【摘要】本文就寧波地區(qū)普遍設(shè)計(jì)使用的集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，并以江北區(qū)某高層住宅小區(qū)項(xiàng)目為例，對(duì)該太陽能熱水系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作原理及運(yùn)行性能進(jìn)行了分析闡述，并從運(yùn)行管理、安全性問題、設(shè)計(jì)使用年限問題、施工問題等方面對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用的情況進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從而對(duì)該系統(tǒng)在高層住宅建筑的應(yīng)用提供一些微薄的建議。

Abstract：In this paper， the commonly used design of ningbo area of centralized collector， household heat storage， heated semi-centralized solar water heating system are studied， and a high-rise residential building in jiangbei project as an example， the basic composition of the solar hot water system， the design requirements， working principle and operation performance are analyzed， and the operation management， security problem， design life issues， construction problems after the application of the system are analyzed in experience， thus to provide some suggestions to the system application in high-rise residential building.

【關(guān)鍵詞】集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統(tǒng) 高層住宅 集熱器 儲(chǔ)熱水箱

Key words：Centralized collector， household heat storage， heated semi-centralized solar water heating system；High-rise residential；Collector；Hot water tank

1、前言

太陽能做為一種清潔免費(fèi)的能源，在目前環(huán)境破壞日益嚴(yán)重和能源危機(jī)的今天，其在住宅建筑中的利用可謂意義深遠(yuǎn)，而太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能資源利用的最有效、最簡(jiǎn)便的方式，因此太陽能熱水系統(tǒng)在住宅建筑中的應(yīng)用，具有不可替代的地位。

近年來，國家頒布了可再生能源法，建設(shè)部也先后出臺(tái)了建筑節(jié)能管理?xiàng)l例，國內(nèi)大批省份也推出各種鼓勵(lì)或強(qiáng)制要求住宅建筑安裝太陽能的政策規(guī)定。

寧波市做為沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，于2010年也推出《寧波市民用建筑節(jié)能管理辦法》和《寧波市民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì)、安裝及驗(yàn)收實(shí)施細(xì)則》 ，規(guī)定新建有生活熱水系統(tǒng)的公共建筑、12層以下的居住建筑以及12層以上居住建筑的逆6層，應(yīng)當(dāng)將太陽能利用與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。并規(guī)定新建建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)納入建筑工程設(shè)計(jì)，統(tǒng)一規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收，與建筑工程同時(shí)投入使用。高層住宅目前在城市新建住宅中占很大比例，因此研究適合該地區(qū)高層住宅建筑的太陽能熱水系統(tǒng)是極為必要和亟待解決的問題。

2、太陽能熱水系統(tǒng)形式

2.1 集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統(tǒng)（以下該系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為“集中式太陽能熱水系統(tǒng)”）。在住宅的每個(gè)單元設(shè)置一套系統(tǒng)，集熱器、中間換熱水箱和循環(huán)泵設(shè)置于屋面，每戶戶內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)熱水箱，間接加熱，通過儲(chǔ)熱水箱的換熱器為用戶制備熱水，采用電加熱或燃?xì)廨o助加熱。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）強(qiáng)制性循環(huán)，熱水制取效果較好；（2）太陽能熱媒系統(tǒng)與戶內(nèi)熱水系統(tǒng)完全獨(dú)立，戶內(nèi)熱水管道不存在冬季凍裂和結(jié)垢問題；（3）儲(chǔ)熱水箱為承壓水箱，戶內(nèi)冷熱水壓力平衡；（4）不存在水費(fèi)公攤問題。該系統(tǒng)缺點(diǎn)：（1）如系統(tǒng)出問題，該單元所有用戶的熱水系統(tǒng)都會(huì)受到影響；（2）對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行和管理要求較高。

2.2 緊湊整體式太陽能熱水系統(tǒng)

該系統(tǒng)的太陽能集熱器和熱水箱為一個(gè)整體，放置于住宅屋頂，冷水通過自來水的壓力注入熱水箱，通過溫差異重的熱虹吸進(jìn)行自然循環(huán)，熱水通過管道引入戶內(nèi)使用。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：（1）每戶相互獨(dú)立，互不干擾，管理方便；（2）初期投資較省。該系統(tǒng)缺點(diǎn)。（1）戶內(nèi)冷熱水壓力很難平衡；（2）需每戶設(shè)置一套循環(huán)泵，否則熱水供管距離會(huì)過長；（3）管道數(shù)量較多，屋面和管道井布置管道困難；（4）集熱器資源不能共享。

2.3 陽臺(tái)壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)

該系統(tǒng)的集熱器和水箱相互分離，集熱器安裝在陽臺(tái)外立面上，利用水箱和集熱器的高度差進(jìn)行自然循環(huán)，靠自來水壓力頂出熱水。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：（1）分戶管理，互不干擾；（2）戶內(nèi)冷熱水壓力平衡。該系統(tǒng)缺點(diǎn)：（1）存在遮光問題；（2）建筑立面受影響；（3）集熱器掛在陽臺(tái)外立面上存在安全隱患。另外太陽能應(yīng)用技術(shù)規(guī)程對(duì)日照的要求是保證大寒日連續(xù)日照4h，而住宅建筑規(guī)范對(duì)日照的要求是保證大寒日連續(xù)日照2h，這就導(dǎo)致了高層建筑的低層用戶日照時(shí)間會(huì)不足，再加上有可能存在的樹木及建筑自身遮擋，熱效率不高的問題會(huì)更加嚴(yán)重。因此陽臺(tái)壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)不適合高層住宅建筑。

上述3種系統(tǒng)是住宅中最普遍使用的太陽能熱水系統(tǒng)，從系統(tǒng)的整體性能、熱效率、使用舒適性、運(yùn)行管理的方便性及投資的經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行考慮。這三種太陽能熱水系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，從整體性能、熱效率和使用舒適性方面排序，集中式太陽能熱水系統(tǒng)最優(yōu)。從運(yùn)行管理和投資方面排序，緊湊整體式太陽能熱水系統(tǒng)最優(yōu)。

綜合考慮，集中式太陽能熱水系統(tǒng)整體性能好，運(yùn)行穩(wěn)定，熱效率較高，集中管理方便，使用舒適性較好，不存在計(jì)量收費(fèi)問題，因此該系統(tǒng)較適合該地區(qū)的高層住宅。

3、集中式太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

寧波地區(qū)位于東經(jīng)120°55'～122°16'，北緯28°51'～30°33'，年均日輻射量約為13.12MJ/m2·d，年太陽能輻射量約為4.50×106 KJ/m2·a。

江北區(qū)某高層住宅小區(qū)項(xiàng)目位于江北區(qū)灣頭區(qū)域，地上共有5棟高層建筑，樓層為15層到18層不等。每棟樓的逆六層設(shè)置集中式太陽能熱水系統(tǒng)，共156戶。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程太陽能熱水系統(tǒng)采用集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式系統(tǒng)。每個(gè)單元設(shè)置一套系統(tǒng)。每戶戶內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)熱水箱，間接加熱，通過水箱的換熱器為用戶制備熱水，采用電輔助加熱。每套系統(tǒng)分別由太陽能集熱板、中間水箱、集熱循環(huán)泵、換熱循環(huán)泵、戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱、管路閥門和控制系統(tǒng)等組成。

3.2.1太陽能集熱器

本工程選用全玻璃真空管集熱器，該種集熱器透光性好，熱穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)低，耐熱沖擊溫差大，熱損小，集熱效率高，而且造價(jià)不高。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)不當(dāng)或安裝不良會(huì)出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

寧波地區(qū)集熱器安裝方位應(yīng)朝向正南或正南偏西。安裝傾角根據(jù)熱水的使用季節(jié)和地理緯度確定，本工程集熱器安裝角度定為30°。

集熱器的位置布置方式是太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合的關(guān)鍵，一般有3種布置方式。布置方式1：集熱器平鋪于屋頂，這種布置方式適合高層住宅屋頂?shù)臋C(jī)房面積相對(duì)較小，且屋頂無其他遮擋物。布置方式2：集熱器架空于屋頂，架空形式可為傾斜角度或者水平形式架空，此種布置方式適合屋頂設(shè)備較多或者屋面女兒墻或架構(gòu)結(jié)構(gòu)遮擋較為嚴(yán)重時(shí)。布置方式3：集熱器設(shè)置于坡屋頂，坡屋頂由于可設(shè)置集熱器的部分面積較小，一般直接將集熱器鋪設(shè)與坡屋面。

本工程的屋面均為平屋面，屋面基本無遮擋，采光情況較好，因此集熱器直接布置于屋面。

集熱器通過串聯(lián)方式連接成集熱器組，并采用強(qiáng)制循環(huán)方式循環(huán)加熱。

集熱器面積根據(jù)用戶每日的用水量和熱水溫度要求以及當(dāng)?shù)靥柲茌椪樟康葏?shù)計(jì)算。計(jì)算公式如下：

°

式中，Ac—直接加熱系統(tǒng)太陽能集熱器總面積，m2；

Qw—日均熱水用水量，L（可按最高日用水量的下限取值）；

Cw—水的定壓比熱容，4.187kJ/kg·℃；

tend—儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的終止溫度，℃；

ti—儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的初始溫度，℃；

f—太陽能保證率，無量綱（0.4～0.8）；

ρ—水的密度，1.0kg/L；

JT—集熱器采光面上月均日輻射量（KJ/m2·d）。

ηcd—集熱器全日集熱效率，無量綱（0.46～0.55）；

Ain—間接加熱系統(tǒng)太陽能集熱器總面積，m2；

Fhx—間接加熱系統(tǒng)換熱器換熱因子；

因此，經(jīng)計(jì)算，每戶集熱器面積取2.50m2。

3.2.2管路設(shè)計(jì)

太陽能熱水管道的布置比較重要，首先熱媒主管道需做到同程布置，管線的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量短捷順暢，減少熱損。另外熱媒立管位置應(yīng)盡量靠近儲(chǔ)熱水箱，這樣儲(chǔ)熱水箱熱媒支管不會(huì)形成短路，換熱效果會(huì)較好。如儲(chǔ)熱水箱設(shè)置于設(shè)備平臺(tái)，太陽能熱媒立管也應(yīng)盡量就近設(shè)置于設(shè)備平臺(tái)。

由于太陽能熱水管道溫度很高，特別是夏天太陽暴曬情況下，熱水可能接近沸點(diǎn)，所以對(duì)太陽能熱水管道材料和配件的質(zhì)量要求較高，目前熱水管普遍采用的主要有不銹鋼管和不銹鋼復(fù)合管兩種。不銹鋼管質(zhì)量可靠，但造價(jià)高，一般應(yīng)采用焊接連接，不宜采用橡膠圈卡壓連接。不銹鋼復(fù)合管價(jià)格稍便宜，但使用年限一長，質(zhì)量難以保證。

另外太陽能熱水系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)應(yīng)有可靠的防凍、防超溫、超壓措施。具體如下：

過熱保護(hù)：（1）當(dāng)中間水箱溫度≥80℃時(shí)，換熱循環(huán)泵停止運(yùn)行，且集熱循環(huán)泵也停止運(yùn)行；且優(yōu)先級(jí)要低于換熱系統(tǒng)，高于集熱系統(tǒng)。（2）當(dāng)集熱器熱水溫度≥90℃時(shí)，集熱循環(huán)泵運(yùn)行10分鐘，停20分鐘，防止集熱器爆管。

防凍控制：當(dāng)中間水箱溫度≤5℃時(shí)，集熱循環(huán)泵開啟，將中間水箱內(nèi)溫水打進(jìn)集熱器；中間水箱溫度≥10℃時(shí)，循環(huán)泵關(guān)閉，以防止循環(huán)管路凍結(jié)。此控制僅限冬季使用，且優(yōu)先級(jí)要低于集熱系統(tǒng)控制。

3.2.3 戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱

根據(jù)規(guī)范要求，集中式太陽能熱水系統(tǒng)戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱容積可按下面公式計(jì)算確定。

Vrx—儲(chǔ)熱水箱有效容積（L）；

Aj—每戶集熱器面積（m2）；

qrjd—集熱器單位采光面積平均每日產(chǎn)熱水量 [L/m2·d]；根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果確定；間接供水系統(tǒng)qrjd一般取30～70 L/m2·d；

本工程，戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱容積取120L。儲(chǔ)熱水箱采用立式儲(chǔ)熱水箱，設(shè)置于設(shè)備平臺(tái)。

工程中有時(shí)根據(jù)項(xiàng)目情況，儲(chǔ)熱水箱需要設(shè)置于衛(wèi)生間內(nèi)，采用掛式安裝，這時(shí)設(shè)計(jì)要注意掛式水箱的容積，一般最大只有100L，另外，儲(chǔ)熱水箱位置應(yīng)避開衛(wèi)生間排水管位置，避免衛(wèi)生間層高不足的問題。

3.2.4 戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱輔助熱源

戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱輔助熱源一般可采用電加熱或燃?xì)獾容o助熱源，電加熱比較方便，直接在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)膽內(nèi)內(nèi)置電加熱，投資較省。燃?xì)廨o助一般是儲(chǔ)熱水箱出水直接進(jìn)燃?xì)鉄崴骷訜?，再產(chǎn)出熱水，運(yùn)行費(fèi)用比電加熱省，但初期投資較大，需再配一臺(tái)燃?xì)鉄崴?，因此工程中，普遍采用電輔助加熱。

最終，本工程每戶設(shè)計(jì)人數(shù)取3.5人，每個(gè)單元共12戶，熱水用水量為40L/人·d。計(jì)算生活熱水溫度：60℃，計(jì)算冷水溫度15℃。集熱器設(shè)置于屋面上，集熱器為非承壓，每戶集熱面積2.50m2，每單元集熱器面積30m2。分戶儲(chǔ)熱水箱設(shè)置于戶內(nèi)設(shè)備平臺(tái)，容積120L/戶。屋頂設(shè)置中間水箱，容積為1000L。

3.3 工作原理

屋面中間水箱的水通過集熱器加熱后，中間水箱熱媒水通過管道循環(huán)加熱戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱。

集熱循環(huán)：太陽能熱水系統(tǒng)集熱循環(huán)泵與溫度傳感器T1（集熱器熱水溫度）、T2（中間水箱熱水溫度）連鎖，當(dāng)T1-T2≥10°C（可調(diào)）時(shí)啟泵；當(dāng)T1-T2≤2°C（可調(diào)）時(shí)停泵。

換熱循環(huán)：太陽能熱水系統(tǒng)換熱循環(huán)泵與溫度傳感器T2（中間水箱熱水溫度）、T3（熱媒回水管熱水溫度）連鎖，當(dāng)T2-T3≥10°C（可調(diào)）時(shí)啟泵；當(dāng)T2-T3≤2°C（可調(diào)）時(shí)停泵，電磁閥由各戶控制器控制。

儲(chǔ)熱水箱換熱：當(dāng)T6（熱媒主管熱水溫度）-T5（儲(chǔ)熱水箱熱水溫度）≥10°C（可調(diào)）時(shí)，分戶電磁閥開啟；當(dāng)T6-T5≤5°C（可調(diào)）時(shí)，分戶電磁閥關(guān)閉。儲(chǔ)熱水箱輔助加熱功率為3.0KW，當(dāng)T5≤35°時(shí)啟動(dòng)（可調(diào)），加熱至55°C時(shí)關(guān)閉。啟動(dòng)時(shí)間根據(jù)住戶要求可分別設(shè)置。

3.4 運(yùn)行情況

本工程太陽能熱水系統(tǒng)由專業(yè)廠家負(fù)責(zé)安裝施工，于2015年10月底施工基本完成，然后開始調(diào)試，對(duì)每棟樓的太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)驗(yàn)，對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行整改完善，最終于2015年底驗(yàn)收竣工。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)總體運(yùn)行正常，系統(tǒng)基本合理，設(shè)備布置整齊有序，戶內(nèi)熱水溫度和水量能滿足用戶需要。

4、問題分析

目前集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統(tǒng)在寧波地區(qū)高層住宅的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，經(jīng)過幾年的應(yīng)用和摸索，還是存在著很多問題。

4.1 相關(guān)政策問題

雖然目前寧波地區(qū)對(duì)高層居住建筑的節(jié)能要求非常嚴(yán)格，但對(duì)于12層以上的高層建筑只要求逆六層必須設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)，對(duì)于其余樓層未做強(qiáng)制要求，高層住宅除逆六層以外的用戶無法享受太陽能熱水系統(tǒng)。另外太陽能熱水器產(chǎn)品的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法己有國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但缺乏與建筑相關(guān)的通用設(shè)計(jì)圖集和應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，缺少相關(guān)對(duì)口的政府管理部門的監(jiān)督管理。尤其在目前高層住宅快速建設(shè)階段，這方面有待跟上。

4.2 運(yùn)行管理問題

高層住宅的太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)方便物業(yè)管理，避免業(yè)主與物業(yè)管理之間由此產(chǎn)生糾紛。對(duì)于高層住宅，集中太陽能熱水系統(tǒng)，這種方案也會(huì)帶來業(yè)主與物業(yè)管理之間的糾紛。由于目前物業(yè)管理水平參差不齊，物業(yè)能否很好的完成太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行管理是個(gè)重要問題。集中式太陽能熱水系統(tǒng)剛投入使用可能系統(tǒng)還比較穩(wěn)定，但使用年限長了后，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化，系統(tǒng)故障等問題，該系統(tǒng)的日常維護(hù)管理尤為重要。因此，高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)，需制定一套合理完善的運(yùn)行管理方案。

4.3 安全性要求

太陽能集熱器安裝時(shí)，本身重量和支架重量給建筑帶來額外荷載，管線安裝、基礎(chǔ)埋設(shè)也會(huì)破壞原有的建筑結(jié)構(gòu)、防水保溫構(gòu)造。因此安裝集熱器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)算集熱器支架和連接件的額外荷載。（2）應(yīng)設(shè)計(jì)適配的預(yù)埋件及布置位置，宜考慮與建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)合，如梁、柱、板能否成否集熱器的風(fēng)荷載和雪荷載。施工時(shí)做好保溫、防水、排水等措施。（3）管線需穿過屋面或墻面時(shí)，應(yīng)預(yù)埋相應(yīng)的剛性防水套管，不影響建筑原有的防水保溫構(gòu)造。

4.4 設(shè)計(jì)使用年限問題

在正常維護(hù)下，太陽集熱器從目前的狀況看大約有15年左右的使用壽命，而建筑的壽命一般都在50年以上，太陽熱水系統(tǒng)存在更換問題。因此，其中連接件的材料及構(gòu)造宜同建筑結(jié)構(gòu)的使用年限。太陽熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合不能只關(guān)注一時(shí)的美觀，如果不注意壽命矛盾，那就會(huì)在將來的更替中給建筑帶來新的疤痕。

4.5 施工問題

目前太陽能熱水系統(tǒng)大多數(shù)由太陽能廠家或代理商負(fù)責(zé)施工安裝，由于各太陽能廠家或代理商施工水平參差不齊，施工質(zhì)量往往難以保證。另外由于太陽能廠家、開發(fā)商、設(shè)計(jì)院和施工單位之間的關(guān)注點(diǎn)和利益點(diǎn)不同，使得目前已經(jīng)建成的高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)依然存在設(shè)計(jì)或施工安裝方面的不足。

總結(jié)：

本文針對(duì)目前寧波市集中集熱、分戶儲(chǔ)熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統(tǒng)在高層住宅的應(yīng)用進(jìn)行了探討、分析。希望能為今后高層住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供建議，為擴(kuò)大太陽能熱水系統(tǒng)的使用范圍，倡導(dǎo)發(fā)展綠色住宅建筑起到一定的幫助作用。

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