住宅太陽能熱水系統(tǒng)整合設計的定義
住宅太陽能熱水系統(tǒng)整合設計，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)設計，包括從策劃定位、施工圖設計到安裝施工、驗收評價的整個過程，涉及建筑、結構、設備等各個專業(yè)，使太陽能熱水系統(tǒng)符合住宅工程的設計要求。因此，應綜合考慮地區(qū)資源條件、住宅類型、居民的經(jīng)濟能力、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、運行方式、安裝方法、接口形式與尺寸、安全性、維修以及經(jīng)濟技術等因素。
整合設計的原則包括：優(yōu)先、充分利用太陽能的節(jié)能性原則；提供穩(wěn)定熱水供應的功能性原則，統(tǒng)籌考慮建筑、設備、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)整合設計至少應包括建筑整合設計、系統(tǒng)整合設計、結構整合設計、技術經(jīng)濟評價以及根據(jù)建筑發(fā)展需要的熱水器改型設計等方面。因此，需要跨專業(yè)、跨行業(yè)的協(xié)同工作，才能實現(xiàn)建筑與太陽能熱利用技術的完美結合。
在太陽能熱水應用發(fā)展的今天，提出整合設計的方針，將促進太陽能行業(yè)和建設行業(yè)進入攜手前進，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，將各自的業(yè)務向外延伸、滲透，開拓新的領域，直至整合到太陽能建筑的范疇。
一、 建筑整合設計
建筑整合設計是指將太陽能應用技術納入建筑設計全過程，以達到建筑設計美觀、實用、經(jīng)濟的要求。從規(guī)劃方案到完成施工圖設計的整個過程中，應綜合考慮建筑所處的地域緯度和氣候特點，太陽熱水器的不同類型、技術要求、建筑的造形、平面功能與熱水器(集熱器)位置、構造節(jié)點等因素，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。
建筑整合設計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)設計和安裝的技術要求；太陽能熱水系統(tǒng)設計應與規(guī)劃、建筑設計同步進行，做到統(tǒng)一規(guī)劃、同步設計、合理布局、因地制宜；設計中應進行經(jīng)濟技術分析，選擇適用的太陽能熱水系統(tǒng)，達到節(jié)地、節(jié)水、節(jié)能、安全、衛(wèi)生、環(huán)保的要求；集熱器應作為建筑的組成元素，與建筑有機結合，做到造型美觀、構件耐用、安裝維護方便。
1、規(guī)劃設計要點
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，應結合場地的地形、日照和風向條件。安裝集熱器的住宅，主要朝向宜朝南，建筑組合應互不遮擋，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。建筑間距除應滿足所在氣候區(qū)日照間距要求外，還應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對投射到集熱器上的陽光造成遮擋。應用太陽能熱水系統(tǒng)的建筑，應考慮設備安裝對相鄰建筑的影響。不應因太陽能熱水系統(tǒng)設施的布置影響相鄰建筑日照標準。
需求與產(chǎn)品分析：規(guī)劃設計階段需與太陽能熱水系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)協(xié)調(diào)，了解技術條件，在綜合考慮業(yè)主需求基礎上選擇適用的太陽能熱水系統(tǒng)類型，初步計算出所需集熱器面積、貯水箱的容積等主要設計條件，以確定建筑組合及屋面形式。
2、建筑整合與接口技術設計要點
建筑整合設計條件的確定
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)的選型及各項技術條件；集熱器的安裝位置，調(diào)整集熱器與建筑整體及周圍環(huán)境的關系；貯熱水箱的位置，滿足系統(tǒng)技術條件和安裝、維修的空間需求；用水空間(廚房、衛(wèi)生間)及輔助能源加熱設備的種類、安放位置；系統(tǒng)管道走線方式、管井位置及構造方案；集熱器安裝、維護檢修的通道。
建筑專業(yè)根據(jù)上述要求進行建筑平面、立面設計和造型設計。
集熱器的安裝部位
集熱器常見的設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。建筑設計應避免安裝集熱器部位建筑自身及周圍設施的遮擋。
集熱器應在安裝部位、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)。應根據(jù)集熱器的形式、安裝面積、尺寸大小進行細部設計，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成圍護結構時，應與建筑整體構造有機結合，并滿足該部位的圍護結構功能和建筑防護要求(如承載、防護、保溫、隔熱、防水、排水等)。設置在建筑任何部位的集熱器應與建筑錨固牢靠，保證其安全、堅固,同時不得影響該建筑部位相應的建筑功能。
建筑安全
建筑設計宜對安裝集熱器的部位采取防護措施，保證其安全不被破壞。建筑設計必須采取相應的構造措施為集熱器安裝施工提供安全保障，并為整合設計各階段細目描述入口和人行通道上空安裝集熱器時，應設計建筑防護措施，人行通道不宜緊貼建筑，入口上方應設雨蓬，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。
住宅平面設計
合理安排各用水點和設備空間位置的關系。考慮輔助能源及輔助設施條件，根據(jù)貯水箱體積重量、體積尺寸、安裝使用要求設計其空間。合理布置戶內(nèi)管線走向，管線布置應集中、整齊。水平管線應采取墻體或樓板預埋管線的構造做法，垂直管線應集中設置管道井，并預留檢修口。
二、 系統(tǒng)整合設計
太陽能熱水系統(tǒng)分為熱源系統(tǒng)及供應系統(tǒng)兩大部分，在工程化推廣的過程中，應將其納入到建筑熱水設計的范疇，對熱源系統(tǒng)與供應系統(tǒng)綜合考慮，合理設計。
系統(tǒng)設計的基本原則是優(yōu)先。充分利用太陽能，提供穩(wěn)定的熱水供應。
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)運行方式、集熱器與貯水箱的放置關系、是否配備輔助熱源、能源組合方式、熱水供應方式等7個要素進行分類。
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)境的適應性以及價格等多方面因素，選擇適宜的太陽能熱水系統(tǒng)。
2、系統(tǒng)整合設計要點
太陽能熱水的供應溫度設定為45℃～55℃。
計算集熱系統(tǒng)熱水負荷時，應按照日平均用水量計算。當采用局部熱水供應系統(tǒng)時，居民的平均熱水用量取30～40L人·d；當采用集中熱水供應系統(tǒng)時，居民的平均熱水用量取45～60L/人·d。
根據(jù)經(jīng)驗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)的集熱面積應結合建筑可以提供的安裝集熱器面積及所設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，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的熱水供應，太陽能熱水系統(tǒng)必須設置貯熱容積，將集熱系統(tǒng)收集的熱量貯存起來。根據(jù)集熱系統(tǒng)與供應系統(tǒng)的設計要求，可以分別計算兩個系統(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。
輔助熱源設計包括太陽能與輔助熱源銜接、轉換的平穩(wěn)進行；設置適宜的能源比例，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。系統(tǒng)控制設計包括集熱系統(tǒng)運行方式控制、防凍控制、防超溫控制方式、熱水供應系統(tǒng)的熱水循環(huán)控制。
當設計集中熱水供應系統(tǒng)時，必須考慮熱水的計量方式。熱水的計量應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)。
供應系統(tǒng)的管道布置應保證冷熱水系統(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)設計應遵循節(jié)水節(jié)能、經(jīng)濟實用、安全簡便、便于計量的原則，根據(jù)使用要求、耗熱量及用水點分布情況，結合住宅的類型、用戶的用熱水習慣、經(jīng)濟承受能力、系統(tǒng)的管理模式、輔助能源的種類等因素綜合考慮，可以設計不同檔次和供熱水平的太陽能熱水系統(tǒng)。
三、 結構整合設計
1、集熱器安裝位置的確定
在確保集熱性能的同時，應盡量避開風載、雪載較大的部位，以及地震時易破壞部位；應考慮連接件構造上的安全性，構件保養(yǎng)、維修、替換的易操作性，對建筑物圍護結構防水性能的破壞，避免圍護結構“熱橋”的產(chǎn)生等。
2、太陽能熱水系統(tǒng)的安裝設計
結構設計人員應對建筑結構主體與設備支撐部件(安裝支架)之間的連接件、連接部位的建筑結構構件進行強度與剛度驗算；設備廠家應對設備支撐部件進行強度與剛度驗算。
在正常施工與使用期間，應保證連接件、結構構件及設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、結構構件及設備支撐部件產(chǎn)生的變形與移動等，不影響太陽能熱水器設備的工作性能，太陽能熱水設備不產(chǎn)生掉落、傾倒，不發(fā)生顯著的噪聲、振動。
在設計規(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備系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，不引起系統(tǒng)結構的重大破壞，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、強度。防腐蝕性能應滿足安全要求，并與建筑可靠連接。
3、設計使用年限
在正常維護下，連接件的材料，構造及設備支撐部件應至少與太陽能熱水器同壽命(15年)，其中連接件的材料及構造宜同建筑結構的使用年限。
4、太陽能集熱器的荷載確定
當無具體產(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、結構整合設計要點
在高層建筑中和風力較大的地區(qū)，太陽能熱水設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，應特別注意在風荷載作用下熱水設備附加風荷載對屋面結構本身的影響及對整個結構風荷載效應的增加。
太陽能熱水設備安裝在陽臺欄板、屋面挑檐上時，應充分考慮集熱器自重、安裝荷載及風荷載對陽臺，屋面挑檐結構的影響，驗算外力作用下陽臺、挑檐的抗彎強度、變形性能及抗傾覆能力，必要時可以在這些部位增加結構粱柱。
太陽能熱水設備在外墻上時，應充分考慮集熱器自重及由其附加風荷載對外墻的影響，特別是平板式集熱器，在設計支架時應加強其剛度，增強其變形能力，以免使安裝其上的集熱器出現(xiàn)破裂。墻上的預埋件或固定螺栓應有足夠的強度和可靠的錨固措施，以防在瞬時大風下被拔出，出現(xiàn)集熱器墜落的現(xiàn)象。太陽能熱水設備不能直接安裝在輕質(zhì)外墻上，應在安裝部位設置結構粱或柱。
重量大的太陽能熱水設備，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構的影響都不容忽視，都應核算原結構的強度、裂縫、變形是否滿足要求，還應考慮水平地震作用對連接件和原結構的影響；當貯熱水箱放置在大跨度樓屋面或懸挑結構上時，應考慮豎向地震作用的影響。
對運行時產(chǎn)生振動的設備，應采取隔振措施，避免與原結構發(fā)生共振，增強其動力效應。
在既有建筑上安裝太陽能熱水設備，應避開有風化、腐蝕、裂縫的部位，或對這些部位進行有效的加固。
在安裝太陽能熱水設備時，應設置基座等增大受荷面積的構件，增加受力點，將荷載分散開，減小對原結構的負荷。
