住宅建筑太阳能热水系统应用研究

中图分类号：TK511 文献标识码：A 文章编号：

能源作为经济和社会发展的重要物质基础，随着我国经济的发展，能源需求出现了一个持续增长的态势，尤其是近年来伴随着我国迅速发展的建筑业同时也带来了建筑能源的迅猛增长。日前建筑能耗已接近全国总能耗的30%，并将持续增加，随着人们生活水平的提高和小康社会的建设，人们对生活热水的需求量越来越大，在我国发达地区的住宅中其生活热水能耗已占到建筑总能耗的15-20%，而我国既是一个煤炭、石油以及天然气等常规能源消耗的大国，又是常规能源资源短缺的国家，以常规能源为主的能源结构产生大量的污染物，给我国整体环境造成了巨大的污染，一次性能源为主的能源开发利用模式与生态环境矛盾的日益激化，使人类社会的可持续发 展受到严峻挑战。因此，大力开发利用清洁可再生能源--太阳能，是优化能源结构，改善环境,促进经济社会可持续发展的战略之一。

一、系统选择

我国城市住宅大多以多层、小高层、高层住宅为主，发达国家的太阳能热水系统的技术在我国并不适用。尽管我国是太阳能热水器生产的第一大国，也是民用建筑发展最快，规模最大的国家，但人均太阳能集热面积仅为日本、以色列等国的1/20，况且目前大多为一家一户的分散热水供应，多为建筑后期个体安装，且多为无序安装状态，太阳能热水器的设计、生产、安装与建筑存在着严重脱节状态，太阳能资源的利用率极低。当务之急是如何综合考虑地区资源条件，住宅类型，居民的经济能力，平面布局，建筑外观，热水用量及使用工况，集热器形式与性能，系统配置，运行方式，安装方法，接口形式与大小，安全性，维修以及经济技术等因素，优先充分利用太阳能这一原则，及提供稳定热水供应的使用原则，经技术经济比较设计出合理的住宅太阳能热水供应系统，及相应的配套产品，使住宅太阳能热水系统安全可靠，性能稳定,与建筑和周围环境协调统一。

（一）太阳能目前现状

在太阳能利用领域，包括光电与光热两大部分，其中光热技术是最成熟，应用范围最广泛， 产业化发展最兴旺的领域之一，其可靠的技术性能以及明显的经济性能，正日益为大家所接受。 在世界范围内我国已是太阳能热水器生产的第一大国，但与发达国家相比，人均集热面积官方数据不到0.06㎡，急需在太阳能热水器与建筑一体化的整合发展中寻求突破。

（二）太阳能热水器在住宅中的现状

随着太阳能热水器在城市普及率的不断提高,由事后安装、无序安装这种使用方式所带来的一系列问题与矛盾也逐渐显现。例如影响建筑物外观和城市景观，破坏了房屋的使用功能，无序不规范的安装也产生了一些安全隐患，最大的制约因素是由于大多数住宅小区容积率偏高，住宅间的问距偏小，按日照分析得到的数据，分散的太 阳能热水系统，仅住宅高区极少数的楼层能满足冬至日太阳能热水器日照4小时的要求，目前状况是住宅仅仅顶层住户在安装使用太阳能热水器，人均太阳能利用率极低，让每家每户都能享受及充分利用太阳能资源，这正是住宅太阳能热水器系统整合设计所面临与解决的重大问题。

（三）太阳能热水器在住宅中的设置位置

从住宅建筑与太阳能一体化的角度考虑，太阳能集热器结合建筑可布置在屋面、墙面及每家每户的朝南的阳台围栏、空调外机板上等位置，从理论上来讲，太阳能集热器设置在上述位置及低密度独立式或联排式低层住宅都是不错的选择，而分散布置太阳能集热器，依据目前的小区住宅标准、住宅的朝向、日照标准、房屋间距等来看对于新乡及至全国实际情况来讲，开发商要达到其最大的经济效益，一般住宅的容积率相对偏高，多层住宅间的间层间距最多仅为住宅建筑高度的1倍，小高层间距在40米左右。太阳能集热器设置在阳台，空调室外机挑板上，外墙上等位置，多层及高层住宅中低区住户都不能满足《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中每家每户集热器年均每天日照时数不少于4小时的规范要求，即使是住宅高区住户，满足了日照4小时的光照，但由于集热器安装角度的限制，设置在外墙面、檐口、阳台以及建筑雨蓬、遮阳板等位置,从理论上来讲，需补偿一定数量的集热面积，造成一次性投资增加，热利用率降低，另外如何保障集热器的安全防护及住户的安全也是一大难题。

分散布置太阳能集热器，除住宅上部能满足上述要求外，多层住宅的下部，高层住宅的中下部大多很难满足要求，太阳能资源的利用率极低。而集中放置在屋面，虽然能满足日照时数的要求,但实际操作中分散式太阳能热水系统每户上下两根管道要增加管道井的位置，尤其是住宅下部至屋面管线过长，要散发大量的热量，并且在使用过程中要放掉大量的管道中的冷水，与节水节能相违背，如何最大限度的充分利用太阳能资源，让每家每户都能享受绿色清洁可再生能源，唯一实际实用的位置就是将太阳能集热器布置在屋面上，采用集中集热的形式。

（四）集中集热-分户储热太阳能系统介绍

集中集热、分户储热式太阳能热水系统是指将太阳能集热器集中、统一规划安装成为一个系统，储水箱、辅助保障系统按终端用户为单位独立设置的太阳能热水系统。

系统示意图

水箱特点：

1、盘管换热。

2、搪瓷内胆，承压、耐腐蚀。

3、辅助热源。

4、系统安全可靠。

分户储热水箱 集热器统一布局

系统特点：

1、集热器安装在楼顶层，不影响建筑外观；

2、集热器统一安装，集热循环管路少，水箱容积小，占用公共空间面积小；

3、热水系统供应为分户式，储水、辅助加热均在户内，减少了辅助系统、供水系统的运行费用及热损失；

4、热水系统分户供应，无热水计费、辅助电费计量收取问题；

（五）太阳能集中集热-分户储热系统的设置原则

1、太阳能热水系统设计与建筑设计同步进行，集热器应作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，做到造型美观，构件耐用，安装、维护方便。

2、充分利用太阳能资源，24小时为住宅每家每户提供生活热水，采用成熟的太阳能热水技术，控制成本，避免复杂的后期运行维护管理。

3、进行经济技术分析，达到节地、节水、节能、安全、卫生、环保的要求。

4、集热器及其部件标准化、模式化便于维修更新。

二、太阳能集热水系统热面积计算

（一）用水量

1、热水用水量标准:30升/人・ 天(55℃)

住宅每户平均按2.5人考虑

Qmaxday2=30×2.5=75L/d

每户住宅设80升水箱

2、直接式太阳能集热系统面积的确定

每户80L/d .

Ac=

式中:

Ac一直接系统集热器采光面积，㎡;

Qw~日均用水量，80kg;

tend一储水箱内水的终止温度55℃;

Cw一水的定压比热容，4.187KJ/(kg・ ℃);

p一热水密度，(kg/L);

ti一水的初始温度10℃;

J ——倾角等于当地纬度时，冬至日倾斜表面平均日太阳辐照量（MJ/㎡·d），取12.24MJ/㎡·d；

f-太阳能保证率50%;