姚月姣

建筑太陽能熱水系統(tǒng)選用

姚月姣

姚月姣

天津華廈建筑設計有限公司

以熱水的供水范圍劃分，將建筑太陽能熱水系統(tǒng)分為三類，分別介紹每種類型太陽能熱水系統(tǒng)的適用范圍、設備組成、集熱器與儲熱水箱的布置等內(nèi)容。系統(tǒng)選型時應考慮的因素，包括建筑的使用功能、熱水用水量、可布置太陽能集熱器的場所、設備房的位置和采光面積大小等。

前言

太陽能作為主要的清潔和可再生能源正在被日益廣泛地應用，我國的太陽能熱水技術(shù)正在不斷地發(fā)展成熟，可供選擇的太陽能熱水系統(tǒng)類型呈多樣化發(fā)展趨勢。按照熱水的供水范圍劃分，太陽能熱水系統(tǒng)可分為三種類型：（1）集中供熱水系統(tǒng)；（2）集中-分散供熱水系統(tǒng)；（3）分散供熱水系統(tǒng)。這三種類型既可以單獨應用，也可以組合應用。下面結(jié)合不同的建筑類型和熱水使用要求，在太陽能熱水系統(tǒng)選型、設備組成與布置，以及與建筑一體化的結(jié)合等方面，逐一介紹。

集中供熱水系統(tǒng)

酒店、宿舍、醫(yī)院、游泳館、公共浴室、工業(yè)企業(yè)生活間等熱水用量大，用水時間相對集中的建筑，推薦采用集中供熱水系統(tǒng)。集熱器通常布置在屋面上，這樣能夠最大限度地減少其他建筑物的遮擋，不受朝向影響，保證集熱器的光照時間。不同的屋面形式，集熱器的布置和固定方式也不同。集熱器在平屋面上，通過支架與屋面固定，傾角等于當?shù)鼐暥取?0度。這種布置對建筑立面無影響，系統(tǒng)管線易于隱蔽，而且平屋面便于日常的維護和檢修。坡屋面上，集熱器可以緊貼屋頂結(jié)構(gòu)安裝，減少風力的不利影響，同時還可以代替保溫隔熱層，減少屋頂夏天的熱負荷。在屋面采光面積不足的情況下，集熱器可以與屋面的某些建筑元素結(jié)合，達到增加采光面積的目的，例如將集熱器設置在屋面的構(gòu)架或飄板上。

在屋面采光面積不足的情況下，除了想辦法增加可設置集熱器的空間外，還可以調(diào)整集熱器的類型。近年來拋物面槽式太陽能集熱器在太陽能生活熱水系統(tǒng)中的應用日趨成熟。它是聚焦型集熱器，屬于中高溫集熱器的一種，區(qū)別于目前常用的平板型和真空管型非聚焦性集熱器，它能夠獲得較高的集熱溫度，在國外已經(jīng)成功應用于太陽能熱發(fā)電、空調(diào)制冷、采暖和海水淡化等領域。在國內(nèi)也有多個太陽能設備生產(chǎn)廠家能夠提供基于這類集熱器的太陽能熱水系統(tǒng)解決方案。槽式太陽能集熱器，由拋物面反射鏡、太陽能接收器和支架3部分組成。它的拋物面結(jié)構(gòu)使反射鏡上的太陽光聚集到真空管上，加熱真空管內(nèi)的導熱油，最高可加熱到300℃。拋物面結(jié)構(gòu)和聚焦原理可以極大地減小集熱器的占地面積，在熱水用量相同的情況下，占地面積約為平板型和真空管型集熱器的1/2。這種類型的集熱器有逐日系統(tǒng)，反射鏡可以跟蹤太陽的方位進行旋轉(zhuǎn)，因此只能安裝在平屋面上，無法安裝在坡屋面上。當水溫過高時，反射鏡可自動偏轉(zhuǎn)，不再聚光，防止系統(tǒng)過熱。

在集中式的太陽能熱水系統(tǒng)設計中，還應考慮換熱設備、儲熱水箱（水罐）、輔助加熱設備、循環(huán)水泵、自控系統(tǒng)等設備的布置。在平屋面上，空間充足的條件下，推薦設置一處水箱間，將上述設備集中安置在水箱間內(nèi)，這樣有利于日常的維護和管理，而且不占用室內(nèi)空間。相反，如果平屋面上的空間有限或者是坡屋面，則需要找一處設備間，通常設置在頂層，縮短集熱器與換熱設備之間的管道長度。儲熱水箱（水罐）的容積、循環(huán)水泵的壓力和流量、輔助加熱設備等參數(shù)，則需要根據(jù)設計計算結(jié)果確定，此處不再詳述。

對于熱水用量較少的低層居住建筑，尤其是別墅，日用水量在200L至500L之間，推薦采用分體式的太陽能熱水器，而非在屋面安裝多個容量200L以下的一體式太陽能熱水器。分體式的熱水器，集熱器既可以設置在建筑屋面，也可以代替護欄或空調(diào)百葉，或作為建筑元素以模塊化形式自由組合，提升建筑的美感。儲熱水箱的安裝位置也不受限制，可以放置在陽臺、衛(wèi)生間或地下室，不增加屋面的結(jié)構(gòu)荷載。相對于屋面安裝的一體式太陽能熱水器，水箱設置在室內(nèi)，熱損耗也相對變小。水箱的容積可以根據(jù)熱水的用量定制，實現(xiàn)多衛(wèi)多廚多點供水，滿足用戶的多種家庭用水需求。

對于多層和高層的住宅而言，集中式的太陽能熱水系統(tǒng)就不占優(yōu)勢了，不僅存在配水管道長，熱損耗大的問題，還經(jīng)常由于熱水的計量收費問題引起業(yè)主與物業(yè)管理之間的糾紛。這種情況下，推薦采用集中-分散供熱水系統(tǒng)和分散供熱水系統(tǒng)，或者二者組合應用。

集中-分散供熱水系統(tǒng)

對于多層或者小高層住宅，需要視工程的具體情況而定，屋面面積滿足集熱器采光面積的情況下，可以考慮將太陽能集熱器布置在屋面，最大限度地獲得太陽能資源。在每個住戶內(nèi)，安裝一個具有換熱功能和輔助加熱功能的承壓儲熱水箱，太陽能集熱器與儲熱水箱內(nèi)的換熱器通過管路相連，形成一個循環(huán)回路，通過換熱的方式將每戶儲熱水箱中的水加熱。這種系統(tǒng)類型即為集中-分散供熱水系統(tǒng)。住戶使用自家的水和電，不需要物業(yè)另行收取太陽能水費和電費，規(guī)避了業(yè)主和物業(yè)管理之間的糾紛，缺點是該系統(tǒng)的初期投資會比較高，住宅內(nèi)每戶需要配置儲熱水箱及輔助加熱設備，占用戶內(nèi)空間。

分散供熱水系統(tǒng)

集中供熱水系統(tǒng)和集中-分散供熱水系統(tǒng)，因集熱器均集中設置在屋面，故要求屋面的采光面積必須足夠大。但是，隨著住宅樓層的增加，高層，特別是小戶型高層住宅，屋面的采光面積有限，無法滿足全部用戶的熱水需求。這種情況下可以采用分散式的太陽能熱水系統(tǒng)，設計中通常采用壁掛式的太陽能熱水器。集熱器一般設置在南向陽臺欄板上或者窗間墻上，每個住戶內(nèi)設置一個儲熱水罐，水罐內(nèi)置電輔助加熱裝置。太陽能集熱系統(tǒng)采用自然循環(huán)非承壓運行，集熱器吸收太陽光，使里面的熱媒介質(zhì)溫度升高，熱媒通過換熱裝置與儲熱水罐中的水進行熱交換，從而加熱水罐中的水。儲熱水罐一般安裝在比集熱器位置高的陽臺內(nèi)或衛(wèi)生間內(nèi)，容量根據(jù)用水量確定，多為80L和100L。

壁掛式的太陽能熱水器的儲熱水罐，需要占用一定的戶內(nèi)空間。在某些小戶型高層住宅，陽臺的面積很小或者沒有陽臺，不適宜設置儲熱水罐，這種情況下可以采用一種將集熱器和儲熱水罐整合為一體的太陽能熱水器，簡稱為悶曬型一體式太陽能熱水器。它是從傳統(tǒng)的悶曬加熱原理演變而來，通過適當增加真空集熱管的管徑，在真空集熱管內(nèi)設置不銹鋼內(nèi)膽，儲存熱水。通過連接底座，將各個模塊化的不銹鋼內(nèi)膽固定，并依此串聯(lián)成一個整體，實現(xiàn)水的儲存功能。真空集熱管既具有集熱功能，也具有真空保溫功能。在太陽光的照射下，真空集熱管內(nèi)的吸收涂層將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，直接加熱不銹鋼內(nèi)膽中的水，具有直接加熱、熱效率高的特點。在陰雨天氣，通過不銹鋼內(nèi)膽內(nèi)的電輔助加熱裝置，保證用戶的熱水需求。為住宅用戶配置的太陽能熱水器的儲水容積多為80L至110L，還可以根據(jù)用戶的需求，通過調(diào)整串聯(lián)接入的集熱管的數(shù)量和高度來增加儲水量，根據(jù)設備生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)，真空集熱管的高度最高可達2.5m。設計中需要注意的是，不銹鋼內(nèi)膽中的熱水僅依靠真空集熱管的真空保溫，在華北地區(qū)已經(jīng)有很好的應用，但在寒冷地區(qū)應用時，如東北地區(qū)，要同設備生產(chǎn)廠家進行確認或參考當?shù)氐膽冒咐?/p>

上述兩種類型可以不受住宅樓層數(shù)量的限制，各住戶獨立使用熱水，獨立計量，互不干擾。集熱器設置在建筑外墻上，具有管線較短，安裝、檢修方便等優(yōu)點。缺點是系統(tǒng)整體造價較高，而且由于集熱器設置在建筑外墻上，在安裝角度和建筑物遮擋方面，都會影響集熱器的集熱效率。往往高層住宅的南向外墻面非常有限，設置在外墻面的集熱器要處理好與陽臺、窗、空調(diào)機位等住宅立面元素的關系，集熱器可以固定在陽臺欄板、窗間墻、窗下墻、空調(diào)室外機百葉等位置。

不同系統(tǒng)的組合應用

高層住宅下部的住戶，由于遮擋造成日照時間不足4小時，不適宜采用壁掛式的太陽能熱水器。這部分住戶可以采用集中-分散式的太陽能熱水系統(tǒng)或空氣源熱泵等其它系統(tǒng)形式。這樣一棟高層住宅可以采用兩種系統(tǒng)形式，上部樓層采用壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)，下部日照時間不足4h的樓層采用集中-分散式的太陽能熱水系統(tǒng)。這樣可以滿足全部住戶的太陽能熱水的需求。各住戶的熱水能耗計費，可完全通過自來水費和電費來收取，不存在計量收費糾紛問題。

結(jié)語

設計過程本身就是一個由建筑師、給排水設計師、太陽能設備供應商、建設單位等多方面人員密切配合的過程。太陽能熱水系統(tǒng)的應用與建筑一體化結(jié)合還有很大的發(fā)展空間，設計人可根據(jù)項目的具體情況，選擇合適類型的太陽能熱水系統(tǒng)，或者采用兩種或兩種以上的組合式太陽能熱水系統(tǒng)，甚至不局限于現(xiàn)有的類型，發(fā)展創(chuàng)造出更多的系統(tǒng)形式。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.021