè)備附加風(fēng)荷載對屋面結(jié)構(gòu)本身的影響及對整個結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)的增加。
太陽能熱水設(shè)備安裝在陽臺欄板、屋面挑檐上時，應(yīng)充分考慮集熱器自重、安裝荷載及風(fēng)荷載對陽臺，屋面挑檐結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)算外力作用下陽臺、挑檐的抗彎強(qiáng)度、變形性能及抗傾覆能力，必要時可以在這些部位增加結(jié)構(gòu)粱柱。
太陽能熱水設(shè)備在外墻上時，應(yīng)充分考慮集熱器自重及由其附加風(fēng)荷載對外墻的影響，特別是平板式集熱器，在設(shè)計(jì)支架時應(yīng)加強(qiáng)其剛度，增強(qiáng)其變形能力，以免使安裝其上的集熱器出現(xiàn)破裂。墻上的預(yù)埋件或固定螺栓應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和可靠的錨固措施，以防在瞬時大風(fēng)下被拔出，出現(xiàn)集熱器墜落的現(xiàn)象。太陽能熱水設(shè)備不能直接安裝在輕質(zhì)外墻上，應(yīng)在安裝部位設(shè)置結(jié)構(gòu)粱或柱。
重量大的太陽能熱水設(shè)備，如大體積水箱、輔助熱源等，不論放在哪里，其自重和裝載荷載對結(jié)構(gòu)的影響都不容忽視，都應(yīng)核算原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、裂縫、變形是否滿足要求，還應(yīng)考慮水平地震作用對連接件和原結(jié)構(gòu)的影響；當(dāng)貯熱水箱放置在大跨度樓屋面或懸挑結(jié)構(gòu)上時，應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。
對運(yùn)行時產(chǎn)生振動的設(shè)備，應(yīng)采取隔振措施，避免與原結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，增強(qiáng)其動力效應(yīng)。
在既有建筑上安裝太陽能熱水設(shè)備，應(yīng)避開有風(fēng)化、腐蝕、裂縫的部位，或?qū)@些部位進(jìn)行有效的加固。
在安裝太陽能熱水設(shè)備時，應(yīng)設(shè)置基座等增大受荷面積的構(gòu)件，增加受力點(diǎn)，將荷載分散開，減小對原結(jié)構(gòu)的負(fù)荷。
