太陽能熱水系統在高層建筑中的應用

鮑曉麗

上海航天建筑設計院，上海 200033

太陽能作為一種可再生的清潔能源，近年來在建筑中的利用日益受到關注。其中，太陽能熱水系統是目前太陽能利用領域中技術發展最成熟、經濟上也具有競爭力的綠色能源技術。

太陽能熱水系統在中小城市，特別是在多層住宅中的設計已趨近成熟。但隨著太陽能熱水系統的推廣和發展，其在小高層、高層建筑的設計顯得更為重要。目前太陽能熱水系統在小高層、高層建筑中的應用，主要采用集中集熱分戶換熱、集中集熱分戶供水、集中集熱分戶輔熱和分戶集熱分戶輔熱（陽臺型）熱水系統四種類型。

圖1 集中集熱分戶換熱系統原理圖

1 集中集熱分戶換熱

集中集熱分戶換熱是指采用集中的太陽能集熱器和分散式的室內水箱供給一個單元或者一棟建筑物所需熱水的系統。一般以一個單元或者樓為系統單元，系統多為承壓系統，通過強制循環將太陽能轉化成的熱量傳遞給每家每戶，陰雨天或者水量大時可啟動戶內輔熱。

系統特點是太陽能集熱器根據需要集中設置，可以設置在建筑屋面、墻面等可充分接受陽光的位置。樓頂放置一個集熱水箱，而每戶室內再設置一個小的分戶儲水箱。太陽能與室內水箱進行換熱，室內水箱輔助加熱，太陽能系統可以是承壓系統也可為非承壓系統。優點：物業管理和計量方便，各室內的儲水箱為系統獨立，太陽能進行換熱，從而達到節能的效果，維護方便。缺點：該系統的投資大，管道熱損失大。太陽能系統效率低，低層系統壓力大，設備及設計要求高。

2 集中集熱分戶供水

集中集熱分戶供水是指采用集中的太陽能集熱器和集中的集熱水箱供給一個單元或者一棟建筑物所需的熱水，通過熱水計量方式計算用水量。集中的儲水箱配置輔助加熱。系統運行費用計入熱水水費中。

圖2 集中集熱分戶供水系統原理圖

系統特點是太陽能集熱器根據需要集中設置，設置一個或者兩個（一個用于集熱，一個用于儲熱）儲水設備，進行供水；供熱終端則有計量裝置。優點：節約投資；系統采用定時定溫管道循環，打開即有熱水，熱損失相對小；開式系統、設備投資小、系統簡單；采取定水量或者定水箱使用輔助能源加熱，節約能源和縮短時間；合理的水費可為物業盈利。缺點：物理管理和計量收費相對麻煩，用水時間不統一造成后續用水量不足或者輔助能源消耗量增加。

3 集中集熱分戶輔熱

圖3 集中集熱分戶供水系統原理圖

集中集熱分戶輔熱是指采用集中的太陽能集熱器和集中的集熱水箱，每戶配置一個燃氣掛壁爐或者電熱水器，太陽能提供比較高的基礎水溫，供給一個單元或者一棟建筑物所需的熱水，太陽能不能滿足需求時啟動室內設備，熱水按照冷水進行計量，將系統運行維護費用計入物業費里面。

系統特點是太陽能集熱器根據需要集中設置，同樣可以放置在建筑屋面、墻面等可充分接受陽光的位置。樓頂放置一個集熱水箱，而每戶室內再設置一個小儲水箱或者燃氣壁掛爐。太陽能提供比較高的基礎水溫，各戶有獨立使用的儲水箱（或者燃氣掛壁爐），并設有水表，各戶使用的熱水都是各戶內的儲水箱（或者燃氣掛壁爐）輔熱后生成。優點：物業管理和計量方便，室內系統獨立，太陽能提供比較高的基礎水溫，從而達到節能的效果，維護方便，系統可以起到最大化的互補。優點：因天氣變化進入各戶儲水箱（或者燃氣掛壁爐）的基礎水溫變化較大，對后續的輔熱設備提出了較高的要求。

4 分戶集熱分戶輔熱（陽臺型）

此系統是將集熱器安裝在建筑南立面、陽臺等位置，適合高層、小高層建筑中安裝，集熱器采光時間不少于4h。水箱主要安裝在陽臺位置，減少熱損失。集熱器要有防止真空管掉落的措施。系統承壓運行或常壓運行、增壓供水，每戶為獨立系統，系統簡單，和建筑完美結合。此系統的優點為每戶獨立系統，彌補了目前很多住宅建筑入住率低的缺陷。缺點：因集熱器安裝在建筑的南立面，每戶獨立系統，建筑的高度、位置以及每戶所處的位置不同等等都將決定該系統的運行。

根據該系統的循環方式，分為陽臺強制循環系統和陽臺自然循環兩種。

1）陽臺強制循環系統

集熱器、換熱器和循環管路中的太陽能站構成了溫差循環管路。溫差循環功能通過控制器的溫差設定完成，當集熱器與儲水箱的溫差大于太陽能的啟動溫度時，太陽能啟動，使管路中的傳熱介質流動，通過換熱器將熱量傳遞給水箱內的水；反之同理。電加熱構成輔助熱源部分，用于太陽能不足或對水溫要求較高時的熱量補充。

2）陽臺自然循環系統

整個系統由集熱器、水箱、介質循環管路構成溫差循環管路。陽光照射到真空管上，光能被真空管內管外壁上的選擇性吸收涂層吸收，并轉化為熱能，加熱集熱器內的介質，集熱器內的介質溫度升高后，密度變小，與水箱夾套的介質形成對流，熱的介質自然往上循環，冷的介質從水箱的夾套回流到集熱器，集熱器再將回流的介質加熱，如此往復，水箱內的水被加熱，水溫上升。整個循環過程靠介質對流完成，不需要循環泵強制運行。

考慮到陰雨天及冬季太陽能不能提供滿足設計需求的熱量，因此，相對其它熱水系統，太陽能熱水系統的特別之處就在于其輔助加熱必不可少。常用輔熱方式有：電、蒸汽、燃油燃氣鍋爐、空氣源或水源熱泵加熱等。按照輔熱的集中與否分為集中輔熱和分戶輔熱。

集中輔熱的優點：集熱、儲熱及輔助加熱均集中設置，可達到資源共享，總能耗低。缺點：系統集中運行，一旦出現故障，所有用戶熱水將不能得到保證；管道及系統控制相對復雜，需專門人員維護管理；需要消耗公共能源進行輔助加熱，故需要分戶計量并收取生活熱水費用，給物業管理增加難度；入住率對熱水運行成本有較大影響；初投資較高。分戶輔熱的優點：太陽能集熱器集中設置，可達到資源共享；陰雨天太陽能不足時，由住戶根據需求自主選擇是否輔助加熱，使用時互不干擾；初投資較低；減少了集中輔熱帶來的費用分攤和管理上的矛盾。缺點：用水不如集中輔熱方便、舒適；安全度不如集中輔熱系統。

隨著太陽能熱水系統的大力開發，選擇何種輔助熱源以及如何將輔熱方式和太陽能熱水系統更好地結合將成為新的研究方向。同時，隨著人們對生活質量要求的進一步提高，如何將太陽能熱水系統與住宅建筑密切結合，尋求外形美觀、布局合理的太陽能熱水系統與建筑一體化的住宅設計將成為當代太陽能利用的主要潮流。