鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 劉磊

住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)供水模式研究

鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 劉磊

近年來(lái)，隨著能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入人心，使用無(wú)污染的清潔、可再生能源已在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)展開(kāi)。太陽(yáng)能作為一種可以滿足人們可持續(xù)發(fā)展需要的新型能源，越來(lái)越受到廣泛的重視，現(xiàn)階段在對(duì)太陽(yáng)能利用的各種技術(shù)手段當(dāng)中，太陽(yáng)能熱水的利用技術(shù)已經(jīng)十分成熟，成為最經(jīng)濟(jì)，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的一種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市住宅日常耗能的20%～25%用于生活熱水的需要。因此，形成了一種供求兩旺的局面，在未來(lái)具有良好的發(fā)展前景。而隨著太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)三十年來(lái)的發(fā)展，整體技術(shù)水平得到不斷地提高，并逐步由過(guò)去的粗放型使用模式發(fā)展到了集約型、注重于建筑一體化結(jié)合的新道路上。并由此形成了太陽(yáng)能熱水多種供水模式的局面。大體上來(lái)看，可分為集中式供水、集中—分散式供水、分散式供水3種模式，本文著重探討現(xiàn)行的幾種太陽(yáng)能熱水供水模式的運(yùn)行原理及特點(diǎn)。

一、住宅集中供給熱水式解決方案

1.系統(tǒng)概況。集中供給熱水系統(tǒng)是指用集中的太陽(yáng)能集熱器和集中的儲(chǔ)水箱來(lái)供給單棟住宅、幾棟住宅或一個(gè)單元住宅用戶生活用水的系統(tǒng)。目前，我國(guó)較多采用的是單元式集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，相對(duì)于國(guó)外廣泛流行的可供給幾棟住宅的區(qū)域式集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，筆者認(rèn)為單元式更適用我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)情，這主要是由技術(shù)、價(jià)格方面的因素，和我國(guó)城市居民的居住特點(diǎn)和生活習(xí)慣來(lái)決定的。我國(guó)太陽(yáng)能熱水技術(shù)從整體上落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，在采取區(qū)域式熱水供應(yīng)時(shí)，面臨許多技術(shù)上的問(wèn)題需要解決。我國(guó)城市中單元式住宅的居住特點(diǎn)使每一個(gè)單元的居民相互非常熟悉，非常容易達(dá)成共識(shí)。因此，單元式熱水供應(yīng)系統(tǒng)的日常管理比較方便，另外管道系統(tǒng)相對(duì)較短，維護(hù)費(fèi)用較低，性價(jià)比相對(duì)較高。

集中供給熱水系統(tǒng)為分體式運(yùn)行方式，系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱器和大水箱，兩者相互分離，管路系統(tǒng)承壓運(yùn)行。太陽(yáng)能集熱器一般采用平板式集熱器或熱管—真空管式集熱器，這兩種集熱器都具有內(nèi)部不走水的特點(diǎn)，并且都可以承壓運(yùn)行，十分適用于分體式熱水系統(tǒng)。集熱器水箱中裝有水溫傳感器，進(jìn)水管通過(guò)進(jìn)水電磁閥與太陽(yáng)能集熱裝置相通，集熱器水箱出水管與大水箱相通，大水箱底部有電加熱器，大水箱中裝置有水溫水位傳感器，在大水箱底部高于電加熱器的位置有出水口，出水口連接出水管，出水管經(jīng)自動(dòng)增壓泵與各用戶熱水龍頭相連，水溫水位傳感器、水溫傳感器、自動(dòng)增壓泵，都由設(shè)置的電腦控制系統(tǒng)控制其運(yùn)作。

集熱器面積一般取決于以下幾個(gè)因素：設(shè)計(jì)日用水量、太陽(yáng)能保證率、儲(chǔ)水箱內(nèi)熱水的終止設(shè)計(jì)溫度、當(dāng)?shù)厝掌骄蛟缕骄照樟康纫蛩?。其中設(shè)計(jì)日用水量不僅決定集熱器面積，同時(shí)也決定著大水箱的規(guī)模大小，設(shè)計(jì)日用水量可以通過(guò)兩種方法來(lái)確定，一種是按最高日用水量確定，一種是按日平均用水量確定，前者特點(diǎn)是儲(chǔ)水量大，舒適性高，但經(jīng)濟(jì)性差，且集熱器長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)使得集熱系統(tǒng)過(guò)導(dǎo)致集熱器和管路損壞的問(wèn)題較為突出，因此，比較適合用于一些重要的大型工程項(xiàng)目。而對(duì)于普通城鎮(zhèn)居民生活熱水供應(yīng)來(lái)說(shuō)，一般情況下依據(jù)日平均用水量來(lái)確定設(shè)計(jì)日用水量經(jīng)濟(jì)效益更佳。目前，太陽(yáng)能輔助加熱系統(tǒng)可按照30～60L/（人·d）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果每戶太陽(yáng)能生活熱水保證率設(shè)計(jì)的過(guò)高，不僅造成系統(tǒng)成本增加、成本回收期過(guò)長(zhǎng)，并且全年大部分時(shí)間內(nèi)的熱水都用不完，這將造成許多不必要的浪費(fèi)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)通常取80%為依據(jù)。

2.系統(tǒng)特點(diǎn)。

（1）該系統(tǒng)采用集熱器、水箱、智能控制設(shè)備和輔助加熱設(shè)備集中使用的方式，因此初期投資成本比較低。

（2）集中供給熱水系統(tǒng)的使用，利于平衡每戶的用水量，提高了太陽(yáng)能利用效率。

（3）通過(guò)分戶計(jì)量的方式收取熱水費(fèi)以使開(kāi)發(fā)商初期投資可以通過(guò)后期的運(yùn)行逐步收回，并能夠從中獲取收益。物業(yè)部門(mén)利用熱水費(fèi)的收益進(jìn)行系統(tǒng)的日常維護(hù)和管理，很大程度上節(jié)約了人力物力，減低了后期的維護(hù)成本。

（4）系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)由建筑設(shè)計(jì)階段開(kāi)始進(jìn)行，有助于提高熱水系統(tǒng)與建筑一體化水平。

二、住宅集中—分散供給熱水的解決方案

1.系統(tǒng)概況。住宅集中—分散供給熱水系統(tǒng)是指采用太陽(yáng)能集熱器集中集熱和分散到戶的儲(chǔ)水箱供給用戶熱水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)既可負(fù)責(zé)一棟或幾棟住宅供應(yīng)，也可以負(fù)責(zé)一個(gè)單元的熱水供應(yīng)。同樣可以保證為用戶24小時(shí)提供熱水供應(yīng)。與集中供給熱水系統(tǒng)不同的是，該系統(tǒng)的水箱分散布置在每一戶的用水終端，而不另單獨(dú)設(shè)置大水箱?？稍诿繎羲鋬?nèi)加裝電輔助或燃?xì)廨o助加熱設(shè)備，當(dāng)熱水溫度達(dá)不到使用要求時(shí)，開(kāi)啟輔助加熱設(shè)備以達(dá)到理想的出水溫度。

2.系統(tǒng)特點(diǎn)。

（1）該系統(tǒng)的集熱器為集中使用，并在每一個(gè)用戶的用水終端設(shè)置水箱，水箱內(nèi)設(shè)置智能控制設(shè)備和輔助加熱設(shè)備，初期投資成本相比集中式供給熱水系統(tǒng)高。

（2）該系統(tǒng)由于統(tǒng)一集熱，分散使用，因此太陽(yáng)能利用效率較高。

（3）該系統(tǒng)用戶可以自由的選擇是否經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能加熱后的熱水再次進(jìn)行電輔助加熱，因?yàn)樵诩惺较到y(tǒng)中，大水箱自動(dòng)檢測(cè)熱水溫度，如水箱中的水低于某一溫度后，將自動(dòng)進(jìn)行輔助加熱，這時(shí)普通用戶得到的通常為溫度較高的熱水（通常水溫高于45℃）。但是從經(jīng)濟(jì)角度上考慮，并不是所有用到熱水的地方都必須使用45℃以上的熱水。因此，在采用集中—分散供給熱水系統(tǒng)在使用過(guò)程中更為經(jīng)濟(jì)。雖然初始投資有所增加，但系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的收益大于系統(tǒng)初始投資。

（4）集中—分散供給熱水系統(tǒng)和集中供熱水系統(tǒng)相比使得住宅一體化結(jié)合更加容易，因?yàn)樵撓到y(tǒng)不設(shè)置大水箱，因此不必考慮對(duì)水箱的遮蔽。

三、住宅分散式供給熱水的解決方案

1.系統(tǒng)概況。分散式供給熱水系統(tǒng)指的是住宅每一戶單獨(dú)使用一套熱水器的形式。包括集熱器，水箱，管路，及控制設(shè)備等一套完整的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。通常所謂的家用太陽(yáng)能熱水器，一般就是指這種這種系統(tǒng)，它是目前城鎮(zhèn)居民使用率最多的一種太陽(yáng)能熱水設(shè)備。分散式供給熱水系統(tǒng)主要分為兩種形式，一種是整體式太陽(yáng)能熱水器，即集熱器與水箱一體式設(shè)計(jì)，悶曬式熱水器和全玻真空管直插式熱水器都屬于這種形式。另一種為分體式太陽(yáng)能熱水器，該系統(tǒng)通過(guò)每戶安裝在陽(yáng)臺(tái)、外墻或屋頂?shù)募療崞魑仗?yáng)輻射，使所生成的熱水傳遞并儲(chǔ)存在戶內(nèi)的水箱里方便使用。當(dāng)日照不足或用水量過(guò)大，水箱儲(chǔ)水難以滿足需要時(shí)，可通過(guò)電、燃?xì)獾容o助加熱設(shè)備進(jìn)行輔助加熱，以保證能產(chǎn)生充足的熱水。該系統(tǒng)每戶的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，獨(dú)立進(jìn)行管理。

2.系統(tǒng)特點(diǎn)。分散式供給系統(tǒng)“麻雀雖小，五臟俱全”。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

（1）分散式供給熱水系統(tǒng)每戶單獨(dú)使用整套熱水系統(tǒng)，不僅具備集熱器、水箱等必要構(gòu)件，而且應(yīng)同時(shí)配備一套完整的智能控制設(shè)備和輔助加熱設(shè)備，因此初期投資成本較高。

（2）分散式系統(tǒng)由每戶單獨(dú)實(shí)行管理，管理比較方便，如某一戶系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，不會(huì)影響其他用戶的使用。當(dāng)然，分散式的維護(hù)也必然造成維護(hù)費(fèi)用的增加。

（3）分散式系統(tǒng)由過(guò)去無(wú)序安裝在屋面的直插式熱水器改進(jìn)為集熱器在陽(yáng)臺(tái)或建筑立面統(tǒng)一布置，并進(jìn)行有組織的排列，水箱則在陽(yáng)臺(tái)等處隱藏在起來(lái)，做到了與住宅建筑的一體化結(jié)合。

（4）分散式系統(tǒng)采用每戶分散使用，但每戶用水量之間無(wú)法相互平衡，既有的家庭人口較多，對(duì)熱水需求高，僅太陽(yáng)能熱水不能滿足使用要求，還要通過(guò)輔助加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。還有的家庭人口少，對(duì)熱水需求不高，太陽(yáng)能熱水用不完，造成太陽(yáng)能資源不能更充分的利用。

（5）分散式系統(tǒng)分戶進(jìn)行，基本不破壞原有的建筑結(jié)構(gòu)，非常適合既有住宅的節(jié)能改造。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，我們可以對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集中供水模式產(chǎn)生較為全面、系統(tǒng)的了解。在針對(duì)不同類(lèi)型的住宅的使用中，可以根據(jù)其自身特點(diǎn)，選配相應(yīng)的供水模式，以達(dá)到節(jié)約成本、提高效率的目的。