王會(huì)松（洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南　洛陽　471000）

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太陽能熱水系統(tǒng)在住宅領(lǐng)域的設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

王會(huì)松（洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南洛陽471000）

近年來，我國能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益增多，能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想的深入化，世界各國均致力于清潔能源的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用。使用無污染能源和清潔能源已在各個(gè)領(lǐng)域展開，其中，太陽能作為清潔的可再生的自然能源，具有很大的利用潛力。利用太陽能而制造生產(chǎn)的熱水器便成其為節(jié)能、環(huán)保、低成本、安全、耐用的綠色能源新產(chǎn)品。隨著太陽能熱水器推廣使用，越來越多的建筑物屋頂都安裝了太陽能熱水器，但由于沒有統(tǒng)一規(guī)劃，安裝位置參差不齊，管道布置零亂，很不美觀。

太陽能熱水系統(tǒng)；住宅；人均日用熱水量

太陽能作為一種清潔安全的可再生能源，是節(jié)能環(huán)保的重要途徑。在建筑設(shè)計(jì)中體現(xiàn)綠色環(huán)保思想，凸顯節(jié)能亮點(diǎn)，將太陽能清潔能源引入到建筑或景觀、園林設(shè)計(jì)當(dāng)中，充分利用太陽能，采用更加節(jié)能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及采暖、熱水和空調(diào)系統(tǒng)，減少電力等常規(guī)能源采暖、熱水和空調(diào)使用，是未來住宅設(shè)計(jì)的發(fā)展道路之一。太陽能熱水器是最為常用的太陽能利用裝置，能夠提供洗浴、生活和采暖熱水，能量大、時(shí)間長、周期運(yùn)行費(fèi)用低、使用長、無噪聲、無污染、無危險(xiǎn)，如能廣泛應(yīng)用于住宅熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，可產(chǎn)生長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

1　太陽能熱水囂及熱水系統(tǒng)發(fā)展方向

在我國，從2006年深圳市率先出臺(tái)節(jié)能條例，首推12層以下的住宅建筑必須安裝太陽能熱水系統(tǒng)，為推進(jìn)可再生能源規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了法律基礎(chǔ)，江蘇、青島、上海等各城市相繼都出臺(tái)了規(guī)范條例，明確了太陽能熱水系統(tǒng)在建筑上的推行方向。具體實(shí)施中，為了更好的利用太陽能熱水技術(shù)，最關(guān)鍵的是應(yīng)該在建筑設(shè)計(jì)中把太陽能熱水系統(tǒng)與建筑進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，使之一體化，住宅建筑尤為典型。如圖1所示。

圖1　

2　集中太陽能熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)及概述

太陽能熱水系統(tǒng)利用太陽輻射加熱水，由集熱器、貯水箱、管道、控制設(shè)備四部分組成。我國大部分地區(qū)均處北緯40°以北，日照時(shí)間較長，均適合推廣太陽能熱水器。

太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)按系統(tǒng)運(yùn)行方式可分成如下三種：自然循環(huán)系統(tǒng)、直流式系統(tǒng)以及主動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)。在現(xiàn)階段建筑工程中熱水集中供應(yīng)采用的大多數(shù)為主動(dòng)循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)。

主動(dòng)循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng) （又稱強(qiáng)制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)）利用外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱媒或熱水經(jīng)過集熱、換熱器進(jìn)行循環(huán)、加熱、換熱。圖2為主動(dòng)循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在換熱器和貯水箱之間設(shè)置水泵，保證熱媒或熱水循環(huán)。管路上設(shè)有溫度控制閥門，根據(jù)集熱器與貯水的溫度差異控制水泵的啟停，同時(shí)，在儲(chǔ)水箱后設(shè)置加熱水箱，保證熱水供應(yīng)。根據(jù)工程實(shí)際情況不同，加熱水箱可酌情設(shè)置。

圖2　主動(dòng)循環(huán)式熱水系統(tǒng)

主動(dòng)循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)與其他太陽能熱水系統(tǒng)相比，增加了外部循環(huán)動(dòng)力，有利于提高熱效率，加強(qiáng)對熱水系統(tǒng)的控制，保證了‘熱水供應(yīng)的有效性’。目前在大規(guī)模的太陽能熱水工程中，可通過普通太陽能熱水器串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成上述各種系統(tǒng)。

3　實(shí)際工程推導(dǎo)

下面以工程為例闡述太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。某住宅為18層，1層4戶，戶均面積96m2，每層公攤面積55m2，南北朝向，周邊無遮擋，位于洛陽市。

該工程采用屋頂架設(shè)太陽能集熱板，集熱板坡屋頂下設(shè)置太陽能熱水機(jī)房，上供下回，干管循環(huán)的方案。

首先，計(jì)算供應(yīng)生活熱水所需太陽能集熱板的面積，依據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2003，2009年版），每戶套內(nèi)人數(shù)按3.5人計(jì)算。則，樓內(nèi)計(jì)算總?cè)藬?shù)為252人，該住宅樓的直接加熱供水系統(tǒng)的人均集熱器面積為：

式中：Ajz為直接加熱人均集熱器面積，m2；qr為設(shè)計(jì)日用熱水量，L/（人·d）；C為水的比熱，C=4.187KJ/（kg·°C）；tr為熱水溫度，tr=60°C；t1為冷水溫度，河南地區(qū)取t1=4°C；pr為熱水密度，60°C時(shí)，ρr=0.9833kg/L；Jt為集熱器采光面上年平均日太陽輻照量，河南取13482KJ/（m·d）；f為太陽能保證率；ηj為集熱器年平均集熱效率；η1為儲(chǔ)水箱和管路的熱損失率。

就特定區(qū)域而言，C，t1，Jt為固定值；qr，f，ηj，η1。為設(shè)計(jì)確定值，分別根據(jù)居住人群類型、設(shè)計(jì)保證率、產(chǎn)品特性及管網(wǎng)水箱選材各有不同。本工程參數(shù)按《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-給水排水》選取范圍為：qr=45～60L/（人·d），f=30～80%，ηj=45～50%，η1=15～30%，本次設(shè)計(jì)均按照中等要求選取，即：qr=50L/（人·d），f=50%，ηj=45%，η1=25%，最終計(jì)算可得，人均集熱器面積為 Ajz=1.26m2，該住宅樓所需集熱器面積S=318m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂若按滿鋪集熱器計(jì)算，可供應(yīng)的樓層為439/1.26/ 3.5/4=24.8層。

從上述計(jì)算可以看出方案是否成立與人均集熱器面積有關(guān)。根據(jù)規(guī)范，本方案中，最不利情況（該比較過程以人均需集熱器面積越大越不利）取值為：qr=60L/（人·d），f=80%，ηj= 45%，η1=30%，人均集熱器面積Ajz=1.63m2，則該住宅樓所需集熱器面積S=410m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂按滿鋪集熱器計(jì)算，可供應(yīng)的樓層為439/1.63/3.5/4=19層。

最有利情況取值為：qr=45L/（人·d），f=30%，ηj=50%，η1= 15%，人均集熱器面積Ajz=0.6m2，則該住宅樓所需集熱器面積S=151m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂按滿鋪集熱器計(jì)算，太陽能保證率只取30%時(shí)可供應(yīng)的樓層為439/0.6/3.5/4=52層。

4　數(shù)據(jù)分析

通過以上比較發(fā)現(xiàn)：

（1）集熱器面積為待定值，其面積大小與住戶人均熱水量、用戶對太陽能熱水要求的保證率、工程對集熱器和管路、水箱材質(zhì)的選型優(yōu)劣有很大關(guān)系，從上述最不利和最有利情況比較，人均集熱器面積可相差2.7倍。

（2）公式的四項(xiàng)變量qr，f，ηj，η1。分別涉及到住戶舒適性和能源消耗量，作為設(shè)計(jì)，需要從綠色建筑的角度考慮，同時(shí)兼顧住戶的舒適性做一定控制，即人均日用水量qr應(yīng)根據(jù)住宅等級(jí)盡量取高值，以滿足用戶用水，保證率f應(yīng)根據(jù)住宅定位選取適中值，ηj應(yīng)在投資方資金定位前提下，盡量選取高值，即采用集熱效率高的產(chǎn)品，η1則應(yīng)選取低值，即盡量選取優(yōu)質(zhì)管材和水箱，減少熱量無謂損失。仍以上述工程為例，取值為：qr=50L/（人·d），f=80%，ηj=50%，η1=15%，人均集熱器面積Ajz=1.64m2，則該住宅樓所需集熱器面積S=414m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂按滿鋪集熱器計(jì)算，可供應(yīng)的樓層為439/1.64/3.5/4=19層。

（3）同時(shí)可以看出，若人均熱水量相同，在實(shí)際工程中，一類住宅作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最低的戶型，其屋頂面積最小，采用太陽能熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)供應(yīng)的樓層將會(huì)最低；而四類住宅作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最高的戶型，其屋頂面積最大，采用太陽能熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)供應(yīng)的樓層將會(huì)最高。這也說明了住宅定位決定了住宅的最高樓層。

5　結(jié)束語

本工程模型建立在方案階段允許屋頂滿鋪集熱器，且周邊無遮擋的前提下，若方案無法滿足，使得可敷設(shè)面積縮水，則可供應(yīng)樓層會(huì)大大降低。即采用太陽能集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的住宅，需要在方案初期，根據(jù)建筑的規(guī)劃與周圍建筑的相對位置關(guān)系，以日照模擬分析作為參考，采用合適的集熱器布置方式。

2016-4-7

TU822

A

2095-2066（2016）12-0170-02