劉威

摘 要：太陽能熱水器的安裝數(shù)量逐年遞增，其與建筑物一體化的安裝技術也在不斷發(fā)展。與此同時，太陽能熱水器存在的安全隱患—雷擊事故也備受人們關注。該文通過分析太陽能熱水器常見的雷擊安全隱患，結合有關標準規(guī)范及工作實踐經驗，就當前建筑物與太陽能熱水器的綜合防雷設計進行剖析。

關鍵詞：太陽能熱水器 建筑物 防雷設計

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0053-02

近年來，隨著國家政策不斷向節(jié)能環(huán)保方向的傾斜，太陽能作為一種新型可再生能源，因其具有清潔、環(huán)保等特點被廣泛應用。太陽能熱水器做為其產物，因價格低、使用方便而走進人們的生活，而為了使太陽能熱水器能夠充分的吸收太陽光，人們通常習慣性的將其安裝在室外屋頂最高處，集中排列安裝（農村自建房屋，多數(shù)還是分散、無序、不規(guī)范的安裝），往往超出了建筑物原有的接閃器保護高度平面，加上四周比較空曠，很容易留下較大的雷擊安全隱患。隨著科技的進步，越來越多智能化系統(tǒng)運用到太陽能熱水器。控制、信號、傳感等設備，一般工作電壓較低，建筑物一旦遭遇雷擊，太陽能熱水器將首當其沖。因此，研究太陽能熱水器與建筑物一體化防雷設計，對避免或減少雷電對設備運行、人身安全的危害具有非常重要的意義。

1 太陽能熱水器的組成及工作原理

太陽能熱水器從集熱部分不同可分為：真空玻璃管太陽能熱水器和金屬平板太陽能熱水器；從結構不同來分可分為：普通式太陽能熱水器和分體式太陽能熱水器；從貯水箱受壓來分可分為：承壓式太陽能熱水器和非承壓式太陽能熱水器；就其水流方向來分可分為：循環(huán)式、直流式和整體式太陽能熱水器。但無論哪一種熱水器，一般均由集熱器、保溫水箱、支架、連接管道、控制部件等組成（如圖1）。

太陽能熱水器是一個吸收太陽光光能轉化為熱能的設備。該文以市面上安裝最多的真空玻璃管太陽能熱水器為例展開分析。真空玻璃管是太陽能熱水器的核心，它的結構如同一個拉長的暖水瓶瓶膽，內外層之間為真空，在內玻璃管的表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，用來最大限度的吸收太陽輻射能。經陽光照射，光子撞擊涂層，太陽能轉化為熱能，水從涂層外吸熱，水溫升高，密度減小，熱水向上運動，而比重大的冷水下降，熱水始終位于上部，即保溫水箱中。太陽能熱水器中熱水的升溫情況與外界溫度關系不大，主要取決于光照。當打開廚房間、洗浴間水龍頭時，集中在保溫水箱內的熱水便依靠自然落差流出，落差越大，水壓也高。

2 太陽能熱水器常見的雷擊隱患

太陽能熱水器存在的雷擊安全隱患主要在于集熱器、保溫水箱、支架等主要金屬部件，多設于樓頂或室外高處，一旦遭遇雷擊，太陽能熱水器往往是“挨打”的對象，造成室外部分設備部件損壞，緊接著強大的雷電流可能沿著金屬管道、熱水、控制線、傳感信號線路侵入室內，危及其他用電設備乃至使用者的人身安全。另一種可能，附近遭遇雷擊，因閃電感應、閃電電磁脈沖耦合產生雷電過電壓、過電流，沿建筑物金屬構件、金屬管線等侵入系統(tǒng)控制終端，造成電子電器元件的損壞。

3 太陽能熱水器與建筑物一體的防雷措施

太陽能熱水器應當在設計階段就與建筑物主體電氣設計有效結合起來，采取一體化綜合防護設計。因為太陽能熱水器的防雷設計要緊密依托建筑物主體的防雷設計，應該做到二者同時設計、同時施工、同時投入使用。根據(jù)太陽能熱水器自身結構可分為室外、室內兩部分，綜合防雷措施應采取外部防雷裝置、內部防雷裝置以及加裝SPD等多種措施相結合。

3.1 外部防護措施

為了使太陽能熱水器最大限度的接收太陽光，太陽能熱水器絕大多數(shù)安裝在建筑物的制高點，導致建筑物頂部聚集了大面積的金屬設施，以至于太陽能熱水器保溫水箱、集熱器、支架、管道等金屬設施難以完全處于接閃器的有效保護范圍內（即處于LPZ1區(qū)之外），在一定程度上也加劇了雷暴云團下方大氣電場的突變，增加了雷擊概率。因此，在不影響采光效果的同時，應盡量降低太陽能熱水器的的安裝高度，最好安裝在屋頂次高點，確保太陽能熱水器處于接閃器（接閃帶、接閃網(wǎng)、接閃線等）的有效保護范圍內。若無法使太陽能熱水器處于防雷裝置的有效保護范圍內，應在相應的位置增設專用接閃器（如圖1），使太陽能熱水器保溫水箱、集熱器、支架、金屬管道等金屬設施處于專用接閃器的有效保護范圍內。專用接閃器材料規(guī)格、安全距離等應滿足《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057

-2010的要求。

3.2 內部防護措施

該研究者在實際工作中經?？吹教柲軣崴骺刂凭€、信號傳感線以及有輔助電加熱功能的電源線等線纜穿PVC管進出建筑物，根據(jù)規(guī)范要求，這是嚴重的錯誤。根據(jù)GB50057-2010第4.5.4條第二款的條文解釋，這些線路應采用鋼管或金屬線槽強弱電分開走線，避免強弱電干擾，鋼管或金屬線槽兩端接地，在進出建筑物處連接到等電位連接端子上重復接地，起到屏蔽和分流的作用。這里的等電位端子在建筑圖紙設計時就應該標出，施工階段預留。這也符合我國現(xiàn)代防雷設計六大基本要素，即接閃、分流、屏蔽、等電位連接、接地、綜合布線。隨著研究的深入，現(xiàn)在防雷設計加入了另一重要因素，安裝SPD。

3.3 低壓配電系統(tǒng)的防護措施

現(xiàn)在市面上銷售的太陽能熱水器大部分有輔助電加熱功能。GB50057-2010第4.5.4明確規(guī)定：固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙信號燈及其他用電設備和線路均應根據(jù)各自類別采取相應的防護措施。太陽能熱水器處在LPZ0區(qū)，閃電電磁場沒有減弱，根據(jù)GB50057-2010第4.5.4條第三款，應在太陽能熱水器輔助電加熱配電箱內開關的電源側安裝Ⅱ級試驗的SPD，其電壓保護水平不應大于2.5kV，In值應根據(jù)具體情況確定。此第三款規(guī)范在工程施工中應注意四點。

⑴應在開關的電源側裝設SPD。目的有兩個：①防止雷擊危險電位差擊穿電氣絕緣；②有效的保護了需要特殊保護設備—開關；

⑵規(guī)定需裝設Ⅱ級試驗的SPD。這里考慮到了此處裝設的SPD與上游SPD之間的能量配合問題，⑴、⑵在GB50057-2010第4.5.4條條文說明第三款有詳細說明，⑵與規(guī)范6.4.5條第三款相呼應；

⑶其電壓保護水平不應大于2.5kV。查設備絕緣耐沖擊電壓額定值表6.4.4，太陽能熱水器耐沖擊電壓類別屬Ⅱ類，此處安裝SPD，電壓保護水平不應大于2.5kV。根據(jù)規(guī)范第6.4.6條條文說明，工程中應選用有較小Up值的SPD。為使Up足夠小，應采用合理的接線，并盡可能縮短接線長度。

⑷此處SPD的In值。規(guī)范第6.4.5條第三款規(guī)定，In值不應小于5kA。根據(jù)規(guī)范第4.5.4條條文說明第四款，按Ⅱ類建筑實例計算來看，In值取20kA也是可行的。

4 其他防護措施

（1）為保障太陽能熱水器遭受的雷電過電壓、過電流能夠安全、迅速地泄放，應當在建筑物主體防雷裝置設計時，盡可能多地增加防雷引下線數(shù)量以降低分流系統(tǒng)，同時充分利用建筑物結構圈梁形成等電位連接環(huán)以均衡電流分布。

（2）豎向管道應優(yōu)先從專設的管道井內敷設，當不可避免需要在外墻面敷設時，應遠離墻角、邊緣和顯著突出的部位。

（3）屋面安裝太陽能熱水器，要考慮建筑物的安全荷載變化，同時對安裝的太陽能熱水器抗風等級評估，必要時采取加固措施。

（4）制定太陽能熱水器系統(tǒng)安全運行管養(yǎng)制度。在小區(qū)公共信息窗口宣傳雷電安全防護常識，提高管理、使用人員安全防范意識和自我保護能力，避免或減少雷暴活動期間使用太陽能熱水器。

5 結語

太陽能與建筑物一體化得到了快速的發(fā)展，作為關系到人民生命財產安全的太陽能熱水器系統(tǒng)的防雷問題，筆者認為應從外部防雷措施（裝設專用接閃器）、內部防雷措施以及裝設能級匹配的SPD等措施相結合，依托建筑物主體防雷裝置進行綜合防護。涉及太陽能廠家、建筑、電氣等多個領域，需要建立在相關專業(yè)技術人員充分溝通、協(xié)作的基礎上共同解決，以降低雷擊風險。

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