高層住宅建筑節能熱水系統設計分析

摘 要：我國能源短缺問題依然嚴峻，而建筑業是耗能大戶，因此，建筑設計中采用更多的節能技術意義重大。對節能熱水系統的利用是住宅建筑開展節能工作的一大舉措，為了更好的應用該技術，本文就高層住宅建筑節能熱水系統的設計進行分析，以滿足用戶的要求。

關鍵詞：住宅；太陽能熱水系統；系統選擇；參數計算；運行模式

建筑在使用過程中會大量消耗自然資源，直接影響到人類社會的可持續發展。雖然我國是一個資源豐富的國家，但在建設發展的同時，也面臨著能源稀缺的尷尬局面，且發展前期大量能源消耗所換來的繁榮將難以長久維持，因此，建筑節能工作刻不容緩。建筑節能設計也成為了建筑師普遍和自覺的意識，越來越多的節能技術得到了應用，節能熱水系統就是近年來在住宅建筑中應用較為廣泛的一項節能技術，并且取得了一定效果。為了更好地應用節能熱水系統，筆者就高層住宅建筑節能熱水系統設計談談自己的一些分析和思考。

1 系統選擇

某高層建筑，每戶住宅設置獨立的太陽能熱水系統，太陽能集熱板設置15°傾角，預留挑板，建筑立面考慮一體化設計，將集熱板作為建筑立面的組成部分，做到與建筑的完美結合。

由于立面造型要求，不適合在陽臺設置太陽能集熱板，與業主協商確定采用集中集熱-分戶儲熱太陽能熱水系統；在建筑物屋面集中安裝太陽能集熱器，采用金屬-玻璃真空管集熱器，在每戶衛生間內安裝儲熱水箱，集熱系統通過循環管路將熱量輸送到每個用戶，通過儲熱水箱中的換熱裝置將每戶儲熱水箱中的自來水加熱供用戶使用；儲熱水箱中內置電輔助加熱裝置，當太陽能光照不足達不到供水溫度時采用電輔助加熱裝置加熱儲熱水箱中的自來水保證用戶使用，電加熱功率1.5kW。由于樓層較高，且每戶面積較小，屋面放置的太陽能集熱板無法滿足全部用戶熱水需求，下部樓層住戶擬采用分體式空氣源熱泵熱水系統，在衛生間設置集熱水箱，在室外設備平臺設置空氣源熱泵機組。具體設置樓層經計算確定。

2 參數計算

（1）集熱面積計算

太陽能直接系統太陽能集熱器采光總面積，式（1）計算：

（1）

As：太陽能直接系統太陽能集熱器總采光面積，（m2）

Qrd：設計最大日熱水用水量，（L/d），用水量標準采用40L/（人·d），每戶按2人計算，最大日熱水用水量為80L/d。

C：水的比熱，4.187kJ/（Kg·℃）

ρr：熱水密度，（Kg/L），取1.0Kg/L

tr：熱水溫度，（℃），取60℃

tL：水的初始溫度，（℃），取10℃

JT：當地集熱器采光面上的年平均日太陽能輻照量，[13316kJ/（m2·d）]

f：太陽能保證率（%），取40%

η：集熱器的年均效率（%），取40%

ηL：系統的熱損（%），取20%

根據式（1），計算得每戶太陽能直接系統太陽能集熱器采光面積為1.26m2。

太陽能間接系統太陽能集熱器采光總面積，按式（2）計算：

（2）

An：太陽能間接系統太陽能集熱器總采光面積，（m2）

As：太陽能直接系統太陽能集熱器總采光面積，（m2）

K：太陽能集熱器總熱損失系數，[kJ/（ m2·℃·h）

K1：換熱器傳熱系數，[kJ/（ m2·℃·h）

F：換熱器換熱面積，（m2）

根據太陽能廠家提供的資料，K·AsK1·F取0.20，每戶太陽能間接系統集熱器面積為

1.26×（1+0.20）=1.51m2

陽臺壁掛太陽能系統選用1.80 m2集熱器；集中分散太陽能系統集熱器面積按每戶1.60 m2計算，以12#地塊為例，建筑高度為27層，底層架空；標準單元每單元屋面可利用面積448 m2，共設置2.0×1.0真空管太陽能集熱器78塊，總集熱面積156 m2，可滿足12層共96戶用戶熱水需求。因此建筑16層至27層采用太陽能熱水系統，2層至15層采用分戶式空氣源熱泵熱水系統。

空氣源熱泵熱水系統水箱容積采用80L，滿足每戶1d的熱水用水量；最高日平均耗熱量為：

Qd=mqrC（tr-tl）ρr/T

=2×40×4.187×（60-10）×1.0÷（24×3600）

=0.194kW

熱泵機組設計小時平均秒供熱量為：

Qg：熱泵機組設計小時平均秒供熱量，（kW）

Qd：最高日平均秒供熱量，（kW）

T1：熱泵機組設計工作時間，（h），取12h

K1：安全系數；取K1=1.10

Qg=1.10×0.194×24÷12=0.427kW

設計選用空氣源熱泵機組額定功率0.45kW，機組平均能效比3.0，另設1.5kW電輔助加熱。

圖1 陽臺壁掛太陽能系統原理圖

圖2 集中集熱-分戶儲熱太陽能系統原理圖

圖3 空氣源熱泵熱水系統原理圖

3 系統運行模式

（1）陽臺壁掛太陽能熱水系統運行模式

陽臺壁掛太陽能熱水系統采用套管式真空管集熱器，真空管水平布置；系統采用間接自然循環，熱媒由于溫度差在換熱管內流動，進行熱量交換。

分戶集熱水箱內設置1.5kW電輔助加熱，電加熱采用時間、溫度雙重控制，每天下午6：00至凌晨0：00之間，當水箱內溫度低于50℃時啟動電加熱，高于60℃時電加熱關閉；具體時間可根據季節和各人生活習慣調整，必要時也可根據用戶需要手動啟動。

（2）集中集熱-分戶儲熱太陽能系統運行模式

系統循環采用定溫溫差循環，即當集熱器溫度高于60℃，且集熱器溫度與系統管道溫度溫差大于10℃時，系統循環泵啟動，集熱器中的高溫熱媒輸送至儲熱水箱內的換熱盤管加熱儲熱水箱中的自來水；當集熱器溫度低于55℃，或集熱器溫度與系統管道溫度溫差小于5℃時，系統循環泵停止運行，避免熱媒管道帶走儲熱水箱中的熱量。控制系統中各控制溫度可根據用戶需要進行調整。

集熱器與緩沖水箱間循環介質采用防凍液，緩沖水箱與集熱水箱間循環介質采用自來水，集熱循環管道和加熱循環管道均采取保溫措施，屋面明露的加熱循環管道設置電伴熱帶。當系統管道溫度低于2℃時，伴熱帶啟動為系統室外部分管道加熱，當系統管道溫度高于5℃時，伴熱帶關閉。

分戶集熱水箱電加熱系統控制與陽臺壁掛系統相同。由于集熱器溫度低于60℃時，循環加熱系統關閉，所以用戶熱水箱內的熱量不會被帶走。

（3）熱泵系統運行模式

熱泵系統熱水系統最高水溫可達60℃，用戶可根據需要進行設定；系統可采用定時啟動，盡量利用夜間用電低谷時段進行加熱，也可根據個人生活習慣設置；環境溫度低于-7℃時，熱泵效率降低，系統自動轉換為直接電加熱模式。

4 各系統優缺點

陽臺壁掛太陽能系統優點是系統簡單，運行費用低，無公用設備及水電費用，業主之間不會產生糾紛。缺點是由于太陽能集熱板安裝角度影響，集熱效率較低；部分建筑底部約7層-8層住戶日照不足4h/d，太陽能利用率比較低。集熱器和水箱設置在陽臺，對住戶使用功能和建筑立面有一定的影響；需要采取措施防止集熱板墜落影響地面人員安全。

集中集熱-分戶儲熱太陽能及空氣源熱泵熱水系統優點是集熱器集中設置在屋面，集熱效率高且資源共享，能最大限度地利用太陽能；儲熱水箱設置在衛生間吊頂，不影響建筑立面和住戶戶內空間，無安全隱患；低層住戶日照效果較差，采用空氣源熱泵熱水系統節能效果更好。缺點是需要設置公用管道和設備，占用一定的公共空間，初次投資較高，需要物業管理維護，有一定的運行費用；采用空氣源熱泵熱水系統，需在室外考慮放置室外機的設備平臺，這幾層平面會和上部有一些不同，建筑立面要考慮與上部協調。

5 結語

綜上所述，高層住宅建筑節能熱水系統的設計應根據建筑布局特點及住戶生活習慣，選擇合適的系統形式；系統最大程度地利用太陽能，便于操作，維護管理簡單；設計中與建筑專業密切配合，以打造真正環保節能、健康、舒適的高品質住宅。

參考文獻

[1] 張情.高層建筑太陽能熱水系統設計分析[J].城市建設理論研究，2012年第15期

[2] 錢斌.太陽能熱水系統在建筑工程中的應用與探討[J].建筑節能，2010年01期