住宅太陽能熱水系統與輔助加熱方式的選擇

上海城鄉建筑設計院有限公司 上海 201103

0 前言

太陽能作為取之不盡的清潔能源，它的應用是社會發展的必然趨勢[1-4]。目前，我國很多省市對于新建、改建建筑都有設置太陽能熱水系統的規定，太陽能利用如雨后春筍，方興未艾。

目前，在市場上用于住宅熱供水的太陽能熱水裝置大約有3 種[5]，其中集中集熱、集中貯水、分戶計量系統被稱為太陽能集中供熱水系統；集中集熱、分戶貯水、分戶計量被稱為太陽能集中-分散供熱水系統；分散集熱、分戶貯水被稱為太陽能分散供熱水系統。3 種熱水系統各有利弊，各有側重，如何選擇這3 種熱水系統，必須因時、因地、因建筑制宜。根據我們在實際工程中的經驗，分述如下。

1 高層住宅太陽能熱水系統的選擇

高層住宅太陽能熱水系統對上述3 種形式均可采用。

1.1 高層住宅集中供熱水系統、集中-分散供熱水系統

對于住宅供熱水系統來說，一般每戶約需3 m2的太陽能集熱板。高層住宅屋面一般都設有電梯機房、樓梯間及必要的通道，若屋面不被其他用途占用，對于大戶型（每戶建筑面積平均約100 m2），屋面面積約可滿足10～12層住戶集熱器的布置，若為小戶型（每戶建筑面積平均約80 m2），屋面面積約只能滿足7～8層住戶集熱器的布置。所以，12層以上的高層住宅如果采用集中供熱水系統、集中-分散供熱水系統，只能滿足部分住戶的要求。

對于10～12層住宅，目前一般多采用集中-分散供熱水系統。即將集熱器集中設在屋面，每戶分設承壓水箱，通過在公共管井設熱媒循環管，使太陽能的熱量傳遞到每戶。這樣集熱器等將作為公共財產，其管理、維修由物業公司承擔，而每戶使用的熱水取自戶內的冷水管，水費獨立計量。此系統解決了高層住宅分區供水的問題，是高層住宅比較理想的太陽能熱水系統，但是這將增加后期物業管理的工作及費用，所以開發商對這一系統還有所顧慮。

相對而言，集中供熱水系統對于高層住宅來說，由于存在屋面面積不夠、高層住宅分區供水及今后維修等問題，一般不常采用。

因此，集中-分散供熱水系統無論是對于高層住宅還是低層住宅都是一個值得推薦的指數較高的太陽能熱水系統。

1.2 高層住宅分散供熱水系統

由于高層住宅屋面面積的有限性，分散供熱水系統補充其不足，解決了屋面集熱面積不夠的問題，實現了每家每戶都能利用太陽能。如我們在上海三湘四季花城紫薇苑、玉蘭苑的設計中，即采用了太陽能熱水器與建筑一體化機組，該項目在建筑規劃、建筑朝向、建筑間距、建筑單體的設計中，就充分考慮到每戶的日照、太陽能集熱板的需求面積、設置要求及貯熱水箱的放置位置。在具體安裝中，我們將集熱器放在南側陽臺欄板外側，并與陽臺板充分結合，將水箱、智能泵站、膨脹罐與空調外機結合，置于空調機位空余位置。該系統每戶獨立，產權清晰，分戶計量，便于物業管理，無計費糾紛。從建成效果看，不僅使家家戶戶使用了太陽能，達到了節能的效果，而且在建筑立面設計時即考慮了集熱板的設置，集熱板并沒有影響建筑立面。集熱板設置如圖1。

圖1 分散供熱水系統的集熱板設置

2 多層住宅太陽能熱水系統的選擇

4～6 層多層住宅太陽能熱水系統同樣可采用集中供熱水系統、集中-分散供熱水系統、分散供熱水系統[6]。別墅的太陽能熱水系統一般采用分散供熱水系統。

2.1 多層住宅集中供熱水系統、集中-分散供熱水系統

多層住宅由于屋面面積基本能滿足全部住戶集熱器的設置，所以集中供熱水系統是4～6 層住宅太陽能熱水系統的主要模式，但由于今后的維修、計費等問題，一般又不常采用。此系統多用于公共建筑。

多層住宅集中-分散供熱水系統，類同前述10～12 層高層住宅的模式。我們在南通中港城4～6 層住宅的設計中，即采用了該系統，集熱器集中設在屋頂，熱水箱設在每戶戶內，在公共管井內設有熱媒供水管及熱媒回水管，供回水管采用同程布置。如圖2所示。

圖2 多層住宅的集中-分散供熱水系統

2.2 多層住宅的分散供熱水系統

多層住宅的分散供熱水系統分為2 種形式，第一種為每戶1 個設在屋頂的集熱器與熱水箱一體機，但每戶有2 根進出水管需設在公共部位，加之集熱器及水箱的粗糙外形，對建筑立面有一定的影響，開發商與住戶均難以接受；第二種是集熱器與熱水箱分離，將每戶的集熱器都設在屋頂，水箱則設在每戶戶內（臥式或立式），由2 根熱媒管連接每戶的屋頂集熱器與戶內水箱，該系統無計量矛盾。這一系統既滿足了集熱器的設置要求，又不影響建筑立面，但由于熱媒管為銅管，造價相對較高。

別墅太陽能熱水系統一般都采用每戶獨立的分散供熱水系統。由于別墅每戶有足夠的屋面，所以集熱器的放置將不成為一個問題，同時還可適當增加集熱器面積，使集熱效果更加好。如東方帕堤歐項目的別墅住宅，其屋頂為坡頂，在施工圖設計時即考慮將集熱器結合坡頂設置，并且安裝預留配件，所以集熱器與屋頂巧妙地融為一體，立面效果良好。該項目頂層還留有設備平臺，水箱即設于該平臺。

3 輔助熱源及室內熱水系統的選擇

太陽能這種綠色能源正在被人類社會越來越多的應用，但它的不足是“靠天吃飯”，倘日照不足，將嚴重制約太陽能熱水系統的效果。為此，作為“備份”，輔助熱源也就成為太陽能熱水系統補充的不二選擇。

3.1 空氣源熱泵

空氣源熱泵作為輔助熱源均可適用于上述3 種太陽能供熱水系統的補充。在太陽能輔助熱源中，理論上來說應首推空氣源熱泵[7]。因為空氣源熱泵全天候制熱水，彌補了太陽能熱水系統在陰雨、黃梅或其他缺乏日照時的缺陷，此外，空氣源熱泵本身亦屬于節能產品。

但就天陽能分散供熱水系統而言，一則需要另外設置一個空氣源熱泵機組（類似空調室外機）須有機位的要求，二來空氣源熱泵將冷水制成熱水是需要一定的時間，使用的舒適性會降低。故在住宅設計中，一般不常采用，多用于公共建筑。

3.2 電加熱

電加熱常用于太陽能集中-分散供熱水系統、分散供熱水系統的輔助方法。由于電加熱比較方便，故電加熱常被選用作為一種輔助加熱方法。但是電加熱的能耗比低，且作為二次能源，不節能。特別是在在有電費分時計費的城市，很難享受到分時計費的好處。當太陽能被確認某天不能滿足使用要求時，為滿足當天的使用要求，則必須在白天計費時段完成電加熱，同時為使第二天能充分利用太陽能加熱，在晚間計費時段不用將水箱中的水完成加熱（早晨有熱水大用量的除外）。所以我們不推薦電加熱作為太陽能輔助熱源的加熱方式。

電加熱作為輔助熱源，一般多用于集熱器與熱水箱為一體的太陽能熱水器。

3.3 燃氣熱水器輔助熱源

同樣，燃氣熱水器亦均適用于太陽能集中供熱水系統、集中-分散供熱水系統、分散供熱水系統的輔助熱源。

太陽能與燃氣熱水器的有機結合，可在滿足用水舒適度的前提下，最大限度地利用太陽能[8]。用戶使用多少熱水，就加熱多少，毋需將整箱水加熱。

3.3.1 普通家用燃氣熱水器

普通家用燃氣熱水器使用時，水從水箱進入燃氣熱水器加熱，出水達設定溫度，供用水點使用。但普通家用燃氣熱水器對進水溫度的判斷有限，當夏天光照強烈時，如太陽能熱水箱水溫已達70 °C，水箱出水經過燃氣熱水器時，雖然燃氣熱水器不工作，但過熱的進水，會影響燃氣熱水器的使用壽命。所以普通家用燃氣熱水器作為輔助熱源，有其局限性。

3.3.2 燃氣壁掛爐

我們在上海三湘海尚項目設計中采用了該形式。由于該樓盤為高檔精裝修房，每戶均設置有空調地暖，所以太陽能輔助熱源采用了燃氣壁掛爐。燃氣壁掛爐是一種較大型的燃氣熱水器，既有提供地暖熱水的功能，又能滿足衛生熱水的要求。該熱水器內置換熱板，在換熱板前設有溫感器，可以對進水水溫進行感溫，當進水溫度小于設定使用溫度時，熱水爐啟動加熱，當進水溫度滿足使用溫度時，熱水爐不啟動，而直接使用由太陽能加熱的熱水。由于該熱水器設置換熱板，故進出水升溫可有效控制，幾乎為無級調溫。

由于燃氣壁掛爐可滿足開發商對空調地暖的要求，衛生熱水系統可采用室內熱水循環系統，所以燃氣壁掛爐是一個高品質的輔助熱源。它既充分利用了太陽能，使用時又安全、舒適，還能適用于空調地暖，所以目前在中高端的樓盤，尤其是精裝修房，設計多推薦此方案。但該熱水器價格較高，如用戶無需地暖，則不適合選用此方案。

3.3.3 混合閥

以上2 種燃氣熱水器各有特點，也均有局限性，如何在不采用地暖的情況下，使普通家用燃氣熱水器作為輔助熱源，安全地達到使用要求，有的項目就在燃氣熱水器進水前，設一混合閥，通過該閥判斷進水水溫，當進水溫度小于設定溫度時，水流進入燃氣熱水器，當進水溫度高于設定溫度時，水流通過旁通管直接進入熱水管網，使用下來效果不錯。

3.3.4 室內熱水系統

太陽能熱水系統必須設有水箱，特別是集中-分散供熱水系統、分散供熱水系統，水箱設于每戶戶內，一般均為閉式承壓水箱[9]。所以對于這2 種系統的室內熱水系統來說，既可采用熱水直供系統，也可采用機械循環系統。

熱水直供系統在使用中會損失管中部分冷水，不利于節水，同時舒適性較差。

建議熱水系統采用機械循環方式，熱水循環泵的啟閉采用溫感控制，使用舒適性好。

對于輔助熱源為燃氣熱水器的室內熱水系統，則必須設有熱水箱溫度控制系統，以使太陽能加熱未達設定溫度時，室內熱水循環泵不啟動，同時再增設手動系統，控制系統繁瑣。所以我們在設計中，對于循環泵的啟閉通常采用了延時開關，可在室內設1 個或若干個延時開關，設定30～60 s自行關閉。使用時只需觸摸開關，即啟動了循環泵，打開水嘴便可使用熱水，真正達到節能、節水的效果。

4 結語

根據社會需求，我們在住宅設計之初即介入太陽能熱水系統的設計，并根據不同的建筑層數、開發商不同的要求及投資需求，量身定制太陽能熱水系統。從已竣工的大量項目中，取得非常好的實效，得到了社會認可。

如在上海三湘四季花城紫薇苑、玉蘭苑高層住宅的設計中，我們采用太陽能熱水器與建筑一體化機組，將集熱器設置在每戶南側的陽臺板上，該建筑現已竣工，使用情況良好。無論立面造型，還是社會效益，都收到滿意的效果。該工程實例被寫入《上海市太陽能圖集》，在上海是一個成功的范例。

根據以往經驗，我們認為：

（a）在設計之初，即要確定太陽能設計體系及各裝置的設置部位及其技術要求，應結合建筑立面、屋頂造型，使太陽能系統融入建筑，成為建筑的一部分。

（b）輔助熱源、室內熱水系統不是千篇一律的，各有利弊，可以靈活組合，以滿足住戶及開發商的不同需求。