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长春工程学院建筑与设计学院
【摘 要】长春地区地处国家太阳能利用资源奖励区域，其利用价值利在当代，功在千秋。海外学人创业园住宅作为地区节能建筑试点工程，结合当地气候特征条件，依据太阳能建筑一体化设计原则，针对性提出优化建设方案，为住宅产业的可持续发展提供有益借鉴。
【关键词】住宅；太阳能利用；一体化
1.太阳能光伏与建筑适配性的设计原则
建筑是一个综合性高、复杂的系统，也是一个完整的统一体，如果将太阳能光伏发电技术与建筑相融合，同时还要保持建筑的文化特征，就必须考虑技术和美学两方面因素，只有太阳能光伏技术与建筑设计的有机结合，才称得上“太阳能光伏与建筑一体化”。长春海外学人创业园住宅与太阳能光伏系统的结合，其总体规划设计必须结合长春当地地理位置、气候特征和太阳能资源情况，同时也要确定建筑的布局、朝向、朝向、间距、群体组合方式和基地整体的空间环境，并满足太阳能光伏系统设计安装的技术要求。
在长春海外学人创业园住宅中，太阳能光伏与建筑一体化应用是在建筑屋面安装太阳能电池板，应用太阳能发电，依靠建筑提供电力，兼顾节能降耗。太阳能光伏与建筑一体化有两个显著的特点：其一，统一性是指新建建筑的太阳能光伏系统工程的设计要与建筑同步设计、同步施工、统一规划和同时安装，同建筑、技术、美学融为一体，提高建筑物的整体美观性；其二，替代性是指太阳能光伏组件及其技术的不断更新，使其可以代替屋顶瓦片，还能够保证建筑材料的隔热、保温和通风等功能。
由于城市中可以利用的空间少，而太阳能电池板与建筑屋面的结合不仅不占用地面空间，还可以节省城市土地，因此太阳能光伏发电系统在城市中应用广泛。可见，太阳能光伏应用技术作为一种新型的技术，在建筑学已经成为一种新的可行性选择。太阳能光伏与建筑的一体化集成设计作为BIPV的一种高级形式，对太阳能电池板要求很高，强调在保证发电量的前提条件下，并且要最大化的保持建筑外观的和谐统一以及功能的要求。
太阳能与建筑一体化应遵循以下四种原则：
功能性原则：应包含太阳能光伏系统本身的功能和建筑本身的设计技术，不仅要保证建筑表皮美学的形式，还要保证建筑自身結构设计的安全性以及具体实施起来和操作起来的可行性。
美观性原则：作为一名建筑师，从建筑的美观性角度来讲，太阳能电池板需要经过前期与建筑有机结合的设计，才不会成为建筑上累赘的附属物，才不会破坏建筑的立面造型，分体式的热水系统与建筑结合程度较好，可以将太阳能电池板看作建筑表面的构件，事先将水箱、辅助加热器等放置在住宅闷顶内，融入到建筑中。
适宜性原则：进行热水系统与建筑一体化设计时需要正确选择与该建筑适配的热水供应系统，要综合占用空间、与建筑的结合性，笔者为此坡屋顶建筑选择了集中——分户式太阳能热水系统，集中式只需整体安装统一的太阳能电池板和储热水箱，维修管理由相关技术人员和物业部门实行，采用分户计量的热水方式，使住户购买、安装、维修维护方便、降低运行费用和热水成本，同时经济上也得到了实惠，因此，在技术上我们应该根据适宜性的原则，综合长春地理位置，综合小区现状，选择适宜严寒地区居住建筑的技术。
安全性原则：太阳能发电板在屋面的安装布置应与建筑中有一定刚度的实体结构连接紧靠牢固，还需考虑自身重量给屋面带来的荷载，保证屋面的防水保温等性能，维修保养人员的安全保障，要设计必要的人身保护措施，将技术人员作业时将遇到的各种困难和隐患降到最低。
2.与建筑适配性的太阳能热水系统
针对本次试点工程中住宅热水系统的规划设计，选择一种合理的热水供应方式，对整个住宅系统规划作用重大。建筑师既要考虑住宅有好的审美性，合理定位太陽能电池板的选择类型与具体规格，还要综合考虑建筑群体间的日照、环境、气候及能源等各方面对屋面太阳能系统的影响因素，最终选择一种最适合本次试点工程屋面应用的太阳能热水供应系统：
分户式太阳能热水系统是非常常见的一种热水供应形式，各家各户系统独立，太阳能电池板和储热水箱安放位置灵活，使用方便，没有流量分配和管理控制的问题，根据实际情况自行加热，费用单独核算，但太阳能电池板的利用率低，各户使用不平衡，造价较高，适用于联排别墅、联排屋。
（1）集中式太阳能热水系统：利用率高，热水资源大家共享。系统通过屋顶太阳能电池板集电，储存在电箱，用于给水加热，水温一旦达到预设值，会被送进保温水箱储存，方便业主使用，实现全天供水的需求。集中式的太阳能热水系统集成化程度高，管路简单，初期投资较少，集成化程度高，集热资源共享，系统统一管理，省去自行维护的不便，但是分户计量总体费用、物业管理难度大，集中式出现系统故障，不及时维修，用户的热水将得不到保障，且管路系统支管过长，使用时需放掉很多冷水，造成水资源过度浪费，适用于酒店、医院、学校等民用建筑。
（2）集中——分户式太阳能热水系统：由太阳能电池板在屋顶集电，设备集中安放，空间浪费少，费用单独核算，计费简单，管理方便，但各户之间热损失大，资源不能互补，适用于高层住户。
太阳能光伏热水系统主要由太阳能电池板和蓄热水箱构成，视具体情况配以水泵驱动。太阳能光伏发电系统中最重要的是光伏电池，研究表明，光伏电池在运行过程中，有约80%的入射太阳能被反射或被电池板直接吸收，约20%的入射太阳能被转化成电能。
3.集中——分户式太阳能热水系统与建筑适配性结合方式的应用
集中——分户式的热水供应系统具体为集中集电，分户供水的系统，在多层住宅中应用较多，其太阳能电池板主要布置在屋面、阳台及南面墙等位置。集中——分户式热水供应系统是不需要集热水箱和辅助能源的，只需要在各用户闷顶处安装各自水箱和电表即可。
多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池的光电转换效率稍低，约为20.4%，由于其材料制造简便，节约能耗，生产成本较低，多晶硅太阳能电池近年来发展很快，其目前在太阳能光伏市场的占有率是最高的。 储热水箱的容积按每家用户的平均日用水量的1～1.5倍来设计，这样既可以满足用户的日常用水需求，又有一定量的热水储备，储热水箱一般放置于住宅闷顶、阳台、厨房或卫生间等处，不需要专门的设备间和储藏室，只需要留足够的空间安装、维修、更换，同时还需考虑建筑的承载力，同时做好与建筑结合处的保温、防水和排水等措施。
住宅内热水管线的布置要求尽可能简短，简短的管线布置能够尽可能降低成本、减少热量散失，同时需要考虑安全隐蔽、便于安装施工和维护维修等要求。其他附件包括计量器、电表、水泵等附件安装时要考虑冷热水的计量器、住户电表位置安装的合理醒目，统一布置，便于物业管理者查看；水泵的位置设计也需要足够的隐蔽同时预留足够的安装、维修和更换的空间。
参考文献：
[1] Sechilariu Manuela， Wang Baochao， Photovoltaic Building Integrated Photovoltaic System With Energy Storage and Smart Grid Communication. Building Integrated and Smart Grid Communication[J]. IEEE 2013 （04）： 1607-1618.
[2] 李現辉，郝彬.太阳能光伏建筑一体化工程设计与案例[J].暖通空调，2012，05：117.
[3] 帅丽.平板太阳能屋顶的保温性能与承载力研究[D].太原理工大学，2014.
[4] Klien SA， Theilacker JC. An algorithm for calculating monthly-average radiation on incline surfaces[J]. Journal of Solar Energy Engineering， 1981， 103（5）， 29-33.
[5] 梁春华.太阳能热水系统与建筑屋顶一体化结构的设计[D].广东工业大学，2015.
[6] 郑存耀.太阳能利用技术与屋顶设计一体化应用研究[D].河北工业大学，2007.
作者简介：
赵晖（1967.04-）男，汉，长春工程学院建筑与设计学院副教授（硕导）， 研究方向：建筑设计及其理论，建筑技术。
郭格静，長春工程学院建筑与设计学院研究生。
【摘 要】长春地区地处国家太阳能利用资源奖励区域，其利用价值利在当代，功在千秋。海外学人创业园住宅作为地区节能建筑试点工程，结合当地气候特征条件，依据太阳能建筑一体化设计原则，针对性提出优化建设方案，为住宅产业的可持续发展提供有益借鉴。
【关键词】住宅；太阳能利用；一体化
1.太阳能光伏与建筑适配性的设计原则
建筑是一个综合性高、复杂的系统，也是一个完整的统一体，如果将太阳能光伏发电技术与建筑相融合，同时还要保持建筑的文化特征，就必须考虑技术和美学两方面因素，只有太阳能光伏技术与建筑设计的有机结合，才称得上“太阳能光伏与建筑一体化”。长春海外学人创业园住宅与太阳能光伏系统的结合，其总体规划设计必须结合长春当地地理位置、气候特征和太阳能资源情况，同时也要确定建筑的布局、朝向、朝向、间距、群体组合方式和基地整体的空间环境，并满足太阳能光伏系统设计安装的技术要求。
在长春海外学人创业园住宅中，太阳能光伏与建筑一体化应用是在建筑屋面安装太阳能电池板，应用太阳能发电，依靠建筑提供电力，兼顾节能降耗。太阳能光伏与建筑一体化有两个显著的特点：其一，统一性是指新建建筑的太阳能光伏系统工程的设计要与建筑同步设计、同步施工、统一规划和同时安装，同建筑、技术、美学融为一体，提高建筑物的整体美观性；其二，替代性是指太阳能光伏组件及其技术的不断更新，使其可以代替屋顶瓦片，还能够保证建筑材料的隔热、保温和通风等功能。
由于城市中可以利用的空间少，而太阳能电池板与建筑屋面的结合不仅不占用地面空间，还可以节省城市土地，因此太阳能光伏发电系统在城市中应用广泛。可见，太阳能光伏应用技术作为一种新型的技术，在建筑学已经成为一种新的可行性选择。太阳能光伏与建筑的一体化集成设计作为BIPV的一种高级形式，对太阳能电池板要求很高，强调在保证发电量的前提条件下，并且要最大化的保持建筑外观的和谐统一以及功能的要求。
太阳能与建筑一体化应遵循以下四种原则：
功能性原则：应包含太阳能光伏系统本身的功能和建筑本身的设计技术，不仅要保证建筑表皮美学的形式，还要保证建筑自身結构设计的安全性以及具体实施起来和操作起来的可行性。
美观性原则：作为一名建筑师，从建筑的美观性角度来讲，太阳能电池板需要经过前期与建筑有机结合的设计，才不会成为建筑上累赘的附属物，才不会破坏建筑的立面造型，分体式的热水系统与建筑结合程度较好，可以将太阳能电池板看作建筑表面的构件，事先将水箱、辅助加热器等放置在住宅闷顶内，融入到建筑中。
适宜性原则：进行热水系统与建筑一体化设计时需要正确选择与该建筑适配的热水供应系统，要综合占用空间、与建筑的结合性，笔者为此坡屋顶建筑选择了集中——分户式太阳能热水系统，集中式只需整体安装统一的太阳能电池板和储热水箱，维修管理由相关技术人员和物业部门实行，采用分户计量的热水方式，使住户购买、安装、维修维护方便、降低运行费用和热水成本，同时经济上也得到了实惠，因此，在技术上我们应该根据适宜性的原则，综合长春地理位置，综合小区现状，选择适宜严寒地区居住建筑的技术。
安全性原则：太阳能发电板在屋面的安装布置应与建筑中有一定刚度的实体结构连接紧靠牢固，还需考虑自身重量给屋面带来的荷载，保证屋面的防水保温等性能，维修保养人员的安全保障，要设计必要的人身保护措施，将技术人员作业时将遇到的各种困难和隐患降到最低。
2.与建筑适配性的太阳能热水系统
针对本次试点工程中住宅热水系统的规划设计，选择一种合理的热水供应方式，对整个住宅系统规划作用重大。建筑师既要考虑住宅有好的审美性，合理定位太陽能电池板的选择类型与具体规格，还要综合考虑建筑群体间的日照、环境、气候及能源等各方面对屋面太阳能系统的影响因素，最终选择一种最适合本次试点工程屋面应用的太阳能热水供应系统：
分户式太阳能热水系统是非常常见的一种热水供应形式，各家各户系统独立，太阳能电池板和储热水箱安放位置灵活，使用方便，没有流量分配和管理控制的问题，根据实际情况自行加热，费用单独核算，但太阳能电池板的利用率低，各户使用不平衡，造价较高，适用于联排别墅、联排屋。
（1）集中式太阳能热水系统：利用率高，热水资源大家共享。系统通过屋顶太阳能电池板集电，储存在电箱，用于给水加热，水温一旦达到预设值，会被送进保温水箱储存，方便业主使用，实现全天供水的需求。集中式的太阳能热水系统集成化程度高，管路简单，初期投资较少，集成化程度高，集热资源共享，系统统一管理，省去自行维护的不便，但是分户计量总体费用、物业管理难度大，集中式出现系统故障，不及时维修，用户的热水将得不到保障，且管路系统支管过长，使用时需放掉很多冷水，造成水资源过度浪费，适用于酒店、医院、学校等民用建筑。
（2）集中——分户式太阳能热水系统：由太阳能电池板在屋顶集电，设备集中安放，空间浪费少，费用单独核算，计费简单，管理方便，但各户之间热损失大，资源不能互补，适用于高层住户。
太阳能光伏热水系统主要由太阳能电池板和蓄热水箱构成，视具体情况配以水泵驱动。太阳能光伏发电系统中最重要的是光伏电池，研究表明，光伏电池在运行过程中，有约80%的入射太阳能被反射或被电池板直接吸收，约20%的入射太阳能被转化成电能。
3.集中——分户式太阳能热水系统与建筑适配性结合方式的应用
集中——分户式的热水供应系统具体为集中集电，分户供水的系统，在多层住宅中应用较多，其太阳能电池板主要布置在屋面、阳台及南面墙等位置。集中——分户式热水供应系统是不需要集热水箱和辅助能源的，只需要在各用户闷顶处安装各自水箱和电表即可。
多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池的光电转换效率稍低，约为20.4%，由于其材料制造简便，节约能耗，生产成本较低，多晶硅太阳能电池近年来发展很快，其目前在太阳能光伏市场的占有率是最高的。 储热水箱的容积按每家用户的平均日用水量的1～1.5倍来设计，这样既可以满足用户的日常用水需求，又有一定量的热水储备，储热水箱一般放置于住宅闷顶、阳台、厨房或卫生间等处，不需要专门的设备间和储藏室，只需要留足够的空间安装、维修、更换，同时还需考虑建筑的承载力，同时做好与建筑结合处的保温、防水和排水等措施。
住宅内热水管线的布置要求尽可能简短，简短的管线布置能够尽可能降低成本、减少热量散失，同时需要考虑安全隐蔽、便于安装施工和维护维修等要求。其他附件包括计量器、电表、水泵等附件安装时要考虑冷热水的计量器、住户电表位置安装的合理醒目，统一布置，便于物业管理者查看；水泵的位置设计也需要足够的隐蔽同时预留足够的安装、维修和更换的空间。
参考文献：
[1] Sechilariu Manuela， Wang Baochao， Photovoltaic Building Integrated Photovoltaic System With Energy Storage and Smart Grid Communication. Building Integrated and Smart Grid Communication[J]. IEEE 2013 （04）： 1607-1618.
[2] 李現辉，郝彬.太阳能光伏建筑一体化工程设计与案例[J].暖通空调，2012，05：117.
[3] 帅丽.平板太阳能屋顶的保温性能与承载力研究[D].太原理工大学，2014.
[4] Klien SA， Theilacker JC. An algorithm for calculating monthly-average radiation on incline surfaces[J]. Journal of Solar Energy Engineering， 1981， 103（5）， 29-33.
[5] 梁春华.太阳能热水系统与建筑屋顶一体化结构的设计[D].广东工业大学，2015.
[6] 郑存耀.太阳能利用技术与屋顶设计一体化应用研究[D].河北工业大学，2007.
作者简介：
赵晖（1967.04-）男，汉，长春工程学院建筑与设计学院副教授（硕导）， 研究方向：建筑设计及其理论，建筑技术。
郭格静，長春工程学院建筑与设计学院研究生。