浅析高层住宅太阳能热水系统设计

摘要：太阳能的利用已经非常普遍，亦符合国家对节能减排的政策要求。本文将以某住宅小区高层（20层）住宅为例，分析该小区的太阳能热水系统，介绍其采用的集中集热、分户集热的方式。对系统实施过程中的实际问题，进行解析与探讨。应优先选择系统可靠且方便管理的方案，规避物业与住户之间可能存在的矛盾，以求更合理的利用太阳能。

关键字：高层住宅 太阳能热水系统 实用性

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）26-01-01

太阳能是现在社会巨大的能源，人们利用太阳能可以节省更多的能源。如果对太阳能加以合理的使用，可以为日常的生产生活，提供很大的便利。太阳能热水器因利用太阳能，无污染且使用方便，长期使用的投入费用低等特点，备受人们的青睐。

太阳能热水系统就是指以太阳能为热源，或以太阳能为主再与其他辅助能源组合，制备生活热水，并通过管路将热水输送到用水点的系统。太阳能热水系统由集热系统和热水供应系统组成。具有节能、环保、节约运行费用等优点。

目前，各地的高层建筑中，普遍使用太阳能系统作为供水方案。此种方案能够较好的起到节能减排的作用，然而在实际操作过程中，由于对实际情况考虑不够全面，太阳能热水系统在使用过程中，经常出现种种问题。故此，在确定方案之前，应当综合考虑各方面因素，以求能够推出更加完善的方案，既达到节约成本的目的，也能让系统愈加顺利的运行。以下将以某小区为例，综合分析方案实施过程中应当考虑的诸多环节，进行具体探讨。

一.工程概况

我国具有丰富的太阳能资源，年日照时数在2200小时以上地区占国土面积三分之二以上。以太阳能作为热源，可以有效节约日趋紧张的化石能源。利用太阳能与采用化石能源相比，不仅可以减少二氧化碳的排放量，还可以减少氮氧化物、硫氧化物等污染环境和危害人体健康的有害气体。从营造健康、可持续发展的人居环境方面来说，具有良好的社会效益。

某小区住宅共有20层，全楼共有80户。为节省运行费用及节能，计划使用集中式太阳能热水系统，解决日常生活热水问题。在选择具体方案之前，应考虑系统运行可靠，管理方便，便于摊销辅助能源费用、冷热水费用和运行费用成本等，达到管理简洁，易于被住户接受，尽量规避物业与住户之间潜在的矛盾。

同时应当着重考虑低层用户，确保其能顺利使用到太阳能热水。还应结合当地阴雨期较长的实际情况，为了确保热水供应的可靠性，系统设计时应配置辅助加热系统，以确保住户能够全体24小时或定时有热水可用。辅助能源建议选用空气源热泵，以节约运行成本。

对于高层住宅的太阳能热水系统的设计，目前普遍存在以下难点：

1.在分区供水且冷热水压力不同源的情况下，如何解决冷热水压力平衡的问题。2.热水供水管网内的存水利用问题。3.系统的过热和防冻问题。4.热水计量、计费与住户使用意愿的协调问题。

目前比较普遍的太阳能系统方案有多种，结合该小区的实际情况，我们认为应当使用以下方案：在楼顶安装一个集中储水的太阳能热水系统，通过管道供热水至每家每户。

该方案的优点是：可以实现热水资源共享，不受楼层的高低限制。便于根据建筑情况灵活布局，可以实现与建筑物的协调共存。只有一个系统，运行可靠，维修率低，楼面的太阳能可以由物业负责维护管理，并且造价比较低。

该方案的确定是：辅助能源用量受天气情况影响，不便于核算运行成本与费用。在设备的运行过程中，热水需要收费，收费标准如果制定不当，容易造成物业和住户之间的矛盾。此外，需在楼顶放置一个大的储热水箱，建筑设计需要考虑楼顶的承重问题。

该种方案不需要考虑水箱承重、电辅加热预留、线路预留、供热水循环、热水计费等问题，是将来商品住宅统一安装太阳能热水器的发展方向。

同时，选择该方案，还需考虑以下问题：

1.太阳能集热器基础预留；2.屋顶补水箱位置的预留；3.管井换热管路预留；4.室内承压水箱位置预留；5.每户承压水箱附近预留电辅加热插座。

二.系统组成

系统由太阳能集热系统，热水储水箱，热水供、回水管道，热水变频加压设备（兼热水供水、回水循环）及两用燃气壁挂炉辅助加热设备组成。太阳能集热器与热水储水箱通过温差控制、强制循环对冷水做预加热。制备的预加热热水经热水变频加压供水设备，通过生活热水管道送至每户的两用燃气壁挂炉，壁挂炉内的进水管路上设置感温分流控制阀，若进水温度≥45℃，热水通过炉体内的分流阀直接向用户供应热水，若进水温度

设在屋面上或作为屋面板的集热器，其安装倾角应近似于当地纬度，这样可得到最大年太阳能辐射量。一般太阳能集热器安装倾角或可选择当地纬度正负10度的范围内。太阳能集热器宜朝向正南放置，或南偏东、偏西40度的朝向范围内放置。水平放置的集热器可不受朝向的限制。设在阳台栏板上或构成阳台栏板的集热器，朝向应选择正南、南偏东、南偏西或朝东朝西的阳台。在低纬度地区还应当有适当的倾角。设在墙面上的集热器，高纬度地区朝向应选择正南、南偏东、南偏西或朝东、朝西的墙面上，或直接构成建筑墙面，低纬度地区朝向应选择南偏东、南偏西或朝东朝西的墙面上，或直接构成建筑墙面。作为屋面板或构成阳台栏板和建筑墙面的集热器应按照在建筑承重建构上，其刚度、强度、热工、锚固、防护功能应满足建筑围护结构设计要求，并应有热水渗漏的安全保障设施。

三.解决方案

1.冷热水压力平衡问题。首先通过对最不利点进行水力计算，选择和给水供水末端压力匹配的热水变频加压设备的扬程参数，尽量做到压力源头平衡。再进行系统分析，生活给水分高低区，二层及以下层由市政压力供水，三层以上由小区给水变频调速加压设备供水，供水方式为下行上给。热水水箱及变频供水设备设置于屋顶，供水方式为上行下给，热水不再分区。对于低压给水的给水压力陷入不平衡。所以热水1-6层采取支管减压，给水3-6层采取支管减压，冷热水减压阀后压力定位0.16MPa（3-6层冷热水压力可在0.3MPa内调节），这样不但可以保证用水末端的冷热水压力平衡，还可以把入户水压控制在合理范围内，达到节水节能的目的。

2.管网内的存水利用问题。可以通过系统强制循环来缩小管网水温同热水箱存水的温差。最好的是此系统行使可以通过终端的燃气两用炉对管网存水辅助加热后使用，这样就做到了节水，并且对大系统的运行是节能的。

3.系统的过热和防冻问题。采用屋面集中集热的行使，集热系统作开式循环，相对于分户独立太阳能系统，其集热器的利用率更高，而且集热系统过热时，热水水箱收集膨胀水量以解决系统过热膨胀问题；防冻可以采用温差及定温循环，辅以电伴热保温解决，如果场地条件允许，集热系统也可以采用设置双向单流阀等排回防冻的形式，运行更节能。

4.系统设计

4.1 设计参数

本楼地上20层，无地下室。规划人数300人。设计日耗热量40KW（生活热水供水计算温度为60℃，冷水计量温度为4℃）；热水用水定额40L/人/天；热水储水箱容积为14m?（按本楼设计人数的热水日用水定额全部储存计算）；集热器循环水泵热量取2L/分钟/）；集热器采用真空管，集热器总面积约为240。

4.2 系统控制

4.2.1 集热系统循环控制

本项目参考太阳能集热器类型及型号HUJ16/21玻璃-金属真空管型太阳能集热器，每套集热器采光面积2。其长度为2300mm，宽度为1500mm。依据以上条件，集热器前后排最小不遮挡距离应为1025mm。考虑不遮挡距离，则屋顶最大安装面积可以按照集热器240组，合计集热采光面积430。

4.2.2 储水设备选型

根据《民用太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005第4.4.6.2条规定，间接系统太阳能集热器产生的热用作容积式水加热器时，其贮热量为60minQh。该市年平均日辐照小时数为7.2小时，当地纬度倾角的年均日辐照量为：16MJ/.天。所以太阳能系统的平均输出功率计算得出104KW，折合每小时产水量为1.9。为满足集热用容积式水加热器贮热量为60minQh的要求，并权衡本地区太阳能保证率55%的推荐值，贮热容积最终计算得出12m?。

此外，贮水用容积式水加热器的换热面积还需提高《建筑给水排水设计手册》第二版计算公式来得出。经计算，贮热用容积式水加热器的换热面积为29。选用导流容积式水-水加热器两台；单台参数：总容积V=6m?，直径是1800mm，换热面积15，壳程压力1.0MPa，管程压力1.6MPa。热水、回水立管及其干管采用热水用（内筋嵌入式）衬塑钢管道，卡环式快装连接。入户水表后热水支管采用PE-RT增强型聚乙烯管S3.2系列产品，热熔敢接；屋面管道设置电伴热防冻保温，户内热水供、回水立管及热水水箱保温。

太阳能系统供热用容积式换热器及集热系统的膨胀罐与市政热媒加热设备计算选型方式相同。

4.2.3 集热循环泵选型

根据《建筑给水排水设计手册》间接式集热循环泵流量计算公式4.5-19计算得出集热泵的循环流量为8.4L/s。另根据间接式集热循环泵扬程给水4.5-23计算得出该系统集热循环泵5的扬程为12m。太阳能系统供热用热水循环泵与普通闭式系统循环泵计算选型方法相同。

5.系统控制说明

该系统的工作控制原理，按以下规定：

（1）集热-换热循环：采用温差循环

a.在太阳能热水系统中，热水供、回水系统的循环控制采用纯温差循环、定温循环还是定时循环值得探讨。采用纯温差循环，各用户得到的预加热热水随时都是相对均衡的，有一定的公平性，但是相对较耗能（供水系统运行）。定温循环的出发点则是，经过较长时间集热循环之后，水箱热水温度升到一定值，比如40摄氏度以上，这时候再对热水供、回水系统进行温差循环。所以当水箱水温较低时，由于没有循环，首先使用或远端使用热水的住户相对吃亏。根据本小区的实际情况，该方案选用温差循环。当集热器储水温度与贮热用容积式水加热器的温差达到8℃时，集热循环泵启动，集热循环运行；当集热器出水温度与贮热用容积式水加热器温差达到3℃时，集热循环泵停止，集热循环停止。

b.当贮热用容积式水加热器温度大于等于60摄氏度时，集热循环泵停止。

c.当贮热用容积式水加热器温度小于等于55摄氏度时，辅热热媒系统启动，加热供热用容积式水加热器内热水至55摄氏度-60摄氏度范围内，当温度达到60摄氏度时，辅助热媒停止供应。

（2）防冻循环

当室外温度低于4摄氏度时，集热循环泵和防冻电辅热装置（该装置可直接安装在集热系统回水管线上）同时启动，防冻循环运行；当室外温度高于8摄氏度时，集热循环泵和防冻电毒热装置同时开启，防冻循环停止。

（3）防超温泄水

当集热器出水温度达到90摄氏度时，开启防超温电磁阀泄水，当集热器出水温度小于80摄氏度时，关闭防超温电磁阀。

6.结语

太阳能热水系统设计是整个居住建筑设计的重要组成部分，选用太阳能热水器产品应符合建筑功能和建筑设计要求，防止因安装太阳能热水器对建筑屋面、墙体构件和保温及防水构造等造成不应有的损害，甚至对建筑安全性造成不利影响。为此，太阳能热水系统应与规划、建筑设计同步进行，要让太阳能集热器作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，和谐共存，做到造型美观，构件耐用，安装维护方便，经济适用，真正服务于居民生活。尽量避免待建筑完工后再增设太阳能热水系统，更要防止居住户各行其是，随意设置太阳能热水器，造成建筑物外观杂乱无章，有碍城市观瞻。

参考文献：

1.中国建筑设计研究院 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范 北京：中国建筑工业出版社 2006

2.国家住宅与居住环境工程技术研究中心 住宅建筑太阳能热水系统整合设计 北京：中国建筑工业出版社 2007

3.中国建筑标准设计研究所 全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水 北京 中国计划出版社 2003

4.建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范 北京 中国建筑工业出版社 2002

5.郑瑞澄 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 北京 化学工业出版社 2006