住宅太陽能熱水系統供水模式研究

鄭州大學建筑學院 劉磊

住宅太陽能熱水系統供水模式研究

鄭州大學建筑學院 劉磊

近年來，隨著能源可持續發展戰略的深入人心，使用無污染的清潔、可再生能源已在各個領域內展開。太陽能作為一種可以滿足人們可持續發展需要的新型能源，越來越受到廣泛的重視，現階段在對太陽能利用的各種技術手段當中，太陽能熱水的利用技術已經十分成熟，成為最經濟，產業化發展最快的一種。據統計，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，在未來具有良好的發展前景。而隨著太陽能熱水系統三十年來的發展，整體技術水平得到不斷地提高，并逐步由過去的粗放型使用模式發展到了集約型、注重于建筑一體化結合的新道路上。并由此形成了太陽能熱水多種供水模式的局面。大體上來看，可分為集中式供水、集中—分散式供水、分散式供水3種模式，本文著重探討現行的幾種太陽能熱水供水模式的運行原理及特點。

一、住宅集中供給熱水式解決方案

1.系統概況。集中供給熱水系統是指用集中的太陽能集熱器和集中的儲水箱來供給單棟住宅、幾棟住宅或一個單元住宅用戶生活用水的系統。目前，我國較多采用的是單元式集中熱水供應系統，相對于國外廣泛流行的可供給幾棟住宅的區域式集中熱水供應系統來說，筆者認為單元式更適用我國現階段的國情，這主要是由技術、價格方面的因素，和我國城市居民的居住特點和生活習慣來決定的。我國太陽能熱水技術從整體上落后于西方發達國家，在采取區域式熱水供應時，面臨許多技術上的問題需要解決。我國城市中單元式住宅的居住特點使每一個單元的居民相互非常熟悉，非常容易達成共識。因此，單元式熱水供應系統的日常管理比較方便，另外管道系統相對較短，維護費用較低，性價比相對較高。

集中供給熱水系統為分體式運行方式，系統包括太陽能集熱器和大水箱，兩者相互分離，管路系統承壓運行。太陽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部不走水的特點，并且都可以承壓運行，十分適用于分體式熱水系統。集熱器水箱中裝有水溫傳感器，進水管通過進水電磁閥與太陽能集熱裝置相通，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，出水管經自動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、自動增壓泵，都由設置的電腦控制系統控制其運作。

集熱器面積一般取決于以下幾個因素：設計日用水量、太陽能保證率、儲水箱內熱水的終止設計溫度、當地日平均或月平均日照量等因素。其中設計日用水量不僅決定集熱器面積，同時也決定著大水箱的規模大小，設計日用水量可以通過兩種方法來確定，一種是按最高日用水量確定，一種是按日平均用水量確定，前者特點是儲水量大，舒適性高，但經濟性差，且集熱器長期處于低負荷運行狀態使得集熱系統過導致集熱器和管路損壞的問題較為突出，因此，比較適合用于一些重要的大型工程項目。而對于普通城鎮居民生活熱水供應來說，一般情況下依據日平均用水量來確定設計日用水量經濟效益更佳。目前，太陽能輔助加熱系統可按照30～60L/（人·d）的標準進行設計。如果每戶太陽能生活熱水保證率設計的過高，不僅造成系統成本增加、成本回收期過長，并且全年大部分時間內的熱水都用不完，這將造成許多不必要的浪費。因此，在設計時通常取80%為依據。

2.系統特點。

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

（2）集中供給熱水系統的使用，利于平衡每戶的用水量，提高了太陽能利用效率。

（3）通過分戶計量的方式收取熱水費以使開發商初期投資可以通過后期的運行逐步收回，并能夠從中獲取收益。物業部門利用熱水費的收益進行系統的日常維護和管理，很大程度上節約了人力物力，減低了后期的維護成本。

（4）系統一體化設計由建筑設計階段開始進行，有助于提高熱水系統與建筑一體化水平。

二、住宅集中—分散供給熱水的解決方案

1.系統概況。住宅集中—分散供給熱水系統是指采用太陽能集熱器集中集熱和分散到戶的儲水箱供給用戶熱水的系統。該系統應既可負責一棟或幾棟住宅供應，也可以負責一個單元的熱水供應。同樣可以保證為用戶24小時提供熱水供應。與集中供給熱水系統不同的是，該系統的水箱分散布置在每一戶的用水終端，而不另單獨設置大水箱?？稍诿繎羲鋬燃友b電輔助或燃氣輔助加熱設備，當熱水溫度達不到使用要求時，開啟輔助加熱設備以達到理想的出水溫度。

2.系統特點。

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

（2）該系統由于統一集熱，分散使用，因此太陽能利用效率較高。

（3）該系統用戶可以自由的選擇是否經過太陽能加熱后的熱水再次進行電輔助加熱，因為在集中式系統中，大水箱自動檢測熱水溫度，如水箱中的水低于某一溫度后，將自動進行輔助加熱，這時普通用戶得到的通常為溫度較高的熱水（通常水溫高于45℃）。但是從經濟角度上考慮，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—分散供給熱水系統在使用過程中更為經濟。雖然初始投資有所增加，但系統壽命周期內的收益大于系統初始投資。

（4）集中—分散供給熱水系統和集中供熱水系統相比使得住宅一體化結合更加容易，因為該系統不設置大水箱，因此不必考慮對水箱的遮蔽。

三、住宅分散式供給熱水的解決方案

1.系統概況。分散式供給熱水系統指的是住宅每一戶單獨使用一套熱水器的形式。包括集熱器，水箱，管路，及控制設備等一套完整的太陽能熱水系統。通常所謂的家用太陽能熱水器，一般就是指這種這種系統，它是目前城鎮居民使用率最多的一種太陽能熱水設備。分散式供給熱水系統主要分為兩種形式，一種是整體式太陽能熱水器，即集熱器與水箱一體式設計，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能熱水器，該系統通過每戶安裝在陽臺、外墻或屋頂的集熱器吸收太陽輻射，使所生成的熱水傳遞并儲存在戶內的水箱里方便使用。當日照不足或用水量過大，水箱儲水難以滿足需要時，可通過電、燃氣等輔助加熱設備進行輔助加熱，以保證能產生充足的熱水。該系統每戶的系統獨立運行，獨立進行管理。

2.系統特點。分散式供給系統“麻雀雖小，五臟俱全”。該系統具有如下特點。

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

（2）分散式系統由每戶單獨實行管理，管理比較方便，如某一戶系統出現問題，不會影響其他用戶的使用。當然，分散式的維護也必然造成維護費用的增加。

（3）分散式系統由過去無序安裝在屋面的直插式熱水器改進為集熱器在陽臺或建筑立面統一布置，并進行有組織的排列，水箱則在陽臺等處隱藏在起來，做到了與住宅建筑的一體化結合。

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

（5）分散式系統分戶進行，基本不破壞原有的建筑結構，非常適合既有住宅的節能改造。

四、結語

通過上述分析，我們可以對太陽能熱水系統的集中供水模式產生較為全面、系統的了解。在針對不同類型的住宅的使用中，可以根據其自身特點，選配相應的供水模式，以達到節約成本、提高效率的目的。